JPH02240211A - 耐水素誘起割れ性に優れる電縫鋼管の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、Ｈ２Ｓを含んだ原油や天然ガスを輸送する
ラインパイプとして好適な、耐水素誘起割れ性に優れる
耐サワー電縫鋼管の製造方法に関するものである。

〈従来技術とその課題〉 近年、これまで顧みられることのなかったサワー油田や
サワーガス田（Ｈ，Ｓ等の腐食性の強いガスを含む油田
やガス田）にまで開発の目が向けられるようになったこ
とに伴い、ラインパイプの水素誘起割れ（以降“ＨＩＣ
”と称す）が問題となっている。

このＨＩＣは、湿潤Ｈｚ　Ｓ環境で鋼が腐食したときに
発生する水素が鋼中に侵入し鋼中の介在物を起点として
割れを引き起こす“水素脆化現象″であり、ラインパイ
プの漏洩やバースト事故の原因となることからそれを防
止するための様々な研究がなされ、次のような提案がな
されてきた。

ａ）素材鋼中にＣｕを添加し、腐食に伴う鋼中への侵入
水素を低減させる方法。

ｂ）素材鋼のＳ含有量低減やＣａ、希土類元素等の添加
によってＨＩＣの起点となるＭｎＳの減少を図ったり、
これを有害度の小さい球状介在物に形状制御したりする
方法。

Ｃ）素材鋼のＣ，Ｍｎ、Ｐ等の含有量を低減したり素材
鋼鋳片を均熱拡散処理したりして、“ＨＩＣの発生や伝
播が起き易い中心偏析帯”における濃縮した成分を希釈
する方法。

そして、これらの各手段の採用によってＨＩ　Ｃ防止に
かなりの成果を挙げることができたが、ＨＩＣの発生は
鋼中への水素侵入と言う直接原因と鋼中介在物の存在と
言う間接原因との結び付きの他、その後明らかとなった
“鋼材中心偏析部における硬化組織の存在”と言う間接
原因にも大きく左右されることから、上記手段によって
もＨＩＣの発生を十分に満足できるレベルにまで抑える
ことはできなかった。

このため、最近、「素材鋼の熱延条件を規制して鋼材の
組織や硬さの均一化を図り、これによってＨＩＣの伝播
、成長を抑制しようとの提案（特公昭６３−８１６６号
、特開昭６３−２４０１４号）」がなされるに至った。

上述したように、ＨＩ　Ｃの間接原因が介在物の存在と
中心偏析部における硬化組織の存在の２つに大別される
ことから、上記“適切な熱延手段の採用による組織、硬
さの均一化”は中心偏析部でのＨＩＧの抑制に非常に効
果がある。しかしながら、“介在物起点のＨＩＣ”につ
いては、該手段の適用によって多少は抑制されはするも
ののその効果は不十分であると判断せざるを得なかった
。

特に、ｕｏｍ管に比べてＤ／ｌ（肉厚に対する直径）が
大きい電縫鋼管は薄肉材が多く、そのためＨＩＣが発生
すると“板表面”や“近接するＨＩＣ”と連結する方向
にこれが伝播し易いことがらＨＩＣは重大な問題となる
が、この電縫鋼管の場合には、介在物の低減或いは組織
、硬さのみを均一化する前記熱延手段や熱処理手段を適
用しても十分なＨＩＣ抑制効果が得られず、より一層効
果的なＨＩＣ防止手段の開発が強く望まれていた。

もっとも、電縫鋼管のＨＩＣ抑制のため、製管後に十分
な焼戻し処理や焼入れ・焼戻し処理を行って材料の改質
を行うことも考えられるが、この場合には消費エネルギ
ーの増大や生産能率の低下を招くことから実用には不適
であると思われた。

このようなことから、本発明の目的は、耐ＨＩＣ５性が
十分に優れた電縫鋼管を消費エネルギーの増大や生産能
率の低下を伴わずに安定して製造できるようにする手段
の提供に置かれた。

（課題を解決するための手段〉 本発明者は、上記目的を達成すべく様々な角度から研究
を重ねた結果、 （ａ）　　電縫鋼管において特にＨＩＣが大きな問題と
なる理由は、電縫鋼管はシーム溶接がサブマジアーク溶
接法で行われるところの所謂“ＵＯ綱管”等に比べてＤ
／ｌが大きいため材料に対する製管時の曲げやサイザー
による歪並びに残留応力の影響が大きく、これがＨＩＣ
の発生を加速することに加えて、前述したように、一般
に薄肉材で構成される電縫鋼管では一旦ＨＩＣが発生す
るとこれが“板表面”や“近接するＨＩＣ“と連結する
方向に伝播し易いからである。

（ｂｌ　　ところで、電縫鋼管の製管時における応力や
歪の状態を見ると、管内面側に圧縮応力が、そして管外
面側に引張応力がかかり、表面近傍の弾性限を超えると
ころでは冷間加工による歪が導入される。ここで、ＨＩ
Ｃの発生は、ＨＩＣ発生の臨界水素濃度（ｃｔｈ）と鋼
中水素濃度（Ｃ０）の２つの概念で理解され、このＣ０
がＣい以上になるとＨＩＣを発生すると考えられるが、
加工によって生じる前記“歪”は形成する転位等をして
水素をトラップすることによりＣ０を高めるように作用
し、−方、“応力”はＨＩＣを引き起こす水素ガス圧に
重畳するのでＣいを下げるように作用するため、何れも
ＨＩＣを加速する因子となる訳である。従って、ＨＩＣ
の抑制には歪量や応力の程度を低減すれば良いと予想さ
れるが、冷間加工で導入される歪量については熱間圧延
段階ではどうすることもできないと考えられる。

ところが、熱間圧延終了に続く水冷工程の際に両面に温
度差が付くように熱延板を冷却すると、良く冷えた方に
引張応力が、そして反対面に圧縮応力がそれぞれ残留す
ることとなり、巻取りを行うとそれぞれの残留応力は更
に上昇する。そのため、電縫鋼管の製造に際して上記素
材板の“良く冷えた面（即ち引張り応力が残存する面）
”を内側にして製管を行うと、該引張の残留応力と曲げ
の内側に生じる圧縮応力とが打ち消し合い、結果として
残留応力の少ない耐ＨＩＣ性に優れた電ｍｍ管が得られ
る。

＋８１　　つまり、素材鋼の化学成分に十分な注意を払
った上で素材板の熱延条件を上記のように工夫すれば、
“電縫製管工程が耐ＨＩＣ性に及ぼす悪影響”を格別な
熱処理等を要することなく十分に小さくして、耐ＨＩＣ
性に優れる電縫鋼管を安定に製造することが可能である
。

との知見を得ることができた。

本発明は上記知見等に基づいてなされたものであり、 ｒ　Ｃ：　０．０１−０．２０％（以降、成分割合を表
わす％は重量％とする）。

Ｓｉ　：　０．０３〜０．８０％、　　　　Ｍｎ　：　
０．４０〜０．８０％。

Ｐ　：　０．０２５％以下、　　　Ｓ：０．００２％以
下。

ｓｏｌ、　Ａｆ　：　０．０１〜０．１０％を含むと共
に、 Ｃａ　：　Ｏ，０ＯＧ５〜Ｇ、０Ｑ５０　％。

希土類元素：　０．０００５〜０．０１％のうちの１種
以上を含有するか、或いは更にＣｕ　：　０．０５〜０
．５０％、　　Ｎｔ　：　０．０５〜０．５０％。

Ｃｒ　：　０．０５〜０．５０％、　　Ｍｏ　：　０．
０５〜０．５０％。

Ｎｂ　：　０．０１〜０．１５％、　　　Ｖｌ、０１〜
０．１５％。

Ｔｉ　：　０．０１〜０．１５％ のうちの１種以上をも含んで、残部がＦｅ及び不可避不
純物から成る鋼を加熱し、Ａｒ３点以上の温度域で熱間
圧延を終了した後、（Ａ　ｒ　３点−３０℃〕以上の温
度域から両面の温度差が５０℃以上となるように一方の
表面温度が６００〜４５０℃、他方の表面温度が５５０
〜４００℃となるまで平均冷却速度：５〜ｂ ℃以下の温度域で巻き取ったコイルを用いて、その冷却
停止温度の低い方の面が管の内面側になるように製管す
ることにより、優れた耐水素誘起割れ性を備えた電縫鋼
管を安定して提供できるようにした点」 に特徴を有するものである。

以下、本発明において素材鋼の成分組成並びに鋼管の製
造条件を前記の如くに限定した理由を、その作用と共に
詳述する。

く作用〉 （Ａ）素材鋼の成分組成 Ｃ成分には鋼に所望強度を確保する作用があるが、その
含有量が０．０１％未満であると前記作用による所望の
効果が得られず、一方、０．２０％を超えて含有させる
と綱の靭性劣化や溶接低温割れを招くようになることか
ら、Ｃ含有量は０．０１〜０．２０％と定めた。

ｔ Ｓｉは脱酸成分として有効であるばかりか、鋼の強度確
保成分としても重要であることから０．０３％以上の含
有量を確保することとした。一方、０．８０％を超えて
Ｓｉを含有させると鋼の靭性劣化や焼戻し脆化を招くよ
うになることから、Ｓｔ含有量の上限を０．８０％と定
めた。

Ｍｎ Ｍｎ成分には鋼に所望の強度笈び靭性を確保する作用が
あるが、その含有量が０．４０％未満では上記作用によ
る所望の効果が得られず、一方、０．８０％を超えて含
有させると偏析部の合金元素濃度が許容比を超えて増加
することから、Ｍｎ含有量は０．４０〜０．８０％と定
めた。

Ｐは鋼の不可避的不純物の１つであるが、その含有量は
低ければ低いほど偏析部の合金元素濃度が減少して耐Ｈ
ＩＣ性を向上させるので好ましい。

しかし、低Ｐ化は鋼の製造コスト上昇につながるため、
本発明において何とか許容できる０、０２５％をＰ含有
量の上限と定めた。

Ｓも鋼の不可避的不純物の１つであるが、その含有量が
０．００２％を超えた場合にはＣａによる形態制御が不
能なほどのＭｎＳが生成し、ＨＩＣの起点となる。従っ
て、Ｓ含有量は０．００２％以下と限定した。

ｓｏｌ、Ａ１１ ｓｏｌ、ＡＩは極めて有効な鋼の脱酸成分であり、その
ため０．０１％以上の含有量を確保する必要があるが、
０．１０％を超えて含有させると鋼の清浄度を悪化する
ようになることから、ｓｏ７．Ａｆ含有量は０．０１〜
０．１０％と定めた。

Ｃａ、　　　び　　　　− これらの成分は、何れも硫化物系介在物の形態を制御し
、耐食性を改善する作用を有しているので１種又は２種
以上が添加されるが、成分による含有量の違いは次の理
由によるものである。

イ）　　Ｃａ 上述のようにＣａは鋼中介在物であるＭｎＳの形態を制
御し耐ＨＩ　Ｃ性を向上させる作用を有しているが、Ｃ
ａ含有量が０．０００５％未満では上記作用による所望
の効果が得られず、一方、０．００５０％を超えてＣａ
を含有させるとＣａ系介在物が逆に耐ＨＩＣ性や耐５Ｓ
ＣＣ（応力腐食割れ）性を劣化するようになることから
、Ｃａ含有量は０．０００５〜０．００５０％と定めた
。

■）希土類元素 各希土類元素には、Ｃａの場合と同様にＭｎＳの形態を
制御して耐ＨＩＣ性を向上させる作用を有しているが、
その含有量が０．０００５％未満では上記作用による所
望の効果が得られず、一方、０．０１％を超えて含有さ
せると、やはり鋼の清浄度が損なわれて耐ＨＩＣ性や耐
５ｓｃｃ性が低下するようになることから、希土類元素
の含有量は０．０００５〜０，０１％と定めた。

Ｃｕ、　Ｎｉｔ　Ｃｒ、　Ｍｏ、　Ｎｂｔ　　Ｖ＋　　
びＴｉこれらの成分は、何れも鋼の強度及び靭性を更に
向上させる作用を有しているので強度調整成分として必
要により１種又は２種以上添加されるが、成分による含
有量の違いは次の理由によるものである。

イ）　Ｃｕ、及びＮｉ 何れも０．０５％未満の含有量では鋼の強度及び靭性の
改善効果が十分でなく、一方、両者とも０．５０％を超
えて含有させると溶接性の劣化を招く。

Ｄ）　Ｃｒ、及びＭ。

何れも０．０５％未満の含有量では鋼の強度及び靭性の
改善効果が十分でなく、一方、両者とも０．５０％を超
えて含有させると逆に靭性の劣化を招く。

ハ）Ｎｂ、Ｖ、及びＴＩ 何れも０．０１％未満の含有量では鋼の強度及び靭性の
改善効果が十分でなく、一方、両者とも０．１５％を超
えて含有させると逆に靭性の劣化を招く。

（Ｂ）素材鋼板の製造条件 熱延立上Ａ渡 熱延仕上温度がＡｒ、点の温度未満では所定の水冷開始
温度を確保できないことから、熱間圧延をＡｒ３点以上
の温度域で終了することと定めたが、望ましくは熱延仕
上温度を（Ａｒ３点＋３０℃〕以上とするのが良い。

水連皿並澁度 熱間圧延に引き続いて実施される水冷の開始温度が（Ａ
ｒ３点−３０℃〕未満であると、初析フェライトの成長
に伴い偏析部にＣが濃縮し、水冷時に硬い低温変態組織
が生成するので耐ＨＩＣ性が低下する。従って、上記水
冷開始温度を［Ａｒ３点−３０℃］の温度以上と定めた
が、望ましくは水冷開始温度を初析フェライトの無いオ
ーステナイト単相のＡｒ＋点以上の温度とするのが良い
。

水Ｐｌの−ｊ−冷　゛東門 水冷時の平均冷却速度が５℃／ｓｅｃ未満では、フェラ
イト−パーライトの２相分離が進むため中心偏析部でフ
ェライト−パーライトのバンド状組織が形成され易く、
一方、該平均冷却速度が２０℃／ｓｅｃを超えた場合に
は硬化したブロック状のベイナイト組織が形成され易く
、何れも耐ＨＩＣ性が劣化することから、水冷時の平均
冷却速度を５〜ｂ 水全導上瓜度 ６００℃を超える温度域で水冷を停止すると水冷停止時
に未変態のオーステナイトが残るので水冷停止後にパー
ライトが生成することとなり、また偏析部にＣの濃縮が
起きる。一方、４００℃を下回る温度域にまで水冷を続
けると、冷却速度が２０℃／ｓｅｃ超の場合と同じく硬
いベイナイトＭ１１ａが形成され易く、耐）［Ｉ　Ｃ性
が劣化する。

従って、水冷停止温度は６００〜４００℃の範囲内とす
る必要があるが、この範囲内でしかも熱延板の両面間で
の温度差を５０℃以上とするためには、水冷停止温度は
一方の面を６００〜４５０℃、他方の面を５５０〜４０
０℃としなければならない。

の軌　　　　での 水冷停止時における熱延板両面間の表面温度差が５０℃
未満であると、熱延材の段階での残留応力に比べて製管
時の応力が大きい結果となり、Ｈｉｃの発生を加速しな
い程度にまで製管の影響を緩和することができない。従
って、上記温度差の下限値を５０℃と定めたが、該温度
差は大きい方が望ましい。

ｌ取ム度 ５５０℃を超える温度域で巻取りを行うと、巻取り後の
徐冷によって熱延材の残留応力が解消されてしまうので
温度差水冷を行った効果がなくなる。従って、巻取り温
度を５５０℃以下と定めたが、該温度は低いほど望まし
く、出来れば５００℃以下で巻取るのが良い。

なお、本発明においては、熱間圧延時の加熱温度や圧下
率については格別な規制を行わないが、加熱温度はそれ
以降の熱間圧延が可能な範囲としなければならないこと
は言うまでもなく、また圧下に関しては靭性向上のため
に未再結晶域（およそ９５０℃以下）での圧下率を大き
くとることが推奨される。

以上のような条件の下で製造された熱延コイルでは、既
に説明したように、冷却停止温度が低かった方の面に引
張り応力が残留し、また反対側の面に圧縮応力が残留し
ているので、電１１鋼管を製造するに際して引張り応力
の残留している面が内側となるように製管すると、十分
な前記引張り残留応力と曲げの内側に生じる圧縮応力と
が打ち消し合い、結果として残留応力の少ない耐ＨＩＣ
性に優れた電縫鋼管が得られる訳である。

次に、本発明を実施例によ、って更に具体的に説明する
。

〈実施例〉 まず、第１表に示す如き成分組成の各鋼を溶製し、連続
鋳造によってスラブとした後、第２表に示すそれぞれの
条件で熱間圧延、冷却３巻取りを行って熱延コイルを製
造した。

続いて、得られた各熱延コイルを用い、その下面（より
低い温度にまで冷却した方の面）が内面側となるように
製管を行い、電縫鋼管を製造した。

そして、このようにして得られた各電縫鋼管についてＨ
ＩＣ試験を行い、その耐ＨＩＣ性を評価した。

なお、ＨＩＣ試験は次の要領で実施した。

即ち、まず第１図（ａ）で示すように、電縫鋼管の溶接
部及び熱影響部を除いた部分から、周方向に亘って全厚
（ミルスケールのみ除去）で幅が２０鰭。

長さが１００ｍｍの板状試験片を偏平化することな（採
取した後、これらの試験片を６００メツシユ工メリー紙
で研磨し、アセトンで脱脂してから試験液（２５℃）に
１００時間浸漬した。用いた試験液はＮＡＣＥ液と呼ば
れるもので、０．５％酢酸−５％食塩水溶液に１気圧Ｈ
ｔＳを通気し飽和させたものである。

次に、浸漬試験終了後の各試験片を第１図（ｂ）で示す
ように４等分し、その３つの断面に観察されるＨ　Ｉ　
Ｃから“板幅方向の割れの長さ（ａＡｊ）″及び“板厚
方向の割れの長さ（ｂｉｉ）”を測定し、これを基に弐 より割れ長さ率（Ｃ，Ｌ、Ｒ，）と割れ厚さ率（Ｃ，Ｔ
、Ｒ，）を算出してＨＩＣＩＣ性を評価した。前記式中
の記号Ｗは試験片の板圧中央部における幅であり、Ｔは
厚さである。

これらＨＩＣ試験の結果を第２表に併せて示す。

なお、第２表中に示したＣ、Ｌ、Ｒ，とＣ，Ｔ、Ｒ，の
値は、まず試験片を４等分したとき現われる３つの断面
での平均値を求め、次いで同−電縫鋼管の周方向に採取
した各試験片同士のそれを比較した中で最も大きかった
値である。

第２表に示される結果からも明らかなように、本発明で
規定される条件通りに製造された電縫鋼管は何れもｒＣ
，Ｌ、Ｒ，５１５％」及びｒＣ，Ｔ、Ｒ，≦２％」を満
足していて、十分な耐ＨＩＣ性を備えていることが分か
る。

これに対して、試験番号４〜７のものは素材板水冷時に
おける上下面の温度差が十分でなく、水冷停止温度は試
験番号４の下面水冷停止温度を除き他は適正範囲に入っ
ていてＣ，Ｌ、　Ｒ，は良好であるものの、Ｃ，Ｔ、Ｒ
，に劣る結果となっている。

試験番号８のものは、素材板水冷時における上下面の温
度差が十分でない上、水冷停止温度も適正範囲外である
ので、Ｃ，Ｌ、Ｒ，及びＣ，Ｔ、Ｒ，とも劣る結果とな
っている。

試験番号９のものでは、素材板熱延後の冷却速度が遅く
、水冷停止温度も高すぎるので、Ｃ，Ｌ、Ｒ。

及びＣ，Ｔ、Ｒ，とも劣る結果となっている。

試験番号１０のものでは、素材板製造時の水冷停止温度
は適正であるが、上下面の温度差が十分でない上、冷却
速度が速すぎたためＣ，Ｌ、Ｒ，及びＣ，Ｔ。

Ｒｏとも劣る結果となっている。

試験番号１６のものは、素材板製造時の巻取温度が高い
ためＣ，Ｔ、Ｒ，が劣る結果となっている。

試験番号１７のものは、素材板製造時における片面の水
冷停止温度が高すぎ、Ｃ，Ｌ、Ｒ，が劣る結果となって
いる。

試験番号１８のものは、素材板製造時における片面の水
冷停止温度が低すぎ、Ｃ，Ｌ、Ｒ，が劣る結果となって
いる。

試験番号１９のものは、素材板製造時の冷却速度が速す
ぎ、Ｃ，Ｌ、Ｒ，が劣る結果となっている。

試験番号２０のものは、素材板製造時の冷却速度が遅す
ぎたため、Ｃ，Ｌ、Ｒ，及びＣ，Ｔ、Ｒ，とも劣る結果
となっている。

試験番号２１のものは、素材板熱延後の水冷開始温度が
低すぎるたためＣ，Ｌ、Ｒ，が劣る結果となっている。

く効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、格別な事後熱
処理等を必要としないで残留応力の少ない耐ＨＩＣ性に
優れた（特にＣ，Ｔ、Ｒ，の小さい）電縫鋼管を製造す
ることができ、ラインパイプ等の信転性を一段と高め得
るなど、産業上極めて優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、第１図Ｔｂ）及び第１図（Ｃ）は、何れ
も実施例で採用したＨＩＣ試験方法を説明した概念図で
ある。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量割合にて Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０３〜０．８０
   ％、Ｍｎ：０．４０〜１．８０％、Ｐ：０．０２５％以
   下、Ｓ：０．００２％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１〜
   ０．１０％を含有すると共に、 Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、 希土類元素：０．０００５〜０．０１％ のうちの１種以上をも含み、残部がＦｅ及び不可避不純
   物から成る鋼を加熱し、Ａｒ＿３点以上の温度域で熱間
   圧延を終了した後、〔Ａｒ＿３点−３０℃〕以上の温度
   域から両面の温度差が５０℃以上となるように一方の表
   面温度が６００〜４５０℃、他方の表面温度が５５０〜
   ４００℃となるまで平均冷却速度：５〜２０℃／ｓｅｃ
   にて冷却し、５５０℃以下の温度域で巻き取ったコイル
   を用いて、その冷却停止温度の低い方の面が管の内面側
   となるように製管することを特徴とする、耐水素誘起割
   れ性に優れる電縫鋼管の製造方法。
2. （２）重量割合にて Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．０３〜０．８０
   ％、Ｍｎ：０．４０〜１．８０％、Ｐ：０．０２５％以
   下、Ｓ：０．００２％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１〜
   ０．１０％を含むと共に、 Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％。 希土類元素：０．０００５〜０．０１％ のうちの１種以上を含有し、更に Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．５
   ０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、Ｍｏ：０．０５〜
   ０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｖ：０．０
   １〜０．１５％、Ｔｉ：０．０１〜０．１５％ のうちの１種以上をも含んで、残部がＦｅ及び不可避不
   純物から成る鋼を加熱し、Ａｒ＿３点以上の温度域で熱
   間圧延を終了した後、〔Ａｒ＿３点−３０℃〕以上の温
   度域から両面の温度差が５０℃以上となるように一方の
   表面温度が６００〜４５０℃、他方の表面温度が５５０
   〜４００℃となるまで平均冷却速度：５〜２０℃／ｓｅ
   ｃにて冷却し、後５５０℃以下の温度域で巻き取ったコ
   イルを用いて、その冷却停止温度の低い方の面が管の内
   面側になるように製管することを特徴とする、耐水素誘
   起割れ性に優れる電縫鋼管の製造方法。