JPS5945753B2 - 耐硫化水素割れ性に優れたラインパイプ用鋼並びにその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は強度レベルがＡＰＩＸ−６０〜Ｘ−８０クラス
の高強度で高靭性、高溶接性を有する耐硫化水素（Ｈ２
Ｓ）割れ性に優れたラインパイプ用鋼とその製造法に関
するものである。

近年、エネルギー事情の逼迫から多量のＨ２Ｓを含む、
所謂サワーガス田やサワー油田の開発が盛んに行なわれ
るようになり、生産されたガスや原油の輸送用ラインパ
イプの需要も増加している。

然しなかも、このようなサワーガスやサワー原油の輸送
用ラインパイプでは湿潤なＨ２Ｓによる割れが生ずる場
合があり、破壊事故につながる危険性がある。

湿潤Ｈ２Ｓにより鋼材に生ずる割れとしては、水素誘起
割れ（ＨＩＣ）と硫化物応力腐食割れ（ＳＳＣＣ）が知
られている。

ＨＩＣは材料強度によらずまた外部応力が存在しなくて
も発生することからラインパイプのような比較的低強度
の材料でも大きな問題となる。

ＨＩＣはＨ２Ｓを含む環境下で腐食により発生した水素
が鋼中に侵入し、非金属介在物の界面などに集積し、そ
の内圧で生ずる水素脆性の一種であり、防止策としては
従来から微量のＣｕを鋼に添加することによる水素侵入
の抑制やＣａ、稀土類金属処理による非金属介在物の形
状制御などが有効であることが知られている。

一方５ｓｃｃは比較的高強度の材料に応力が作用した場
合に生ずる割れで、ラインパイプでも硬化組織を生じ易
い溶接部で問題となり、５ｓｃｃ防止には一般に材料強
度の低下が有効であることが知られている。

ところで最近のラインパイプの動向として、操業圧力を
あげ輸送効率を高めるための厚肉高強度化や寒冷地向げ
に高靭性化の要求がますます強まる傾向にあるが、この
ような要求は耐Ｈ２Ｓ割れ性と両立しない場合が多い。

一般に高強度になるほど、Ｈ２Ｓ割れ感受性は大きくな
るため、高強度材でのＨ２Ｓ割れ防止は従来技術を単に
組み合わせただけでは困難である。

高強度化を図る場合、通常各種の合金元素が用いられる
が、耐Ｈ２Ｓ割れ性の点から有害な元素もあり、また溶
接部の硬度も高くなることから溶接部の５ｓｃｃ防止も
困難となる。

さらにラインパイプは製造、敷設に際して溶接施工を行
なうが、高強度材では溶接時の低温割れも生じ易く、そ
の防止も重要な問題である。

本発明はラインパイプ材として必要な強度、靭性、溶接
性を維持し、かつ湿潤Ｈ２Ｓ環境下での耐割れ性に優れ
た鋼材とその製造法を与えるもので、具体的にはＡＰＩ
Ｘ−６０〜Ｘ−８０クラスの高強度を有するラインパイ
プ材を対象とし、寒冷地での使用に耐える十分な低温靭
性、低温割れを生じない良好な溶性性とサワー用途での
十分な耐シ≦Ｈ２Ｓ割れ性を兼備した鋼材を提供するも
のである。

従来、サワー環境下での耐Ｈ２Ｓ割れ性の向上には、前
述の如く微量のＣｕ添加やＣａ処理による介在物形状制
抑などが有効であることが知られているが、鋼の強度が
高くなると、いづれの対策も割れを完全に防止すること
は困難になる。

これは材料強度が高くなるほどＨ２Ｓ割れ感受性が高（
なるという一般的傾向によるが、さらには高強度高靭性
化のため合金元素の添加量が増大することが大きく影響
する。

例えばＭｏやＮｉは高強度高靭性化を図る際によく用い
られる元素であるが、これらは微量Ｃｕ添加による水素
侵入抑制効果を害ない、耐Ｈ２Ｓ割れ性を劣化させる。

また合金元素の増加は、鋼中で偏析した場合その偏析を
高めるため、割れ感受性の高い低温変態生成物の形成を
招き易く耐Ｈ２Ｓ割れ性を劣化させる。

さらには溶接部の硬度上昇を招くため、５ＳＣＣの防止
を著し、く困難とさせる。

本発明者らは上記の状況に鑑み、高強度高靭性化と耐Ｈ
２Ｓ割れ性の両立を図るため基礎的な検討を重ねた結果
、鋼中の合金成分の組合せとそれらの成分範囲を最適に
することにより、またさらにスラブでの偏析軽減のため
の圧延、熱処理を組合せることによりその目的を達成で
きることを見い出した。

具体的には、Ｃ＜０．０５％、Ｓｉく０．５０％、Ｍｎ
１．０〜２−０％、Ｐ＜；：０．０３０％、Ｓく０．
００２％、Ｃｕ Ｏ，２０〜０．８０％、Ｃｒ＜１．０
％、Ｎ ｉ ＜、 １．０％、Ｍｏ ＜０．０５％、Ａ
Ｉｏ、０１〜０．１％、Ｎく０．０１％、ＣａＯ９００
１〜０００８％を含み、さらにＮｂ Ｏ，０１〜０，１
５％、Ｖｏ、０１〜０．１５％、Ｔｉ ０．０１〜０．
１０％、Ｚｒ ０．０１〜０．１０％、Ｂ ０．０００
５〜０．００５０％の１種又は２種を含み、残部は実質
上鉄及び不可避的不純物より成り、かつＣ，Ｓｉ 、Ｍ
ｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂの含有量が下記（
１）式を満足することを特徴とするものであり、さらに
上記組成の鋼のスラブを１１００〜１３５０℃で５〜７
０％圧延した後１１００〜１３５０℃で１〜１００時間
保持し、次いで所定板厚まで最終圧延する゛ことを特徴
とするものである。

次に本発明鋼の各成分の限定理由について述べる。

Ｃは一般に鋼の強化元素として主要なものであるが、本
発明では耐Ｈ２Ｓ割れ性の点からその上限を０．０５％
と規制し、強度は他の合金元素で確保することを特徴と
している。

Ｃが０．０５％を越えると本発明の目的であるＡＰＩＸ
−６０〜Ｘ−８０クラスの高強度鋼で十分な耐Ｈ２Ｓ割
れ性が得られないため０．０５％を上限とする。

なおＣ量を下げることは溶接性の向上にも有効である。

Ｓｉは脱酸剤として添加するもので、また強度調整にも
役立つ元素であるが、０．５０％を越えると鋼の靭性を
劣化させるため０．５０％を上限とする。

Ｍｎは脱酸剤としてもまた強度調整成分としても重要な
元素である。

特に本発明ではＣ量を低く抑えたことによる強度低下を
補うため１．０％以上の添加が必要である。

しかし２．０％を越えて添加すると靭性、溶接性が劣化
するので２．０％を上限とする。

Ｐは０．０３％を越えると靭性、溶接性に好ましくない
上、偏析し易い元素で偏析部のＨ２Ｓ割れ感受性を高め
るため０．０３％を上限とする。

ＳはＨＩＣの起点となる硫化物系介在物を形成するため
、極力低くする必要がある。

本発明では耐Ｈ２Ｓ割れ性能向上のためＣａ処理による
介在物形状制御を行なうがその効果を十分発揮させるに
はＳの上限を０．００２％とする必要がある。

Ｃｕは鋼中への水素侵入を抑制することにより耐Ｈ２Ｓ
割れ性の向上に有効な元素で０．２０％未満ではその効
果が十分でなく、それ以上の添加が必要である。

一方その含有量が０．８０％を越えると溶接性、熱間加
工性を劣化させるので０．８０％を上限とする。

Ｃｒは強度調整に用いられるもので耐Ｈ２Ｓ割れ性に悪
影響を与えないため強化元素として有益である。

しかし１．０％を越えると靭性を劣化させるので１．０
％を上限とする。

Ｍｏは強化元素として有効なものであるが、耐Ｈ８割れ
性の点では極く微量台まれてもＣｕの水素侵入抑制効果
を害ない、耐Ｈ２Ｓ割れ性を劣化させるので０．０５％
以下とする必要である。

Ｎｉは耐Ｈ２Ｓ割れ性の点から望ましくない元素である
が、本発明の成分の組合せにおいては１．０％以下であ
れば特に問題はないため、靭性向上の目的で１．０％以
下の添加を行なう。

ＡＩは脱酸剤として必要で組織の微細化にも有効なため
０．０１％以上添加するが、０．１０％を越えると鋼の
清浄度を害なうため０．１０％を上限とする。

Ｎは溶接部の耐５ＳＣＣ性の点から０．０１％を越える
と割れ性を生じ易くなるため０．０１％以下とする。

Ｃａは介在物の形状制御を行ない耐Ｈ２Ｓ割れ住改善に
有効で、その効果を得るには０．００１％以上の添加が
必要である。

一方、ｏ、ｏｏｓ％を越えると介在物のクラスター状の
集積を引きおこし、耐Ｈ２Ｓ割れ性を劣化させるのでこ
れを上限とする。

Ｎｂ、■、Ｔｉ、Ｚｒはいずれも強度調整に有効である
が、靭性と経済性の点からそれぞれ上限を規定する。

Ｂは焼入性向上のため必要に応じて０．０００５％以上
添加するが、０．００５０％を越えるとやはり靭性を劣
化させる。

なおＴｉはＢの効果をさらに有効にする上で複合して添
加するのが望ましい。

最後に、Ｃ，Ｓｉ 、 Ｍｎ 、 Ｃｕ 、 Ｃｒ、
Ｍｏ 。

Ｎｉ、Ｖ、Ｂの量を（１）式のＰＣＭ値で制限するのは
ＰＣＭ値が０．１６０を越えると溶接部の耐５ｓｃｃ性
が劣化するためである。

ＰＣＭ値を０．１６０以下とすることにより十分な耐Ｈ
２Ｓ割れ性が得られる上、溶接時の低温割れも防止され
、溶接施工性の著しい向上が図れるものである。

本発明鋼は上記成分の組合せと成分量適正化を特徴とし
その相乗効果によって、所定の高強度高靭性を有し、か
つ耐Ｈ２Ｓ割れ性の優れた材料を提供するものであるが
、さらに製造に当ってはスラブを１１００〜１３５０℃
で５〜７０％の一次圧延を行なった後１１００〜１３５
０℃で１〜１００時間保持する処理を特徴とするもので
ある。

この処理はスラブ中で鋼の偏析を均一化することを目的
としており、温度に関しては１１００℃未満では十分な
効果が得られず、一方経済性と操業上のトラブルを避け
るため１３５０℃を上限とする。

また一次圧延の圧下率に関しては５％未満では十分な効
果が得られず、一方７０％を越えると最終圧延の圧下率
が小さくなりすぎ、実用的でない上、十分な機械的性質
を得るのが困難となる。

保持時間に関しては１時間未満では効果が小さく、１０
０時間を上限としたのは経済的理由による。

なお本発明はサワーガス、サワー原油輸送用ラインパイ
プ材のみならず湿潤Ｈ２Ｓ環境下で用いられる原油貯蔵
タンクや精製装置等各種の材料に適用できる。

以下本発明の実施例について述べる。

第１表に示す４１種の鋼を溶製し、２５ｍｍ厚の鋼板に
熱間圧延した。

その一部は圧延のまＮ、一部は９２０℃×３０分加熱後
水冷＋６２０℃×６０分加熱空冷の焼入れ焼戻し処理を
施した。

その後、機械的性質とＨ２Ｓ割れ試験及び溶接割れ試験
を実施した。

Ｈ２Ｓ割れ試験は母材部については２０ｗＸ１ｏｏｚｘ
２３ ｔ（但し表面は各１龍切削）の試験片を平行に切
り出しＨＩＣ性能を調べた。

またサブマージ溶接後の溶接部について１５Ｗ×１１５
１×５ｔの試験片を切り出し、溶接ボンド部に応力集中
度が２．５となるようなノツチを入れ、４点曲げにより
鋼板の降伏応力と同等の応力を付加した後５ＳＣＣ性能
を調べた。

試験条件としては人工海水子Ｈ２Ｓ飽和と０．５％酢酸
−５％食塩水＋Ｈ２Ｓ飽相の２条件を用い９６時間の浸
漬を行なった。

溶接割れはセルローズ溶接棒を用いパイプの周溶接を想
定した溶接を行ない割れの状況を調べた。

第１表に併記した試験結果から明らかなように、本発明
鋼はいずれもＡＰＩＸ−，６０〜Ｘ−８０の強度レベル
を満足し、良好な低温靭性を有し、而も優れた耐Ｈ２Ｓ
割れ性と耐溶接割れ性を示している。

これに対しＣ量の高見寸隊鋼Ａ、 ＢではｐＨ（酸性度
）の低い苛酷な試験条件下ではＨＩＣ，５ＳＣＣとも発
生し、耐Ｈ２Ｓ割れ性が十分でない。

また比較鋼ＢではＰＣＭ値が高いため溶接時の低温割れ
を生ずる。

比較鋼ＣはＳ量が高（、やはり耐Ｈ２Ｓ割れ性が十分で
ない。

比較鋼り、 ＥはＭｏが本発明の範囲より多く含まれて
おり、Ｃｕ添加による水素侵入抑制効果が害なわれるた
め耐Ｈ２Ｓ割れ性が悪い。

ＦはＮが高いため溶接部の耐５ｓｃｃ性が悪い。

比較鋼Ｇ、 ＨはＰＣＭ値が高いため溶接時の低温割れ
を生ずる上、溶接部の耐５ｓｃｃ性が悪いことを示して
いる。

なお以上の結果は、いずれもスラブ段階で１３００℃で
３０％の一次圧延を行なった後１３００℃で１６時間の
均一化熱処理を施した材料であり、これを上述のように
２５ｍｍ厚の鋼板に熱間圧延している。

この処理を行なわない場合には低ｐＨの試験条件下での
耐ＨＩＣ性能が若干劣化し、微小な割れを生ずる場合が
あるため、この処理を行うものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｉ Ｃく０．０５％、Ｓｉく０．５０％、Ｍｎ１．Ｏ
   〜２．０％、Ｐく０．０３０％、Ｓく０．００２％、Ｃ
   ｕＯ，２０〜０．８０％、Ｃｒ＜１．０％、Ｎ ｉ ＜
   １．０％、Ｍｏ ＜０．０５％、Ａｌ Ｏ，０１〜０．
   １０％、Ｎく０．０１％、Ｃａ Ｏ，００１〜０．００
   ８％を含み、さらにＮｂＯ，０１〜０．１５％、Ｖｏ、
   ０１〜０．１５％、Ｔｉ Ｏ，０１〜０．１０％、Ｚｒ
   ０．０１〜０．１０％、Ｂｏ、０００５〜０．００５
   ０％の１種又は２種以上を含み、残部は実質的に鉄及び
   不可避的不純物より成り、かつＣ，Ｓｉ 、Ｍｎ１Ｃｕ
   、、Ｃｒ、Ｍｏ。 Ｎｉ、Ｖ、Ｂの含有量が下記の関係式を満足することを
   特徴とする高強度高靭性を有する耐硫化水素割れ性に優
   れたラインパイプ用鋼。 Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／３０＋（Ｍｎ（％）十Ｃｕ （
   ％）＋Ｃｒ（％））／２０＋Ｎｉ（％）／６０ ＋Ｍｏ
   （％）／１５＋Ｖ（％）／１０＋５ＸＢ（％）＜０．
   １６０゜ ２ Ｃく０．０５％、Ｓｉく０．５０％、Ｍｎ１．Ｏ
   〜２．０％、Ｐく０．０３０％、Ｓく０．００２％、Ｃ
   ｕＯ，２０〜０．８０％、Ｃｒ＜１．０％、Ｎｉ＜１．
   ０％、Ｍｏ ＜０．０５％、ＡＩ ０．０１〜０．１０
   ％、Ｎく０．０１％、Ｃａ Ｏ，００１〜０．００８％
   を含み、さらにＮｂ ０．０１〜０．１５％、Ｖｏ、０
   １〜０．１５％、Ｔｉ Ｏ，０１〜０．１０％、Ｚｒ
   ０．０１〜０．１０％、Ｂｏ、０００５〜０．００５
   ０％の１種又は２種以上を含み、残部は実質的に鉄及び
   不可避的不純物より成り、かつＣ，Ｓｉ 、Ｍｎ、Ｃｕ
   、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｂの含有量が下記の関係式を
   満足する成分の連続鋳造スラブ、又は分塊スラブを１１
   ００〜１３５０℃で５〜７０％圧下率で一次圧延を行な
   い、次いで１１００〜１３５０℃で１〜１００時間保持
   する熱処理を加えた後、所定板厚まで最終圧延すること
   を特徴とする高強度高靭性を有する耐硫化水素割れ性に
   優れたラインパイプ用鋼の製造法。 Ｃ（％）＋Ｓｉ（％）／３０＋（Ｍｎ （％）十Ｃｕ
   （％）十Ｃｒ（％））／２０＋Ｎｉ（％）／６０ ＋Ｍ
   ｏ （％）／１５＋Ｖ（％）／１０＋５ＸＢ（％）＜：
   ０．１６０゜