JPS6160866A

JPS6160866A - 耐サワ−性に優れたラインパイプ用鋼材

Info

Publication number: JPS6160866A
Application number: JP18201684A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kimura; 光男木村; Nobuo Totsuka; 戸塚　信夫; Takao Kurisu; 栗栖　孝雄; Yoichi Nakai; 中井　揚一
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1986-03-28
Also published as: JPH0368101B2

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、原油や天然ガス等の輸送に使用されるライ
ンパイプ用の鋼材に関するものでお）、特に水素誘起割
れおよび硫化物応力腐食割れが問題となる湿潤硫化水素
環境、すなわち所謂サワーな環境で使用される２インバ
イグ用の潜弧溶接鋼管ちるいは電縫溶接鋼管等に適した
鋼材に関するものである。

従来技術近年、硫化水素を含む原油や天然ガスの輸送に用いられ
るラインパイプにおいては、水素誘起割れおよび硫化物
応力腐食割れが問題となるようになり、そこで種々の研
究が行なわれ、いくつかの対策が講じられるようになっ
ている。

ところが最近では良質石油資源の枯渇化が進行したため
、従来は顧られなかったような硫化水素濃度の著しく高
い油田、ガス田、すなわちハイサワーな油田、ガス田の
開発が急増しつつあシ、また最近ではラインの輸送効率
を上げるためにラインの操業圧力を高くすることが多く
なっておシ、そのため従来のラインパイプ使用環境と比
較して、よシ声値が低くかつ硫化水素圧力の高い苛酷な
環境が課せられるようになり、それに伴なってラインパ
イプ用鋼材に対する要求も従来より一層厳しくなってい
るのが実情である。

ところで水素誘起割れ（以下ＨＩＣと記す）の発生原因
については、これまでの研究から、鋼表面の腐食反応で
発生した水素が鋼中に侵入して、鋼中の非金属介在物、
特に介在物先端のノツチ効果による応力集中の生じ易い
ＭｎＳ等の所謂Ａ系介在物と地鉄との界面に水素が集積
、ガス化して割れの起点を生じさせ、板厚中央の偏析部
に生じる帯状のマルテンサイトやベイナイトなどの低温
変態異常組織（以下単に異常組織と記す）をその割れが
伝播拡大するものであることが知られている。

またＨＩＣと同時に間層となる硫化物応力腐食割れ（以
下ＳＳＣと記す）は、硫化水素を含む環境下での鋼の腐
食反応で生じた水素が鋼中に侵入することによって起こ
る水素脆化現象の一つであ夛、鋼の組成や組織等の冶金
学的因子および鋼に加わる応力状態等の種々の因子が複
雑に関連して生じる現象であることが知られている。

そこで従来から耐ＨＩＣ性向上対策としては（１）。

（２）　、　（３）に示すような方法が採用または提案
されて−る。

（１）　　割れの起点となる硫化物系介在物をＣａｔ）
るいはＲＥＭ　（希土類元素）添加によって分散、球状
化させ、割れの起点となり難い状態とする方法（例えば
特公昭５４−．３８５６８号）。

（２）　　Ｍｎ　、　Ｐ等の含有量を低減し、圧延半製
品を熱処理することによって異常組織を低減させ、割れ
の伝播、拡大が生じないようにする方法（例えば特開昭
５２−１１１８１５号）。

（３）鋼表面に安定被膜を生成するＣｕ等の元素を添加
して鋼中への水素侵入を減少させる方法（例えば特開昭
５２−１１１８１５号）。

発明が解決すべき問題点前述のように最近の厳しい環境では田が近く、そのため
前記従来方法（３）の方法を適用してもＣｕが有効な皮
膜を形成することが困難であシ、シたがりて従来方法（
３）では充分な耐ＨＩＣ効果を得ることは困難であった
。またそのような環境では鋼中に多量の水素が侵入する
ため、前記従来方法（１）。

（２）の対策だけでは充分な耐ＨＩＣ効果を得ることが
困難であった。したがって前述のような苛酷な環境下で
の耐ＨＩＣ性を充分に向上させるためには、鋼中に侵入
する水素を減少させる必要があると考えられる。

したがってこの発明は、鋼中への水素侵入を減少させて
耐ＨＩＣ性を向上させると同時に、充分な耐ＳＳＣ性を
も有するようＫしたラインパイプ用鋼材、すなわち耐サ
ワー性の優れたラインパイプ用鋼材を提供すること金目
的とするものである。

問題点を解決するための手段本発明者等は鋼中への水素の侵入を減少させて耐Ｉ（Ｉ
Ｃ性を向上させる方策について種々実験・検討を重ねた
結果、Ｎｔを添加しておくことが水素の侵入抑制に効果
があり、かつまたＮｉと同時１ｃｃｒおよび／またはＭ
ｏを添加することによってその効果が飛躍的に増大して
、耐ＨＩＣ性が著しく向上することを見出した。またＮ
ｉを添加した場合耐ＳＳＣ性の低下が懸念されるが、Ｃ
ｒおよび／またはＭｏを添加することによって耐ＳＳＣ
性の低下を防止して、耐ＨＩＣ性と耐ＳＳＣ性ともに優
れた鋼材が得られることを見出した。すなわちこの発明
では、Ｎｉと、Ｃｒおよび／またはＭｏの複合添加１ｃ
ごって耐ＨＩＣ性および耐ＳＳＣ性の両者が著しく優れ
たラインパイプ用鋼材を得ることが可能となったのでち
る。

したがって第１発明のラインパイプ用鋼材は、Ｃ０．０
１〜０．２５　％、Ｓｉ　０．０１０〜０．５０％、Ｍ
ｎ０．７０〜２．００％、ＡＩ０．Ｏ１〜０．１０％、
Ｐ０．０３０−以下、８０．００３０％以下、Ｃａ　０
．０００５〜０．００５０％を含有し、かつ０．２０％
を越え３，０チ以下のＮｉを含有し、さらに５．０％以
下のＣｒと２．０−以下のＭｏのうち１種または２種を
合計で０．５チ以上含有し、残部がｒｅおよび不可避的
不純物よりなることを特徴とするものである。

また第２発明のラインパイプ用鋼材は、上記第１発明で
規定される各成分元素のほか、さらにＣｕ　０．ｌ　Ｏ
〜０．６０　’ｌｒ、Ｎｂ０．１０％以下、Ｖ０．１５
チ以下、Ｚｒ０．１０％以下、Ｔｉ０．ｌＯ％以丁、Ｂ
０．ｏｏｓｓ以下のうちから選ばれた１ｍまたは２種以
上を含有するものである。

次にこの発明のラインパイプ用鋼材における成分限定理
由を説明する。

ｃ０．ｏｉ〜０．２５％：Ｃは０．０１％未満ではラインパイプ用鋼材として必要
な強度が得られず、−万０．２５　％を越えれば溶接鋼
管として使用されるラインパイプ用鋼材における溶接部
の靭性ｔ−損なうから、０．０１〜０．２５％の範囲内
に限定した。

Ｓｉ０．０１０〜０．５０−　二Ｓｉは通常の製鋼過程において脱酸に必要な元素であり
、０．０１０％未満では脱酸効果がなく、−万０．　ｓ
　Ｏ％を越えれば鋼の靭性を劣化させるから０．ｏｔｏ
〜０．５０　％の範囲に限定した。

Ｍｎ　０．７０〜２．００％：凪は強度向上に有効な元素であるが、０．７０％未満で
は必要強度を確保することが困難となシ、−万２．００
％を越えれば靭性および溶接性を劣化させるから、０．
７０〜２．００％の範囲内とした。

ＡＡ！　０．ＯＬ〜０．−１０％：ＡＡ’は通常の製鋼過程において脱酸に必要な元素でア
シ、また耐ＨＩＣ性向上のために添加されるＣａの添加
歩留りを向上させるに有効であるが、０．０１％未満で
はその効果が得られず、一方０、　ｌ　Ｏチを越えて添
加すれば結晶粒の粗大化を招いて材質を劣化させるから
、０．０１〜０．ｌ　Ｏ％の範囲に限定した。

Ｐ０．０３０チ以下：Ｐは有害な不純物元素であゃ、また偏析して中心偏析部
の硬度を上昇させ、割れの伝播、拡大を助長させるから
、可及的に小量に抑制することが望ましいが、製造コス
トとの兼ね合いから０．０３０チ以下とした。

Ｓ０．００３０％以下：Ｓは１（ＩＣの起点となる硫化物系介在物を生成する元
素であるから耐ＨＩＣ性向上のためには可及的に少ない
ことが望ましく、０．００３０％を越えれば充分な耐Ｈ
ＩＣ性が得られなくなるから、Ｓは０．００３０チ以下
に限定した。

Ｃａ　０．０００５〜０．ＯＯ５０％：Ｃａは硫化物系
介在物の形状を球状化して、硫化物系介在物がｆ（ＩＣ
の起点となることを抑制し、これＫより耐ＨＩＣ性を確
保するに有効な元素でらシ、Ｃａ添加による耐ＨＩＣ性
確保の効果を得る咬めにはＳを０．ｏｏｔｏ％以下と極
低Ｓ化した場合でも少なくとも０．０００５％以上が必
要であり、一方０．ｏｏｓｏチを越えるＣａの添加は大
型介在物を増加させて耐ＨＩＣ性および耐水素ふくれ性
を低下させるおそれがちるから、０．０００５〜０．０
０５０チの範囲に限定した。

Ｎｉ　０．２０チを越え３．０−以下：Ｎｉは耐食性の
向上および靭性向上に有効であるのみならず、鋼中への
水素侵入量を減少させて耐）ＨＣ性を著しく向上させる
に有効な元素であり、この発明で基本的に！要な添加元
素でわる。Ｎｉ添加による耐Ｉ（ＩＣ性向上効果は０．
２０％以下では得られず、一方３．０チを越えてＮｉを
添加してもコストが嵩むだけであるから、Ｎｉは０．２
０％を越え３．０−の範囲とした。

Ｃｒ≦５．０％、Ｍｏ≦２，０％、Ｃｒ＋Ｍｏ≧０．５
％：ＣｒとＭｏはいずれも鋼の耐食性を向上させて鋼中
への水素侵入を低下させるとともＩｃ、Ｎｉ添加に伴な
う耐ＳＳＣ性の劣化を防ぐ効果を有する。Ｃｒ。

Ｍｏの合計量が０．５チ未満ではこれらの効果が得られ
ないから、　Ｃｒ　、　Ｍｏの合計量を０．５４以上と
した。一方Ｃｒが５．０チを越えれば、またＭｏが２．
０％を越えればそれぞれ靭性が劣化するから、Ｃｒは５
．０％以下、Ｍｏは２．０％以下とした。なおＣｒ　。

Ｍｏはいずれか一方を単独添加しても、あるいは両者を
同時添加しても良い。

以上の各成分元素のほか、第２発明の場合にはＣｕ　、
　Ｎｂ　、　Ｖ　、　Ｚｒ　、　Ｔｉ　、　Ｂの１種ま
たは２種以上を添加する。そこでこれらの成分元素の限
定理由上次に説明する。

Ｃｕ　０．ｌ　Ｏ〜０．６０　％　：Ｃｕは０．１０チ以上の添加により一が高い環境下で鋼
表面に安定な皮膜を生成して、耐食性を向上させるとと
もに、耐ＨＩＣ性向上にも・効果を示す。

しかしながらＣｕ添加量が０．６０％を越えれば熱間加
工性を損なうから、０．１０〜０．６０−の範囲に限定
した。

Ｎｂ０．１０％以下：Ｎｂの添加は焼入性の向上、強度の向上に有効でおるが
、０．１０％を越えて添加すれば靭性の低下を招くから
、０．１０％以下に限定した。

ｖ０．ｔｓ俤以下、ｚｒ０．ｔｏチ以下：■およびＺｒ
の添加もＮｂ添加と同様に焼入性の向上、強度の向上に
効果があるが、Ｖ０．１５％、Ｚｒ０．１０％をそれぞ
れ越えれば靭性の劣化を招くからＶは０．１５％以下、
Ｚｒは０．１０％以下に限定した。

Ｔｉ０．１０チ以下：Ｔｉは強度の向上および耐食性の向上に効果があり、ま
たＢと共存することによりＢの効果を助長させる作用が
あって、Ｂの添加と併せてＴｉを０、ＯＬチ以上を添加
することが望ましいが、０．１０チを越えれば靭性を劣
化させるから、０．１０％以下に限定した。

８０．００５％以下：Ｂは焼入性を向上させる元素であり、０．０００５チ以
上でその効果が顕著となるが、０．００５％を越えれば
靭性を劣化させるおそれがあるから、０．００５−以下
に限定した。

実施例Ｎｉ　、　Ｃｒ　、　Ｍｏの添加により耐ＨＩＣ性、耐
ＳＳＣ性に優れた鋼材を製造できることを明らかにする
ために、Ｃレベルを変えた従来鋼をベースにＮｉ、Ｃｒ
および／またはＭｏを添加し、またいくつかのものＫつ
−てはＣａ　、　Ｎｂ　、　Ｖ　、　Ｚｒ　、　Ｔｉ　
、　Ｂを添加して本発明鋼を作成し、同時に本発明組成
範囲外の比較鋼を作成した。各供試材の化学成分組成お
よび機械的性質を第１表、第２表に示す。なお各供試材
は、常法にしたがって溶製し、連続鋳造によシスラブと
して熱間圧延した。

これらの各供試材に対して、次のようにして耐ＨＩＣ性
の評価および耐ＳＳＣ性の評価を行なった。

すなわち耐ＨＩＣ性の評価としては、次の（１）　、　
（２）に記す方法を適用した。

（１）いわゆるＢＰ試験法に準じた方法。すなわち試料
をＮＡＣＥ液（０，５チ酢酸＋５−食塩水、Ｈ２Ｓ１気
圧飽和）中に９６時間浸漬した後、試料断面を検鏡して
耐水素誘起割れ性を評価する方法。

（２）環境側（オートクレーブ側）と測定側（水素透過
測定室側）との間に試験片を介挿して、環境側から試験
片鋼中へ侵入して測定側へ透過する水素をイオン化して
測定する所謂電気化学的透過法による水素透過試験法。

ここで、（１）の方法を実施するにあたっては、最も偏
析が多いと考えられる連鋳スラブの幅方向中央部に相当
する位置から第２図に示すように試験片１を各鋼種３本
ずつ採取した。そして耐ＨＩＣ性の評価は、第３図に示
すように各試験片１ごとに３ｉ１１？？１ｆｆ２Ａ　、
　２Ｅ　、　２Ｃを倍率１０倍で検鏡して行なった。

また（２）の水素透過試験は、環境をＮＡＣＥ　ｌ環境
と、５％ＮａＣ１水溶液・Ｈ２Ｓ　Ｉ　Ｏａｔｍ環境の
２ｓの環境に変えて、それぞれ１００時間の試験期間に
透過した単位面積当シの水素量を調べた。

一方針ＳＳＣ性の評価は、４点曲げによる応力腐食割れ
試験にて実施した。すなわち、第４図に示すようなノツ
チ部３を有する試験片４を作成し、その試験片４に対し
第５図に示すような４点曲げ試験用治具５にて４点曲げ
応力を付加し、ＮＡＣＥ液中に７・２０時間浸漬した後
、割れの有無を調べた。

上述の各試験結果を第３表（ＢＰ試験法に準じた耐ＳＳ
Ｃ性試験結果）、第４表（水素透過試験結果）、および
第５表（４点曲げ応力腐食割れ試験による耐ＳＳＣ性試
験結果）に示す。なお第３表において、階段状割れとは
、試験片の版厚方向に階段状に連続した割れであって、
割れの先端から他の割れの先端までの距離が０．５１５
１以内にあるものを意味し、また直線状割れとは、上記
の階段状割れの規定にはいらず、互いに０．　ｓ　ｍ以
上離れて孤立している直線状の割れを意味する。

第３表の耐ＨＩＣ性試験結果から明らかなように１本発
明鋼（Ａｌ−１１）ではいずれも割れがないかまたはあ
っても微少であって、優れた耐ＨＩＣ性を示しているの
に対し、Ｎｔｉが少ないＡ　ｌ　２　、　Ａ１３の比較
鋼ではＨＩＣの発生が認められた。またＮｉを含有して
いてもＳ量が０．ＯＯ３’１６を越える應Ｌ７の比較鋼
やＣａを含有していない煮１８の比較鋼の場合にも、耐
ＨＩＣ性が劣化していることが明らかである。

また第４表の水素透過試験結果から明らかなように、Ｎ
ＡＣＥ液環境、およびＨ２Ｓ　１０　ａ　Ｌｍ　ｇ境の
いずれにおいても本発明鋼Ａ　Ｌ　＝　Ａ　Ｌ　ｌは、
比較銅属１２．１３の如（Ｎｉが添加されていない場合
と比較して水素透過量が格段に少なくなっている。菌１
図に、ＮＡＣＥｔＬ環境における水素透過量と鋼中Ｎ１
量との関係を示す。第１図から、Ｎｉ！ｌが０６２チを
越えれば水素透過量が大きく減少することがわかる。

さらに第５表の耐ＳＳＣ性試験結果から、本発明銅還１
〜１１はいずれも優れた耐ＳＳＣ性を示すが、比較銅属
１４，１５．１６の如（Ｃｒ　＋　Ｍｏ量が０．５％未
満の場合には耐ＳＳＣ性が劣化していることが明らかで
ある。また比較鋼４１７．１８の場合は耐ＨＩＣ性の劣
化に伴なって耐ＳＳＣ性も劣化している。

以上の各実験結果から明らかなように、０．２％を越え
るＮｉを添加して鋼中への水素侵入を抑制するとともに
、Ｓ量を０．ＯＯ３０％以下に規制しかつＣａを添加す
ることによって、耐）ＨＣ性を著しく改善し、併せてＣ
ｒおよび／またはＭｏを合計量で０５チ以上添加するこ
とによって優れた耐ＳＳＣ性を得ることができる。

＠２表：供試材の機械的性質第３表：耐ＨＩＣ性試験結果 ◎われなし、○われ微少、Δわれｌべ×われ大。

第４表：水素透過試験結果認ｔ（標準状態）第５表二耐ＳＳＣ性試験結果発明の効果以上の説明で明らかなように、この発明のラインパイプ
用鋼材は、優れた耐ＨＩＣ性と良好な耐ＳＳＣ性とを併
せ持つ耐サワー性に憂れたものであり、したがって硫化
水素圧力が高く田が低いような苛酷な環境でも水素誘起
割れや硫化物応力腐食割れの発生を確実に防止してライ
ンパイプの信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は水素透過ｔＫ及ぼす鋼中Ｎｉ量の影響を示す相
関図、第２図は耐１（ＩＣ性試験に使用した試験片の採
取位置を示す斜視図、第３図は耐ＨＩＣ性試験における
試験片の観察位置を示すがＦ視図、第４図は耐ＳＳＣ試
験に使用した試験片の形状、寸法を示す略解的な斜視図
、第５図は耐ＳＳＣ性試験における応力付加方法を示す
略解的な正面図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｃ０．０１〜０．２５％（重量％、以下同じ）、
Ｓｉ０．０１０〜０．５０％、Ｍｎ０．７０〜２．００
％、Ａｌ０．０１〜０．１０％、Ｐ０．０３０％以下、
Ｓ０．００３０％以下、Ｃａ０．０００５〜０．００５
０％を含有し、さらにＮｉを０．２０％を越え３．０％
以下の範囲内含有し、かつ５．０％以下のＣｒと２．０
％以下のＭｏとの１種または２種をＣｒ＋Ｍｏ合計量が
０．５％以上の範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避
的不純物よりなることを特徴とする耐サワー性に優れた
ラインパイプ用鋼材。
（２）Ｃ０．０１〜０．２５％、Ｓｉ０．０１０〜０．
５０％、Ｍｎ０．７０〜２．００％、Ａｌ０．０１〜０
．１０％、Ｐ０．０３０％以下、Ｓ０．００３０％以下
、Ｃａ０．０００５〜０．００５０％を含有し、さらに
Ｎｉを０．２０％を越え３．０％以下の範囲内で含有し
、かつ５．０％以下のＣｒと２．０％以下のＭｏの１種
または２種をＣｒ＋Ｍｏ合計量が０．５％以上の範囲で
含有し、さらにＣｕ０．１０〜０．６０％、Ｎｂ０．１
０％以下、Ｖ０．１５％以下、Ｚｒ０．１０％以下、Ｔ
ｉ０．１０％以下、Ｂ０．００５％以下のうちから選ば
れた１種もしくは２種以上を含有し、残部がＦｅおよび
不可避的不純物よりなることを特徴とする耐サワー性に
優れたラインパイプ用鋼材。