JPH04268019A

JPH04268019A - マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法

Info

Publication number: JPH04268019A
Application number: JP2896191A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Miyasaka; 明博宮坂
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-02-22
Filing date: 1991-02-22
Publication date: 1992-09-24

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶接性の優れたマルテン
サイト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法に係り、
さらに詳しくは、例えば石油・天然ガスの輸送において
湿潤炭酸ガスや湿潤硫化水素を含む環境中で高い腐食抵
抗を有するとともに、溶接熱影響部の衝撃靱性に優れ溶
接熱影響部の硬さを低減したラインパイプを高い生産性
で製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年生産される石油・天然ガス中には、
湿潤な炭酸ガスを多く含有する場合が増加している。こ
うした環境中で炭素鋼や低合金鋼は著しく腐食すること
がよく知られている。このため、輸送に使用されるライ
ンパイプなどの防食対策として、腐食抑制剤の添加が従
来より行なわれてきた。しかし、腐食抑制剤は高温では
その効果が失われる場合が多いことに加えて、海底パイ
プラインでは腐食抑制剤の添加・回収処理に要する費用
は膨大なものとなり、適用できない場合が多い。従って
、腐食抑制剤を添加する必要のない耐食材料に対するニ
ーズが最近とみに高まっている。ラインパイプとして使
用される材料には、耐食性のほかに内部を流れる輸送流
体の圧力に耐える高い強度を持ち、溶接性に優れること
が要求される。溶接性の代表的な特性としては、溶接部
の衝撃靱性が優れていることが必要である。また、硫化
水素を含有する流体を輸送する場合には、溶接部の硬さ
が低いことも要求される。勿論、母材の衝撃靱性も優れ
ていることが必要である。

【０００３】炭酸ガスを多く含む石油・天然ガス用の耐
食材料としては、耐食性の良好なステンレス鋼の適用が
まず検討された。例えばＬ．Ｊ．クライン、コロージョ
ン（Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）’８４、ペーパーナンバー２
１１にあるように、溶接構造のない油井管には、高強度
で比較的コストの安い鋼としてＡＩＳＩ（米国鉄鋼協会
）４１０鋼あるいは４２０鋼といった、Ｃを０．１ある
いは０．２％含有し、１２〜１３％のＣｒを含有するマ
ルテンサイト系ステンレス鋼が広く使用され始めている
。しかしながら、これらの鋼はＣの含有量が高いので、
溶接部が非常に硬くなるとともに溶接部の衝撃靱性が悪
いために、ラインパイプとして使用することは困難であ
る。ＡＩＳＩ４１０鋼を使用したラインパイプが最近Ａ
ＰＩ（米国石油協会）で規格化されてはいるものの、例
えば須賀正孝ほか著、ＮＫＫ技報１９８９年発行、第１
２９号、第１５〜２２頁にあるように、現地溶接部の衝
撃靱性が悪いという難点を有している。これは彼らの報
告にあるように溶接熱影響部が粗大なフェライト主体の
組織となるためである。

【０００４】従来のマルテンサイト系ステンレス鋼鋼管
は、造管後に熱処理されるに際して、焼入れ時の冷却は
空冷とするのが通常であった。これは空冷よりも速い冷
却速度、例えば水冷で冷却すると焼き割れを生ずるので
焼き割れを生じない冷却速度でゆっくり冷却しなければ
ならないためである。焼入れ時の冷却を空冷とした場合
、室温までの冷却に長時間を要するので、例えば水冷の
場合に比べると生産性が著しく悪い、という難点をも有
している。従って、焼入れに際して水冷で製造できれば
生産性の点からその意義は極めて大きいものがある。

【０００５】ラインパイプ用鋼としては、特開昭６１−
１１９６５４号公報において、ＣおよびＮを低減し、Ａ
ｌまたはＣａさらにはＶを含有させ、かつＮｉおよびＭ
ｏを含有させた鋼が提案されている。しかし、この鋼は
高価な合金元素であるＮｉを多量に含有しているために
コストが高い上に特性も十分とは言えない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした現状
に鑑み、炭酸ガス環境でも充分な耐食性を有し、母材の
衝撃靱性および溶接性に優れ、かつ生産性にも優れるマ
ルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法を
提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成すべくマルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイ
プの成分と熱処理条件とを種々検討してきた結果、つい
に以下の知見を見出すに至った。まず、Ｃｒを１１〜１
４％含有する鋼のＣ量を０．０２％未満に低減し、かつ
Ｎを０．０１５％以下に低減した上で、該鋼を鋼管とし
て造管した後の焼入れに際して水冷以上の速い冷却速度
で冷却し、焼入れおよび焼戻し条件を適切に選択すれば
、ラインパイプとして必要な強度と優れた靱性が得られ
ること、また上記のようにＣおよびＮを低減すれば水冷
以上の速い冷却速度で冷却しても焼き割れなどの問題を
生じないこと、ＣおよびＮを低減すれば溶接熱影響部の
硬さを著しく低下させることができるとともに、炭酸ガ
ス含有食塩水中における耐食性が著しく改善されること
を見出した。そしてかかる鋼にＣｏを１．１〜４．０％
添加すると溶接部の硬さをあまり上げることなく母材お
よび溶接部のミクロ組織を実質的にマルテンサイト単相
とすることができ、母材および溶接部の衝撃靱性を改善
できることを見出した。

【０００８】さらに本発明者は検討をすすめ、上記のよ
うな熱処理を施すマルテンサイト系ステンレス鋼からな
るラインパイプの組成として、Ｃｒを１１〜１４％含有
しＣおよびＮを低減し、Ｃｏを１．１〜４．０％含有す
る鋼にＮｉあるいはＣｕのいずれかまたは両者を添加す
ると溶接熱影響部の衝撃靱性をさらに改善するのに効果
があること、ＭｏあるいはＷのいずれかまたは両者を添
加すると湿潤炭酸ガス環境の耐食性を改善するのに効果
があること、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種
以上を添加すると耐食性を一段と向上させるのに有効で
あること、Ｃａおよび希土類元素の１種以上を添加する
と熱間加工性の向上、耐食性の向上に効果のあること、
これらの元素を添加した場合でもＣおよびＮを前記の範
囲に制御しておけば焼入れ時に水冷などの急冷を施して
も焼き割れは起こさないこと、を見出した。

【０００９】本発明は上記の知見に基づいてなされたも
のであり、第１発明の要旨とするところは、重量％で、
Ｃを０．０２％未満に低減し、Ｃｒ１１〜１４％、Ｃｏ
１．１〜４．０％、Ｓｉ１％以下、Ｍｎ２％以下、Ａｌ
０．００５〜０．２％を含有し、Ｎを０．０１５％以下
に低減し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるマルテ
ンサイト系ステンレス鋼を鋼管として造管した後に、９
２０〜１１００℃でオーステナイト化してから水冷以上
の冷却速度で冷却し、次いで５８０℃以上ＡＣ１温度以
下の温度で焼戻し処理を施してから空冷以上の冷却速度
で冷却することを特徴とするマルテンサイト系ステンレ
ス鋼ラインパイプの製造方法にあり、第２発明の要旨と
するところは、第１発明が対象とする鋼にさらに、重量
％で、Ｎｉ４％以下、Ｃｕ３％以下のうち１種または２
種を含有させた鋼を使用するマルテンサイト系ステンレ
ス鋼ラインパイプの製造方法にあり、第３発明の要旨と
するところは、第１発明および第２発明が対象とする鋼
にさらに、重量％で、Ｍｏ２％以下、Ｗ４％以下のうち
１種または２種を含有させた鋼を使用するマルテンサイ
ト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法にあり、第４
発明の要旨とするところは、第１発明、第２発明および
第３発明が対象とする各鋼にさらに、重量％で、Ｖ０．
５％以下、Ｔｉ０．２％以下、Ｎｂ０．５％以下、Ｔａ
０．２％以下、Ｚｒ０．２％以下、Ｈｆ０．２％以下の
うち１種または２種以上を含有させた鋼を使用するマル
テンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法にあ
り、第５発明の要旨とするところは、第１発明、第２発
明、第３発明および第４発明が対象とする各鋼にさらに
、重量％で、Ｃａ０．００８％以下、希土類元素０．０
２％以下のうち１種または２種を含有させた鋼を使用す
るマルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方
法にある。

【００１０】また第６発明〜第１０発明の各発明の要旨
とするところは、第１発明〜第５発明の各発明において
鋼管として造管する方法が、それぞれ、プレス製管法、
熱間圧延法、ＵＯＥ鋼管、電縫鋼管、スパイラル鋼管と
して造管する方法、であるマルテンサイト系ステンレス
鋼ラインパイプの製造方法にある。

【００１１】

【作用】以下に本発明で成分および熱処理条件を限定し
た理由を述べる。Ｃ：Ｃは多量に存在すると湿潤炭酸ガ
ス環境における耐食性を低下させ、かつ溶接熱影響部の
硬さを上昇させる。Ｃ量を０．０２％未満とすれば特に
耐食性改善効果および溶接熱影響部の硬さ低減効果が著
しいことから、Ｃ量は０．０２％未満に限定する。

【００１２】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸のために必要な元素であ
るが、１％を超えて添加すると靱性を著しく低下させる
ことから、上限含有量は１％とする。Ｍｎ：Ｍｎは脱酸
および強度確保のために有効な元素であるが、２％を超
えて添加するとその効果は飽和するので、上限含有量は
２％とする。Ｃｒ：Ｃｒはマルテンサイト系ステンレス
鋼を構成する最も基本的かつ必須の元素であって耐食性
を付与するために必要な元素であるが、含有量が１１％
未満では耐食性が充分ではなく、一方１４％を超えて添
加すると他の合金元素をいかに調整しても高温に加熱し
たときにオーステナイト単相になり難く強度確保が困難
になるので、上限含有量は１４％とすべきである。

【００１３】Ｃｏ：ＣｏはＣおよびＮの含有量を低減さ
せた鋼の母材は言うまでもなく溶接熱影響部のミクロ組
織をもマルテンサイト組織として衝撃靱性を改善すると
ともに湿潤炭酸ガス環境における耐食性を改善するのに
極めて有用な元素であるが、含有量が１．１％未満では
これらの効果が不充分であり、４．０％を超えて添加し
てもその効果は飽和するばかりか、いたずらにコストを
上昇させるだけであるから、１．１〜４．０％の範囲に
限定する。

【００１４】Ａｌ：Ａｌは脱酸のために必要な元素であ
って含有量が０．００５％未満ではその効果が充分では
なく、０．２％を超えて添加すると粗大な酸化物系介在
物が鋼中に残留して硫化水素中での割れ抵抗を低下させ
るので、含有量範囲は０．００５〜０．２％とした。Ｎ
：Ｎは０．０１５％を超えて存在すると溶接熱影響部の
硬さを上昇させるとともに母材および溶接熱影響部の衝
撃靱性を低下させるので、上限含有量は０．０１５％と
すべきである。

【００１５】以上が本発明が対象とするラインパイプの
素材となるマルテンサイト系ステンレス鋼の基本的成分
であるが、本発明においては必要に応じてさらに以下の
元素を添加して特性を一段と向上させた鋼も対象として
いる。Ｎｉ：Ｎｉは１．１〜４．０％のＣｏと共存して
溶接熱影響部の衝撃靱性をさらに改善するのに効果があ
るが、４％を超えて添加してもその効果は飽和するばか
りか、いたずらにコストを上昇させ、かつ溶接熱影響部
の硬さを上昇させるだけであるので、上限含有量は４％
とする。

【００１６】Ｃｕ：Ｃｕも１．１〜４．０％のＣｏと共
存して溶接熱影響部の衝撃靱性をさらに改善するのに効
果があるが、３％を超えて添加してもその効果は飽和す
るばかりか、熱間加工性を低下させるだけであるので、
上限含有量は３％とする。Ｍｏ：Ｍｏは１．１〜４．０
％のＣｏと共存して湿潤炭酸ガス環境の耐食性を改善す
るのに効果があるが、２％を超えて添加してもその効果
は飽和するばかりか、靱性など他の特性を低下させるよ
うになるので上限含有量は２％とする。

【００１７】Ｗ：Ｗも１．１〜４．０％のＣｏと共存し
て湿潤炭酸ガス環境の耐食性を改善するのに効果がある
が、４％を超えて添加してもその効果は飽和するばかり
か、靱性など他の特性を低下させるようになるので、上
限含有量は４％とする。Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、
Ｈｆ：Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆは耐食性を一
段と向上させるのに有効な元素であるが、Ｔｉ、Ｚｒ、
Ｔａ、Ｈｆでは０．２％、Ｖ、Ｎｂでは０．５％をそれ
ぞれ超えて添加すると粗大な析出物・介在物を生成して
硫化水素含有環境におけるＳＳＣ抵抗を低下させるよう
になるので、上限含有量はＴｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆでは
０．２％、Ｖ、Ｎｂでは０．５％とした。

【００１８】Ｃａ、希土類元素：Ｃａおよび希土類元素
（ＲＥＭ）は熱間加工性の向上、耐食性の向上に効果の
ある元素であるが、Ｃａでは０．００８％を超えて、希
土類元素では０．０２％を超えて添加すると、それぞれ
粗大な非金属介在物を生成して逆に熱間加工性および耐
食性を劣化させるので、上限含有量はＣａでは０．００
８％、希土類元素では０．０２％とした。なお、本発明
において希土類元素とは原子番号が５７〜７１番および
８９〜１０３番の元素およびＹを指す。

【００１９】上記の成分を有するステンレス鋼を鋼とし
て造管した後に熱処理して所定の強度を付与するに際し
、オーステナイト化温度を９２０〜１１００℃としたの
は、９２０℃より低い温度ではオーステナイト化が充分
ではなく従って必要な強度を得ることが困難だからであ
り、オーステナイト化温度が１１００℃を超えると結晶
粒が著しく粗大化して母材の衝撃靱性が低下するように
なるので、オーステナイト化温度は９２０〜１１００℃
とした。

【００２０】オーステナイト化後の冷却における冷却速
度を水冷以上の冷却速度としたのは、水冷よりも遅い冷
却速度では所定の強度および靱性を確保することが困難
になるとともに耐食性が低下するからである。焼戻し温
度を５８０℃以上ＡＣ１温度以下としたのは、焼戻し温
度が５８０℃未満では充分な焼戻しが行われず、焼戻し
温度がＡＣ１温度を超えると一部がオーステナイト化し
その後の冷却時にフレッシュ・マルテンサイトを生成し
、いずれも充分に焼戻しされていないマルテンサイトが
残留するために衝撃靱性が低下するとともに硫化水素含
有環境におけるＳＳＣ感受性を増加させるためである。

【００２１】焼戻し後の冷却における冷却速度を空冷以
上の冷却速度としたのは、空冷よりも遅い冷却速度では
靱性が低下するためである。本発明鋼においては、所定
の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を鋼管と
して造管するのであるが、造管方法としては、プレス製
管法あるいは熱間圧延法を用いて継ぎ目なし鋼管とする
こと、ＵＯＥ鋼管、電縫鋼管あるいはスパイラル鋼管と
して溶接鋼管とすること、のいずれも本発明の対象とす
るところである。ここでプレス製管法としては熱間押出
方式あるいはプッシュベンチ方式などの通常のプレス製
管法を指す。熱間圧延法としてはプラグミル方式あるい
はマンドレルミル方式などの通常の熱間圧延法を指す。ＵＯＥ鋼管、電縫鋼管あるいはスパイラル鋼管はそれぞ
れ通常のＵＯＥ鋼管、電縫鋼管あるいはスパイラル鋼管
を指す。

【００２２】

【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。表
１、表３に示す成分のステンレス鋼を溶製し、それぞれ
表２、表４に示す工程で肉厚１２．７ｍｍの鋼管とした
後、同表に併せて示す条件で焼入れ焼戻し処理を施して
、いずれも０．２％オフセット耐力が４２ｋｇ／ｍｍ２
　以上の高強度マルテンサイト系ステンレス鋼鋼管とし
た。焼入れ時の冷却はいずれも水冷とし、焼戻し時の冷却は
いずれも空冷とした。次にこれらの鋼管を手溶接によっ
て円周溶接して継手を作製した。溶接入熱は１７ｋＪ／
ｃｍであった。母材および該円周溶接部の溶接熱影響部
からＪＩＳ４号衝撃試験片（フルサイズ）を採取して衝
撃試験を行った。また溶接熱影響部の最高硬さを荷重１
００ｇのマイクロビッカース測定で求めた。また母材か
ら試験片を採取して湿潤炭酸ガス環境における腐食試験
を行った。湿潤炭酸ガス環境における腐食試験としては
厚さ３ｍｍ、幅１３ｍｍ、長さ５０ｍｍの試験片を用い
、試験温度１５０℃のオートクレーブ中で炭酸ガス分圧
４０気圧の条件で５％ＮａＣｌ水溶液中に３０日間浸漬
して、試験前後の重量変化から腐食速度を算出した。腐
食速度の単位はｍｍ／ｙで表示したが、一般的にある環
境におけるある材料の腐食速度が０．１ｍｍ／ｙ未満の
場合、材料は充分耐食的であり使用可能であると考えら
れている。

【００２３】試験結果を表２、表４に併せて示した。両
表の衝撃試験結果において○は破面遷移温度が−３０℃
以下、×は破面遷移温度が−３０℃を超え０℃以下、×
×は破面遷移温度が０℃超であったことをそれぞれ表わ
しており、溶接熱影響部最高硬さにおいて○は最高硬さ
が３００未満、×は最高硬さが３００以上４５０未満、
××は最高硬さが４５０以上であったことをそれぞれ表
わしており、腐食試験結果において◎は腐食速度が０．
０５ｍｍ／ｙ未満、○は腐食速度が０．０５ｍｍ／ｙ以
上０．１０ｍｍ／ｙ未満、×は腐食速度が０．１ｍｍ／
ｙ以上０．５ｍｍ／ｙ未満、××は腐食速度が０．５ｍ
ｍ／ｙ以上であったことをそれぞれ表わしている。なお
、表１〜４において比較鋼Ｎｏ．２５はＡＩＳＩ４２０
鋼であり、Ｎｏ．２６は９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼であって、い
ずれも従来から湿潤炭酸ガス環境で使用されている従来
鋼である。

【００２４】表１〜４から明らかなように本発明方法に
従って製造されたラインパイプであるＮｏ．１〜２４は
、母材および溶接熱影響部の衝撃靱性が格段に優れ、溶
接熱影響部の硬さが充分低く、湿潤炭酸ガス環境におい
て１５０℃というラインパイプとしては非常な高温であ
っても、実用的に使用可能な腐食速度である０．１ｍｍ
／ｙよりも腐食速度が小さく、優れた耐食性と溶接性と
を有していることがわかる。また本発明方法に従って製
造されたラインパイプはいずれも焼入れに際して水冷が
可能であり、生産性にも優れている。これに対して比較
例であるＮｏ．２５〜２７およびＮｏ．２９は水冷によ
る焼入れに際して焼き割れを生じている。また焼入れに
際して焼き割れを生じなかった比較例Ｎｏ．２８および
Ｎｏ．３０のうち、比較例ＮＯ．２８は湿潤炭酸ガス環
境における腐食速度が温度１５０℃でも既に０．１ｍｍ
／ｙを上回っており、かつ比較例Ｎｏ．２８およびＮｏ
．３０とも母材および溶接熱影響部の衝撃靱性が悪く、
また溶接熱影響部の硬さが高い。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は湿潤炭酸ガ
ス環境における優れた耐食性と優れた溶接性を有し、か
つ生産性にも優れるマルテンサイト系ステンレス鋼ライ
ンパイプの製造方法を提供することを可能としたもので
あり、産業の発展に貢献するところ極めて大である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　重量％で、Ｃを０．０２％未満に低減し、Ｓｉ１％以下、Ｍｎ２％以下、Ｃｒ１１〜１４％、Ｃｏ１．１〜４．０％、Ａｌ０．００５〜０．２％、を含有し、Ｎを０．０１５％以下に低減し、残部Ｆｅお
よび不可避不純物からなるマルテンサイト系ステンレス
鋼を鋼管として造管した後に、９２０〜１１００℃でオ
ーステナイト化してから水冷以上の冷却速度で冷却し、
次いで５８０℃以上ＡＣ１温度以下の温度で焼戻し処理
を施してから空冷以上の冷却速度で冷却することを特徴
とするマルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの製
造方法。
【請求項２】　　マルテンサイト系ステンレス鋼が、さ
らに付加成分として重量％でＮｉ４％以下、Ｃｕ３％以下のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求
項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイ
プの製造方法。
【請求項３】　　マルテンサイト系ステンレス鋼が、さ
らに付加成分として重量％でＭｏ２％以下、Ｗ４％以下のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求
項１または２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼ラ
インパイプの製造方法。
【請求項４】　　マルテンサイト系ステンレス鋼が、さ
らに付加成分として重量％でＶ０．５％以下、Ｔｉ０．２％以下、Ｎｂ０．５％以下、Ｚｒ０．２％以下、Ｔａ０．２％以下、Ｈｆ０．２％以下のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする
請求項１，２または３に記載のマルテンサイト系ステン
レス鋼ラインパイプの製造方法。
【請求項５】　　マルテンサイト系ステンレス鋼が、さ
らに付加成分として重量％でＣａ０．００８％以下、希土類元素０．０２％以下のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求
項１，２，３または４に記載のマルテンサイト系ステン
レス鋼ラインパイプの製造方法。
【請求項６】　　鋼管に造管する方法がプレス製管法で
ある請求項１，２，３，４または５に記載のマルテンサ
イト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
【請求項７】　　鋼管に造管する方法が熱間圧延法であ
る請求項１，２，３，４または５に記載のマルテンサイ
ト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
【請求項８】　　鋼管に造管する方法として、マルテン
サイト系ステンレス鋼板を製造した後にＵＯＥ鋼管とし
て造管することを特徴とする請求項１，２，３，４また
は５に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイ
プの製造方法。
【請求項９】　　鋼管に造管する方法として、マルテン
サイト系ステンレス鋼板を製造した後に電縫鋼管として
造管することを特徴とする請求項１，２，３，４または
５に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプ
の製造方法。
【請求項１０】　　鋼管に造管する方法として、マルテ
ンサイト系ステンレス鋼板を製造した後にスパイラル鋼
管として造管することを特徴とする請求項１，２，３，
４または５に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼ライ
ンパイプの製造方法。