JPH0499127A

JPH0499127A - 耐炭酸ガス環境腐食性に優れた高強度マルテンサイト系ステンレス銅ラインパイプの製造方法

Info

Publication number: JPH0499127A
Application number: JP20617290A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Miyasaka; 明博宮坂; Hiroyuki Ogawa; 小川　洋之
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-08-03
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 1992-03-31
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: JPH06104868B2

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）本発明は溶接性の優れた高強度マルテンサイト系ステン
レス綱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襄い腐食抵抗を有するととも
に、溶接熱影響部の衝撃靭性に優れ、溶接熱影響部の硬
さを低減した高強度ラインパイプを高い生産性で製造す
る方法に関する。

（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、溶接部の衝撃靭性が優
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、母材の衝撃靭性も優れていることが必
要である。

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。例えばり、Ｊ、クライン、コロ−ジョン（Ｃｏｒｒ
ｏｓｉｏｎ）’８４　、ペーパーナンバー２１１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
ストの安い綱としてＡｌ５Ｉ　（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、これらの綱は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靭性が悪いため
に、ラインパイプとして使用することは困難である。

Ａｌ５Ｉ４１０１１１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、１５〜２２頁にあるように、現地溶接部の衝撃
靭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。

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割れを生ずるので、焼割れを生じ
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。

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、ＡＩまたはＣａ
さらにはＶを含有させ、かつＮｉおよびＭｏを含有させ
た鋼が捉案されている。しかし、この鯛は高価な合金元
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。

（発明が解決しようとする課Ｈ）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、母材の衝撃靭性および溶接性に優れ、か
つ生産性にも優れる高強度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擾供することを目的として
いる。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、上記の目的を達成すべく高強度マルテン
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１１〜１４％含有する鯛にＣを０．０２〜
０．０８％含有させ、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
と優れた靭性が得られること、また上記のようにＣおよ
びＮの含有量を上記の範囲に制御すれば水冷以上の速い
冷却速度で冷却しても焼割れなどの問題を生じないこと
、ＣおよびＮの含有量を上記の範囲に制御すれば溶接熱
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改善されるこ
とを見出した。そしてががる鋼にＣｕを１．２〜４．５
％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譬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靭性を著
しく改善できることを見出した。

さらに本発明者らは検討をすすめ、上記のような熱処理
を施す高強度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を０．０２〜０．０８％含有させ、Ｎを０．０１５％
以下に低減し、Ｃｕを１．２〜４．５％含有する鋼にＮ
ｉを添加すると溶接熱影響部の衝撃靭性をさらに改善す
るのに効果があること、ＭｏおよびＷの１種以上を添加
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。

Ｔｔ、　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割れ
は起こさないことを見出した。

本発明は主に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、ＣＯ，０２
〜０．０８％、Ｓｉ１％以下、Ｍｎ２％以下、Ｃｒ１ｌ
−１４％、Ｃｕ１．２〜４．５％、ＡＺｏ、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加速度で冷
却し、次いで６００　’Ｃ以上Ａ　ｃ　１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高強度マルテンサイト系ステンレ
ス綱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
綱にさらに重量％でＮｉ４％以下を含有させた鋼を使用
する高強度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発明が対象とする鯛にさらに、重量％
で、Ｎｏ２％以下、Ｗ４％以下のうち１種または２種を
含有させた鯛を使用する高強度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
対象とする各鯛にさらに、重量％テ、７０．５％以下、
Ｔｉ０．２％以下、ＮｂＯ，５％以下、ＴａＯ，２％以
下、ＺｒＯ，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高強度マルテ
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発明が対象とする名調にさらに、重
量％で、Ｃａ　Ｏ，００８％以下、希土類元素　０．０
２％以下の１種または２種を含有させた鋼を使用する高
強度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。

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鋼管法、電縫綱管法、スパイラル鋼管法である高
強度マルテンサイト系ステンレス綱ラインパイプの製造
方法にある。

（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はマルテンサイト系ステンレス鋼の強度を上昇さ
せる元素としてもっとも安定的かつ低コストであるから
、必要な強度を確保するとともに過度に低減すると逆に
溶接熱影響部の衝撃靭性を低下させるために０８０２％
以上を添加する。一方、０．０８％を趨えて添加すると
溶接熱影響部の衝撃靭性を低下させるとともに溶接熱影
響部の硬さを著しく上昇させることから、上限含有量は
０．０８％とすべきである。

Ｓｉ　：　Ｓｉは脱酸のために必要な元素であるが、１
％を趨えて添加すると衝撃靭性を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
するもっと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％を趙えて添加す
ると他の合金元素をいかに調整しても溶接′熱影響部の
ミクロ組織をマルテンサイト単相にし難くなるので、上
限含有量は１４％とすべきである。

Ｃｕ　：　ＣｕはＣおよびＮの含有量を低減させた綱の
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靭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１．２％未満ではこれらの
効果が不充分であり、４．５％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著しく低下させる
ようになるので、１．２〜４．５％の範囲に限定する。

ＡＺ　：　Ａｔは脱酸のために必要な元素であって含有
量がｏ、ｏｏｓ％未満ではその効果が充分ではなく、０
．２％を趙えて添加すると粗大な酸化物系介在物が鋼中
に残留して靭性を低下させるので、含有量範囲は０．０
０５〜０．２％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
衝撃靭性を低下させるので、上限含有量は０．０１５％
とす、べきである、より好ましくは、溶接熱影響部の衝
撃靭性を向上させるために、Ｎは０．０１％未満とする
ことが望ましい。

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１．２％以上のＣｕと共存して溶接熱
影響部の衝撃靭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
。

Ｍｏ　：　Ｍｏは１．２％以上のＣｕ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、母材
および溶接熱影響部の靭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。

ＷＯＷも１．２％以上のＣｕ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、母材および溶
接熱影響部の靭性なと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、　Ｉｆ　：　Ｖ
、　Ｔｉｔ　Ｎｂ、　Ｔｉｔ　Ｚｒ。

Ｉｆ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＋　Ｔｉｔ訂では０．２％、Ｎｂ、　
Ｖでは０．５％をそれぞれ趨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％、Ｎｂ、　Ｖでは０
．５％とした。

Ｃａ、希土類元素：Ｃａおよび希土類元素（ＲＥＶ）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ｏ、ｏｏｓ％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ｏ、ｏｏｓ％、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。

上記の成分を有するステンレス鋼を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”Ｃを超えると結晶粒が著しく粗大化
して母材の衝撃靭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。

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
定の強度および靭性を確保することが困難になると々も
に耐食性が低下するからである。

焼戻し温度を６００℃以上Ａ以下　１温度以下としたの
は、焼戻し温度が６００℃未満では充分な焼戻しが行わ
れず、焼戻し温度がＡ　ｃ　、温度を超えると一部がオ
ーステナイト化し、その後に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靭性が低下する
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。

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靭性が低下す
るためである。

本発明においては、所定の組成を有するマルテンサイト
系ステンレス鋼を細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ブツシュベンチ方式
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ＵＯＥ１ｇｌ管、電縫鋼
管あるいはスパイラル鋼管を指す。

（実施例）以下に本発明の実施例について説明する。

第１表に示す成分のステンレス鋼を溶製し、それぞれ第
１表に示す工程で肉厚１２．７■の鋼管とした後、第１
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４９ｋｇ／■露以上の高強
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０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なっ
た。また溶接熱影響部の最高硬さを荷重１００ｇ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
ける腐食試験を行なった。浸潤炭酸ガス環境における腐
食試験としては、厚さ３ｍｌ、幅１５■、長さ５０■の
試験片を用い、試験温度１２０℃のオートクレーブ中で
炭酸ガス分圧４０気圧の条件で３％ＮａＣｊ！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ｗｍ／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０．１
■／ｙ以下の場合、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。

試験結果を第１表に併せて示した。第１表のうち、衝撃
試験結果においてＯは破面遷移温度が一３０℃以下、×
は破面遷移温度が一３０℃を超え０℃以下、××は破面
遷移温度がＯ℃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Ｏ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　０．０５■
／ｙ未満、○は腐食速度が０．０５ｍ／ｙ以上０．１０
閣／ｙ未満、×は腐食速度が０．１０ｍ／ｙ以上０．５
ｍ／ｙ未満、××は腐食速度が０．５　ｍ／　ｙ以上で
あったことをそれぞれ表わしている。なお、第１表にお
いて比較鋼の阻２９はＡｌ５Ｉ　４２０鋼であり、Ｎｃ
Ｌ３０は９Ｃｒ−ＩＭｏ　＠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綱である。

第１表から明らかなように本発明に従って製造されたラ
インパイプである隘１〜２８は、母材および溶接熱影響
部の衝撃靭性が格段に優れ、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１２０℃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、　１　ｍ／　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隨２９〜３１およびＮａ
３３は水冷による焼入れに際して焼割れを生じている。

また比較例？１ｋＬ３２およびＮＱ、３４も湿潤炭酸ガ
ス環境において１２０℃で既に腐食速度が０．１　ｗａ
／　ｙを上回っており、かつ母材および溶接熱影響部の
衝撃靭性が悪く、また溶接熱影響部の硬さが高い。

（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
れる高強度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】

（１）重量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：１１〜１４％、Ｃｕ：１．２〜４．５％、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、９２０〜１１
００℃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６００℃以上Ａｃ＿１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高強度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。
（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Ｎｉ：４％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の高強度マ
ルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
（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Ｍｏ：２％以下、Ｗ：４％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に記載の高強度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。
（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Ｖ：０．５％以下、Ｔｉ：０．２％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｔａ：０．２％以下、Ｈｆ：０．２％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に記載の高強度マルテンサイト系
ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
（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Ｃａ：０．００８％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に記載の高強度マルテンサイト系
ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
（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に記載の高強度マルテンサイト
系ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
（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に記載の高強度マルテンサイト系
ステンレス鋼ラインパイプの製造方法。
（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
の高強度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。
（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
高強度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。
（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
に記載の高強度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。