JPH04268043A - 溶接性の優れた高強度ラインパイプ用高Ｃｒ鋼 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶接性の優れた高強度ラ
インパイプ用高Ｃｒ鋼に係り、さらに詳しくは例えば石
油・天然ガスの輸送において湿潤炭酸ガスや湿潤硫化水
素を含む環境中で高い腐食抵抗を有するとともに、溶接
熱影響部の衝撃靱性に優れ、溶接熱影響部の硬さを低減
した高強度ラインパイプ用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年生産される石油・天然ガス中には、
湿潤な炭酸ガスを多く含有する場合が増加している。こ
うした環境中で炭素鋼や低合金鋼は著しく腐食すること
がよく知られている。このため、輸送に使用されるライ
ンパイプなどの防食対策として、腐食抑制剤の添加が従
来より行われてきた。しかし、腐食抑制剤は高温ではそ
の効果が失われる場合が多いことに加えて、海底パイプ
ラインでは腐食抑制剤の添加・回収処理に要する費用は
膨大なものとなり、適用できない場合が多い。従って、
腐食抑制剤を添加する必要のない耐食材料に対するニー
ズが最近とみに高まっている。ラインパイプとして使用
される材料には、耐食性のほかに内部を流れる輸送流体
の圧力に耐える高い強度を持ち、溶接性に優れることが
要求される。溶接性の代表的な特性としては、溶接部の
衝撃靱性が優れていることが必要である。また、硫化水
素を含有する流体を輸送する場合には、溶接部の硬さが
低いことも要求される。勿論、母材の衝撃靱性も優れて
いることが必要である。

【０００３】炭酸ガスを多く含む石油・天然ガス用の耐
食材料としては、耐食性の良好なステンレス鋼の適用が
まず検討された。例えばＬ．Ｊ．クライン、コロージョ
ン（Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）’８４、ペーパーナンバー２
１１にあるように、溶接構造のない油井管には、高強度
で比較的コストの安い鋼としてＡＩＳＩ（米国鉄鋼協会
）４１０鋼あるいは４２０鋼といった、Ｃを０．１ある
いは０．２％含有し、１２〜１３％のＣｒを含有するマ
ルテンサイト系ステンレス鋼が広く使用され始めている
。しかしながら、これらの鋼はＣの含有量が高いので、
溶接部が非常に硬くなるとともに溶接部の衝撃靱性が悪
いために、ラインパイプとして使用することは困難であ
る。ＡＩＳＩ４１０鋼を使用したラインパイプが最近Ａ
ＰＩ（米国石油協会）で規格化されてはいるものの、例
えば須賀正孝ほか著、ＮＫＫ技報１９８９年発行、第１
２９号、第１５〜２２頁にあるように、現地溶接部の衝
撃靱性が悪いという難点を有している。これは彼らの報
告にあるように溶接熱影響部が粗大なフェライト主体の
組織となるためである。

【０００４】ラインパイプ用鋼としては、特開昭６１−
１１９６５４号公報において、ＣおよびＮを低減し、Ａ
ｌまたはＣａさらにはＶを含有させ、かつＮｉおよびＭ
ｏを含有させた鋼が提案されている。しかし、この鋼は
高価な合金元素であるＮｉを多量に含有しているために
コストが高い上に特性も十分とは言えない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした現状
に鑑み、炭酸ガス環境でも充分な耐食性を有し、溶接性
に優れる高強度ラインパイプ用高Ｃｒ鋼を提供すること
を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成すべくマルテンサイト系ステンレス鋼の成分を種
々検討してきた結果、ついに以下の知見を見出すに至っ
た。まず、Ｃｒを１１〜１４％含有する鋼のＣ量を０．
０８％以下に低減し、かつＮを０．０１５％以下に低減
すると、溶接部の硬さを低下させることができるととも
に、炭酸ガス含有食塩水中における耐食性が改善される
ことを見出した。そしてかかる鋼にＣｏを１．１〜４．
０％添加すると溶接部の硬さをあまり上げることなく溶
接部のミクロ組織を実質的にマルテンサイト単相とする
ことができ、溶接部の衝撃靱性を著しく改善できること
を見出した。

【０００７】さらに本発明者は検討をすすめ、上記のよ
うなＣｒを１１〜１４％含有し、ＣおよびＮを低減し、
Ｃｏを１．１〜４．０％含有する鋼の不純物のうちＰお
よびＳを低減すると靱性が一段と向上すること、Ｎｉあ
るいはＣｕのいずれか１種または２種を添加すると溶接
熱影響部の衝撃靱性をさらに改善するのに効果があるこ
と、ＭｏあるいはＷのいずれか１種または２種を添加す
ると湿潤炭酸ガス環境の耐食性を改善するのに効果があ
ること、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種以上
を添加すると耐食性を一段と向上させるのに有効である
こと、Ｃａおよび希土類元素の１種以上を添加すると熱
間加工性の向上、耐食性の向上に効果のあることを見出
した。

【０００８】本発明は主に上記の知見に基づいてなされ
たものであり、第１発明の要旨とするところは、重量％
で、Ｃ０．０２〜０．０８％、Ｓｉ１％以下、Ｍｎ２％
以下、Ｃｒ１１〜１４％、Ｃｏ１．１〜４．０％、Ａｌ
０．００５〜０．２％を含有し、Ｎを０．０１５％以下
に低減し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを
特徴とする溶接性の優れた高強度ラインパイプ用高Ｃｒ
鋼にあり、第２発明の要旨とするところは、第１発明の
ラインパイプ用鋼において不可避不純物のうち、重量％
で、Ｐを０．０２５％以下、Ｓを０．０１０％以下に低
減したことを特徴とする高強度ラインパイプ用高Ｃｒ鋼
にあり、第３発明の要旨とするところは、第１発明およ
び第２発明のラインパイプ用鋼においてさらに、重量％
で、Ｎｉ４％以下、Ｃｕ３％以下のうち１種または２種
を含有することを特徴とする高強度ラインパイプ用高Ｃ
ｒ鋼にあり、第４発明の要旨とするところは、第１発明
、第２発明および第３発明の各ラインパイプ用鋼におい
て、重量％で、Ｍｏ２％以下、Ｗ４％以下のうち１種ま
たは２種を含有することを特徴とする高強度ラインパイ
プ用高Ｃｒ鋼にあり、第５発明の要旨とするところは、
第１発明、第２発明、第３発明および第４発明の各ライ
ンパイプ用鋼において、重量％で、Ｖ０．５％以下、Ｔ
ｉ０．２％以下、Ｎｂ０．５％以下、Ｔａ０．２％以下
、Ｚｒ０．２％以下、Ｈｆ０．２％以下のうち１種また
は２種以上を含有することを特徴とする高強度ラインパ
イプ用高Ｃｒ鋼にあり、第６発明の要旨とするところは
、第１発明、第２発明、第３発明、第４発明および第５
発明の各ラインパイプ用鋼において、重量％で、Ｃａ０
．００８％以下、希土類元素０．０２％以下のうち１種
または２種を含有することを特徴とする高強度ラインパ
イプ用高Ｃｒ鋼にある。

【０００９】

【作用】以下に本発明で成分を限定した理由を述べる。 Ｃ：Ｃはマルテンサイト系ステンレス鋼の強度を上昇さ
せる元素として最も安定的かつ低コストであるから、必
要な強度を確保するためと、過度に低減すると逆に溶接
熱影響部の衝撃靱性を低下させるので、０．０２％以上
を添加する。一方、０．０８％を超えて添加すると溶接
熱影響部の衝撃靱性を低下させるとともに溶接熱影響部
の硬さを著しく上昇させることから、上限含有量は０．
０８％とすべきである。

【００１０】Ｓｉ：脱酸のために必要な元素であるが、
１％を超えて添加すると衝撃靱性を低下させることから
、上限含有量は１％とする。 Ｍｎ：脱酸および強度確保のために有効な元素であるが
、２％を超えて添加するとその効果は飽和するので、上
限含有量は２％とする。 Ｃｒ：Ｃｒはマルテンサイト系ステンレス鋼を構成する
最も基本的かつ必須の元素であって、炭酸ガス環境での
耐食性を付与するために必要な元素であるが、含有量が
１１％未満では耐食性が充分ではなく、一方１４％を超
えて添加すると他の合金元素をいかに調整しても溶接熱
影響部のミクロ組織をマルテンサイト単相にし難くなる
ので、上限含有量は１４％とすべきである。

【００１１】Ｃｏ：ＣｏはＣおよびＮの含有量を低減さ
せた鋼の母材は言うまでもなく溶接熱影響部のミクロ組
織をもマルテンサイト組織として衝撃靱性を改善すると
ともに湿潤炭酸ガス環境における耐食性を改善するのに
極めて有用な元素であるが、含有量が１．１％未満では
これらの効果が不充分であり、４．０％を超えて添加し
てもその効果は飽和するばかりか、いたずらにコストを
上昇させるだけであるから、１．１〜４．０％の範囲に
限定する。

【００１２】Ａｌ：脱酸のために必要な元素であって含
有量が０．００５％未満ではその効果が充分ではなく、
０．２％を超えて添加すると粗大な酸化物系介在物が鋼
中に残留して靱性を低下させるので、含有量範囲は０．
００５〜０．２％とした。 Ｎ：Ｎは０．０１５％を超えて存在すると溶接熱影響部
の硬さを上昇させるとともに母材および溶接熱影響部の
衝撃靱性を低下させるので、上限含有量は０．０１５％
とすべきである。

【００１３】以上が本発明における基本的成分であるが
、本発明においては必要に応じてさらに以下の元素を添
加あるいは低減して特性を一段と向上させることができ
る。 Ｐ：Ｐは靱性を低下させる元素であるので少ないほうが
好ましいが、あまりに少ないレベルにまで低減させるこ
とはいたずらにコストを上昇させるのみで特性の改善効
果は飽和するものであるから、本発明の目的とする靱性
を確保するのに必要充分なほど少ない含有量として０．
０２５％以下に低減すると靱性が一段と改善される。

【００１４】Ｓ：ＳはＰと同様に靱性を低下させる元素
であるので少ないほうが好ましいが、あまりに少ないレ
ベルにまで低減させることはいたずらにコストを上昇さ
せるのみで特性の改善効果は飽和するものであるから、
本発明の目的とする靱性を確保するのに必要充分なほど
少ない含有量として０．０１０％以下に低減すると靱性
が一段と改善される。

【００１５】Ｎｉ：Ｎｉは１．１〜４．０％のＣｏと共
存して溶接熱影響部の衝撃靱性をさらに改善するのに効
果があるが、４％を超えて添加してもその効果は飽和す
るばかりか、いたずらにコストを上昇させ、かつ溶接熱
影響部の硬さを上昇させるだけであるので、上限含有量
は４％とする。 Ｃｕ：Ｃｕも１．１〜４．０％のＣｏと共存して溶接熱
影響部の衝撃靱性をさらに改善するのに効果があるが、
３％を超えて添加してもその効果は飽和するばかりか、
熱間加工性を低下させるだけであるので、上限含有量は
３％とする。

【００１６】Ｍｏ：Ｍｏは１．１〜４．０％のＣｏと共
存して湿潤炭酸ガス環境の耐食性を改善するのに効果が
あるが、２％を超えて添加してもその効果は飽和するば
かりか、母材および溶接熱影響部の靱性など他の特性を
低下させるようになるので上限含有量は２％とする。 Ｗ：Ｗも１．１〜４．０％のＣｏと共存して湿潤炭酸ガ
ス環境の耐食性を改善するのに効果があるが、４％を超
えて添加してもその効果は飽和するばかりか、母材およ
び溶接熱影響部の靱性など他の特性を低下させるように
なるので、上限含有量は４％とする。

【００１７】Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ：Ｖ、
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆは耐食性を一段と向上さ
せるのに有効な元素であるが、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ
では０．２％、Ｎｂ、Ｖでは０．５％をそれぞれ超えて
添加すると粗大な析出物・介在物を生成して硫化水素含
有環境におけるＳＳＣ抵抗を低下させるようになるので
、上限含有量はＴｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆでは０．２％、
Ｎｂ、Ｖでは０．５％とした。

【００１８】Ｃａ、希土類元素：Ｃａおよび希土類元素
（ＲＥＭ）は熱間加工性の向上、耐食性の向上に効果の
ある元素であるが、Ｃａでは０．００８％を超えて、希
土類元素では０．０２％を超えて添加すると、それぞれ
粗大な非金属介在物を生成して逆に熱間加工性および耐
食性を劣化させるので、上限含有量はＣａでは０．００
８％、希土類元素では０．０２％とした。なお、本発明
において希土類元素とは原子番号が５７〜７１番および
８９〜１０３番の元素およびＹを指す。

【００１９】上記の成分を有するステンレス鋼を熱処理
して焼戻しマルテンサイト組織とし、所定の強度を付与
するに際しては、目的とする強度、靱性、耐食性などの
諸特性に応じて適切な熱処理を施せばよい。熱処理条件
を記述することは本発明が本来目的とするところではな
いが、参考までに付言するならば、オーステナイト化温
度は９２０〜１１００℃とし、オーステナイト化後の冷
却における冷却速度は水冷以上の冷却速度とし、焼戻し
温度は５８０℃以上ＡＣ１温度以下とし、焼戻し後の冷
却における冷却速度は空冷以上の冷却速度とするのが好
ましい。

【００２０】本発明鋼は、通常の熱間圧延によって鋼板
とした後に造管・溶接してラインパイプとすることが可
能であるし、通常の熱間押出あるいは熱間圧延によって
直接鋼管とすることも可能である。この場合、熱処理は
鋼管としての最終形状が形成された後に行う、即ち溶接
や矯正などが完了したのちに行うことが好ましい。

【００２１】

【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。表
１、表３に示す成分のステンレス鋼を溶製し、熱間圧延
によって厚さ１４ｍｍの鋼板とした後、焼入れ焼戻し処
理を施していずれも０．２％オフセット耐力が４９ｋｇ
／ｍｍ２　以上のマルテンサイト系ステンレス鋼とした
。本発明鋼の焼入れ時の冷却はいずれも水冷とし、焼戻
し時の冷却はいずれも空冷とした。次にラインパイプの
敷設における現地円周溶接に相当する溶接として、これ
らの鋼を手溶接によって溶接して継手を作製した。溶接
入熱は１７ｋＪ／ｃｍであった。母材および該溶接部の
溶接熱影響部からＪＩＳ４号衝撃試験片（フルサイズ）
を採取して衝撃試験を行った。また溶接熱影響部の最高
硬さを荷重５ｋｇのビッカース測定で求めた。また母材
から試験片を採取して湿潤炭酸ガス環境における腐食試
験を行った。湿潤炭酸ガス環境における腐食試験として
は、厚さ３ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ５０ｍｍの試験片を
用い、試験温度１２０℃のオートクレーブ中で炭酸ガス
分圧４０気圧の条件で３％ＮａＣｌ水溶液中に３０日間
浸漬して、試験前後の重量変化から腐食速度を算出した
。腐食速度の単位はｍｍ／ｙで表示したが、一般的にあ
る環境におけるある材料の腐食速度が０．１ｍｍ／ｙ未
満の場合、材料は充分耐食的であり使用可能であると考
えられている。

【００２２】試験結果を表２、表４に示した。両表の衝
撃試験結果において○は破面遷移温度が−３０℃以下、
×は破面遷移温度が−３０℃を超え０℃以下、××は破
面遷移温度が０℃超であったことをそれぞれ表わしてお
り、溶接熱影響部最高硬さにおいて○は最高硬さが３０
０未満、×は最高硬さが３００以上４５０未満、××は
最高硬さが４５０以上であったことをそれぞれ表わして
おり、腐食試験結果において◎は腐食速度が０．０５ｍ
ｍ／ｙ未満、○は腐食速度が０．０５ｍｍ／ｙ以上０．
１０ｍｍ／ｙ未満、×は腐食速度が０．１ｍｍ／ｙ以上
０．５ｍｍ／ｙ未満、××は腐食速度が０．５ｍｍ／ｙ
以上であったことをそれぞれ表わしている。なお、表１
において、比較鋼のＮｏ．２９はＡＩＳＩ４２０鋼であ
り、Ｎｏ．３０は９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼であって、いずれも
従来から湿潤炭酸ガス環境で使用されている従来鋼であ
る。

【００２３】表１〜４から明らかなように本発明鋼であ
る鋼Ｎｏ．１〜２８は、母材および溶接熱影響部の衝撃
靱性が格段に優れ、溶接熱影響部の硬さが充分低く、湿
潤炭酸ガス環境において１２０℃というラインパイプと
しては非常な高温であっても、実用的に使用可能な腐食
速度である０．１ｍｍ／ｙよりも腐食速度が小さく、優
れた耐食性と溶接性とを有していることがわかる。これ
に対して比較鋼のうち鋼Ｎｏ．２９〜３３は湿潤炭酸ガ
ス環境において１２０℃でも既に腐食速度が０．１ｍｍ
／ｙを大きく上回っており、かつ比較鋼Ｎｏ．２９〜３
４はいずれも母材および溶接熱影響部の衝撃靱性が悪く
、また比較鋼Ｎｏ．２９〜３３は溶接熱影響部の硬さが
高い。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は湿潤炭酸ガ
ス環境における優れた耐食性と優れた溶接性を有する高
強度ラインパイプ用高Ｃｒ鋼を提供することを可能とし
たものであり、産業の発展に貢献するところ極めて大で
ある。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量％で、 Ｃ０．０２〜０．０８％、 Ｓｉ１％以下、 Ｍｎ２％以下、 Ｃｒ１１〜１４％、 Ｃｏ１．１〜４．０％、 Ａｌ０．００５〜０．２％ を含有し、Ｎを０．０１５％以下に低減し、残部Ｆｅお
   よび不可避不純物からなることを特徴とする溶接性の優
   れた高強度ラインパイプ用高Ｃｒ鋼。
2. 【請求項２】　　不可避不純物のうち、重量％で、Ｐを
   ０．０２５％以下、 Ｓを０．０１０％以下 に低減したことを特徴とする請求項１に記載の高強度ラ
   インパイプ用高Ｃｒ鋼。
3. 【請求項３】　　付加成分として、重量％で、Ｎｉ４％
   以下、 Ｃｕ３％以下 のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求
   項１または２に記載の高強度ラインパイプ用高Ｃｒ鋼。
4. 【請求項４】　　付加成分として、重量％で、Ｍｏ２％
   以下、 Ｗ４％以下 のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求
   項１，２または３に記載の高強度ラインパイプ用高Ｃｒ
   鋼。
5. 【請求項５】　　付加成分として、重量％で、Ｖ０．５
   ％以下、 Ｔｉ０．２％以下、 Ｎｂ０．５％以下、 Ｔａ０．２％以下、 Ｚｒ０．２％以下、 Ｈｆ０．２％以下 のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする
   請求項１，２，３または４に記載の高強度ラインパイプ
   用高Ｃｒ鋼。
6. 【請求項６】　　付加成分として、重量％で、Ｃａ０．
   ００８％以下、 希土類元素０．０２％以下 のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求
   項１，２，３，４または５に記載の高強度ラインパイプ
   用高Ｃｒ鋼。