WO2018179512A1 - 耐サワーラインパイプ用高強度鋼板およびその製造方法並びに耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管 - Google Patents

耐サワーラインパイプ用高強度鋼板およびその製造方法並びに耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管 Download PDF

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横田 智之
純二 嶋村
周作 太田
雄太 田村
上岡 悟史
長谷 和邦
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Jfeスチール株式会社
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Definitions

  • the present invention is suitable for use in line pipes in the fields of architecture, offshore structures, shipbuilding, civil engineering, and construction industrial machines, and is a high-strength steel sheet for sour-resistant pipes with excellent material uniformity in the steel sheet and its manufacture. It is about the method.
  • the present invention also relates to a high-strength steel pipe using the above-described high-strength steel plate for sour line pipes.
  • a line pipe is manufactured by forming a steel plate manufactured by a thick plate mill or a hot rolling mill into a steel pipe by UOE forming, press bend forming, roll forming, or the like.
  • line pipes used for transporting crude oil and natural gas containing hydrogen sulfide are resistant to hydrogen induced cracking (HIC (Hydrogen Induced Cracking)) and sulfides in addition to strength, toughness and weldability.
  • So-called sour resistance such as stress corrosion cracking resistance (SSCC (Sulfide-Stress-Corrosion-Cracking) resistance) is required.
  • SSCC stress corrosion cracking resistance
  • HIC hydrogen ions from the corrosion reaction are adsorbed on the steel surface, penetrate into the steel as atomic hydrogen, and diffuse and accumulate around non-metallic inclusions such as MnS and hard second-phase structures in the steel.
  • TMCP Thermo-Mechanical Control Process
  • TMCP Thermo-Mechanical Control Process
  • it is effective to increase the cooling rate during controlled cooling.
  • controlled cooling is performed at a high cooling rate, the surface layer portion of the steel sheet is rapidly cooled, so that the hardness of the surface layer portion is higher than that inside the steel plate, and the hardness distribution in the thickness direction varies. Therefore, it becomes a problem from the viewpoint of ensuring the material uniformity in the steel plate.
  • Patent Documents 1 and 2 in the sheet thickness direction, by performing controlled cooling at a high cooling rate to reheat the surface after rolling, before the surface layer portion completes the bainite transformation A method of manufacturing a steel sheet having a small material difference is disclosed.
  • Patent Documents 3 and 4 disclose a method for manufacturing a steel plate for a line pipe, which uses a high-frequency induction heating device to heat the steel plate surface after accelerated cooling to a higher temperature from the inside to reduce the hardness of the surface layer portion. Has been.
  • Patent Documents 5 and 6 disclose a method for improving the steel plate shape by reducing the uneven cooling due to the uneven thickness of the scale by performing descaling immediately before the cooling.
  • Japanese Patent No. 3951428 Japanese Patent No. 3951429 JP 2002-327212 A Japanese Patent No. 3711896 JP-A-9-57327 Japanese Patent No. 3796133
  • the high-strength steel sheets obtained by the production methods described in Patent Documents 1 to 6 may have room for improvement in terms of SSCC resistance under a more severe corrosive environment. found. The reason is as follows.
  • Patent Documents 1 and 2 if the transformation behavior differs depending on the steel plate components, the effect of sufficient material homogenization by recuperation may not be obtained.
  • the structure in the surface layer of the steel sheet obtained by the manufacturing method described in Patent Documents 1 and 2 is a multiphase structure such as a ferrite-bainite two-phase structure, in the low load micro Vickers test, the indenter has any structure. The hardness value varies greatly depending on whether or not the test is performed.
  • Patent Documents 5 and 6 improve the steel sheet shape by descaling to reduce surface quality defects due to indentation of the scale during hot correction and to reduce variation in the cooling stop temperature of the steel sheet.
  • the cooling conditions for obtaining a uniform material no consideration is given to the cooling conditions for obtaining a uniform material. This is because if the cooling rate of the steel sheet surface varies, the hardness of the steel sheet varies. That is, when the cooling rate is slow, when the steel sheet surface cools, a film of bubbles is generated between the steel sheet surface and the cooling water, and the film is separated from the surface by the cooling water before the bubbles form the film. "Nucleate boiling" occurs simultaneously, and the cooling rate of the steel sheet surface varies. As a result, the hardness of the steel sheet surface varies. This is not considered in the techniques described in Patent Documents 5 and 6.
  • the present invention provides a high-strength steel sheet for sour line pipes that is excellent not only in HIC resistance but also in SSCC resistance under more severe corrosive environments, together with its advantageous manufacturing method. With the goal.
  • Another object of the present invention is to propose a high-strength steel pipe using the high-strength steel sheet for sour-resistant pipes.
  • the present inventors repeated numerous experiments and examinations on the component composition, microstructure, and manufacturing conditions of the steel material in order to ensure the SSCC resistance under a more severe corrosive environment.
  • the structure of the extreme surface layer portion of the steel sheet specifically the steel sheet surface
  • the increase in hardness can be reduced in the coating process after pipe forming. It has been found that the SSCC resistance of the steel pipe is improved as a result.
  • the present invention has been made based on this finding.
  • the gist configuration of the present invention is as follows. [1] By mass%, C: 0.02 to 0.08%, Si: 0.01 to 0.50%, Mn: 0.50 to 1.80%, P: 0.001 to 0.015% , S: 0.0002 to 0.0015%, Al: 0.01 to 0.08% and Ca: 0.0005 to 0.005%, with the balance being composed of Fe and inevitable impurities
  • the steel structure at 0.5 mm below the steel sheet surface is a bainite structure having a dislocation density of 1.0 ⁇ 10 14 to 7.0 ⁇ 10 14 (m ⁇ 2 ),
  • the variation in Vickers hardness at 0.5 mm below the steel sheet surface is 30 HV or less at 3 ⁇ when the standard deviation is ⁇ .
  • a high-strength steel sheet for sour line pipes characterized by having a tensile strength of 520 MPa or more.
  • the component composition was further selected by mass% from Cu: 0.50% or less, Ni: 0.50% or less, Cr: 0.50% or less, and Mo: 0.50% or less.
  • the component composition further includes, in mass%, Nb: 0.005 to 0.1%, V: 0.005 to 0.1%, Ti: 0.005 to 0.1%, Zr: 0 [1] or above containing one or more selected from 0005 to 0.02%, Mg: 0.0005 to 0.02%, and REM: 0.0005 to 0.02%
  • Nb 0.005 to 0.1%
  • V 0.005 to 0.1%
  • Ti 0.005 to 0.1%
  • Zr 0 [1] or above containing one or more selected from 0005 to 0.02%
  • Mg 0.0005 to 0.02%
  • REM 0.0005 to 0.02%
  • the high-strength steel sheet for sour-resistant pipes according to [2].
  • the component composition is further selected by mass% from Cu: 0.50% or less, Ni: 0.50% or less, Cr: 0.50% or less, and Mo: 0.50% or less.
  • the component composition further includes, in mass%, Nb: 0.005 to 0.1%, V: 0.005 to 0.1%, Ti: 0.005 to 0.1%, Zr: 0 [5] above, containing one or more selected from .0005 to 0.02%, Mg: 0.0005 to 0.02%, and REM: 0.0005 to 0.02% [5]
  • Nb 0.005 to 0.1%
  • V 0.005 to 0.1%
  • Ti 0.005 to 0.1%
  • Zr 0 [5] above
  • Mg 0.0005 to 0.02%
  • REM 0.0005 to 0.02%
  • the high-strength steel plate for sour line pipe and the high-strength steel pipe using the high-strength steel plate for sour line pipe of the present invention are excellent not only in HIC resistance but also in SSCC resistance under more severe corrosive environment.
  • a high-strength steel sheet for sour line pipes that is excellent not only in HIC resistance but also in SSCC resistance under more severe corrosive environments. Can be manufactured.
  • C 0.02 to 0.08% C contributes effectively to improving the strength, but if the content is less than 0.02%, sufficient strength cannot be ensured. On the other hand, if it exceeds 0.08%, the hardness of the surface layer portion and the center segregation portion is reduced during accelerated cooling. Therefore, SSCC resistance and HIC resistance deteriorate. In addition, toughness deteriorates. For this reason, the C content is limited to a range of 0.02 to 0.08%.
  • Si 0.01 to 0.50% Si is added for deoxidation, but if the content is less than 0.01%, the deoxidation effect is not sufficient. On the other hand, if it exceeds 0.50%, the toughness and weldability are deteriorated. It is limited to the range of 01 to 0.50%.
  • Mn 0.50 to 1.80% Mn contributes effectively to the improvement of strength and toughness, but if the content is less than 0.50%, the effect of addition is poor, while if it exceeds 1.80%, the hardness of the surface layer part and the center segregation part during accelerated cooling Increases, the SSCC resistance and the HIC resistance deteriorate. Moreover, weldability also deteriorates. For this reason, the amount of Mn is limited to the range of 0.50 to 1.80%.
  • P 0.001 to 0.015%
  • P is an inevitable impurity element, and deteriorates the weldability and also increases the hardness of the center segregation part to deteriorate the HIC resistance. Since the tendency will become remarkable when it exceeds 0.015%, an upper limit is prescribed
  • S 0.0002 to 0.0015%
  • S is an unavoidable impurity element, and is preferably MnS inclusion in the steel, so that the HIC resistance is degraded. The lower the content, the better, but 0.0002% or more from the viewpoint of refining costs.
  • Al 0.01 to 0.08% Al is added as a deoxidizer, but if it is less than 0.01%, there is no effect of addition. On the other hand, if it exceeds 0.08%, the cleanliness of the steel is lowered and the toughness is deteriorated. It is limited to the range of 01 to 0.08%.
  • Ca 0.0005 to 0.005%
  • Ca is an element effective for improving the HIC resistance by controlling the form of sulfide inclusions, but if it is less than 0.0005%, the effect of addition is not sufficient. On the other hand, if it exceeds 0.005%, not only the effect is saturated, but also the HIC resistance is deteriorated due to a decrease in the cleanliness of the steel, so the Ca content is limited to the range of 0.0005 to 0.005%. .
  • the component composition of the present disclosure may be one or more selected from Cu, Ni, Cr, and Mo in order to further improve the strength and toughness of the steel sheet. Can be optionally contained within the following range.
  • Cu 0.50% or less Cu is an element effective for improving toughness and increasing strength. To obtain this effect, it is preferable to contain 0.05% or more, but if the content is too large, welding is performed. When Cu is added, the upper limit is 0.50%.
  • Ni 0.50% or less
  • Ni is an element effective for improving toughness and increasing strength. To obtain this effect, it is preferable to contain 0.05% or more, but if the content is too large, it is economical. This is not only disadvantageous, but also the toughness of the weld heat affected zone deteriorates. Therefore, when Ni is added, the upper limit is 0.50%.
  • Cr 0.50% or less Cr, like Mn, is an element effective for obtaining sufficient strength even at low C. To obtain this effect, it is preferable to contain 0.05% or more. If the amount is too large, the hardenability becomes excessive, so that the dislocation density described later increases and the SSCC resistance deteriorates. Moreover, weldability also deteriorates. For this reason, when adding Cr, 0.50% is made the upper limit.
  • Mo 0.50% or less Mo is an element effective for improving toughness and increasing strength. To obtain this effect, it is preferable to contain 0.05% or more, but if the content is too large, Since the hardenability becomes excessive, the dislocation density described later increases, and the SSCC resistance deteriorates. Moreover, weldability also deteriorates. For this reason, when Mo is added, the upper limit is 0.50%.
  • the component composition of the present disclosure may further contain one or more selected from Nb, V and Ti within the following ranges.
  • Nb 0.005 to 0.1%
  • V 0.005 to 0.1%
  • Ti 0.005 to 0.1%
  • Zr 0.0005 to 0.02%
  • Mg 0.0005 to One or more selected from 0.02% and REM: 0.0005 to 0.02%
  • Nb, V, and Ti are all optionally added to increase the strength and toughness of the steel sheet. It is an element that can When the content of each element is less than 0.005%, the effect of addition is poor. On the other hand, when the content exceeds 0.1%, the toughness of the welded portion deteriorates. It is preferable to be in the range.
  • Zr, Mg, and REM are elements that can be optionally added to increase toughness through crystal grain refinement or to improve crack resistance through control of inclusion physical properties. Any of these elements has a poor effect of addition when the content is less than 0.0005%, while the effect is saturated when the content exceeds 0.02%. A range of 02% is preferable.
  • This disclosure discloses a technique for improving the SSCC resistance of a high-strength steel pipe using a high-strength steel plate for sour line pipes.
  • the sour-proof performance is not limited to HIC resistance. It is necessary to satisfy simultaneously.
  • the CP value is an expression devised for estimating the material of the center segregation part from the content of each alloy element.
  • the higher the CP value of the above formula (1) the higher the component concentration of the center segregation part. Increases and the hardness of the central segregation part increases. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the HIC test by setting the CP value obtained in the above equation (1) to 1.00 or less. Further, the lower the CP value, the lower the hardness of the center segregation part. Therefore, when higher HIC resistance is required, the upper limit may be set to 0.95.
  • N is an element inevitably contained in the steel, but if the content is 0.007% or less, preferably 0.006% or less, it is acceptable in the present invention.
  • the steel structure of the high-strength steel sheet for sour line pipes In order to increase the tensile strength of 520 MPa or more, the steel structure needs to be a bainite structure.
  • a hard phase such as martensite or island martensite (MA)
  • the surface layer hardness is increased, the hardness variation in the steel sheet is increased, and the material uniformity is inhibited.
  • the steel structure of the surface layer portion is a bainite structure.
  • the bainite structure includes a structure called bainitic ferrite or granular ferrite that transforms during or after accelerated cooling that contributes to transformation strengthening.
  • bainitic ferrite or granular ferrite that transforms during or after accelerated cooling that contributes to transformation strengthening.
  • different types of structures such as ferrite, martensite, pearlite, island-like martensite, and retained austenite
  • the strength decreases, the toughness deteriorates, and the surface hardness increases.
  • the smaller the fraction the better.
  • the volume fraction of the structure other than the bainite phase is sufficiently low, the influence thereof can be ignored, so that a certain amount is acceptable.
  • the structure of the extreme surface layer portion of the steel sheet specifically, the steel structure of 0.5 mm below the steel sheet surface, the dislocation density of 1. It is important to have a bainite structure of 0 ⁇ 10 14 to 7.0 ⁇ 10 14 (m ⁇ 2 ). Since the dislocation density decreases in the coating process after pipe forming, if the dislocation density 0.5 mm below the steel sheet surface is 7.0 ⁇ 10 14 (m ⁇ 2 ) or less, the increase in hardness due to age hardening is minimized. To the limit.
  • dislocation density of 0.5 mm below the steel sheet surface exceeds 7.0 ⁇ 10 14 (m ⁇ 2 )
  • the dislocation density does not decrease in the coating process after pipe forming, and the hardness increases greatly by age hardening.
  • a preferable range of dislocation density is 6.0 ⁇ 10 14 (m ⁇ 2 ) or less.
  • the dislocation density 0.5 mm below the steel sheet surface is less than 1.0 ⁇ 10 14 (m ⁇ 2 )
  • the strength of the steel sheet cannot be maintained.
  • the dislocation density in the steel structure 0.5 mm below the steel sheet surface is in the above range, the extreme surface layer part in the range of 0.5 mm depth from the steel sheet surface also has an equivalent dislocation density. As a result, the effect of improving the SSCC resistance can be obtained.
  • HV0.1 at 0.5 mm below the surface is 230 or less. From the viewpoint of securing the SSCC resistance of the steel pipe, it is important to suppress the surface hardness of the steel sheet. However, by setting the HV0.1 at 0.5 mm below the surface of the steel sheet to 230 or less, coating after pipe forming After the process, HV0.1 at 0.5 mm below the surface can be suppressed to 260 or less, and SSCC resistance can be ensured.
  • the Vickers hardness variation at 0.5 mm below the steel sheet surface is 30 HV or less at 3 ⁇ when the standard deviation is ⁇ .
  • 3 ⁇ at the time of measuring Vickers hardness at 0.5 mm below the steel sheet surface exceeds 30 HV, the hardness variation in the extreme surface layer of the steel sheet, that is, the presence of a local high hardness site in the extreme surface layer, This is because the SSCC resistance deteriorates starting from.
  • the high-strength steel sheet of the present disclosure is a steel pipe steel sheet having an API 5L X60 grade or higher strength, it has a tensile strength of 520 MPa or higher.
  • the manufacturing method of this indication heats the steel slab which has the said component composition, Then, it hot-rolls into a steel plate, and performs the controlled cooling on predetermined conditions with respect to the said steel plate after that.
  • slab heating temperature 1000-1300 ° C If the slab heating temperature is less than 1000 ° C., the required strength cannot be obtained due to insufficient solid solution of the carbide. On the other hand, if the slab heating temperature exceeds 1300 ° C., the toughness deteriorates, so the slab heating temperature is set to 1000 to 1300 ° C. This temperature is the furnace temperature of the heating furnace, and the slab is heated to this temperature up to the center.
  • the rolling end temperature at the steel sheet surface temperature is the required base material toughness and rolling. It is necessary to set in consideration of efficiency. From the viewpoint of improving strength and HIC resistance, it is preferable that the rolling end temperature is not less than the Ar 3 transformation point at the steel sheet surface temperature.
  • the Ar 3 transformation point means a ferrite transformation start temperature during cooling, and can be obtained from the steel components by the following formula, for example.
  • austenite non-recrystallization temperature range be 60% or more.
  • surface temperature of a steel plate can be measured with a radiation thermometer or the like.
  • Ar 3 (° C.) 910-310 [% C] -80 [% Mn] -20 [% Cu] -15 [% Cr] -55 [% Ni] -80 [% Mo]
  • [% X] indicates the content (mass%) of element X in steel.
  • Cooling start temperature (Ar 3 ⁇ 10 ° C.) or more at the steel sheet surface temperature If the steel sheet surface temperature at the start of cooling is low, the amount of ferrite produced before controlled cooling increases, and in particular, the temperature drop from the Ar 3 transformation point is 10 When the temperature exceeds °C, ferrite with a volume fraction exceeding 5% is generated, and the strength decreases and the HIC resistance deteriorates. Therefore, the steel sheet surface temperature at the start of cooling is set to (Ar 3 -10 ° C) or more. .
  • Average cooling rate from 750 ° C. to 550 ° C. at a steel plate temperature of 0.5 mm below the steel plate surface 80 ° C./s or less Average cooling rate from 750 ° C. to 550 ° C. at a steel plate temperature of 0.5 mm below the steel plate surface is 80 ° C. /
  • the dislocation density in the 0.5 mm below the steel sheet surface exceeds 7.0 ⁇ 10 14 (m ⁇ 2 ).
  • HV0.1 of 0.5 mm below the steel sheet surface exceeds 230, and after passing through the coating process after pipe forming, HV0.1 at 0.5 mm below the surface exceeds 260, and the SSCC resistance of the steel pipe deteriorates. To do.
  • the said average cooling rate shall be 80 degrees C / s or less. Preferably it is 50 degrees C / s or less.
  • the lower limit of the average cooling rate is not particularly limited. However, if the cooling rate is excessively small, ferrite and pearlite are generated and the strength is insufficient. Therefore, from the viewpoint of preventing this, it is preferably 20 ° C./s or more.
  • Average cooling rate from 750 ° C. to 550 ° C. at the average temperature of the steel plate 15 ° C./s or more
  • the average cooling rate from 750 ° C. to 550 ° C. at the average temperature of the steel plate is less than 15 ° C./s, the bainite structure is not obtained and the strength Decrease and deterioration of HIC resistance occur.
  • the cooling rate at the steel plate average temperature is set to 15 ° C./s or more.
  • the average cooling rate of the steel plate is preferably 20 ° C./s or more.
  • the upper limit of the average cooling rate is not particularly limited, but is preferably set to 80 ° C./s or less so that the low temperature transformation product is not excessively generated.
  • stable nucleate boiling Cooling in the state is necessary, and an increase in water density is essential.
  • the said average cooling rate shall be 150 degrees C / s or more. Preferably it is 170 degrees C / s or more.
  • the upper limit of the average cooling rate is not particularly limited, but is preferably set to 250 ° C./s or less because of restrictions on equipment.
  • the 0.5 mm below the steel plate surface and the average steel plate temperature cannot be physically measured directly, but the surface temperature at the start of cooling measured with a radiation thermometer and the surface temperature at the target cooling stop are also measured.
  • the temperature distribution in the cross section of the plate thickness can be obtained in real time by difference calculation using a process computer.
  • the temperature at 0.5 mm below the steel sheet surface in the temperature distribution is defined as “steel temperature at 0.5 mm below the steel sheet surface” in this specification, and the average value of the temperature in the plate thickness direction in the temperature distribution is “ Average temperature ”.
  • Cooling stop temperature 250 to 550 ° C at the average temperature of the steel plate
  • the bainite phase is generated by quenching to 250 to 550 ° C., which is the temperature range of bainite transformation, by controlled cooling.
  • the cooling stop temperature exceeds 550 ° C.
  • the bainite transformation is incomplete and sufficient strength cannot be obtained.
  • the cooling stop temperature is less than 250 ° C.
  • the hardness of the surface layer is remarkably increased, and the dislocation density at 0.5 mm below the steel sheet surface exceeds 7.0 ⁇ 10 14 (m ⁇ 2 ). Deteriorates.
  • the hardness of the center segregation part is increased and the HIC resistance is also deteriorated. Therefore, in order to suppress deterioration of material uniformity in the steel plate, the cooling stop temperature of the controlled cooling is set to 250 to 550 ° C. as the steel plate average temperature.
  • High-strength steel pipe The high-strength steel sheet of the present disclosure is formed into a tubular shape by press bend forming, roll forming, UOE forming, etc., and then the butt portion is welded to provide excellent material uniformity in the steel sheet suitable for transporting crude oil and natural gas.
  • High strength steel pipes for sour-resistant pipes UOE steel pipes, ERW steel pipes, spiral steel pipes, etc. can be manufactured.
  • the end of a steel plate is grooved and formed into a steel pipe shape by C press, U press, and O press, and then the butt portion is seam welded by inner surface welding and outer surface welding.
  • Any welding method may be used as long as sufficient joint strength and joint toughness can be obtained, but it is preferable to use submerged arc welding from the viewpoint of excellent welding quality and manufacturing efficiency.
  • Steels (steel types A to K) having the composition shown in Table 1 were made into slabs by a continuous casting method, heated to the temperatures shown in Table 2, and then hot-rolled at the rolling finish temperatures and reduction rates shown in Table 2. Thus, a steel plate having a thickness shown in Table 2 was obtained. Thereafter, the steel sheet was controlled to be cooled using a water-cooled control cooling device under the conditions shown in Table 2.
  • Dislocation density A sample for X-ray diffraction was collected from a position having an average hardness, the sample surface was polished to remove the scale, and X-ray diffraction measurement was performed at a position 0.5 mm below the steel sheet surface. The dislocation density was converted from the strain obtained from the half width ⁇ of the X-ray diffraction measurement. In the diffraction intensity curve obtained by normal X-ray diffraction, the K ⁇ 1 line and the K ⁇ 2 line having different wavelengths overlap each other, so that they are separated by the Rachinger method. The Williamsson-Hall method shown below is used for distortion extraction.
  • the spread of the half width is affected by the size D of the crystallite and the strain ⁇ , and can be calculated by the following equation as the sum of both factors.
  • 14.4 ⁇ 2 / b 2
  • means the peak angle calculated by the ⁇ -2 ⁇ method of X-ray diffraction
  • means the wavelength of X-rays used in X-ray diffraction
  • b is a Burgers vector of Fe ( ⁇ ), and in this example, it was 0.25 nm.
  • SSCC resistance was evaluated by pipe forming using a part of each of these steel plates. Pipe making is performed after the end of the steel plate is grooved and formed into a steel pipe shape by C-press, U-press and O-press, then the butt part of the inner and outer surfaces is seam welded by submerged arc welding, and the tube is expanded. did. As shown in FIG. 1, after flattening a coupon cut out from the obtained steel pipe, a 5 ⁇ 15 ⁇ 115 mm SSCC test piece was collected from the inner surface of the steel pipe. At this time, the inner surface, which is the test surface, was left with a black skin to leave the outermost layer.
  • the collected SSCC test piece was loaded with 90% of the actual yield strength (0.5% YS) of each steel pipe, and using NACE TM0177 Solution A solution, hydrogen sulfide partial pressure: 1 bar, EFC16 standard
  • NACE TM0177 Solution A solution, hydrogen sulfide partial pressure: 1 bar, EFC16 standard The four-point bending SSCC test was conducted. A case where no crack was observed after immersing for 720 hours was judged as good when the SSCC resistance was good, and a case where a crack occurred was judged as poor and was marked as x.
  • Table 2 The results are shown in Table 2.
  • HIC resistance was examined by a 96-hour immersion HIC test using a NACE standard TM0177 Solution A solution. As for HIC resistance, a case where the crack length ratio (CLR) was 15% or less in the HIC test was judged as good, and a case where it exceeded 15% was evaluated as x. The results are shown in Table 2.
  • the target range of the present invention is that the tensile strength is 520 MPa or more as a high-strength steel plate for sour line pipes, the microstructure is a bainite structure at 0.5 mm below the surface and the t / 2 position, and HV0.1 is 0.5 mm below the surface. No higher than 230, no cracks were observed in the SSCC test in high strength steel pipes made using the steel sheet, and the crack length ratio (CLR) was 15% or less in the HIC test.
  • CLR crack length ratio
  • No. 1-No. 15 is an invention example in which the component composition and production conditions satisfy the appropriate range of the present invention.
  • the tensile strength is 520 MPa or more as a steel plate
  • the microstructure is a bainite structure at 0.5 mm below the surface and the t / 2 position
  • the HV0.1 is 0.5 or less at 0.5 mm below the surface.
  • the SSCC resistance and HIC resistance were also good in the high strength steel pipes made.
  • No. 16-No. No. 23 is a comparative example in which the component composition is within the scope of the present invention, but the production conditions are outside the scope of the present invention.
  • No. No. 16 had a low strength because the slab heating temperature was low, and the homogenization of the microstructure and the solid solution of the carbides were insufficient.
  • No. No. 17 had a low cooling start temperature and a layered structure in which ferrite was deposited, so that the strength was low and the HIC resistance after pipe formation deteriorated.
  • No. 18 has a controlled cooling condition outside the scope of the present invention, a bainite structure is not obtained as a microstructure in the center of the plate thickness, and has a ferrite + pearlite structure.
  • a steel pipe (such as an electric resistance steel pipe, a spiral steel pipe, or a UOE steel pipe) manufactured by cold forming this steel sheet can be suitably used for transporting crude oil or natural gas containing hydrogen sulfide that requires sour resistance. .

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Abstract

本発明は、耐HIC性のみならず、より厳しい腐食環境下での耐SSCC性にも優れた耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を提供する。本発明の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板は、質量%で、C:0.02~0.08%、Si:0.01~0.50%、Mn:0.50~1.80%、P:0.001~0.015%、S:0.0002~0.0015%、Al:0.01~0.08%およびCa:0.0005~0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼板表面下0.5mmにおける鋼組織が、転位密度1.0×1014~7.0×1014(m-2)のベイナイト組織であり、鋼板表面下0.5mmにおけるビッカース硬さのばらつきが、標準偏差をσとしたときに3σで30HV以下であり、520MPa以上の引張強さを有することを特徴とする。

Description

耐サワーラインパイプ用高強度鋼板およびその製造方法並びに耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管
 本発明は、建築、海洋構造物、造船、土木、建設産業用機械の分野のラインパイプに使用して好適な、鋼板内の材質均一性に優れた耐サワーラインパイプ用高強度鋼板およびその製造方法に関するものである。また、本発明は、上記の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管に関するものである。
 一般に、ラインパイプは、厚板ミルや熱延ミルによって製造された鋼板を、UOE成形、プレスベンド成形およびロール成形等によって、鋼管に成形することで製造される。
 ここに、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は、強度、靭性、溶接性などの他に、耐水素誘起割れ性(耐HIC(Hydrogen Induced Cracking)性)や耐硫化物応力腐食割れ性(耐SSCC(Sulfide Stress Corrosion Cracking)性)といった、いわゆる耐サワー性が必要とされる。中でもHICは、腐食反応による水素イオンが鋼材表面に吸着し、原子状の水素として鋼内部に侵入し、鋼中のMnSなどの非金属介在物や硬い第2相組織のまわりに拡散・集積して、分子状の水素となり、その内圧により割れを生ずるもので、油井管に対して比較的強度レベルの低いラインパイプにおいて問題とされ、多くの対策技術が開示されてきた。一方、SSCCに関しては、一般的に油井用高強度継目無鋼管や、溶接部の高硬度域で発生することが知られており、比較的硬さが低いラインパイプではあまり問題視されてこなかった。ところが近年、原油や天然ガスの採掘環境がますます厳しさを増し、硫化水素分圧の高い、あるいはpHが低い環境において、ラインパイプの母材部においてもSSCCが生じることが報告されており、鋼管内面表層部の硬さをコントロールして、より厳しい腐食環境下での耐SSCC性を向上させることの重要性が指摘されている。
 通常、ラインパイプ用高強度鋼板の製造に際しては、制御圧延と制御冷却を組み合わせた、いわゆるTMCP(Thermo-Mechanical Control Process)技術が適用されている。このTMCP技術を用いて鋼材の高強度化を行うには、制御冷却時の冷却速度を大きくすることが有効である。しかしながら、高冷却速度で制御冷却した場合、鋼板表層部が急冷されるため、鋼板内部に比べて表層部の硬さが高くなり、板厚方向の硬さ分布にばらつきが生じる。従って、鋼板内の材質均一性を確保する観点で問題となる。
 上記の問題を解決するために、例えば特許文献1,2には、圧延後、表層部がベイナイト変態を完了する前に表面を復熱させる高冷却速度の制御冷却を行うことによる、板厚方向の材質差が小さい鋼板の製造方法が開示されている。また、特許文献3,4には、高周波誘導加熱装置を用いて、加速冷却後の鋼板表面を内部より高温に加熱して表層部の硬さを低減した、ラインパイプ用鋼板の製造方法が開示されている。
 他方、鋼板表面のスケール厚さにむらがあった場合、冷却時にその下部の鋼板の冷却速度にもばらつきが生じ、鋼板内の局所的な冷却停止温度のばらつきが問題となる。その結果、スケール厚さのむらによって板幅方向に鋼板材質のばらつきが生じることになる。これに対し、特許文献5,6には、冷却直前にデスケーリングを行うことにより、スケール厚さむらに起因した冷却むらを低減して、鋼板形状を改善する方法が開示されている。
特許第3951428号公報 特許第3951429号公報 特開2002-327212号公報 特許第3711896号公報 特開平9-57327号公報 特許第3796133号公報
 しかしながら、本発明者らの検討によると、上記特許文献1~6に記載の製造方法で得られる高強度鋼板では、より厳しい腐食環境下での耐SSCC性という観点で改善の余地があることが判明した。その理由としては、以下のようなものが考えられる。
 特許文献1,2に記載の製造方法では、鋼板の成分により変態挙動が異なると、復熱による十分な材質均質化の効果が得られない場合がある。また、特許文献1,2に記載の製造方法により得られる鋼板の表層における組織がフェライト‐ベイナイト2相組織のような複相組織の場合、低荷重のマイクロビッカース試験においては、圧子がいずれの組織を押し込んで試験するかによって硬さの値のばらつきが大きく生じる。
 特許文献3,4に記載の製造方法は、加速冷却における表層部の冷却速度が大きいため、鋼板表面の加熱だけでは表層部の硬さを十分に低減できない場合がある。
 他方、特許文献5,6に記載の方法では、デスケーリングにより、熱間矯正時のスケールの押し込み疵による表面性状不良の低減や、鋼板の冷却停止温度のばらつきを低減して鋼板形状を改善しているが、均一な材質を得るための冷却条件に関しては何ら配慮がなされていない。これは、鋼板表面の冷却速度がばらつくと、鋼板の硬さにばらつきが生じるからである。すなわち、冷却速度が遅いと、鋼板表面が冷却する際に、鋼板表面と冷却水の間に気泡の膜が発生する"膜沸騰"と、気泡が膜を形成する前に冷却水によって表面から分離される"核沸騰"とが同時に発生し、鋼板表面の冷却速度にばらつきが生じる。その結果、鋼板表面の硬さにばらつきを生じることになる。特許文献5,6に記載の技術ではこの点が考慮されていない。
 そこで本発明は、上記課題に鑑み、耐HIC性のみならず、より厳しい腐食環境下での耐SSCC性にも優れた耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を、その有利な製造方法と共に提供することを目的とする。また、本発明は、上記耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管を提案することを目的とする。
 本発明者らは、より厳しい腐食環境下での耐SSCC性を確保するべく、鋼材の成分組成、ミクロ組織および製造条件について、数多くの実験と検討を繰り返した。その結果、高強度鋼管の耐SSCC性をさらに向上させるためには、従来知見どおり単に表層硬さを抑えることだけでは不十分であり、特に鋼板の極表層部の組織、具体的には鋼板表面下0.5mmの鋼組織を、転位密度1.0×1014~7.0×1014(m-2)のベイナイト組織とすることで、造管後のコーティング過程において硬さの上昇代を抑えることができ、結果として鋼管の耐SSCC性が向上することを知見した。さらに、このような鋼組織を実現するためには、鋼板表面下0.5mmにおける冷却速度を厳密にコントロールする必要があり、その条件を見出すことに成功した。本発明は、この知見をもとになされたものである。
 すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
 [1]質量%で、C:0.02~0.08%、Si:0.01~0.50%、Mn:0.50~1.80%、P:0.001~0.015%、S:0.0002~0.0015%、Al:0.01~0.08%およびCa:0.0005~0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
 鋼板表面下0.5mmにおける鋼組織が、転位密度1.0×1014~7.0×1014(m-2)のベイナイト組織であり、
 鋼板表面下0.5mmにおけるビッカース硬さのばらつきが、標準偏差をσとしたときに3σで30HV以下であり、
 520MPa以上の引張強さを有する
ことを特徴とする耐サワーラインパイプ用高強度鋼板。
 [2]前記成分組成が、さらに、質量%で、Cu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Cr:0.50%以下およびMo:0.50%以下のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、上記[1]に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板。
 [3]前記成分組成が、さらに、質量%で、Nb:0.005~0.1%、V:0.005~0.1%、Ti:0.005~0.1%、Zr:0.0005~0.02%、Mg:0.0005~0.02%、およびREM:0.0005~0.02%のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、上記[1]または[2]に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板。
 [4]質量%で、C:0.02~0.08%、Si:0.01~0.50%、Mn:0.50~1.80%、P:0.001~0.015%、S:0.0002~0.0015%、Al:0.01~0.08%およびCa:0.0005~0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有する鋼片を、1000~1300℃の温度に加熱したのち、熱間圧延して鋼板とし、
 その後前記鋼板に対して、
  冷却開始時の鋼板表面温度:(Ar3-10℃)以上、
  鋼板表面下0.5mmにおける鋼板温度で750℃から550℃までの平均冷却速度:80℃/s以下、
  鋼板平均温度で750℃から550℃までの平均冷却速度:15℃/s以上、
  鋼板表面下0.5mmにおける鋼板温度で550℃から冷却停止時の温度まで平均冷却速度:150℃/s以上、および
  鋼板平均温度で冷却停止温度:250~550℃
の条件で制御冷却を行うことを特徴とする耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法。
 [5]前記成分組成が、さらに、質量%で、Cu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Cr:0.50%以下およびMo:0.50%以下のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、上記[4]に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法。
 [6]前記成分組成が、さらに、質量%で、Nb:0.005~0.1%、V:0.005~0.1%、Ti:0.005~0.1%、Zr:0.0005~0.02%、Mg:0.0005~0.02%、およびREM:0.0005~0.02%のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、上記[4]または[5]に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法。
 [7]上記[1]~[3]のいずれか一項に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管。
 本発明の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板および該耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管は、耐HIC性のみならず、より厳しい腐食環境下での耐SSCC性にも優れる。また、本発明の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法によれば、耐HIC性のみならず、より厳しい腐食環境下での耐SSCC性にも優れた耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を製造することができる。
実施例における耐SSCC性の評価のための試験片の採取方法を説明する模式図である。
 以下、本開示の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板について、具体的に説明する。
 [成分組成]
 まず、本開示による高強度鋼板の成分組成とその限定理由について説明する。以下の説明において%で示す単位は全て質量%である。
 C:0.02~0.08%
 Cは、強度の向上に有効に寄与するが、含有量が0.02%未満では十分な強度が確保できず、一方0.08%を超えると、加速冷却時に表層部や中心偏析部の硬さが上昇するため、耐SSCC性および耐HIC性が劣化する。また、靭性も劣化する。このため、C量は0.02~0.08%の範囲に限定する。
 Si:0.01~0.50%
 Siは、脱酸のため添加するが、含有量が0.01%未満では脱酸効果が十分でなく、一方0.50%を超えると靭性や溶接性を劣化させるため、Si量は0.01~0.50%の範囲に限定する。
 Mn:0.50~1.80%
 Mnは、強度、靭性の向上に有効に寄与するが、含有量が0.50%未満ではその添加効果に乏しく、一方1.80%を超えると加速冷却時に表層部や中心偏析部の硬さが上昇するため、耐SSCC性および耐HIC性が劣化する。また、溶接性も劣化する。このため、Mn量は0.50~1.80%の範囲に限定する。
 P:0.001~0.015%
 Pは、不可避不純物元素であり、溶接性を劣化させるとともに、中心偏析部の硬さを上昇させることで耐HIC性を劣化させる。0.015%を超えるとその傾向が顕著となるため、上限を0.015%に規定する。好ましくは0.008%以下である。含有量は低いほどよいが、精錬コストの観点から0.001%以上とする。
 S:0.0002~0.0015%
 Sは、不可避不純物元素であり、鋼中においてはMnS介在物となり耐HIC性を劣化させるため少ないことが好ましいが、0.0015%までは許容される。含有量は低いほどよいが、精錬コストの観点から0.0002%以上とする。
 Al:0.01~0.08%
 Alは、脱酸剤として添加するが、0.01%未満では添加効果がなく、一方、0.08%を超えると鋼の清浄度が低下し、靱性が劣化するため、Al量は0.01~0.08%の範囲に限定する。
 Ca:0.0005~0.005%
 Caは、硫化物系介在物の形態制御による耐HIC性向上に有効な元素であるが、0.0005%未満ではその添加効果が十分でない。一方、0.005%を超えた場合、効果が飽和するだけでなく、鋼の清浄度の低下により耐HIC性を劣化させるので、Ca量は0.0005~0.005%の範囲に限定する。
 以上、本開示の基本成分について説明したが、本開示の成分組成は、鋼板の強度や靱性の一層の改善のために、Cu,Ni,CrおよびMoのうちから選んだ1種又は2種以上を、以下の範囲で任意に含有させることができる。
 Cu:0.50%以下
 Cuは、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素であり、この効果を得るには0.05%以上を含有することが好ましいが、含有量が多すぎると溶接性が劣化するため、Cuを添加する場合は0.50%を上限とする。
 Ni:0.50%以下
 Niは、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素であり、この効果を得るには0.05%以上を含有することが好ましいが、含有量が多すぎると経済的に不利なだけでなく、溶接熱影響部の靱性が劣化するため、Niを添加する場合は0.50%を上限とする。
 Cr:0.50%以下
 Crは、Mnと同様、低Cでも十分な強度を得るために有効な元素であり、この効果を得るには0.05%以上を含有することが好ましいが、含有量が多すぎると、焼入れ性が過剰になるため、後述する転位密度が高くなり、耐SSCC性が劣化する。また、溶接性も劣化する。このため、Crを添加する場合は0.50%を上限とする。
 Mo:0.50%以下
 Moは、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素であり、この効果を得るには0.05%以上を含有することが好ましいが、含有量が多すぎると、焼入れ性が過剰になるため、後述する転位密度が高くなり、耐SSCC性が劣化する。また、溶接性も劣化する、このため、Moを添加する場合は0.50%を上限とする。
 本開示の成分組成は、さらに、Nb,VおよびTiのうちから選んだ1種又は2種以上を、以下の範囲で任意に含有させることもできる。
 Nb:0.005~0.1%、V:0.005~0.1%、Ti:0.005~0.1%、Zr:0.0005~0.02%、Mg:0.0005~0.02%、およびREM:0.0005~0.02%のうちから選んだ1種又は2種以上
 Nb,VおよびTiはいずれも、鋼板の強度および靭性を高めるために任意に添加することができる元素である。各元素とも、含有量が0.005%未満ではその添加効果に乏しく、一方0.1%を超えると溶接部の靭性が劣化するので、添加する場合はいずれも0.005~0.1%の範囲とするのが好ましい。Zr,MgおよびREMは、結晶粒微細化を通じて靭性を高めたり、介在物性状のコントロールを通して耐割れ性を高めたりするために任意に添加することができる元素である。これらの元素は、いずれも、含有量が0.0005%未満ではその添加効果に乏しく、一方0.02%を超えるとその効果が飽和するので、添加する場合はいずれも0.0005~0.02%の範囲とするのが好ましい。
 本開示は、耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管の耐SSCC性を改善するための技術を開示するものであるが、耐サワー性能として、いうまでもなく、耐HIC性を同時に満足することが必要であり、例えば、下記(1)式によって求められるCP値を、1.00以下とすることが好ましい。なお、添加しない元素は0を代入すれば良い。
 CP=4.46[%C]+2.37[%Mn]/6+(1.74[%Cu]+1.7[%Ni])/15+(1.18[%Cr]+1.95[%Mo]+1.74[%V])/5+22.36[%P]  ・・・(1)
ただし、[%X]はX元素の鋼中含有量(質量%)を示す。
 ここに、上記CP値は、各合金元素の含有量から中心偏析部の材質を推定するために考案された式であり、上掲(1)式のCP値が高いほど中心偏析部の成分濃度が高くなり、中心偏析部の硬さが上昇する。従って、上記の(1)式において求められるCP値を1.00以下とすることで、HIC試験での割れ発生を抑制することが可能となる。また、CP値が低いほど中心偏析部の硬さが低くなるため、さらに高い耐HIC性が求められる場合は、その上限を0.95とすれば良い。
 なお、上記した元素以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。ただし、本発明の作用効果を害しない限り、他の微量元素の含有を妨げない。例えば、Nは鋼中に不可避的に含まれる元素であるが、その含有量が0.007%以下、好ましくは0.006%以下であれば、本発明においては許容される。
 [鋼板の組織]
 次に、本開示の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の鋼組織について説明する。引張強さが520MPa以上の高強度化を図るために、鋼組織は、ベイナイト組織とする必要がある。特に、表層部は、マルテンサイトや島状マルテンサイト(MA)等の硬質相が生成した場合、表層硬さが上昇し、鋼板内の硬さのばらつきが増大して材質均一性が阻害される。表層硬さの上昇を抑制するために、表層部の鋼組織についてはベイナイト組織とする。ここで、ベイナイト組織は、変態強化に寄与する加速冷却時あるいは加速冷却後に変態するベイニティックフェライトまたはグラニュラーフェライトと称される組織を含むものとする。ベイナイト組織中に、フェライトやマルテンサイト、パーライト、島状マルテンサイト、残留オーステナイトなどの異種組織が混在すると、強度の低下や靭性の劣化、表層硬さの上昇などが生じるため、ベイナイト相以外の組織分率は少ない程良い。ただし、ベイナイト相以外の組織の体積分率が十分に低い場合には、それらの影響が無視できるので、ある程度の量であれば許容される。具体的に、本開示では、ベイナイト以外の鋼組織(フェライト、マルテンサイト、パーライト、島状マルテンサイト、残留オーステナイト等)の合計が体積分率で5%未満であれば、大きな影響がないので許容されるものとする。
 また、ベイナイト組織にも冷却速度に応じた種々の形態があるが、本開示においては、鋼板の極表層部の組織、具体的には鋼板表面下0.5mmの鋼組織を、転位密度1.0×1014~7.0×1014(m-2)のベイナイト組織とすることが肝要である。造管後のコーティング過程において転位密度が減少するため、鋼板表面下0.5mmの転位密度が7.0×1014(m-2)以下であれば、時効硬化による硬さの上昇代を最小限に抑えることができる。逆に、鋼板表面下0.5mmの転位密度が7.0×1014(m-2)を超えると、造管後のコーティング過程において転位密度が減少せず、時効硬化で硬度が大きく上昇して耐SSCC性を劣化させる。造管後に良好な耐SSCC性を得るために好ましい転位密度の範囲は6.0×1014(m-2)以下である。一方、鋼板表面下0.5mmの転位密度が1.0×1014(m-2)未満では鋼板として強度を維持できなくなる。X65グレードの強度を確保するため、2.0×1014(m-2)以上の転位密度を有することが好ましい。なお、本開示の高強度鋼板においては、鋼板表面下0.5mmの鋼組織における転位密度が上記範囲であれば、鋼板表面から深さ0.5mmの範囲の極表層部も同等の転位密度を有し、その結果、上記耐SSCC性向上の効果が得られるものである。
 なお、鋼板表面下0.5mmでの転位密度を7.0×1014(m-2)以下とすると、表面下0.5mmでのHV0.1が230以下となる。鋼管の耐SSCC性を確保する観点から、鋼板の表層硬さを抑制することが重要であるが、鋼板の表面下0.5mmでのHV0.1を230以下にすることで、造管後コーティング過程を経たのちの、表面下0.5mmでのHV0.1を260以下に抑えることができ、耐SSCC性を確保することができる。
 また、本開示の高強度鋼板では、鋼板表面下0.5mmにおけるビッカース硬さのばらつきが、標準偏差をσとしたときに3σで30HV以下であることも重要である。鋼板表面下0.5mmにおけるビッカース硬さを測定した際の3σが30HV超えの場合、鋼板の極表層における硬さばらつき、すなわち、極表層に局所的な高硬度部位が存在することにより、当該部位を起点とした耐SSCC性の劣化が生じるからである。なお、標準偏差σを求める際、100点以上、ビッカース硬さを測定しておくことが好ましい。
 本開示の高強度鋼板は、API 5LのX60グレード以上の強度を有する鋼管用の鋼板であるので、520MPa以上の引張強さを有するものとする。
 [製造方法]
 以下、上記耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を製造するための製造方法および製造条件について、具体的に説明する。本開示の製造方法は、上記成分組成を有する鋼片の加熱したのち、熱間圧延して鋼板とし、その後当該鋼板に対して所定条件下での制御冷却を行う。
 〔スラブ加熱温度〕
 スラブ加熱温度:1000~1300℃
 スラブ加熱温度が1000℃未満では、炭化物の固溶が不十分で必要な強度が得られず、一方1300℃を超えると靭性が劣化するため、スラブ加熱温度は1000~1300℃とする。なお、この温度は加熱炉の炉内温度であり、スラブは中心部までこの温度に加熱されるものとする。
 〔圧延終了温度〕
 熱間圧延工程において、高い母材靱性を得るには、圧延終了温度は低いほどよいが、その反面、圧延能率が低下するため、鋼板表面温度における圧延終了温度は、必要な母材靱性と圧延能率を勘案して設定する必要がある。強度および耐HIC性を向上させる観点からは、圧延終了温度を、鋼板表面温度でAr3変態点以上とすることが好ましい。ここで、Ar3変態点とは、冷却中におけるフェライト変態開始温度を意味し、例えば、鋼の成分から以下の式で求めることができる。また、高い母材靱性を得るためにはオーステナイト未再結晶温度域に相当する950℃以下の温度域での圧下率を60%以上とすることが望ましい。なお、鋼板の表面温度は放射温度計等で測定することができる。
Ar3(℃)=910-310[%C]-80[%Mn]-20[%Cu]-15[%Cr]-55[%Ni]-80[%Mo]
 ただし、[%X]はX元素の鋼中含有量(質量%)を示す。
 〔制御冷却の冷却開始温度〕
 冷却開始温度:鋼板表面温度で(Ar3-10℃)以上
 冷却開始時の鋼板表面温度が低いと、制御冷却前のフェライト生成量が多くなり、特にAr3変態点からの温度降下量が10℃を超えると体積分率で5%を超えるフェライトが生成して、強度低下が大きくなると共に耐HIC性が劣化するため、冷却開始時の鋼板表面温度は(Ar3-10℃)以上とする。
 〔制御冷却の冷却速度〕
 高強度化を図りつつ、鋼板内の硬さのばらつきを低減し、材質均一性を向上させるためには、表層部の冷却速度と鋼板内の平均冷却速度を制御することが重要である。特に、鋼板表面下0.5mmにおける転位密度と3σを既述の範囲とするためには、鋼板表面下0.5mmにおける冷却速度を制御する必要がある。
 鋼板表面下0.5mmにおける鋼板温度で750℃から550℃までの平均冷却速度:80℃/s以下
 鋼板表面下0.5mmにおける鋼板温度で750℃から550℃までの平均冷却速度が80℃/sを超えると、鋼板表面下0.5mmにおける転位密度7.0×1014(m-2)超えとなってしまう。その結果、鋼板表面下0.5mmのHV0.1が230を超え、造管後のコーティング過程を経たのち、表面下0.5mmでのHV0.1が260を超え、鋼管の耐SSCC性が劣化する。そのため、当該平均冷却速度は80℃/s以下とする。好ましくは50℃/s以下である。当該平均冷却速度の下限は特に限定されないが、冷却速度が過度に小さくなるとフェライトやパーライトが生成して強度不足となるため、これを防ぐ観点から、20℃/s以上とすることが好ましい。
 鋼板平均温度で750℃から550℃までの平均冷却速度:15℃/s以上
 鋼板平均温度で750℃から550℃までの平均冷却速度が15℃/s未満では、ベイナイト組織が得られずに強度低下や耐HIC性の劣化が生じる。このため、鋼板平均温度での冷却速度は15℃/s以上とする。鋼板強度と硬さのばらつきの観点からは、鋼板平均の冷却速度は20℃/s以上とすることが好ましい。当該平均冷却速度の上限は特に限定されないが、低温変態生成物が過剰に生成しないように、80℃/s以下とすることが好ましい。
 鋼板表面下0.5mmにおける鋼板温度で550℃から冷却停止時の温度まで平均冷却速度:150℃/s以上
 鋼板表面下0.5mmにおける鋼板温度で550℃以下の冷却については、安定した核沸騰状態での冷却が必要であり、水量密度の上昇が不可欠である。鋼板表面下0.5mmにおける鋼板温度で550℃から冷却停止時の温度まで平均冷却速度が150℃/s未満の場合、核沸騰状態での冷却にならず、鋼板の極表層部で硬さばらつきが生じ、鋼板表面下0.5mmにおける3σが30HVを超えてしまい、その結果耐SSCC性が劣化する。そのため、当該平均冷却速度は150℃/s以上とする。好ましくは170℃/s以上である。当該平均冷却速度の上限は特に限定されないが、設備上の制約から、250℃/s以下とすることが好ましい。
 なお、鋼板表面下0.5mmおよび鋼板平均温度は、物理的に直接測定することはできないが、放射温度計にて測定された冷却開始時の表面温度と目標の冷却停止時の表面温度をもとに、例えばプロセスコンピューターを用いて差分計算により板厚断面内の温度分布をリアルタイムに求めることができる。当該温度分布における鋼板表面下0.5mmでの温度を本明細書における「鋼板表面下0.5mmにおける鋼板温度」とし、当該温度分布における板厚方向の温度の平均値を本明細書における「鋼板平均温度」とする。
 〔冷却停止温度〕
 冷却停止温度:鋼板平均温度で250~550℃
 圧延終了後、制御冷却でベイナイト変態の温度域である250~550℃まで急冷することにより、ベイナイト相を生成させる。冷却停止温度が550℃を超えると、ベイナイト変態が不完全であり、十分な強度が得られない。また、冷却停止温度が250℃未満では、表層部の硬さ上昇が著しくなり、鋼板表面下0.5mmでの転位密度7.0×1014(m-2)超えとなるため、耐SSCC性が劣化する。また、中心偏析部の硬さも高くなり、耐HIC性も劣化する。そこで、鋼板内の材質均一性の劣化を抑制するため、制御冷却の冷却停止温度は鋼板平均温度で250~550℃とする。
 [高強度鋼管]
 本開示の高強度鋼板を、プレスベンド成形、ロール成形、UOE成形等で管状に成形した後、突き合わせ部を溶接することにより、原油や天然ガスの輸送に好適な鋼板内の材質均一性に優れた耐サワーラインパイプ用高強度鋼管(UOE鋼管、電縫鋼管、スパイラル鋼管等)を製造することができる。
 例えば、UOE鋼管は、鋼板の端部を開先加工し、Cプレス、Uプレス、Oプレスで鋼管形状に成形した後、内面溶接および外面溶接で突き合わせ部をシーム溶接し、さらに必要に応じて拡管工程を経て製造される。また、溶接方法は十分な継手強度と継手靭性が得られる方法であれば、いずれの方法でも良いが、優れた溶接品質と製造能率の観点から、サブマージアーク溶接を用いることが好ましい。
 表1に示す成分組成になる鋼(鋼種A~K)を、連続鋳造法によりスラブとし、表2に示す温度に加熱したのち、表2に示す圧延終了温度および圧下率の熱間圧延をして、表2に示す板厚の鋼板とした。その後、鋼板に対して、表2に示す条件下で水冷型の制御冷却装置を用いて制御冷却を行った。
 [組織の特定]
 得られた鋼板のミクロ組織を、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡により観察した。鋼板表面下0.5mmの位置での組織と、板厚中央での組織を、表2に示す。
 [引張強度の測定]
 圧延方向に直角な方向の全厚試験片を引張試験片として引張試験を行い、引張強度を測定した。結果を表2に示す。
 [ビッカース硬さの測定]
 圧延方向に直角な断面について、JIS Z 2244に準拠して、鋼板表面下0.5mmの位置において100点のビッカース硬さ(HV0.1)を測定し、その平均値および標準偏差σを求めた。平均値と3σの値を表2に示す。ここで、通常用いられるHV10に代えてHV0.1で測定したのは、HV0.1で測定することにより圧痕が小さくなるので、より表面に近い位置での硬さ情報や、よりミクロ組織に敏感な硬さ情報をすることが可能となるからである。
 [転位密度]
 平均的な硬度を有する位置からX線回折用のサンプルを採取、サンプル表面を研磨してスケールを除去し、鋼板表面下0.5mmの位置においてX線回折測定を行った。転位密度はX線回折測定の半価幅βから求める歪みから換算する手法を用いた。通常のX線回折により得られる回折強度曲線では、波長の異なるKα1線とKα2線の2つが重なっているため、Rachingerの方法により分離する。歪みの抽出には、以下に示すWilliamsson-Hall法を用いる。半価幅の広がりは結晶子のサイズDとひずみεが影響し、両因子の和として次式で計算できる。β=β1+β2=(0.9λ/(D×cosθ))+2ε×tanθとなる。さらにこの式を変形し、βcosθ/λ=0.9λ/D+2ε×sinθ/λとなる。sinθ/λに対してβcosθ/λをプロットすることにより、直線の傾きからひずみεが算出される。なお、算出に用いる回折線は(110)、(211)、および(220)とする。ひずみεから転位密度の換算はρ=14.4ε2/b2を用いた。なお、θはX線回折のθ‐2θ法より算出されるピーク角度を意味し、λはX線回折で使用するX線の波長を意味する。bはFe(α)のバーガース・ベクトルで、本実施例においては、0.25nmとした。
 [耐SSCC性の評価]
 耐SSCC性は、これら各鋼板の一部を用いて造管して評価した。造管は、鋼板の端部を開先加工し、Cプレス、Uプレス、Oプレスで鋼管形状に成形した後、内面および外面の突き合わせ部をサブマージアーク溶接でシーム溶接し、拡管工程を経て製造した。図1に示すように、得られた鋼管から切り出したクーポンをフラットニングした後、5×15×115mmのSSCC試験片を鋼管内面より採取した。このとき、被検面である内面は、最表層の状態を残すために黒皮付きのままとした。採取したSSCC試験片に、各鋼管の実際の降伏強度(0.5%YS)の90%の応力を負荷し、NACE規格 TM0177 Solution A溶液を用い、硫化水素分圧:1barにて、EFC16規格の4点曲げSSCC試験に準拠して行った。720時間の浸漬後に、割れが認められない場合を耐SSCC性が良好と判断して○、また割れが発生した場合を不良と判断して×とした。結果を表2に示す。
 耐HIC性は、NACE規格 TM0177 Solution A溶液を用いた96時間浸漬のHIC試験により調べた。耐HIC性は、HIC試験で割れ長さ率(CLR)が15%以下となった場合を良好と判断して○、15%を超えた場合を×とした。結果を表2に示す。
 本発明の目標範囲は、耐サワーラインパイプ用高強度鋼板として引張強度:520MPa以上、表面下0.5mm位置とt/2位置ともミクロ組織はベイナイト組織、表面下0.5mmでのHV0.1が230以下、その鋼板を用いて造管した高強度鋼管においてSSCC試験で割れが認められないこと、HIC試験で割れ長さ率(CLR)が15%以下であることとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表2に示したように、No.1~No.15は、成分組成および製造条件が本発明の適正範囲を満足する発明例である。いずれも、鋼板として引張強度:520MPa以上、表面下0.5mm位置とt/2位置ともミクロ組織はベイナイト組織、表面下0.5mmでのHV0.1が230以下であり、その鋼板を用いて造管した高強度鋼管において耐SSCC性および耐HIC性も良好であった。
 これに対し、No.16~No.23は、成分組成は本発明の範囲内であるが、製造条件が本発明の範囲外の比較例である。No.16は、スラブ加熱温度が低いため、ミクロ組織の均質化と炭化物の固溶が不十分であり低強度であった。No.17は、冷却開始温度が低く、フェライトが析出した層状組織となったため、低強度であるとともに、造管後の耐HIC性が劣化した。No.18は、制御冷却条件が本発明範囲外で、ミクロ組織として板厚中心部でベイナイト組織が得られず、フェライト+パーライト組織となったため、低強度であるとともに、造管後の耐HIC性が劣化した。No.19は、冷却停止温度が低く、表面下0.5mmでの転位密度が高くなって、HV0.1が230を超えたため、造管後の耐SSCC性が劣っていた。また、中心偏析部の硬さも高くなったため耐HIC性も劣化した。No.20およびNo.23は、鋼板表面下0.5mmにおける750→550℃での平均冷却速度が80℃/sを超えたため、表面下0.5mmでの転位密度が高くなって、HV0.1が230を超え、造管後の耐SSCC性が劣っていた。また、No.23では表層部での耐HIC性も劣化した。No.21およびNo.22は、鋼板表面下0.5mmにおける550℃以下での平均冷却速度が150℃/sに満たないため、鋼板の不均一冷却が顕著となり、HV0.1が平均で230以下を満足したものの、硬さばらつきが大きく、局所的に硬さが高い部分を生じたため、造管後の耐SSCC性が劣っていた。No.24~No.27は、鋼板の成分組成が本発明の範囲外であり、表面下0.5mmでの転位密度が高くなってHV0.1が230を超えたため、造管後の耐SSCC性が劣っていた。また、No.24~No.27については、中心偏析部の硬さが増加したため、耐HIC性も劣っていた。
 本発明によれば、耐HIC性のみならず、より厳しい腐食環境下での耐SSCC性にも優れた耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を供給することができる。よって、この鋼板を冷間成形して製造した鋼管(電縫鋼管、スパイラル鋼管、UOE鋼管等)は、耐サワー性を要する硫化水素を含む原油や天然ガスの輸送に好適に使用することができる。

Claims (7)

  1.  質量%で、C:0.02~0.08%、Si:0.01~0.50%、Mn:0.50~1.80%、P:0.001~0.015%、S:0.0002~0.0015%、Al:0.01~0.08%およびCa:0.0005~0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
     鋼板表面下0.5mmにおける鋼組織が、転位密度1.0×1014~7.0×1014(m-2)のベイナイト組織であり、
     鋼板表面下0.5mmにおけるビッカース硬さのばらつきが、標準偏差をσとしたときに3σで30HV以下であり、
     520MPa以上の引張強さを有する
    ことを特徴とする耐サワーラインパイプ用高強度鋼板。
  2.  前記成分組成が、さらに、質量%で、Cu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Cr:0.50%以下およびMo:0.50%以下のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、請求項1に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板。
  3.  前記成分組成が、さらに、質量%で、Nb:0.005~0.1%、V:0.005~0.1%、Ti:0.005~0.1%、Zr:0.0005~0.02%、Mg:0.0005~0.02%、およびREM:0.0005~0.02%のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、請求項1または2に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板。
  4.  質量%で、C:0.02~0.08%、Si:0.01~0.50%、Mn:0.50~1.80%、P:0.001~0.015%、S:0.0002~0.0015%、Al:0.01~0.08%およびCa:0.0005~0.005%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有する鋼片を、1000~1300℃の温度に加熱したのち、熱間圧延して鋼板とし、
     その後前記鋼板に対して、
      冷却開始時の鋼板表面温度:(Ar3-10℃)以上、
      鋼板表面下0.5mmにおける鋼板温度で750℃から550℃までの平均冷却速度:80℃/s以下、
      鋼板平均温度で750℃から550℃までの平均冷却速度:15℃/s以上、
      鋼板表面下0.5mmにおける鋼板温度で550℃から冷却停止時の温度まで平均冷却速度:150℃/s以上、および
      鋼板平均温度で冷却停止温度:250~550℃
    の条件で制御冷却を行うことを特徴とする耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法。
  5.  前記成分組成が、さらに、質量%で、Cu:0.50%以下、Ni:0.50%以下、Cr:0.50%以下およびMo:0.50%以下のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、請求項4に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法。
  6.  前記成分組成が、さらに、質量%で、Nb:0.005~0.1%、V:0.005~0.1%、Ti:0.005~0.1%、Zr:0.0005~0.02%、Mg:0.0005~0.02%、およびREM:0.0005~0.02%のうちから選んだ1種又は2種以上を含有する、請求項4または5に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法。
  7.  請求項1~3のいずれか一項に記載の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板を用いた高強度鋼管。
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