JP7332078B1 - サワーガス設備用高強度鋼板及びそれを用いた高強度鋼管 - Google Patents
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[1]質量%で、
C :0.02~0.20%、
Si:0.01~0.70%、
Mn:0.10~2.50%、
P :0.030%以下、
S :0.0050%以下、
N :0.0010~0.0100%、
Al:0.010~0.200%、
Ca:0.0005~0.0050%、及び
Ni:0.10~4.00%
を含有し、さらに、
Cr:0.03~1.00%、
Mo:0.03~0.50%、
W :0.03~0.50%、及び
Nb:0.005~0.100%
から選ばれる1種以上を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、
鋼板表面下0.25mmにおけるビッカース硬さHV0.1の最小値HVminと最大値HVmaxの比HVmin/HVmaxが0.77以上であることを特徴とするサワーガス設備用高強度鋼板。
V :0.005~0.1%、
Ti :0.005~0.1%、
Zr :0.0005~0.02%、
Mg :0.0005~0.02%、及び
REM:0.0005~0.02%
から選ばれる1種以上を含有する、上記[1]又は[2]に記載のサワーガス設備用高強度鋼板。
まず、本発明による高強度鋼板の成分組成とその限定理由について説明する。以下の説明において、%で示す単位は、特に断らない限り全て質量%である。
Cは、強度の向上に有効に寄与するが、含有量が0.02%未満では十分な強度が確保できないので、C量は0.02%以上とし、好ましくは0.025%以上とする。他方で、C量が0.20%を超えると、加工性及び溶接性が大幅に劣化する。このため、C量は0.20%以下とし、好ましくは0.15%以下とする。
Siは、脱酸のため添加するが、含有量が0.01%未満では脱酸効果が十分でないので、Si量は0.01%以上とし、好ましくは0.05%以上とする。他方で、Si量が0.70%を超えると、靭性や溶接性が劣化するため、Si量は0.70%以下とし、好ましくは0.50%以下とする。
Mnは、強度、靭性の向上に有効に寄与するが、含有量が0.10%未満ではその効果が十分には発現しない。このため、Mn量は0.10%以上とし、好ましくは0.30%以上とし、より好ましくは0.50%以上とする。他方で、Mn含有量が2.50%を超えると、溶接性が劣化するとともに、中心偏析部の硬度上昇を引き起こし、耐HIC性が劣化する。このため、Mn量は2.50%以下とし、好ましくは、2.00%以下とする。
Pは、不可避不純物元素であり、溶接性を劣化させるとともに、中心偏析部の硬さを上昇させることで、耐SSCC性及び耐HIC性を劣化させる。この影響は、P量が0.030%を超えると顕著となるため、P量は0.030%以下とし、好ましくは0.025%以下とし、より好ましくは0.020%以下とする。なお、P量は低いほどよいが、精錬コストの観点から、P量は0.001%以上とすることが好ましい。
Sは、不可避不純物元素であり、鋼中においてはMnS介在物となり耐HIC性を劣化させるため少ないことが好ましい。この観点から、S量は0.0050%以下とし、好ましくは0.0040%以下とし、より好ましくは0.0030%以下とする。なお、S量は低いほどよいが、精錬コストの観点から、S量は0.0002%以上とすることが好ましい。
Nは、強度の向上に有効に寄与するが、含有量が0.0010%未満では十分な強度が確保できない。このため、N量は0.0010%以上とし、好ましくは0.0015%以上とする。他方で、N量が0.0100%を超えると、中心偏析部の硬さが上昇するため、耐HIC性が劣化する。また、靭性も劣化する。このため、N量は0.0100%以下とし、好ましくは0.0080%以下とする。
Alは、脱酸剤として添加するが、Al量が0.010%未満では、その効果が十分には発現しない。このため、Al量は0.010%以上とし、好ましくは0.015%以上とする。他方で、Al量が0.200%を超えると、鋼の清浄度が低下し、靱性が劣化する。このため、Al量は0.200%以下とし、好ましくは、0.150%以下とし、より好ましくは0.100%以下とする。
Caは、硫化物系介在物の形態制御による耐HIC性向上に有効な元素であるが、Ca量が0.0005%未満では、その添加効果が十分でない。このため、Ca量は0.0005%以上とし、好ましくは0.0008%以上とする。他方で、Ca量が0.0050%を超えた場合、上述の効果が飽和するだけでなく、鋼の清浄度が低下することにより耐HIC性が劣化する。このため、Ca量は0.0050%以下とし、好ましくは、0.0045%以下とする。
Niは、低H2S分圧環境における耐SSCC性の向上の観点から重要な元素である。すなわち、腐食による鋼板の溶解に伴って、Niはサワー環境中のH2Sと反応して、鋼板表面上で速やかにNiS被膜を形成する。NiSは、鉄のサワー環境中での腐食生成物FeSに比べて、高い腐食保護作用を有し、NiS保護膜が鋼板表面に形成されることで、全体的に腐食が抑制される。また、局部腐食の観点からも、上述のとおり、低H2S分圧環境中では、保護性FeSの形成が不均一となることで、保護性の弱い箇所での局部腐食が生じるが、このNi含有によるNiS保護作用により、保護性の弱い箇所の腐食が開始した場合でも、NiS被膜が再形成されることで、それ以上の腐食の進展が抑制され、局部腐食が抑制される。すなわち、低H2S分圧環境中でのSSCCの前駆となる局部腐食の形成が抑制されることで、耐SSCC性が向上する。この効果を得るには、Ni量は0.10%以上が必要であり、好ましくは0.20%以上であり、さらに好ましくは0.30%以上である。なお、Ni量が0.10%未満の場合、局部腐食が開始した箇所でのNiS被膜の再形成が不十分となり、非局部腐食部での耐食性が向上した分、逆に局部腐食が助長され、耐SSCC性が劣化する。他方で、Niを過剰に含有させると、溶接性や鋼板製造性が劣化し、コストの観点から不利になる。このため、Ni量は4.00%以下とし、好ましくは3.50%以下とし、より好ましくは3.00%以下とする。なお、上記のとおりNiは耐SSCC性向上の観点から有効な元素であるが、その効果を十分に活用するためには、後述する合金元素Cr、Mo、W及びNbの少なくとも1種の共存と、製造条件の適正化による表層硬度差の拡大抑制が必要である。
Cr、Mo、W及びNbは、Niによる耐SSCC性向上効果を発現させるために重要な元素であり、このうちの1種以上を含有させる必要がある。これら元素は、局部腐食開始部における保護性NiS被膜の再形成を促す効果を有する。CrとNbは、サワー環境中での腐食に伴って、それぞれ鉄との複合酸化物FeCr2O4及びFeNbO4を腐食生成物として形成する。また、MoとWは、それぞれFeWO4及びFeMoO4を形成する。すなわち、これら元素は腐食により生じたFe2+イオンによるS2-イオンの消費、すなわちFeS形成を阻害することで、局部腐食開始部でのNiSの速やかな形成を促進し、結果として、Niによる耐SSCC性向上効果を顕在化させる。このような効果を得るため、Cr、Mo、W及びNbから選ばれる1種以上の添加において、Cr、Mo及びW量は、それぞれ0.03%以上、Nb量は0.005%以上とする必要がある。他方で、これら元素を過剰に含有させると、溶接性や靱性が劣化し、コストの観点からも不利になる。このため、Cr量は1.00%以下とし、好ましくは0.80%以下とし、より好ましくは0.70%以下とする。また、Mo量及びW量は、それぞれ0.50%以下とし、好ましくは0.45%以下とし、より好ましくは0.40%以下とする。Nb量は0.100%以下とし、好ましくは0.080%以下とし、より好ましくは0.070%以下とする。
Cuは、靭性の改善と強度の上昇、かつ耐SSCC性及び耐HIC性の向上に有効な元素である。これら効果を得るには、Cu量は0.01%以上であることが好ましい。しかし、Cuは1.00%を超えて添加すると、NiSの形成を阻害し、耐SSCC性を劣化させる。このため、Cuを添加する場合、Cu量は1.00%以下とし、好ましくは0.80%以下とし、より好ましくは0.60%以下とする。
本発明のサワーガス設備用高強度鋼板では、表層部の硬さを以下のように制御することが極めて重要である。
上述のとおり、本発明においてNiは鋼板の耐SSCC性を確保する上で必要な元素である一方、Niは、鋼板の製造過程において、鋼板表面の酸化スケールの密着性を高めることで、鋼板表面での冷却ムラが生じ、鋼板表層部における硬度の最大値と最小値に大きな差を引き起こす。鋼板表層部における硬度の最大値と最小値に大きな差がある場合、外部応力存在下において応力集中が生じ、局所的に塑性変形が生じる。塑性変形により、鋼板表面において形成された保護性NiSが機械的に破壊された箇所は、非塑性変形部が保護性NiSにより高い保護性を有するがゆえに、活性溶解サイトとして働き、局部腐食からSSCCの強い駆動力となることで、成分組成が上記を満足した場合でも、耐SSCC性が確保できない。この硬度差によるSSCCは、硬度の最大値と最小値の比が0.77未満の場合に顕在化する。よって、鋼板の表層部、具体的には鋼板表面下0.25mmにおけるビッカース硬さHV0.1の最小値HVminと最大値HVmaxの比HVmin/HVmaxは0.77以上とする。HVmin/HVmaxは、好ましくは0.80以上であり、より好ましくは0.82以上である。なお、HVmin/HVmaxの上限については特に限定されず、1.00であってもよい。
本発明の高強度鋼板に必要な強度を得るために、鋼板の組織は特に限定されるものではないが、構造用鋼板として良好な強度靭性バランスを得るために、60%以上のベイナイト分率を有するベイナイト主体の組織であることが好ましい。
本発明の高強度鋼板は、API 5LのX60グレード以上の強度を有する鋼管用の鋼板であり、520MPa以上の引張強さを有するものとする。
鋼板の好適な板厚は3~60mmである。
本発明の鋼板の好適な製造方法は、上記成分組成を有する鋼片を加熱したのち、熱間圧延して鋼板とし、その後当該鋼板に対して所定条件下での制御冷却を行う。
圧延終了温度は、鋼板平均温度でAr3変態点以上とすることが好ましい。ここで、Ar3変態点とは、冷却中におけるフェライト変態開始温度を意味し、例えば、鋼の成分から以下の式で求めることができる。
Ar3(℃)=910-310[%C]-80[%Mn]-20[%Cu]-15[%Cr]-55[%Ni]-80[%Mo]
ただし、[%X]はX元素の鋼中含有量(質量%)を示す。
熱間圧延終了後の冷却は、鋼板平均温度で750℃から600℃までの範囲における冷却速度:10~120℃/sの加速冷却とすることが好ましい。
冷却停止温度は、鋼板平均温度で200~600℃とすることが好ましい。冷却停止温度が600℃を超えると、強度と靭性バランスに優れたベイナイト組織への変態が不完全になる。また、冷却停止温度が200℃未満では、組織が過度に硬質化し、靭性が確保できない可能性がある。
本発明の高強度鋼板を、プレスベンド成形、ロール成形、UOE成形等で管状に成形した後、突き合わせ部を溶接することにより、原油や天然ガスの輸送や産出用のパイプに適用して好適なサワーガス設備用高強度鋼管(UOE鋼管、電縫鋼管、スパイラル鋼管等)を製造することができる。
5×15×115mmのSSCC試験片を鋼板表面下0.25mm位置より採取した。試験片表面は、番手240エメリー紙にて研磨仕上げとした。SSCC試験片に対して、各鋼板の実際の降伏強度(0.5%YS)の90%の応力を負荷し、NACE規格 TM0177 Solution A溶液を用い、初期pHを3.5に調整し、硫化水素分圧:0.01barにて、EFC16規格に準拠して4点曲げSSCC試験を行った。720時間の浸漬後、試験片の断面を切り出し、断面に存在する亀裂の最大亀裂深さ(試験片表面から亀裂先端までの距離)を測定し、以下の基準で耐SSCC性を評価した。結果を表2に示す。
◎(合格、顕著に良い):最大亀裂深さが100μm未満
○(合格):最大亀裂深さが100μm以上500μm未満
×(不合格):最大亀裂深さが500μm以上
Claims (5)
- 質量%で、
C :0.02~0.20%、
Si:0.01~0.70%、
Mn:0.10~2.50%、
P :0.030%以下、
S :0.0050%以下、
N :0.0010~0.0100%、
Al:0.010~0.200%、
Ca:0.0005~0.0050%、及び
Ni:0.10~4.00%
を含有し、さらに、
Cr:0.03~1.00%、
Mo:0.03~0.50%、
W :0.03~0.50%、及び
Nb:0.005~0.100%
から選ばれる1種以上を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、
鋼板表面下0.25mmにおけるビッカース硬さHV0.1の最小値HVminと最大値HVmaxの比HVmin/HVmaxが0.77以上であることを特徴とするサワーガス設備用高強度鋼板。 - 前記成分組成が、さらに、質量%で、Cu:0.01~1.00%を含有する、請求項1に記載のサワーガス設備用高強度鋼板。
- 前記成分組成が、さらに、質量%で、
V :0.005~0.1%、
Ti :0.005~0.1%、
Zr :0.0005~0.02%、
Mg :0.0005~0.02%、及び
REM:0.0005~0.02%
から選ばれる1種以上を含有する、請求項1又は2に記載のサワーガス設備用高強度鋼板。 - 請求項1又は2に記載のサワーガス設備用高強度鋼板を用いた高強度鋼管。
- 請求項3に記載のサワーガス設備用高強度鋼板を用いた高強度鋼管。
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JP2022091192 | 2022-06-03 | ||
JP2022091192 | 2022-06-03 | ||
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WO2021193383A1 (ja) | 2020-03-26 | 2021-09-30 | Jfeスチール株式会社 | 耐サワーラインパイプ用高強度鋼板およびその製造方法並びに耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管 |
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2023
- 2023-02-24 JP JP2023534402A patent/JP7332078B1/ja active Active
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2016104527A1 (ja) | 2014-12-26 | 2016-06-30 | 株式会社神戸製鋼所 | 耐水素誘起割れ性に優れた鋼板およびラインパイプ用鋼管 |
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