JPWO2018216638A1 - ベンド鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
化学組成が、質量%で、
C:0.04〜0.08%、
Si:0.05〜0.50%、
Mn:1.00〜1.70%、
P:0.015%以下、
S:0.002%以下、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
Cr:0〜0.50%、
Mo:0〜0.50%、
Sol.Al:0〜0.10%、
Ca:0〜0.0050%、
Nb:0〜0.050%、
V:0〜0.10%、
Ti:0〜0.030%、
残部がFeおよび不純物であり、下記(1)式から求められるCeq:0.35%以上であり、
前記直管部および前記曲げ部において、降伏応力が450〜600MPa、ビッカース硬さ(HV10)が230以下である、ベンド鋼管。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15・・・(1)
ただし、上記(1)式中の各元素記号はそれぞれの元素の含有量(質量%)を意味する。
Cu:0.05〜0.50%、
Ni:0.05〜0.50%、
Cr:0.05〜0.50%、
Mo:0.05〜0.50%、
Sol.Al:0.001〜0.10%、
Ca:0.0001〜0.0050%、
Nb:0.001〜0.050%、
V:0.01〜0.10%および
Ti:0.005〜0.030%
から選択される1種以上を含む、
上記〔1〕のベンド鋼管。
上記〔1〕または〔2〕のベンド鋼管。
Hv10I−Hv10M≦30・・・(2)
Hv10O−Hv10M≦30・・・(3)
ただし、上記(2)式および(3)式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Hv10I:前記曲げ部の内面から1.5mm深さ位置におけるビッカース硬さ(HV10)
Hv10M:前記曲げ部の肉厚中心位置におけるビッカース硬さ(HV10)
Hv10O:前記曲げ部の外面から1.5mm深さ位置におけるビッカース硬さ(HV10)
上記〔1〕〜〔3〕のいずれかのベンド鋼管。
上記〔1〕〜〔4〕のいずれかのベンド鋼管。
(1)肉厚が30mm以上であり、上記〔1〕の化学組成を有する鋼管を1050℃超1100℃以下の所定の加熱温度に、10〜30℃/sの平均昇温速度で加熱する工程、
(2)前記鋼管を、前記加熱する工程に引き続き直ちに、曲げ半径が前記鋼管の外径の3倍以上となるように曲げてベンド鋼管を得る工程、
(3)前記ベンド鋼管を、800〜500℃の温度域における平均冷却速度が3℃/s以上で冷却する工程、および、
(4)前記ベンド鋼管に、500℃超600℃以下の温度範囲で熱処理する工程。
上記〔6〕のベンド鋼管の製造方法。
上記〔6〕または〔7〕のベンド鋼管の製造方法。
(1)形状
図1に示すように、本実施形態に係るベンド鋼管1は、直管部2と、曲げ部3とを備える。曲げ部3の曲げ半径r(mm)は、直管部2の外径OD(mm)の3倍以上、すなわち3OD以上である。曲げ部3の曲げ半径r(mm)が3OD未満であると、曲げ部の内側部分(腹側部分)3aと外側部分(背側部分)3bとで肉厚の差が大きくなり過ぎて、機械特性のバラつきが大きくなり過ぎる。曲げ半径rの上限は、特に定めないが、曲げ半径が大きいと曲げ加工時に加工場所を広くとる必要があり、設備上の制約から、20ODとするのが好ましい。曲げ角度θは、実際の使用条件に応じて設計すればよく、実用上は、180°以下である。なお、本実施形態においては、曲げ半径rは、ベンド鋼管1の中心を通る線(中心線)における曲げ半径を意味する。
本実施形態に係るベンド鋼管は、下記の化学組成を備える。なお、下記の説明において、含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、強度の上昇に有効な元素である。X65グレード以上の強度を有するために、その含有量は0.04%以上とする。一方、C含有量が過剰な場合、靭性が著しく低下して母材の機械的特性に悪影響を及ぼし、またスラブの表面傷の発生が増加する。このため、C含有量は0.08%以下とする。C含有量の上限は0.07%であることが望ましく、下限は0.05%であることが望ましい。
Siは、鋼の脱酸剤として用いられる元素であり、また鋼を強化するのに有効な元素であるため、その含有量は0.05%以上とする。一方、Si含有量が過剰な場合、靭性が著しく低下し、ベンド鋼管の機械的性質が低下する。このため、Si含有量は0.50%以下とする。Si含有量の上限は0.30%であることが望ましく、下限は0.10%であることが望ましい。
Mnは、鋼の強度および靱性を高めるのに有効であり、その含有量は1.00%以上とする。一方、Mn含有量が過剰な場合、靭性が低下するので、Mn含有量は1.70%以下とする。Mn含有量の上限は1.60%であることが望ましく、下限は1.20%であることが望ましい。
Pは、鋼中に不可避的に存在し、その含有量が過剰な場合には、耐食性を劣化させるので、その含有量は0.015%以下とする。P含有量の上限は0.013%であることが望ましい。
Sは、鋼中に不可避的に存在し、その含有量が過剰な場合には、母材の靭性を劣化させるので、その含有量は0.002%以下とする。
Ni:0〜0.50%
Cr:0〜0.50%
Cu、NiおよびCrは、いずれも固溶強化および焼入れ性向上に寄与する元素であり、靭性を大きく損なうことなく強度を高めることができるので、ベンド鋼管に含有させてもよい。しかし、Cu含有量が0.50%を超えると、Cuチェッキングが発生し、スラブの表面傷の原因となる。Ni含有量が0.50%を超えるとコストの上昇が顕著になる。Cr含有量が0.50%を超えると靭性が低下する。したがって、Cu、NiおよびCrのいずれの元素も、その含有量は0.50%以下とする。Cu、NiおよびCrのいずれの元素も、上記の効果を得るためには、0.05%以上含有させることが望ましい。Cu含有量の上限は0.30%であることが望ましく、下限は0.05%であることが望ましい。Ni含有量の上限は0.40%であることが望ましく、下限は0.05%であることが望ましい。Cr含有量の上限は0.40%であることが望ましく、下限は0.05%であることが望ましい。
Moは、靭性の劣化を抑制するとともに、強度を高める効果を有するので、ベンド鋼管に含有させてもよい。しかし、Mo含有量が0.50%を超えると、ベンド鋼管の敷設時の周溶接性が劣化するので、Mo含有量は0.50%以下とする。Mo含有量の上限は0.30%であることが望ましく、下限は0.05%であることが望ましい。
アルミニウム(Al)は、Nと結合して微細な窒化物を形成し、鋼の靱性を高めるので、ベンド鋼管に含有させてもよい。Alが少しでも含有されていれば、上記の効果が得られる。一方、Al含有量が過剰な場合、Al窒化物が粗大化し、鋼の靱性が低下する。したがって、Alを含有させる場合には、Sol.Al(酸可溶Al)として、その含有量は0.10%以下とする。Al含有量の下限は、好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.01%である。Al含有量の上限は、好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.06%である。
Caは、介在物の球状化に効果があり、水素誘起割れおよびラメラティアを防止するのに有効な元素であるので、ベンド鋼管に含有させてもよい。しかし、Ca含有量が0.0050%を超えるとこれらの効果は飽和するので、Ca含有量は0.0050%以下とする。Ca含有量の上限は0.0020%であることが望ましく、下限は0.0001%であることが望ましい。
V:0〜0.10%
Ti:0〜0.030%
Nb、VおよびTiは、いずれも析出強化および焼入れ性向上に寄与する元素であり、また、結晶粒を微細化して靭性を改善する元素であるので、ベンド鋼管に含有させてもよい。しかし、これらの元素の含有量が過剰な場合、溶接部の溶接金属の靭性が低下する。そこで、Nb含有量は0.050%以下、V含有量は0.10%以下、Ti含有量は0.030%以下とする。Nb含有量の上限は0.020%であることが望ましく、下限は0.001%であることが望ましい。V含有量の上限は0.07%であることが望ましく、下限は0.01%であることが望ましい。Ti含有量の上限は0.010%であることが望ましく、下限は0.005%であることが望ましい。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15・・・(1)
ただし、上記(1)式中の各元素記号はそれぞれの元素の含有量(質量%)を意味する。
Ceqは、鋼材の焼入れ性を評価するための指標である。肉厚が30mm以上の厚肉の鋼管でも高強度を得るためにCeqを0.35%以上とする。
本実施形態に係るベンド鋼管は、API 5L/ISO 3183に準拠したX65グレード(YS:450〜600MPa)の高強度と、ASTM E92(2016)に準拠した試験力10kgfのビッカース硬さ(HV10)で230以下の低硬度である必要がある。強度および硬度は、直管部2および曲げ部3の双方において優れている必要がある。
Hv10I−Hv10M≦30・・・(2)
Hv10O−Hv10M≦30・・・(3)
ただし、上記(2)式および(3)式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Hv10I:前記曲げ部の内面から1.5mm深さ位置におけるビッカース硬さ(HV10)
Hv10M:前記曲げ部の肉厚中心位置におけるビッカース硬さ(HV10)
Hv10O:前記曲げ部の外面から1.5mm深さ位置におけるビッカース硬さ(HV10)
本実施形態に係るベンド鋼管は、例えば、ベイナイトを主体とする金属組織を有する。ベイナイトを主体とする金属組織とは、ベイナイトの存在比が90体積%以上である金属組織を意味する。残りの金属組織については制約がないが、例えば、10体積%未満のマルテンサイトなどが含まれていてもよい。
(a)直管の製造
本実施形態に係るベンド鋼管の製造方法において、直管は、公知の方法により製造すればよい。マンネスマン製管、すなわち、所定の化学組成に調整したビレットから穿孔圧延を行ってシームレス鋼管を製造してもよいし、所定の化学組成に調整した鋼板から電縫鋼管、スパイラル鋼管、UO鋼管などの溶接鋼管を製造してもよい。
本実施形態に係るベンド鋼管の製造方法においては、まず、厚さが30mm以上(好ましくは、50mm以下)であり、所定の化学組成を有する鋼管(直管)を所定の加熱温度に急速に加熱し、直ちに曲げ加工する。加熱温度は1050℃超1100℃以下である。ここで加熱温度は、鋼管外面の温度をいう。加熱温度は、例えば、放射温度計によって測定することができる。曲げ加工時の加熱温度が1050℃以下の場合には、得られたベンド鋼管1の曲げ部3の肉厚中心部における硬さが低下し、その後に焼入れを行ってもこの硬さを回復するのは困難である。その結果、曲げ部3における降伏応力が低下する。このようなベンド鋼管1に比較的高温の熱処理を実施すると、表面の硬さを低下させることはできるが、肉厚中心部の硬さを上昇させることはできない。結果として、X65グレード(YS:450〜600MPa)の高強度材が得られない。よって、曲げ加工時の加熱温度を1050℃超とし、好ましくは、1060℃以上とする。一方、曲げ加工時の加熱温度が高すぎると、靱性が悪化するという問題がある。よって、曲げ加工時の加熱温度は、1100℃以下とし、好ましくは、1090℃以下とする。なお、本実施形態において、直ちに曲げ加工するとは、例えば、加熱後、鋼管の温度が1050℃以下に低下する前に曲げ加工を行うことをいう。曲げ加工は、加熱後に、鋼管の温度が1060℃未満に低下する前に行うことが好ましい。
曲げ加工後は、ベンド鋼管1を、800〜500℃の温度域における平均冷却速度が3℃/s以上で冷却する。上記温度域におけるベンド鋼管1の平均冷却速度が、3℃/s未満の場合、十分に焼き入れされず強度が確保できないという問題がある。平均冷却速度の好ましい下限は、5℃/sである。このような冷却速度は、例えば曲げ加工された鋼管を速やかに水冷することで実現できる。曲げ加工終了から冷却開始までは、曲げ加工されたベンド鋼管1の温度が下がらないよう極力短時間とするのがよい。
冷却後は、500℃超600℃以下の温度範囲で熱処理(焼き戻し)する。本実施形態に係るベンド鋼管の製造方法においては、上記のように、1050℃超という比較的高温で曲げ加工を行うことにより、曲げ部の肉厚中心部における硬さを高くするものであるが、その分、表層の硬さは上昇しすぎる。このため、そのような曲げ加工をしたベンド鋼管に、500℃以下の熱処理を行っても、表層の硬さを十分に下げることが困難であり、特に、ベンド鋼管の曲げ部の外側部分3b(曲げ加工時に引張荷重が付与された部位)の硬さが高くなり、所望の耐HIC性が得られなくなる。よって、冷却後の熱処理温度は、500℃超とし、特に、510℃以上にすることが好ましい。一方、熱処理温度が高すぎると、強度が低下する。よって、熱処理温度は、600℃以下とし、好ましくは、580℃以下とする。熱処理の均熱時間は特に制約がないが、肉厚中心部における硬さを低下させるためには、70〜130分とするのが好ましい。熱処理終了後の冷却条件は、特に制約がないが、空冷とするのがよい。
NACE TM 0284に従い、Solution Aに96hr浸漬して、割れが発生しなかったものを「○」、割れが発生したものを「×」として表2に示す。
各領域からASTM A370の丸棒試験片を採取し、引張試験を行い、降伏応力(YS)と引張強さ(TS)を測定した。
2 直管部
3 曲げ部
3a 曲げ部の内側部分
3b 曲げ部の外側部分
θ 曲げ角度
r 曲げ部の曲げ半径
OD 直管部の外径
Claims (8)
- 直管部と、前記直管部の外径の3倍以上の曲げ半径を有する曲げ部とを備え、肉厚が30mm以上のベンド鋼管であって、
化学組成が、質量%で、
C:0.04〜0.08%、
Si:0.05〜0.50%、
Mn:1.00〜1.70%、
P:0.015%以下、
S:0.002%以下、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
Cr:0〜0.50%、
Mo:0〜0.50%、
Sol.Al:0〜0.10%、
Ca:0〜0.0050%、
Nb:0〜0.050%、
V:0〜0.10%、
Ti:0〜0.030%、
残部がFeおよび不純物であり、下記(1)式から求められるCeq:0.35%以上であり、
前記直管部および前記曲げ部において、降伏応力が450〜600MPa、ビッカース硬さ(HV10)が230以下である、ベンド鋼管。
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15・・・(1)
ただし、上記(1)式中の各元素記号はそれぞれの元素の含有量(質量%)を意味する。 - 前記化学組成が、
Cu:0.05〜0.50%、
Ni:0.05〜0.50%、
Cr:0.05〜0.50%、
Mo:0.05〜0.50%、
Sol.Al:0.001〜0.10%、
Ca:0.0001〜0.0050%、
Nb:0.001〜0.050%、
V:0.01〜0.10%および
Ti:0.005〜0.030%
から選択される1種以上を含む、
請求項1に記載のベンド鋼管。 - 下記(2)式および(3)式を満たす、
請求項1または2に記載のベンド鋼管。
Hv10I−Hv10M≦30・・・(2)
Hv10O−Hv10M≦30・・・(3)
ただし、上記(2)式および(3)式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Hv10I:前記曲げ部の内面から1.5mm深さ位置におけるビッカース硬さ(HV10)
Hv10M:前記曲げ部の肉厚中心位置におけるビッカース硬さ(HV10)
Hv10O:前記曲げ部の外面から1.5mm深さ位置におけるビッカース硬さ(HV10) - シームレス鋼管である、
請求項1から3までのいずれかに記載のベンド鋼管。 - 肉厚が50mm以下である、
請求項1から4までのいずれかに記載のベンド鋼管。 - 下記の(1)〜(4)の工程を順に行う、請求項1に記載のベンド鋼管の製造方法。
(1)肉厚が30mm以上であり、請求項1に記載の化学組成を有する鋼管を1050℃超1100℃以下の所定の加熱温度に、10〜30℃/sの平均昇温速度で加熱する工程、
(2)前記鋼管を、前記加熱する工程に引き続き直ちに、曲げ半径が前記鋼管の外径の3倍以上となるように曲げてベンド鋼管を得る工程、
(3)前記ベンド鋼管を、800〜500℃の温度域における平均冷却速度が3℃/s以上で冷却する工程、および、
(4)前記ベンド鋼管に、500℃超600℃以下の温度範囲で熱処理する工程。 - 前記(1)の工程において、前記鋼管の全長に亘って加熱する、
請求項6に記載のベンド鋼管の製造方法。 - 前記(2)の工程において、曲げ角度が20°以上となるように曲げる、
請求項6または7に記載のベンド鋼管の製造方法。
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