JPS60258411A - 溶接鋼管の加工方法 - 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】 （技術分野） 溶接鋼管の加工方法に関し、この明細書で述べる技術内
容は、たとえば溶接鋼管を用いるパイプライン中での河
川横断部分などに使用される、曲管の素材パイプの如く
に適用することかできるような二次加工性を具備させる
ため、該鋼管の溶接金属の成分範囲を、該加工過程を経
た後においても、元の鋼管の本来性能が維持される加工
条件とともに究明した結果に基いて、該溶接金属組成の
成分範囲に限定した溶接鋼管を、曲管としての使用に供
するための加工条件を特定した溶接鋼管の加工方法を提
案するところにある。

（背景技術） 石油、天然ガスなどの大量輸送方法としてパイプライン
による方法はもつとも効率が良く、世界各地に長距離パ
イプラインが数多く建設されているが、輸送効率を上げ
るため最近では管内の輸送圧力を増加させる傾向にある
。

管内圧力が高くなるほどパイプに要求される強度も高く
なるが、中でも寒冷地で使用される場合には強度ととも
に低温での高じん性が必要とされ、鋼板については化学
組成の調整や特殊制御圧延法の適用により要求性能をほ
ぼ満足できるものが得られている。

この種の鋼管には一般にＮｂを含有した非調質高張力鋼
板が使用されるが、圧延温度と圧下率を制御し、強度と
じん性を確保して、ＵＯＥ法、ベンディングロール法、
スパイラル法などにより成形後通常は両面一層サブマー
ジアーク溶接方法により製管される。

ところでパイプラインにおける河川横断部分や、ポンプ
ステーションまわりなどの曲線配管部分にはライン本管
と同一外径の曲管が使用されるが、従来鍛だや溶接加工
により別途製作されていたこの曲管も、納期やコストの
面から、最近では前述のような溶接鋼管を曲げ加工して
充当しようとする気運が強まりつつある。

（問題点） 曲げ加工性の面から通常は高温で加工されるが溶接まま
では高強度、高じん性を有する上記溶接鋼管も高温加熱
加工による曲管成形を経た後、その再加熱条件によって
はじん性が劣化しとくに溶接金属のしん性劣化は著しい
ため、これを防止することが大きな課題となる。

溶接後にいわゆる焼入れ一焼戻し処理や焼ならし処理に
より高強度で高じん性を有する溶接金属を得る方法につ
いてはすでに開示されていて、たとえば特公昭５５−１
９２９７、同５６−１９３８１号各公報に溶接金属の化
学組成や、熱処理条件が示されているが曲管製造の場合
には、曲げ加工時に鋼管各部に相当大きな加工歪が生じ
、析出や、組織変化などしん性にとって好ましくない現
象が起り、じん性劣化が助長されることになる。

それ故、単に直管の熱処理条件の応用のみではこの問題
の解決は困難であり上記各公報に示されている熱処理法
は全く役に立たず曲管を作るための適正な溶接金属、加
熱加工条件が必要なのである。

（発明の動機） このような現状をふまえて発明者らは、溶接鋼管溶接金
属の加工前のしん性確保はもちろんのこと、高温におけ
る曲管成形後のしん性劣化を回避することもできるよう
な溶接金属組成と加工条件について詳細な検討を行った
。

その結果、溶接ままの素管および高温における曲管成形
後に降伏強度４０〜６０４ｆ　／ｍｍ２程度の強度と一
４６℃で７ｋｇｆｍ程度の低温じん性を有する溶接金属
を得るためには、溶接金属の化学組成を特定化した上で
、熱間での曲げ加工につきγ粒の粗大化を防止するため
、加熱温度範囲と、加工完了までの経過時間を制限する
必要のあることが判明した。また強度とじん性を同時に
確保するためには加工後の冷却過程における平均冷却速
度についても適切な制御下に冷却することが重要である
ことが知見さ屯た。

（発明の目的） この発明は、ラインパイプとして使用され得るのはもち
ろん、それによるパイプラインの部分としての同径曲管
に容易に加工することができて強度およびじん性の劣化
を伴わない、溶接鋼管の加工方法を与えることが目的で
ある。

（発明の構成） この発明はＣ：　０．１２ｗｔ％以下、Ｓｉ　：　０．
１０〜０．５０ｗｔ％、Ｍｎ　：　０．８０〜２．３０
ｗｔ％、ＡＪ２：　０，０１０〜０．０７０ｗｔ％、Ｎ
ｉ　：　０．２０〜３，００ｗｔ％、Ｍｏ　二０，１０
ｗｔ％以下、 Ｔｉ　：　０．０１５〜０．０５０ｗｔ％、およびＢ　
：　０．００２０ｗｔ％をこえて０，００５０ｗｔ％ま
でを含有し、 Ｎ　：　ｏ、ｏ１ｏｗｔ％以下 ０：０．０２５〜０，０５０ｗｔ％であってさらに０．
０３５ｗｔ％以下のＮｂおよび０．０４０ｗｔ％以下の
■のうら１種以上を含み、残部は溶接上不可避的に入っ
てくる混入成分および鉄の、溶接金属組成に成る継目溶
接部を有する溶接鋼管を、加熱温度８５０〜１０５０℃
において１２０秒以内の保持時間で熱間二次加工を施し
、その後３００℃に至る平均冷却速度を１５〜ｂ 徴とする溶接鋼管の加工方法である。

この発明においてまず溶接鋼管の加熱後における加工条
件は、溶接金属の化学組成との関係でつぎに示す重要な
意味を有している。

すなわら、熱間二次加工に供すると否とに拘わらず溶接
金属は、溶接ままで十分な強度と低温じん性を有してい
る必要があり、そのためには酸素量が少いほど好ましい
。

しかしながら高温加熱では酸素（酸化物）がγ粒の成長
抑制作用を有しているため過度に酸素量を低減すること
は曲げ加工熱処理後のしん性向からは好ましくなく、適
正な酸素量、すなわち０．０２５〜０．０５０％の含有
間と、とくに８５０〜１０５０℃の範囲の加熱温度で１
２０秒以内に二次加工を施すことが重要なのである。な
お、８５０℃より低い温度での曲げは変形の抵抗が大き
く短時間での曲げ加工が困難となる。

また一般に溶接鋼管用母材にはＮｂを含む制御圧延鋼板
が使用されるが、Ｎｂは溶接ままでは溶接金属中に固溶
し、溶接金属のしん性に決定的な影響を及ぼさないが、
その後の再加熱処理により微細なＮｂ炭窒化物として析
出するとじん性は顕署に劣化する。したがってＮｂを含
む溶接金属を熱処理して使用する場合には微細な炭窒化
物を生じないように留意しなければならないが、加熱温
度の上限を１０５０℃として溶接金属中のＮｂ量の上限
を０．０３５％とすることにより焼戻し時のＮｂの微細
析出によるしん性劣化の軽減（Ｊ可能となる。

次に加熱後の連続冷却においては、変態が完全に終了す
るまで冷却速度を制御することが大切であるが、３００
℃までにほぼ変態は完全に終了するため、曲げ加工後の
冷却としては３００℃までを考慮すれば十分である。加
熱温度から３００℃までの平均冷却速度が６０℃／　ｓ
ｅｃより速い場合には溶接金属の硬度が大きくなりすぎ
、必要に応じて施される焼戻しによっても硬度低下が少
ないため強度が高くなりすぎじん性の確保が困難となり
、いっぽう冷却速度が１５℃／　ｓｅａより遅くなると
粗大なフェライトが生成してじん性を確保することがむ
ずかしくなるとともに強度の低下も大きくなる。

このように迅速に加工を完了してからも３００℃に至る
間に適正な冷却速度の制御を要し、それに応じて溶接金
属の組成も規制する必要のあることが見出されたのであ
る。

なお冷却後の焼戻し処理は、もちろん必要に応じて実施
すれば良い。

上述のようにして曲げ加工を行った溶接鋼管の溶接金属
強度と、低温じん性とを確保するためには前述のような
加工熱処理条件が必要であるが、それ以外にも溶接金属
化学組成の規制を行わないと一４６℃レベルの低温じん
性を確保することは困難である。溶接金属化学組成を特
定し、かつ適正な加工熱処理条件を適用することにより
はじめて溶接ままおよび加工熱処理後の両方の状態で十
分な強度と低温じん性を有する溶接金属が得られるので
ある。

つぎに溶接金属の化学組成を限定した理由について述べ
る。

Ｃ：上記の熱処理条件のもとではＣ量がｏ、１２％を超
えると、焼入時（冷却時）にしん性に有害な高炭素マル
テンサイトが生成し、焼戻しによってもじん性は向上し
ないためＣｔは０．１２％以下にする必要がある。

３ｉ　：３ｉは母材などからこの種の溶接金属に不可欠
に入ってくる成分であり、じん性対策上からも０．１０
％以上が下限値として必要である。いっぽう０．５０％
を超えると溶接まま状態でのしん性確保が困難となるば
かりでなく加工熱処理後もポリゴナルフェラント粒が大
きくなり良好なしん性は得られないためＳｉ量は０．１
０％〜０．５０％とした。

Ｍｎ：Ｍｎは溶接金属の脱酸の上では不可欠の元素であ
ると同時に強度しん性の上からも重要であり、０．８０
％より少いと脱酸不足になりやすくかつ溶接金属の強度
を保つことがむずかしい。いっぽう２．３０％を超える
と焼入れ性が大きくなりすぎてラス状組織となり、じん
性が劣化づるためその上限は２．３０％とする必要があ
る。

Ａβ：Ａ℃は脱酸上および窒素を固定する上から、また
組織微細化の面からも必要な元素であるが、ｏ、ｏｉｏ
％より少ないとその効果は期待できず、いっぽう０．０
７０％を超えるとフェライトが粗大になり溶接ままでの
しん性が著しく不良となるため、０．０１０〜０．０７
０％にする必要がある。

Ｎｉ　：Ｎｉは前述のＭｎや後記するＭＯとともに溶接
まま溶接金属の強度およびじん性向上には効果的な元素
であるが、０．２０％より少い場合にはその効果は期待
できない。Ｎｉの上記効果は加工熱処理後でもかわらず
、しかも広範囲の添加量によってもじん性劣化をまねく
ことがなく、極めて有効な元素である。しかしながら添
加量が多くなりすぎると溶接時に高温割れの発生する危
険性があるため３．００％を上限とした。

Ｍｏ：Ｍｏも焼入性を高め、溶接まま溶接金属のしん性
向上には効果的な元素であり、とくに後記するＴｉ、Ｂ
と同時に添加される場合には極めて良好なしん性を有す
る溶接金属が得られる。しかしながらＭＯは加工熱処理
時に高炭素マルテンサイトを生成しやすくし、焼戻しに
よってもじん性は向上しないため加工熱処理後のしん性
を考慮した場合添加口の上限は０．１０％である。

Ｔｉ、３：つぎにＴｉと８についてはこれらの総合的な
効果として溶接ままではもちろんのこと、加工熱処理後
でも細粒フェライトが生成して、良好な低温じん性が得
られるのでまとめて述べる。Ｂ（７）基本的な働きは、
旧オーステナイト粒界に生成する粒界フェライトの析出
を抑制することであるが、Ｂが窒化物や酸化物になって
しまうとその効果は期待できなくなる。Ｔｉを添加する
ことによりＢの窒化、酸化を抑制づることができ、しか
もＴｉはフェライト粒を細かくする働きを有しているた
めＴｉと８を同時に添加することで低温じん性の確保は
容易となり、添加量を制限すればこの効果は加工熱処理
後でも失われない。

ここにＢ饅が０．００２０％未満では粒界フェライトが
生成しやすく、０．００５０％を越えると粒界にＢの濃
厚偏析が生じるためいずれも低じん性となる。

一方ＴｉについてはＢを有効に活用する―が０．０１５
〜０．０５０％であり、０．０１５％より少ない場合に
は細粒フェライトが得られにくく、またｏ、ｏｓｏ％を
超えると固溶Ｔ１が多くなり、何れも低じん性となる。

Ｎ：ＮについてはＢの窒化を防止するため、また固溶Ｎ
によるじん性劣下を防止するためそのおそれのない０．
０１０％以下に限定する必要がある。

Ｏ：Ｏについてはすでに述べたごとく溶接ままのじん性
、加工熱処理後のしん性の両方を考跪すると、０．０２
０％〜０．０５０％にする必要がある。

Ｎｂ、Ｖ：通常溶接鋼管用母材にはＮｂやＶを含むＩＩ
Ｊｉｌｌ圧延鋼板が用いられ、溶接時には母材希釈によ
り溶接金属にこれらの元素が含有される。

溶接ままではこれらの元素は固溶状態にあり、じん性に
決定的な影響をおよぼさないが、加工熱処理、焼戻し過
程で微細に析出すると、じん性は大幅に劣化する。

前記加工熱処理条件の場合にはＮｂ１ｉが０．０３５％
以下、Ｖ量が０．０４０以下であればこれらの１種以上
を含んでいてもじん性の確保は可能であることからそれ
ぞれの上限を０．０３５％、０．０４０％とした。

なお、Ｐ、Ｓは不純物元素として溶接金属に入ってくる
が、じん性を劣化させる元素であるため少いにこしたこ
とはない。この発明の成分範囲内にあってはいずれも０
．０２０％までは許される、以下にこの発明の実施例に
ついて説明する。

実施例１ 表１に示す化学組成を有する板厚２５．４ｍｍの鋼板に
角度６０６、深さ１１ｍｎ＋のＶ溝加工を施し、表２に
示すワイヤと表３に示すフラックスを組み合せて入熱６
８ｋＪ／に１１のＶ溝一層ザブマージアーク溶接を行っ
た。なお溶接金属の成分調整のため溶接前開先内に必要
な合金成分を適宜適量散布して溶接を行った。

また溶接金属の酸素量はフラックスの塩基度と母材、ワ
イヤ、散布合金中の脱酸元素の供によって決まるが、主
として組合せるフラックスを変えることにより変化させ
た。

表４は、溶接金属の化学組成と溶接まま状態での吸収エ
ネルギ、硬さを示したものであるが、これらの溶接金属
を用いて加工熱処理条件の影響について検討した。

まず加熱温度の影響に関し、表４中の溶接金属Ｎｏ３に
７５０℃〜１１５０℃の加熱、保持時間６０秒で各加熱
温度から３００℃に至るまでの平均冷却速度が３０℃／
　ＳｅＣとなる熱処理を施しその後６００℃で焼戻し処
理をしたときの一４６℃における吸収エネルギ変化を第
１図に示す。

第１図から明らかなように８５０〜１０５０℃の範囲で
良好なしん性が得られる。８５０℃より低温では部分的
にしかオ“−ステナイト化しないため、組織が不均一と
なってじん性は劣化する。また１０５０℃より高温では
オーステナイト粒が粗大化してラス状組織となるためぜ
い化し、適正な加熱温度は８５０〜１０５０℃であるこ
とがわかる。

つぎに加熱保持時間の影響に関しては同じく表４中Ｎｏ
３溶接金属に９００℃、１０５０℃での保持時間を２０
〜１８０秒に変化させて、各加熱温度から３００℃に至
るまでの平均冷却速度が３０℃／　Ｓｅｃとなる熱処理
を施し、その後６００℃で焼戻し処理をしたときの一４
６℃における吸収エネルギ変化を第２図に示す。

上記の加熱温度での保持時間が１２０秒以内であれば溶
接金属の組織は微細なフェライトであるが１２０秒を超
えるとラス状組織が生じるためしん性は劣化し、１２０
秒内に加工熱処理を７Ｊｌ！ｉ１′必要があることがわ
かる。

第３図は加熱温度９５０℃、保持時間６０秒のとき９５
０℃から３００℃までの平均冷却速度を変化させた場合
の一４６℃における吸収エネルギを示したものである。

なお用いた溶接金属、焼戻し条件などは前出の例と全く
同じである。

第３図に示すごとり１５〜ｂ 組織が良好で高じん性を示すのに対し、この範囲外では
じん性が劣化している。

つぎに溶接金属中酸素量の影響に関し表４に示した溶接
金属を用い加熱温度９５０℃、保持時間６０秒９５０℃
から３００℃までの平均冷却法ｒｆＪ３０℃／ｓｅｃと
なる熱処理を施し、その後６００℃で焼戻し処理を行っ
たとぎの結果を第４図に示した。同図には溶接ままでの
結果も併記しである。

溶接ままでは酸素量が０．０２０−０．０５０％の範囲
で良好な低温しん性が得られるのに対し、熱処理後では
０．０２５〜０．０５０％の範囲でしか良好なしん性が
得られなくなる。これは酸素量が少くなると加熱冷却後
ラス状組織となりやすいためであり、溶接まま熱処理後
の両方のしん性を考えるど酸素量は０．０２５％以上と
する必要がある。いっぽう０．０５０％を超えると酸化
物が多くなりすぎ高じ／υ性が得られない。

以上この発明で規定した熱処理条件と溶接金属の成分組
成の関連について主として表４のＮ０１３について述べ
たが、同表の仙の試料についてもほぼ同様な挙動を示す
ことがだしかめられている。

実施例２ 表１に示した鋼板に■開先を付し表２、表３の溶接材料
を組合せて入熱量６８ｋＪ／（、ｍのＶ溝一層ザブマー
ジアーク溶接を行った。なお溶接金属の成分調整のため
溶接前に開先内に必要な合金を適宜適当量散布して溶接
を行った。溶接ままおよびその後に９５０℃加熱、６０
秒保持後９５０℃〜３００℃間の平均冷却速度３０℃／
　ＳｅＣで冷却して６００℃で焼戻し処理を行った後の
溶接金属の一４６℃における吸収エネルギと溶接金属化
学組成を表５に示す。

表５においてこの発明の溶接金属△１〜Ａ７では溶接ま
まおよび熱処理後の両方の状態で一４６℃における吸収
エネルギがいずれも７ｋｇｆｍ以上となっている。

これに対し比較例Ｂ１〜Ｂ７では両状態とも良好なしん
性が得られるものはない。

実施例３ 表６に示す溶接金属を有する外径６００Ｉｌ１１１１肉
厚２５．４ｍｌｌ１（７）ＡＰ　Ｉ　５ＬＸ−Ｘ６５試
験鋼管を２次加工として曲率半９３０００ｍｍでの曲管
加工を９５０℃加熱で１２０秒以内に行い、９５０°〜
３００℃間を平均３０℃／　ｓｅｃで冷却した。また曲
管加工部の一部を６００℃にて焼戻し処理を行い。加熱
冷却まま部分と冷却後焼戻し処理を行った部分から丸棒
引張試験片、衝撃試験片を採取して、曲げ加工する前の
値ど比較した。

その結果を表７に示すが、この発明の条件を満たず溶接
金属では一４６℃における吸収エネルギが良好であるの
に対し、比較した溶接金属では良好なしん性が得られな
い。

引張強度は溶接まま、熱処理後とも６０ｋｇｒ／ｍｍ２
以上は確保できた。

（発明の効果） ス上のようにして、溶接鋼管を石油と天然ガスどの輸送
に供するパイプラインのラインパイプノでの所要性能を
充分に具備すさせ得るのはもろん、該パイプライン中の
曲管に充当する素材Ｊて必要となる二次加工性が溶接金
属の成分組つ特定と加工条件の限定によって充足され、
こ４明の方法により曲管加工を行った溶接鋼管は６℃に
おける衝撃特性および十分な引張特性を、］工後にも持
続することができるので、特別仕１鍛造曲管との間にお
ける納期調節の要もなく、プラインの施工が有利に可能
となる。

【図面の簡単な説明】 １図〜第４図は表４に示した溶接金属のしんおよぼす熱
履歴条件の影響について、第１図熱温度、また第２図は
９００℃、　１０５０℃におけ待時間、第３図は加熱温
度〜３００℃間の冷却、そして第４図は溶接金属酸素量
との関係をグラフである。 第１図 加部Ｊ度（ｒ：） 第２図 第３図 第４図 ０、Ｏｆ　Ｏ，０２０，０３０，０４１２０５θ６６溶
ｍｉｓ鍍盪量（％）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（：、　：　０，１２ｗｔ％以下、Ｓ　ｉ　：　０
   ．１０〜０，５０ｗｔ％、Ｍｎ　：　０，８０〜２．３
   ０ｗｔ％、ＡＡ　：　０．０１０〜０．０７０ｗｔ％、
   Ｎｉ　：　０．２０〜３．００ｗｔ％、Ｍｏ　：　０．
   １０ｗｔ％以下、 Ｔｉ　：　０．０１５〜０．０５０ｗｔ％、およびＢ　
   ：　０．００２０ｗｔ％をこえて０，００５０　ｗｔ％
   までを含有し、 Ｎ　：　０，０１０ｗｔ％１２下 ０　：　０．０２５〜０．０５０ｗｔ％であってさらに
   ０．０３５ｗｔ％以下のＮｂおよび０．０４０ｗｔ％以
   下のＶのうち１種以上を含み、残部は溶接上不可避的に
   入ってくる混入成分および鉄の、溶接金属組成に成る継
   目溶接部を有する溶接鋼管を、加熱温度８５０〜１０５
   ０℃において１２０秒以内の保持時間で熱間二次加工を
   施し、その後３００℃に至る平均冷却速僚を１５〜ｂｓ
   ｅｃの範囲で冷却することを特徴とする溶接鋼管の加工
   方法。