JPS62151545A - 厚肉高強度低ＰｃＭ曲管とその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 石油、ガス輸送用バイブラインの曲り部や分岐部に利用
される厚肉高強度曲管に用いる鋼管について、誘導加熱
成形後にもＸ６０グレード（Ｙ、Ｓ　４２．７〜５２．
７ｋｇｆ／ｍｍ２．　Ｔ、Ｓ、　５２．８〜６５．９ｋ
ｇｆ／ｍｍ２）相当の高強度高靭性を維持できる厚肉高
強度低Ｐｃｍ曲管とその製造法を提案しようとするもの
である。

−ＩＱに石油、ガス輸送用ラインパイプの曲り部や分岐
部に使用される曲管は、鋳造、鍜造または溶接組み立て
法によって製造されて来た。

これに対して近年、高周波の利用が工業的に盛んとなり
、この種の曲管の製造においても、ＵＯＥ鋼管、電縫鋼
管やシームレス鋼管などの直管を高周波加熱の熱間曲げ
加工で曲管にするという経済的な成形法が採用されるよ
うになりつつあり、その一方で、曲管使用環境もか酷な
ものとなって、冷寒地、深海使用などから曲管に高靭性
で高強度厚肉化が要求されるようになってきた。

加えて、溶接性の良好な低Ｐ、イ曲管が求められること
は言うまでもない。

ここで、成形時の高周波加熱は、管表面からの加熱であ
るため、外表面と内表面とで温度差が生じ、管の肉厚が
厚くなる程、この温度差は大きくなることが推定される
。

さらに、加熱曲げ直後、水冷されるが、肉厚が厚くなる
ほど冷却能は小さくなり、冷却速度が小さくなるととも
に、表面と板厚中心（１／２を部）の冷却速度差も大き
くなると推定される。

このように高周波加熱による曲管成形に際しては、鋼管
厚み方向の部位により種々の曲げ加熱温度と冷却速度と
なるため、厚肉になるほど材質不均一が大となり、鋼管
各部位でその機械的性質が異なる不均質曲管となってし
まう。

加えて、厚肉になるほど冷却速度が小さくなるため、高
強度化のためには、添加合金元素量を増加しなければな
らず、溶接性の低下をもたらす。

（従来の技術） これら曲管材質の不均一性を軽減するため、下記のよう
な操業的な工夫も考慮されている。すなわち、加熱温度
差を小さくする目的から、加熱浸透深さを増すよう加熱
周波数を下げた加工がなされる。しかし、これにより加
熱帯の幅も広がり曲げ成形時に大変形となり真円度など
の面から新たな問題点も生じてしまい、本質的には加熱
温度差はなくならない。

また、冷却能の向上を狙い水量密度を上げたり、管の内
外面同時冷却もなされるが、誘導加熱曲げ装置では、冷
却ゾーンと加熱ゾーンが隣接しているため、加熱ゾーン
への冷却効果も大きくなり所定の加熱温度が得られにく
くなるという問題も派生してくることとなる。

さらに、材質不均一性をな（すため、誘導加熱曲げ成形
後の曲管を大型熱処理炉に入れ、均一加熱し、大型水槽
に焼入れるという後工程も取られることがあるが、コス
ト面から不利なこと、また、寸法変化も生じるため所定
形状の曲管が得られにく　い。

なお、曲管成形時における種々の加熱−冷却後にも常に
安定した靭性を有する鋼としてさきに発明者らの一部は
特願昭５９−２４８１９０号の発明を提起したが、これ
は薄薗管の靭性に着目しているのみで、その他この発明
のように厚内低ＰＣＭで、高強度高靭性曲管用鋼につい
ての先行技術は見当らない。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように、厚肉高強度低ｐｃ、曲管の成形には、特
別の配慮を必要としていたのに対し、曲管用銅自体に、
熱間曲げ加工後にも高強度高靭性で均質性の優れる性質
を付与できれば、上述の特別な配慮を必要としなくて済
み、またその性質を組合わせることでより一層高品質の
曲管製造が可能となる。

従って溶接性の優れた厚肉高強度曲管を誘導加熱曲げ゛
成形法で製造する場合、特別なプロセス上の配慮をしな
くても成形後学に安定した強度、靭性を有する曲管を従
供することがごの発明の目的とするところである。

この発明の具体的な目標は、主に、板厚０．５インチ以
上であって、ＰＣＭは０．１９％以下、強度はＸ６０グ
レ一ド以上さらにＶＥ−ｚｏが２０ｋｇｆ　ｍ以上の厚
肉低ＰＣＭ高強度高靭性曲管を与えようとするものであ
る。

（問題点を解決するための手段） この発明は Ｃ：　０．０４〜０．１２ｗｔ％、　Ｓｉ　：　０．２
０〜０．６０ｗｔ％Ｍｎ　：　０．８０〜０．６Ｏｗｔ
％、　Ｎｉ　：　０．０５〜１．６０ｗｔ％Ｍｏ　：　
０．１０〜０．２５ｗｔ％、　　Ｖ　：　０．０３０〜
０．１００　ｗｔ％Ｔｉ　：　０．００５〜０．０５０
　ｗｔ％Ｎｂ　：　０．０２０〜０．０８０　ｗｔ％Ｃ
ｕ　：　０．０５〜１．６０ｗｔ％ Ａ　１　：　０．０１０〜０．１００ｗｔ％Ｎ　：　０
．００２０〜０．００６０讐ｔ％を、下記式で与えられ
るｐｃ＋（！０．１９％以下で含み、残部鉄及び不純物
から成る厚肉高強度低Ｐｌ：Ｍ曲管。

記 ’　ＰＣＨ ならびに、 Ｃ：　０．０４〜０．１２ｗｔ％、　Ｓｉ　：　０．２
０〜０．６０讐Ｌ％Ｍｎ　：　０．８０〜０．６０ｗｔ
％、旧：　０．０５〜１．６０ｗｔ％Ｍｏ　：　０．１
０〜０．２５ｗｔ％、　Ｖ　：　０．０３０〜０．１０
０　ｗｔ％Ｔｉ　：　０．００５　〜０．０５０　ｗｔ
％Ｎｂ　：　０．０２０　〜０．０８０　　ｗｔ％Ｃｕ
　：　０．０５〜１．６０ｗｔ％ Ａ　ｌ　　：　０．０１０　〜０．１００軛ｔ　％Ｎ　
：　０．００２０〜０．００６０ｗｔ％を下記式で与え
られるＰＣＭ値０．１９％以下で含有する組成になる厚
肉鋼管を＾ｃ３点温度以上で１１００″Ｃ以下に加熱し
、該温度で曲げ加工した後、冷却し、５５０〜６５０℃
で焼もどしを施すことを特徴とする厚肉高強度低ＰＣＭ
曲管の製造方法。

記 ｃＨ である。

この発明では加熱温度の変化によるオーステナイト粒径
変化を少なくする。ここに第１図のように、加熱温度の
上昇に伴うオーステナイト粒成長をできるだけ少なくす
ることで、曲管製造加熱時の鋼管板厚方向でのオーステ
ナイト粒径差が少なくなり、材質均質性に優れるように
なる。

このため、Ｃ＋Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ添加でへ
１点（加熱下限）を下げ、またＮｂ、Ｔｉ、ＺｒとＲＥ
Ｍ添加で加熱温度が高くなっても細粒を維持できる成分
系とする。ことが必要である。一方、低ＰＣ□の低冷却
速度で強度確保のため、Ｃの有効利用からＮｂ、Ｍ。

添加、焼きもどし析出強化からＮｂ、　Ｖ　、　Ｍｏ、
　Ｔｉ添加を考慮することも必要である。

さて従来の技術における問題点として、２０ｍｍ厚を超
える厚肉鋼管を誘導加熱法で加熱し、曲管加工を施す場
合、板厚方向で材質がバラつくこと、また、冷却速度が
遅くなるため低ＰＣＭ成分で高強度曲管を製造する事に
困難さが伴っていた。

発明者らは、多数の鋼種について８５０〜１１５０℃の
種々の温度に加熱後、８００〜４００℃間の冷却速度を
２〜ｂ 厚方向位の熱履歴を再現し、材質調査を行った。

また、焼きもどし温度についても４００°Ｃ〜７００℃
で９０分処理し、その影響を調査した。

その結果、＾、３点温度以下の二相域加熱では、靭性が
低く、また、材質がバラついてしまうこと、また、加熱
の限界温度は鋼種にもよるが高温加熱によりオーステナ
イト粒の粗大化と添加各元素の固溶量の増加等により強
度が上昇し、靭性が劣化することがわかった。

一例として、Ｃ１０，０８，５ｉ１０．２５．　Ｍｎ／
０．４５．　Ｎｂ１０．０３０．　Ｖｌｏ、０２９．　
Ａ　Ａ１０．０３０．　Ｐｃ１ｌｌ＝Ｏ，１６％の鋼に
ついての、加熱温度による材質変化を第２図に示す。加
熱時の保持時間は約１０秒であり、冷却速度は１５°Ｃ
／ｓ、焼きもどし温度は６００℃である。

第２図かられかるように、８５０〜９５０℃の加熱温度
範囲で強度・靭性が安定しているが、なお目標とするＸ
６０グレード材とはならないことがわかる。

次に第３図は、ＰＣＭ値と強度、靭性の関係を示したも
のであるが、ＰＣｌ３値が０．１９％以下（９５０℃加
熱−１Ｏ℃／Ｓ冷却−６００℃焼きもどし条件）でＸ６
０グレードを製造するのにはかなり困難を要することが
わかる。

高強度化のため、加熱温度をあげた場合、前述のように
材質バラつきが大きくなること、また、溶接部の靭性が
劣化するため単純にあげられないことは言うまでもない
。

発明者らは、これら多大の実験がら、低ＰＣＭ化をはか
りつつ高強度化のためのＣの有効利用がらＭｏとＮｂ、
また、高温加熱による強度の大きな上昇を抑える点から
ＴｉとＮｂ、　　さらに、焼きもどし時の析出強化の点
からＮｂとＶに着目し適正バランスに成分設計すること
で上記の各課題を克服できるとの知見を得、この発明に
いたったものである。

（作　用） まず各成分の限定理由を説明する。

Ｃは最も簡便に鋼の強度を高めるのに役立つ成分である
が、０．０４％未満では所定の強度が得られにくくまた
、製網コストが割高となる一方、０．１２％を超えると
焼入れ性が上がって靭性が劣化すると共に溶接性も低下
（ＰｃＰＩ値の上昇）するため０．０４〜０．１２％の
範囲とする。

Ｓｉは脱酸作用の利用と焼入れ強化の点から０．２０％
以上を必要とするが、０．６０％を超えると焼入れ性が
上がって低温靭性が劣化するため０．２０−０．６０％
の範囲とする。

Ｍｎは、所定の強度確保のため０．８０％以上が必要で
あるが、０．６０％を超えると焼入れ時の靭性劣化が大
きく、さらに溶接性や加工性、低ＰＣＭ化を害ｔルノテ
ｏ、ａｏ％〜０．６０％の範囲とする。

Ｎｉは、靭性の向上と八。１点の低下から０．０５％以
上必要であるが１．６０％以上では効果の顕著な差がな
くなり、また、経済性の面でも不利となるため０．０５
〜１．６０％の範囲とする。

Ｍｏは、焼入れ１１の向上や整粒化効果の点がらｏ、ｉ
。

％以上が必要であるが、０．２５％以上では靭性劣化が
大きく、また、経済性の点から０．１０−０．２５％の
範囲とする。この成分は低ＰＣＭ鋼で所定の強度を確保
すべくとくに重要な元素である。

■は少量で強化の得られる元素であり、０．０３０％以
上必要であるが、０．１００％を超えると溶接性の低下
を招くので０．０３０〜０．１００％の範囲とする。

Ｔｉは窒化物となって粒成長を抑制し、さらに、鋼中窒
素を低減することによって靭性を向上させることから０
．００５％以上が必要であるが、０．０５０％を超える
と効果が飽和すると共に多すぎると靭性が劣化すること
よりｏ、ｏｏｓ〜ｏ、ｏｓｏ％の範囲とする。

Ｎｂは、Ｎｂ炭窒化物となって高温加熱時の粒成長を抑
制し、靭性向上をもたらすため０．０２０％以上が必要
であるが、０．０８０％を超えると溶接性が低下すると
共に焼入れ性の向上による靭性の劣化を招くので、０．
０２０〜０．０８０％の範囲とする。

Ｃｕは、強度上昇効果とへ１点の低下から０．０５％以
上必要であるが、１．６０％をこえると効果が飽和する
と共に、溶接性、熱間加工性が低下することより、Ｏ，
ＯＳ〜１．６０％の範囲とする。

Ａｊ２は、脱酸作用があり、０．０１０％以上が必要で
あるが、０．１００％を超えると溶接性、靭性が劣化す
るため０．０１０〜０．１００％の範囲とする。

Ｎは、製鋼時に不可避的に混入する元素であり、靭性を
向上させるためには少ない方が好ましく、上限を０．０
０６０％とする。

次に、ＰＣＭ値については０．１９％を超えてもＸ６０
グレードの強度確保は比較的容易であり特別な配慮も必
要ないが、本発明鋼のようにｐｃ、が０．１９％以下で
あるときその有意性が発揮されると共に溶接性靭性向上
もめざましいためこの発明ではＰＣＭ値を０．１９％以
下とする。

すなわち、０．１９％以下のＰＣＭではこの発明による
特別な配慮なくしてはＸ６０グレードの高強度、高靭性
化がはかれない。

さらに、加熱温度による材質バラつきについては、発明
鋼は細粒化効果や低成分系であることがら八、温度以上
から１１００°Ｃの加熱範囲で強度、靭性が安定である
。加熱温度が１１００°Ｃを超えると粒粗大化により強
度上昇、靭性低下が余儀なくされる。なお、実プロセス
においては９５０°Ｃ前後の加熱温度が目安となること
が多く、１１００℃まで材質が安定であることは操業上
有利な要因となる。

また、低ＰＣＭ鋼で強度、特にＹ、Ｓ、　（降伏応力）
を確保するためには焼きもどし処理が必要であり、Ｎ　
ｂ　＋　Ｖ　＋　Ｍｏ　＋　Ｔ　ｉによる析出強化を有
効に引出すために５５０℃〜６５０℃の温度が最適であ
る。

ここで、５５０°Ｃ未満ではＹ、Ｓ、上昇が少なく、ま
た、靭性向上効果も少ない。一方、６５０℃をこえると
材料の軟化が生じ、強度が所定の値を満足しなくなる恐
れがあることより、焼きもどし温度として５５０〜６５
０℃とする。

（実施例） 表１に示す化学成分を含有する比較鋼１〜６゜並びに発
明鋼７〜１０を真空溶解によりそれぞれ１００ｋｇ鋼塊
に溶製し、１１０ｍｍ厚のスラブ鋼片を切出し、次いで
１１５０°Ｃに加熱後、制御圧延により７３０℃の仕上
げ温度で１５ｍｍ厚の圧延鋼板とした。

この圧延鋼板を供試材として９５０℃、１１００℃に加
熱後、直ちに８００〜４００℃の冷却速度が３℃／ｓ＋
１０℃となる冷却を施した。これは３８ｍｍ厚鋼管を外
面冷却した時の管内表面と外表面の冷却速度に相当する
冷却である。

その後５００℃、６００℃で４０分間の焼きもどし処理
を行った。この誘導加熱曲げ成形を想定した熱サイクル
付与の鋼板から、丸棒引張試験片とシャルピー衝撃試験
片を採取し材質比較を行った。

この確性試験結果を表２に示す。

比較鋼１は、ｃｌが低すぎるため所定の強度が確保でき
ない。比較鋼２．３，４．６はこの発明の成分系でない
ため９５０℃と１１００℃との双方の加熱温度で強度、
靭性の変化が大きくなっていることがわかる。さらに、
比較鋼５は、この発明の成分範囲ではあるがＰｃ５（！
を高めにしたものであるため、発明鋼に比べて靭性値が
低く、また、ＰＣＭが高いため溶接性も低下している。

ただし各熱処理間による材質変動は他の比較鋼に比べて
小さく、この発明による成分系の特色の一部があられれ
ている。

これらに対して発明鋼７〜１０は、添加合金の元素量の
変動に拘らずいずれも×６０グレードで高溶接性、高靭
性を、各熱処理後に具備していることがわかる。なお、
５００℃焼きもどしではＹ、Ｓ、が所定の強度（４２，
７ｋｇｆ／ｎ＋ｍ”）ギリギリの値となることがあり、
焼きもどし温度は５５０℃〜６５０℃とすることの必要
性が明らかである。

さらに、ＰｃＭ値がほぼ同等な比較鋼４と発明鋼９を用
いて曲管製造後材質調査を行った。

画調とも通常の熱間圧延法により、０．５インチ厚鋼板
とし、υＯＥ製造法にて外直径２２インチ長さ６ｍのＵ
ＯＥ鋼管をつくった。この鋼管を誘導加熱法で加熱し曲
げ加工して曲管を製造した。なお、この加熱温度はパイ
ロメータで測温し、管外表面で１１００℃とした。

その後、６３０℃で焼きもどし処理を行ったのち、曲管
の各部位から試験片を採取し材料試験を行った。その結
果を表３に示す。

表３ 比較鋼に比べ、発明鋼は各部位による材質変動が少なく
高強度高靭性曲管となることがわかる。

表３の試験片採取位置Ａ−ＣとＤ−Ｆとで、曲げ加工の
外側と内側を区別し、Ａ、Ｆは曲管の外表面、Ｃ，Ｄが
同じく内表面、そしてＢ、Ｅが肉厚中心からの採取試験
片を示している。

（発明の効果） この発明の厚肉高強度＃、ｐｃＭ曲管は熱間曲げ加工で
特別の配慮を必要とせずして曲げ加工後の材料の均質性
に優れまた溶接性も良好で実地溶接の実施工時における
メリットも大きい。

またこの発明゛の方法は厳密な加熱温度制御、温度ばら
つきに対する配慮が不要なため、作業性の向上、生産性
の向上がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はオーステナイト粒径と加熱温度線図、第２図は
加熱温度による材質変化線図、第３図は誘導加熱曲げ想
定実験によるＰＣＭと材質の関係グラフである。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．０４〜０．１２ｗｔ％、Ｓｉ：０．２０〜
   ０．６０ｗｔ％Ｍｎ：０．８０〜１．６０ｗｔ％、Ｎｉ
   ：０．０５〜０．５０ｗｔ％Ｍｏ：０．１０〜０．２５
   ｗｔ％、Ｖ：０．０３０〜０．１００ｗｔ％Ｔｉ：０．
   ００５〜０．０５０ｗｔ％ Ｎｂ：０．０２０〜０．０８０ｗｔ％ Ｃｕ：０．０５〜０．５０ｗｔ％ Ａｌ：０．０１０〜０．１００ｗｔ％及び Ｎ　：０．００２０〜０．００６０ｗｔ％ を、下記式で与えられるＰ＿Ｃ＿Ｍ値０．１９％以下で
   含み、残部鉄及び不純物から成る厚肉高強度低Ｐ＿Ｃ＿
   Ｍ曲管。 記 Ｐ＿Ｃ＿Ｍ ＝Ｃ＋（Ｓｉ／３０）＋（１／２０）（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃ
   ｒ）＋（Ｎｉ／６０）＋（ＭＯ／１５）＋（Ｖ／１０）
   ＋５Ｂ（％）２、Ｃ：０．０４〜０．１２ｗｔ％、Ｓｉ
   ：０．２０〜０．６０ｗｔ％Ｍｎ：０．８０〜１．６０
   ｗｔ％、Ｎｉ：０．０５〜０．５０ｗｔ％Ｍｏ：０．１
   ０〜０．２５ｗｔ％、Ｖ：０．０３０〜０．１００ｗｔ
   ％Ｔｉ：０．００５〜０．０５０ｗｔ％ Ｎｂ：０．０２０〜０．０８０ｗｔ％ Ｃｕ：０．０５〜０．５０ｗｔ％ Ａｌ：０．０１０〜０．１００ｗｔ％及び Ｎ　：０．００２０〜０．００６０ｗｔ％ を下記式で与えられるＰ＿Ｃ＿Ｍ値０．１９％以下で含
   有する組成になる厚肉鋼管をＡ＿Ｃ＿３点温度以上で１
   １００℃以下に加熱し、該温度で曲げ加工した後、冷却
   し、５５０〜６５０℃で焼もどしを施すことを特徴とす
   る厚肉高強度低Ｐ＿Ｃ＿Ｍ曲管の製造方法。 記 Ｐ＿Ｃ＿Ｍ ＝Ｃ＋（Ｓｉ／３０）＋（１／２０）（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃ
   ｒ）＋（Ｎｉ／６０）＋（Ｍｏ／１５）＋（Ｖ／１０）
   ＋５Ｂ（％）