JP6752365B2 - ベンド鋼管およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ベンド鋼管およびその製造方法に関する。
石油、天然ガスの輸送用パイプラインに用いられる鋼材には使用環境に応じた耐食性、特に、水素誘起割れ（ＨＩＣ：Hydrogen Induced Cracking）に対する耐性（以下、耐ＨＩＣ性という。）が要求され、さらには厚肉（肉厚３０ｍｍ以上）であること、および高強度（API 5L/ISO 3183 に規定されるＸ６５グレード：ＹＳ４５０〜６００ＭＰａ）であることが要求される。パイプラインは、直線状の管（直管）だけでなく、敷設される地形に応じて、曲線部分を有する管（ベンド管）が使用される。また、海底に抗口装置を設置する海底仕上げ井においては、海洋プラットフォームに接続されるフローラインと、海底機器とを接続する必要があるが、フローラインと海底機器との接続部分などにおいてもベンド管が使用される。ベンド管には、直管と同様の機械的特性が要求されるため、直管の一部を熱間で曲げ加工した後、焼入れ焼戻しが行われる。
特許文献１には、所定の化学組成を有する溶接鋼管を熱間で曲げ加工した後、７００〜５００℃の温度域で５℃／ｓ以上の肉厚方向中心部の冷却速度で３００℃以下の温度域まで冷却し、その後３００℃以上５００℃以下の温度域で焼き戻したベンド鋼管が開示されている。
特許文献２には、所定の化学組成を有する溶接鋼管を熱間で曲げ加工した後、３℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下の温度域まで冷却し、その後３００〜５００℃の温度域で焼戻したベンド鋼管が開示されている。
特許文献３には、曲げ部とその両端の直管部からなる継目無ベンド管であって、両管端部の内径が曲げ部の内径よりも大きい継目無ベンド管が開示されている。
特許文献４には、所定の化学組成を有する直管をＡｃ３点以上、１０５０℃以下の温度範囲に加熱して曲げ加工を行い、その直後に焼き入れ処理を施し、次いで、２５０〜５００℃の温度範囲で焼き戻したベンド鋼管が開示されている。
特許文献５には、所定の化学組成を有する直管をＡｃ３以上Ａｃ３＋１００℃以下の温度に加熱して曲げ加工を行い、直ちに８００℃から５００℃間の冷却速度を０．５℃／ｓ以上の冷却速度で空冷した後、６５０℃以下の温度で焼き戻したベンド鋼管が開示されている。
特許文献６には、所定の化学組成を有する直管を９００〜１０５０℃の温度範囲で加熱して曲げ加工を行った後に急冷する焼入れ処理を施し、次いで、４５０〜６００℃の温度範囲で焼戻し処理を施したベンド鋼管が開示されている。
国際公開第２００８／１３９６３９号 国際公開第２００８／００７７３７号 特開２００８−２４９０１０号公報 特開平７−３３３０号公報 特開平６−３３０１６９号公報 特開平４−１５４９１３号公報
ラインパイプ用鋼には優れた溶接性が求められる。このため、溶接されること無く施工される油井管（ＯＣＴＧ：Oil Country Tubular Goods）用鋼などに比べて、ラインパイプ用鋼は低い炭素当量となるように成分設計されており、焼入れ性が低い。その結果、ラインパイプ用鋼に一般的な熱処理である焼入れ焼戻しを行うと、焼入れ時の冷却速度が速い表面部は、硬さが高くなり、冷却速度が遅い肉中部は、硬さが低くなって、肉厚方向においてＵ字型の硬度分布となる。この硬度分布は焼戻し後も残存する。
耐サワーラインパイプは、優れた耐ＨＩＣ性を得るために低硬度での管理が必要であるが、上記の硬度分布が残存することは、製造時の課題である。また、ラインパイプ、海底機器などに溶接されるベンド管も、直管と同様の成分設計がされ、硬度分布も同様になる。特に、ベンド管は、その形状が複雑であり、また、焼入れ時の冷却速度が直管に比べて遅くなる。その傾向は、肉厚が３０ｍｍ以上の厚肉のベンド管において顕著であり、Ｘ６５グレード（ＹＳ：４５０〜６００ＭＰａ）の高強度と、ビッカース硬さ（ＨＶ１０）で２３０以下の低硬度を確保するのは非常に困難になる。
特許文献１および特許文献２の発明では、冷却後の熱処理（焼戻し）温度が３００〜５００℃であり、低すぎる。特許文献３には、曲げ加工の温度、冷却速度、冷却後の熱処理温度が開示されていない。特許文献４〜特許文献６の発明では、曲げ加工前の加熱温度が低すぎる。特に、肉厚が３０ｍｍ以上の厚肉のベンド管では、これらの文献の実施例に記載されるような、肉厚が３０ｍｍ未満のベンド管とは異なり、十分に高い冷却速度を確保することが困難となる。このため、従来技術においては、曲げ部において、十分な強度および耐食性を備えるベンド鋼管を得るには至っていない。
本発明は、曲げ部の強度および耐ＨＩＣ性に優れるベンド鋼管を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の課題を解決するべく、鋭意研究を重ねた結果、下記の知見を得た。
（１）曲げ加工時の加熱温度が１０５０℃未満の場合には、得られたベンド鋼管の曲げ部の肉厚中心部における硬さが低下し、その後に焼入れを行っても、この肉厚中心部の硬さを回復するのは困難である。その結果、曲げ部における降伏応力が低下する。このようなベンド鋼管に比較的高温の熱処理を実施すると、表面の硬さを低下させることはできるが、肉厚中心部の硬さを上昇させることはできない。結果として、Ｘ６５グレード（ＹＳ：４５０〜６００ＭＰａ）の高強度材が得られない。よって、曲げ加工時の加熱温度を１０５０℃超、特に、１０６０℃以上にすることが重要である。
（２）上記のように、比較的高温で曲げ加工を行うことにより、曲げ部の肉厚中心部における硬さを高くすることができるが、表層の硬さは上昇しすぎる。このため、そのような曲げ加工をしたベンド鋼管に、５００℃以下の熱処理を行っても、表層の硬さを十分に下げることが困難である。特に、ベンド鋼管の曲げ部の外側（背側）の部位（曲げ加工時に引張荷重が付与された部位）の硬さが高くなり、所望の耐ＨＩＣ性が得られなくなる。よって、冷却後の熱処理温度は、５００℃超、特に、５１０℃以上にすることが重要である。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、下記のベンド鋼管およびその製造方法を要旨とする。
〔１〕直管部と、前記直管部の外径の３倍以上の曲げ半径を有する曲げ部とを備え、肉厚が３０ｍｍ以上のベンド鋼管であって、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０４〜０．０８％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、
Ｍｎ：１．００〜１．７０％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｃｕ：０〜０．５０％、
Ｎｉ：０〜０．５０％、
Ｃｒ：０〜０．５０％、
Ｍｏ：０〜０．５０％、
Ｓｏｌ．Ａｌ：０〜０．１０％、
Ｃａ：０〜０．００５０％、
Ｎｂ：０〜０．０５０％、
Ｖ：０〜０．１０％、
Ｔｉ：０〜０．０３０％、
残部がＦｅおよび不純物であり、下記（１）式から求められるＣｅｑ：０．３５％以上であり、
前記直管部および前記曲げ部において、降伏応力が４５０〜６００ＭＰａ、ビッカース硬さ（ＨＶ１０）が２３０以下である、ベンド鋼管。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５・・・（１）
ただし、上記（１）式中の各元素記号はそれぞれの元素の含有量（質量％）を意味する。
〔２〕前記化学組成が、
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、
Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、
Ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１０％、
Ｃａ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｎｂ：０．００１〜０．０５０％、
Ｖ：０．０１〜０．１０％および
Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％
から選択される１種以上を含む、
上記〔１〕のベンド鋼管。
〔３〕下記（２）式および（３）式を満たす、
上記〔１〕または〔２〕のベンド鋼管。
Ｈｖ１０I−Ｈｖ１０M≦３０・・・（２）
Ｈｖ１０O−Ｈｖ１０M≦３０・・・（３）
ただし、上記（２）式および（３）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Ｈｖ１０I：前記曲げ部の内面から１．５ｍｍ深さ位置におけるビッカース硬さ（ＨＶ１０）
Ｈｖ１０M：前記曲げ部の肉厚中心位置におけるビッカース硬さ（ＨＶ１０）
Ｈｖ１０O：前記曲げ部の外面から１．５ｍｍ深さ位置におけるビッカース硬さ（ＨＶ１０）
〔４〕シームレス鋼管である、
上記〔１〕〜〔３〕のいずれかのベンド鋼管。
〔５〕肉厚が５０ｍｍ以下である、
上記〔１〕〜〔４〕のいずれかのベンド鋼管。
〔６〕下記の（１）〜（４）の工程を順に行う、上記〔１〕のベンド鋼管の製造方法。
（１）肉厚が３０ｍｍ以上であり、上記〔１〕の化学組成を有する鋼管を１０５０℃超１１００℃以下の所定の加熱温度に、１０〜３０℃／ｓの平均昇温速度で加熱する工程、
（２）前記鋼管を、前記加熱する工程に引き続き直ちに、曲げ半径が前記鋼管の外径の３倍以上となるように曲げてベンド鋼管を得る工程、
（３）前記ベンド鋼管を、８００〜５００℃の温度域における平均冷却速度が３℃／ｓ以上で冷却する工程、および、
（４）前記ベンド鋼管に、５００℃超６００℃以下の温度範囲で熱処理する工程。
〔７〕前記（１）の工程において、前記鋼管の全長に亘って加熱する、
上記〔６〕のベンド鋼管の製造方法。
〔８〕前記（２）の工程において、曲げ角度が２０°以上となるように曲げる、
上記〔６〕または〔７〕のベンド鋼管の製造方法。
本発明によれば、Ｘ６５グレード（ＹＳ：４５０〜６００ＭＰａ）の高強度と、優れた耐ＨＩＣ性を有するベンド鋼管を得ることができる。
本実施形態に係るベンド鋼管の例を示す模式図 図１中のａ−ａ断面図
以下、図を用いて、本実施形態に係るベンド鋼管を説明する。
１．ベンド鋼管
（１）形状
図１に示すように、本実施形態に係るベンド鋼管１は、直管部２と、曲げ部３とを備える。曲げ部３の曲げ半径ｒ（ｍｍ）は、直管部２の外径ＯＤ（ｍｍ）の３倍以上、すなわち３ＯＤ以上である。曲げ部３の曲げ半径ｒ（ｍｍ）が３ＯＤ未満であると、曲げ部の内側部分（腹側部分）３ａと外側部分（背側部分）３ｂとで肉厚の差が大きくなり過ぎて、機械特性のバラつきが大きくなり過ぎる。曲げ半径ｒの上限は、特に定めないが、曲げ半径が大きいと曲げ加工時に加工場所を広くとる必要があり、設備上の制約から、２０ＯＤとするのが好ましい。曲げ角度θは、実際の使用条件に応じて設計すればよく、実用上は、１８０°以下である。なお、本実施形態においては、曲げ半径ｒは、ベンド鋼管１の中心を通る線（中心線）における曲げ半径を意味する。
本実施形態に係るベンド鋼管１の肉厚は、例えば、３０〜５０ｍｍである。本発明の効果は、３０ｍｍ以上の厚肉のベンド鋼管において顕著となり、本発明は、特に、３５ｍｍ以上の厚肉のベンド鋼管において好適に利用できる。
本実施形態に係るベンド鋼管は、鋼板を曲げて当接部を溶接した溶接鋼管であってもよいし、穿孔圧延機などを用いて製造されたシームレス鋼管であってもよい。特に、本実施形態に係るベンド鋼管は、Ｘ６５グレード（ＹＳ：４５０〜６００ＭＰａ）の高強度と、優れた耐ＨＩＣ性を有するので、パイプラインおよびフローラインなどに用いるのが最も適している。その観点からは、本実施形態に係るベンド鋼管は、シームレス鋼管に曲げ加工を行って得たベンド鋼管であることが好ましい。
（２）化学組成
本実施形態に係るベンド鋼管は、下記の化学組成を備える。なお、下記の説明において、含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０４〜０．０８％
Ｃは、強度の上昇に有効な元素である。Ｘ６５グレード以上の強度を有するために、その含有量は０．０４％以上とする。一方、Ｃ含有量が過剰な場合、靭性が著しく低下して母材の機械的特性に悪影響を及ぼし、またスラブの表面傷の発生が増加する。このため、Ｃ含有量は０．０８％以下とする。Ｃ含有量の上限は０．０７％であることが望ましく、下限は０．０５％であることが望ましい。
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％
Ｓｉは、鋼の脱酸剤として用いられる元素であり、また鋼を強化するのに有効な元素であるため、その含有量は０．０５％以上とする。一方、Ｓｉ含有量が過剰な場合、靭性が著しく低下し、ベンド鋼管の機械的性質が低下する。このため、Ｓｉ含有量は０．５０％以下とする。Ｓｉ含有量の上限は０．３０％であることが望ましく、下限は０．１０％であることが望ましい。
Ｍｎ：１．００〜１．７０％
Ｍｎは、鋼の強度および靱性を高めるのに有効であり、その含有量は１．００％以上とする。一方、Ｍｎ含有量が過剰な場合、靭性が低下するので、Ｍｎ含有量は１．７０％以下とする。Ｍｎ含有量の上限は１．６０％であることが望ましく、下限は１．２０％であることが望ましい。
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは、鋼中に不可避的に存在し、その含有量が過剰な場合には、耐食性を劣化させるので、その含有量は０．０１５％以下とする。Ｐ含有量の上限は０．０１３％であることが望ましい。
Ｓ：０．００２％以下
Ｓは、鋼中に不可避的に存在し、その含有量が過剰な場合には、母材の靭性を劣化させるので、その含有量は０．００２％以下とする。
Ｃｕ：０〜０．５０％
Ｎｉ：０〜０．５０％
Ｃｒ：０〜０．５０％
Ｃｕ、ＮｉおよびＣｒは、いずれも固溶強化および焼入れ性向上に寄与する元素であり、靭性を大きく損なうことなく強度を高めることができるので、ベンド鋼管に含有させてもよい。しかし、Ｃｕ含有量が０．５０％を超えると、Ｃｕチェッキングが発生し、スラブの表面傷の原因となる。Ｎｉ含有量が０．５０％を超えるとコストの上昇が顕著になる。Ｃｒ含有量が０．５０％を超えると靭性が低下する。したがって、Ｃｕ、ＮｉおよびＣｒのいずれの元素も、その含有量は０．５０％以下とする。Ｃｕ、ＮｉおよびＣｒのいずれの元素も、上記の効果を得るためには、０．０５％以上含有させることが望ましい。Ｃｕ含有量の上限は０．３０％であることが望ましく、下限は０．０５％であることが望ましい。Ｎｉ含有量の上限は０．４０％であることが望ましく、下限は０．０５％であることが望ましい。Ｃｒ含有量の上限は０．４０％であることが望ましく、下限は０．０５％であることが望ましい。
Ｍｏ：０〜０．５０％
Ｍｏは、靭性の劣化を抑制するとともに、強度を高める効果を有するので、ベンド鋼管に含有させてもよい。しかし、Ｍｏ含有量が０．５０％を超えると、ベンド鋼管の敷設時の周溶接性が劣化するので、Ｍｏ含有量は０．５０％以下とする。Ｍｏ含有量の上限は０．３０％であることが望ましく、下限は０．０５％であることが望ましい。
Ｓｏｌ．Ａｌ：０〜０．１０％
アルミニウム（Ａｌ）は、Ｎと結合して微細な窒化物を形成し、鋼の靱性を高めるので、ベンド鋼管に含有させてもよい。Ａｌが少しでも含有されていれば、上記の効果が得られる。一方、Ａｌ含有量が過剰な場合、Ａｌ窒化物が粗大化し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ａｌを含有させる場合には、Ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）として、その含有量は０．１０％以下とする。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０６％である。
Ｃａ：０〜０．００５０％
Ｃａは、介在物の球状化に効果があり、水素誘起割れおよびラメラティアを防止するのに有効な元素であるので、ベンド鋼管に含有させてもよい。しかし、Ｃａ含有量が０．００５０％を超えるとこれらの効果は飽和するので、Ｃａ含有量は０．００５０％以下とする。Ｃａ含有量の上限は０．００２０％であることが望ましく、下限は０．０００１％であることが望ましい。
Ｎｂ：０〜０．０５０％
Ｖ：０〜０．１０％
Ｔｉ：０〜０．０３０％
Ｎｂ、ＶおよびＴｉは、いずれも析出強化および焼入れ性向上に寄与する元素であり、また、結晶粒を微細化して靭性を改善する元素であるので、ベンド鋼管に含有させてもよい。しかし、これらの元素の含有量が過剰な場合、溶接部の溶接金属の靭性が低下する。そこで、Ｎｂ含有量は０．０５０％以下、Ｖ含有量は０．１０％以下、Ｔｉ含有量は０．０３０％以下とする。Ｎｂ含有量の上限は０．０２０％であることが望ましく、下限は０．００１％であることが望ましい。Ｖ含有量の上限は０．０７％であることが望ましく、下限は０．０１％であることが望ましい。Ｔｉ含有量の上限は０．０１０％であることが望ましく、下限は０．００５％であることが望ましい。
本実施形態に係るベンド鋼管は、上記の各元素をそれぞれ規定される範囲で含有し、下記（１）式から求められるＣeｑ（炭素当量）が０．３５％以上である。
Ｃeｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５・・・（１）
ただし、上記（１）式中の各元素記号はそれぞれの元素の含有量（質量％）を意味する。
Ｃeｑは、鋼材の焼入れ性を評価するための指標である。肉厚が３０ｍｍ以上の厚肉の鋼管でも高強度を得るためにＣeｑを０．３５％以上とする。
本実施形態に係るベンド鋼管の化学組成の残部は、Ｆｅおよび不純物である。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分を意味する。
（３）特性
本実施形態に係るベンド鋼管は、API 5L/ISO 3183に準拠したＸ６５グレード（ＹＳ：４５０〜６００ＭＰａ）の高強度と、ASTM E92(2016)に準拠した試験力１０ｋｇｆのビッカース硬さ（ＨＶ１０）で２３０以下の低硬度である必要がある。強度および硬度は、直管部２および曲げ部３の双方において優れている必要がある。
ここで、図１に示す曲げ部３の内側部分３ａの領域Ａと、外側部分３ｂの領域Ｂと、直管部２の曲げ部３から十分に離れた領域Ｃとから採取した試験片を用いて、各種試験を行う。なお、本実施形態では、領域Ａは、内側部分３ａの中心部に設けられ、領域Ｂは、外側部分３ｂの中心部に設けられ、領域Ｃは、直管部２のうち、曲げ部３から、例えば５０ｍｍ以上離れた位置に設けられる。引張試験については、ASTM A370の丸棒試験片を採取する。図２は、図１中のａ−ａ断面図である。図２に示すように、ビッカース硬さは、上記三箇所から採取した試験片について、ベンド鋼管１の外面から１．５ｍｍ位置（外面近傍位置）の４箇所（５ｍｍ間隔）、肉厚中心位置の４箇所（５ｍｍ間隔）および内面から１．５ｍｍ位置（内面近傍位置）の４箇所（５ｍｍ間隔）の合計１２箇所を測定する。
そして、ベンド鋼管の強度を評価する際には、領域Ａ〜領域Ｃ（特に領域Ａおよび領域Ｂ）の降伏応力のいずれもが４５０〜６００ＭＰａの範囲にあることを基準とする。また、ベンド鋼管の硬度を評価する際には、領域Ａ〜領域Ｃ（特に領域Ａおよび領域Ｂ）における、外面近傍位置、肉厚中心位置および内面近傍位置のいずれにおいても最大ビッカース硬さ（ＨＶ１０）が２３０以下であることを基準とする。特に、各領域において、外面近傍位置および肉厚中心位置のビッカース硬さの差（周方向の４箇所の測定位置それぞれの差）、ならびに、内面近傍位置および肉厚中心位置のビッカース硬さの差（周方向の４箇所の測定位置それぞれの差）が、３０以下である、すなわち、下記（２）式および（３）式を満たすことが好ましい。
Ｈｖ１０I−Ｈｖ１０M≦３０・・・（２）
Ｈｖ１０O−Ｈｖ１０M≦３０・・・（３）
ただし、上記（２）式および（３）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Ｈｖ１０I：前記曲げ部の内面から１．５ｍｍ深さ位置におけるビッカース硬さ（ＨＶ１０）
Ｈｖ１０M：前記曲げ部の肉厚中心位置におけるビッカース硬さ（ＨＶ１０）
Ｈｖ１０O：前記曲げ部の外面から１．５ｍｍ深さ位置におけるビッカース硬さ（ＨＶ１０）
（４）金属組織
本実施形態に係るベンド鋼管は、例えば、ベイナイトを主体とする金属組織を有する。ベイナイトを主体とする金属組織とは、ベイナイトの存在比が９０体積％以上である金属組織を意味する。残りの金属組織については制約がないが、例えば、１０体積％未満のマルテンサイトなどが含まれていてもよい。
２．ベンド鋼管の製造方法
（ａ）直管の製造
本実施形態に係るベンド鋼管の製造方法において、直管は、公知の方法により製造すればよい。マンネスマン製管、すなわち、所定の化学組成に調整したビレットから穿孔圧延を行ってシームレス鋼管を製造してもよいし、所定の化学組成に調整した鋼板から電縫鋼管、スパイラル鋼管、ＵＯ鋼管などの溶接鋼管を製造してもよい。
（ｂ）曲げ加工
本実施形態に係るベンド鋼管の製造方法においては、まず、厚さが３０ｍｍ以上（好ましくは、５０ｍｍ以下）であり、所定の化学組成を有する鋼管（直管）を所定の加熱温度に急速に加熱し、直ちに曲げ加工する。加熱温度は１０５０℃超１１００℃以下である。ここで加熱温度は、鋼管外面の温度をいう。加熱温度は、例えば、放射温度計によって測定することができる。曲げ加工時の加熱温度が１０５０℃以下の場合には、得られたベンド鋼管１の曲げ部３の肉厚中心部における硬さが低下し、その後に焼入れを行ってもこの硬さを回復するのは困難である。その結果、曲げ部３における降伏応力が低下する。このようなベンド鋼管１に比較的高温の熱処理を実施すると、表面の硬さを低下させることはできるが、肉厚中心部の硬さを上昇させることはできない。結果として、Ｘ６５グレード（ＹＳ：４５０〜６００ＭＰａ）の高強度材が得られない。よって、曲げ加工時の加熱温度を１０５０℃超とし、好ましくは、１０６０℃以上とする。一方、曲げ加工時の加熱温度が高すぎると、靱性が悪化するという問題がある。よって、曲げ加工時の加熱温度は、１１００℃以下とし、好ましくは、１０９０℃以下とする。なお、本実施形態において、直ちに曲げ加工するとは、例えば、加熱後、鋼管の温度が１０５０℃以下に低下する前に曲げ加工を行うことをいう。曲げ加工は、加熱後に、鋼管の温度が１０６０℃未満に低下する前に行うことが好ましい。
加熱方式としては、たとえば高周波誘導加熱方式が用いられる。高周波誘導加熱方式によれば、鋼管を局所的に急速に加熱することができる（例えば、室温（２０℃）から前述の加熱温度まで、平均加熱速度で１０〜３０℃／ｓで加熱される）。さらに、高周波誘導加熱方式によれば、鋼管を高周波加熱コイルから曲げ加工装置に送りながら加熱および曲げ加工を行うことで、加熱された所定の部位を直ちに曲げ加工することができる。このようにして、高温の加熱を急速かつ短時間で行うことにより、例えば焼き入れ後の粒径が細かくなり、靭性および耐ＨＩＣ性の改善につながると考えられる。
通常、ベンド鋼管１の製造においては、用意した直管の曲げ部３となる部分のみを加熱するのが一般的である。しかし、ベンド鋼管１に仕上げたときに、直管部２は加熱されず、曲げ部３は加熱された状態となり、全体として熱履歴が一様ではなくなり、その結果、機械特性や耐ＨＩＣ性にばらつきが生じるおそれがある。よって、本発明においては、曲げ加工時の加熱は、前記鋼管の曲げ加工されない部分も含めての全長に亘って加熱するのがよい。
加熱した鋼管（直管）は、曲げ部３の曲げ半径ｒ（ｍｍ）が直管部２の外径ＯＤ（ｍｍ）の３倍以上、すなわち３ＯＤ以上となるように曲げられて、ベンド鋼管１とされる。曲げ部３の曲げ半径ｒ（ｍｍ）が３ＯＤ未満であると、曲げ部の内側部分３ａと外側部分３ｂとで肉厚の差が大きくなり過ぎて、機械特性のバラつきが大きくなり過ぎる。曲げ半径ｒの上限は、特に定めないが、曲げ半径が大きいと曲げ加工時に加工場所を広くとる必要があり、設備上の制約から、２０ＯＤとするのが好ましい。曲げ角度θは、実際の使用条件に設計すればよく、実用上は、１８０°以下である。
（ｃ）冷却
曲げ加工後は、ベンド鋼管１を、８００〜５００℃の温度域における平均冷却速度が３℃／ｓ以上で冷却する。上記温度域におけるベンド鋼管１の平均冷却速度が、３℃／ｓ未満の場合、十分に焼き入れされず強度が確保できないという問題がある。平均冷却速度の好ましい下限は、５℃／ｓである。このような冷却速度は、例えば曲げ加工された鋼管を速やかに水冷することで実現できる。曲げ加工終了から冷却開始までは、曲げ加工されたベンド鋼管１の温度が下がらないよう極力短時間とするのがよい。
（ｄ）熱処理（焼き戻し）
冷却後は、５００℃超６００℃以下の温度範囲で熱処理（焼き戻し）する。本実施形態に係るベンド鋼管の製造方法においては、上記のように、１０５０℃超という比較的高温で曲げ加工を行うことにより、曲げ部の肉厚中心部における硬さを高くするものであるが、その分、表層の硬さは上昇しすぎる。このため、そのような曲げ加工をしたベンド鋼管に、５００℃以下の熱処理を行っても、表層の硬さを十分に下げることが困難であり、特に、ベンド鋼管の曲げ部の外側部分３ｂ（曲げ加工時に引張荷重が付与された部位）の硬さが高くなり、所望の耐ＨＩＣ性が得られなくなる。よって、冷却後の熱処理温度は、５００℃超とし、特に、５１０℃以上にすることが好ましい。一方、熱処理温度が高すぎると、強度が低下する。よって、熱処理温度は、６００℃以下とし、好ましくは、５８０℃以下とする。熱処理の均熱時間は特に制約がないが、肉厚中心部における硬さを低下させるためには、７０〜１３０分とするのが好ましい。熱処理終了後の冷却条件は、特に制約がないが、空冷とするのがよい。
本発明の効果を説明するべく、表１に示す化学組成を有する鋼を溶製し、マンネスマン製管法により、各種寸法の鋼管（直管）を製造した。
続いて、高周波加熱コイル、曲げ加工機、冷却スプレーをこの順で備える熱間曲げ加工装置を用いて、曲げ加工を行った。すなわち、上記の鋼管を送りながら、高周波誘導加熱コイルにより、鋼管全長に亘って各種温度に加熱し（平均昇温速度：１０〜３０℃／ｓ）、直ちに加熱された鋼管の所定部位に曲げ加工を行い、さらに曲げ加工後、直ちに冷却スプレーから冷却水を鋼管に吹き付けて、５００℃以下まで冷却した。このとき、８００〜５００℃の温度域における平均冷却速度は、５℃／ｓ以上であった。その後、各種条件（温度、均熱時間）で加熱し、空冷する熱処理を行い、ベンド鋼管を得た。製造条件を表２に示す。得られたベンド鋼管について、図１中の領域Ａ（曲げ部の内側部分３ａ）、領域Ｂ（曲げ部の外側部分３ｂ）および領域Ｃ（直管部）から各種試験片を採取し、下記の方法により、耐ＨＩＣ試験、引張試験、硬さ試験を行った。試験結果を表２に併記する。
＜耐ＨＩＣ試験＞
ＮＡＣＥ ＴＭ ０２８４に従い、Solution Aに９６ｈｒ浸漬して、割れが発生しなかったものを「○」、割れが発生したものを「×」として表２に示す。
＜引張試験＞
各領域からＡＳＴＭ Ａ３７０の丸棒試験片を採取し、引張試験を行い、降伏応力（ＹＳ）と引張強さ（ＴＳ）を測定した。
ＡＳＴＭ Ｅ９２（２０１６）に従い、試験力：１０ｋｇｆで試験を行い、ビッカース硬さ（ＨＶ１０）を測定した。押し込み位置は、図２に示すように、鋼管の外面から１．５ｍｍ位置（外面近傍位置）の４箇所（５ｍｍ間隔）、肉厚中心位置の４箇所（５ｍｍ間隔）および内面から１．５ｍｍ位置（内面近傍位置）の４箇所（５ｍｍ間隔）の合計１２箇所とした。表２には、鋼管の外面から１．５ｍｍ位置を「外面」、肉厚中心位置を「肉中」、内面から１．５ｍｍ位置を「内面」として、それぞれの測定箇所における最大値を示している。
Figure 0006752365
Figure 0006752365
表２に示すように、十分に高い温度で加熱して曲げ加工を行い、且つ十分に高い温度で熱処理をした、本発明例１〜５では、優れた耐ＨＩＣ性と高い強度が得られた。特に、本発明例１〜３の結果から、肉厚が３５ｍｍ以上である場合でも十分な効果が得られることが分かった。一方、曲げ加工の加熱温度および熱処理温度のいずれかが低かった、比較例１〜５では、耐ＨＩＣ性および強度のいずれかにおいて性能が劣化していた。
本発明によれば、Ｘ６５グレード（ＹＳ：４５０〜６００ＭＰａ）の高強度と、優れた耐ＨＩＣ性を有するベンド鋼管を得ることができる。
１ ベンド鋼管
２ 直管部
３ 曲げ部
３ａ 曲げ部の内側部分
３ｂ 曲げ部の外側部分
θ 曲げ角度
ｒ 曲げ部の曲げ半径
ＯＤ 直管部の外径

Claims (8)

  1. 直管部と、前記直管部の外径の３倍以上の曲げ半径を有する曲げ部とを備え、肉厚が３０ｍｍ以上のベンド鋼管であって、
    化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．０４〜０．０８％、
    Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、
    Ｍｎ：１．００〜１．７０％、
    Ｐ：０．０１５％以下、
    Ｓ：０．００２％以下、
    Ｃｕ：０〜０．５０％、
    Ｎｉ：０〜０．５０％、
    Ｃｒ：０〜０．５０％、
    Ｍｏ：０〜０．５０％、
    Ｓｏｌ．Ａｌ：０〜０．１０％、
    Ｃａ：０〜０．００５０％、
    Ｎｂ：０〜０．０５０％、
    Ｖ：０〜０．１０％、
    Ｔｉ：０〜０．０３０％、
    残部がＦｅおよび不純物であり、下記（１）式から求められるＣｅｑ：０．３５％以上であり、
    前記直管部および前記曲げ部において、降伏応力が４５０〜６００ＭＰａ、ビッカース硬さ（ＨＶ１０）が２３０以下である、ベンド鋼管。
    Ｃeｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５・・・（１）
    ただし、上記（１）式中の各元素記号はそれぞれの元素の含有量（質量％）を意味する。
  2. 前記化学組成が、
    Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
    Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、
    Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、
    Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、
    Ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１０％、
    Ｃａ：０．０００１〜０．００５０％、
    Ｎｂ：０．００１〜０．０５０％、
    Ｖ：０．０１〜０．１０％および
    Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％
    から選択される１種以上を含む、
    請求項１に記載のベンド鋼管。
  3. 下記（２）式および（３）式を満たす、
    請求項１または２に記載のベンド鋼管。
    Ｈｖ１０I−Ｈｖ１０M≦３０・・・（２）
    Ｈｖ１０O−Ｈｖ１０M≦３０・・・（３）
    ただし、上記（２）式および（３）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
    Ｈｖ１０I：前記曲げ部の内面から１．５ｍｍ深さ位置におけるビッカース硬さ（ＨＶ１０）
    Ｈｖ１０M：前記曲げ部の肉厚中心位置におけるビッカース硬さ（ＨＶ１０）
    Ｈｖ１０O：前記曲げ部の外面から１．５ｍｍ深さ位置におけるビッカース硬さ（ＨＶ１０）
  4. シームレス鋼管である、
    請求項１から３までのいずれかに記載のベンド鋼管。
  5. 肉厚が５０ｍｍ以下である、
    請求項１から４までのいずれかに記載のベンド鋼管。
  6. 下記の（１）〜（４）の工程を順に行う、請求項１に記載のベンド鋼管の製造方法。
    （１）肉厚が３０ｍｍ以上であり、請求項１に記載の化学組成を有する鋼管を１０５０℃超１１００℃以下の所定の加熱温度に、１０〜３０℃／ｓの平均昇温速度で加熱する工程、
    （２）前記鋼管を、前記加熱する工程に引き続き直ちに、曲げ半径が前記鋼管の外径の３倍以上となるように曲げてベンド鋼管を得る工程、
    （３）前記ベンド鋼管を、８００〜５００℃の温度域における平均冷却速度が３℃／ｓ以上で冷却する工程、および、
    （４）前記ベンド鋼管に、５００℃超６００℃以下の温度範囲で熱処理する工程。
  7. 前記（１）の工程において、前記鋼管の全長に亘って加熱する、
    請求項６に記載のベンド鋼管の製造方法。
  8. 前記（２）の工程において、曲げ角度が２０°以上となるように曲げる、
    請求項６または７に記載のベンド鋼管の製造方法。

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