JPS6257425B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は炭化水素輸送用の水中パイプライン、
石油採掘用の管及び特別の安定性を保証する海上
採掘用プラツトホームの構造物を形成するために
溶接可能であると共に、低温での良好な展性及び
特に低温での切欠き脆性が低いことを必要とする
如何なる用途にも適する鋼管を、合金鋼から製造
することに関する。 より具体的に言うならば、本発明は極寒地帯に
おける炭化水素鉱床の開発及び肉厚の大きい鋼管
の製造に関するものである。 この種の鋼管の従来の製造方法はマンガン及び
モリブデンが合金された鋼の好ましい組成を選択
する段階と、該鋼から帯板を形成する段階と、該
帯板を制御された圧延工程にさらす段階とからな
つていた。 しかしながら、この従来の方法では最大肉厚が
30mmに限定されてしまうだけでなく幾つかの冶金
学的欠点が避けられなかつた。 即ち例えば等方性は厚さとともに減少してしま
い、横断方向の弾性と長手方向の弾性との比は厚
さ30mmの帯板の場合0.6〜0.7の程度の値となつて
いる。このことは横断方向の弾性が長手方向の弾
性よりもかなり小さいことを意味している。 本発明者の研究によればもしも鋼の組織が圧延
によつて調整される代りに、鋼が遠心鋳造によつ
て成形され、遠心鋳造された製品が制御された冷
却と適当な熱処理を受けるならば、実質的に30mm
よりも肉厚の大きな（150mmに到達することも可
能な）鋼管においても極めて微細な結晶粒を備え
たフエライト組織が得られ、高い機械的強度及び
あらゆる方向に同一の機械的特性即ち等方性が得
られるということが発見された。更に、溶接に非
常に適する遠心鋳造された製品が得られる。 これ迄、鋳造された製品は圧延製品にくらべて
品質が劣つており、組織のばらつきも大きいと考
えられていた一方、加工即ち圧延を施すと鋳造組
織が破壊されて、少なくとも圧延方向には最適の
特性が得られると言われてきただけに前述の発見
はより一層驚くべきことである。 従つて本発明は溶接可能な低炭素合金鋼から鋼
管を製造する方法に関し、該製造方法は鉄の外に
重量％で最大0.08％の炭素と、最大0.30％のけい
素と、1.20〜2.20％のマンガンと特殊炭化物を生
成する金属を含む鋼を選択する段階と、この種の
鋼を管状遠心鋳造鋳型内に注湯して鋼管を得る段
階と、遠心鋳造された鋼管を熱処理（その複雑性
は遠心鋳造する管の肉厚に依存しており、少なく
とも制御された冷却、焼入れ及び焼鈍の工程を有
している）にさらす段階とを含んでいることを特
徴としている。 本発明は又前述の方法により得られる溶接可能
な低炭素合金鋼の管にも関しており、該管は鉄の
外に重量％で最大0.08％の炭素と、最大0.30％の
けい素と、1.20〜2.20％のマンガンと、特殊炭化
物を生成する金属とをその成分に含んでおり、そ
の組織は極めて微細な結晶粒を備えた均質フエラ
イト組織であり、前記特殊炭化物はフエライト内
に均質な態様で分散されていることを特徴とす
る。 本発明においては100〜2000mmの直径と、10〜
150mmの肉厚を備えた鋼管が得られる。 以下付図を参照して本発明の更に具体的な説明
を行なう。 以下に述べる例によれば、本発明は「海洋構造
物」なる用語で通常呼ばれている溶接可能管状構
造物に関するものであり、前記海洋構造物なる用
語はこれらの構造物が「海岸を離れた海上で」用
いられるか又は極寒地帯の海中油送管として用い
られることを意味しており、より一般的に言うな
らば低温において用いる製品に関するものであ
る。 本発明は、マンガンのみならず特殊炭化物を生
成する金属、例えばモリブデン、ニオブ、バナジ
ウム又はタンタルの如き金属を含有する低炭素
（最大0.08％の含有量）溶接可能合金鋼を選択す
る段階と、管を得る目的でこの鋼を遠心鋳造法に
より成形する段階と、この管の冷却を制御する段
階と、この管を適当な熱処理にさらす段階とから
構成されている。 より具体的に言うならば、鉄の外に重量％で次
の成分組成を有する高強度鋼を得ることを目的と
している： −炭素≦0.08％ −けい素≦0.30％ −マンガン1.20〜2.20％ −モリブデン0.20〜0.50％ −イオウ≦0.01％ −リン≦0.015％ 最近に到る迄、弾性限を上昇させる最も簡単な
手段は炭素含有量を増大させること又は制御され
た圧延を行うことであつたが、これらの手段には
いづれも欠点があつた。 本発明者はこれら２つの硬化の可能性を保持す
ると共に鋼管の延性を損なわないようにしつつこ
れらの技術を次の如く修整した。即ち、 (1) フエライト組織の結晶粒を微細化する。 (2) 十分に安定であり且つフエライト内に均一に
分散されている「炭化物」相の析出によつて硬
化する。 この微細フエライト組織及びこの安定且つ均質
に分散された炭化物相は、第１に炭素を0.03％以
上に保ちながら前述の炭素、けい素及びマンガン
の含有量を選択し、次にモリブデン、バナジウ
ム、エオブ又はタンタルの如き特殊元素を添加す
ることによつて得られるのであるが、こゝにおい
てこれらの特殊元素は微細炭化物、窒化物又は炭
−窒化物の形態をなして高温度において析出する
ことにより硬化相の生成を促進し、オーステナイ
ト粒の粗大化を制限するものであり、かくて組織
全体を微細化する役目を果すものである。尚モリ
ブデン、ニオブ、バナジウム、タンタル及びこれ
と同一族の他の金属も特殊炭化物生成元素であ
る。 更に、脱酸状態を得るために、少量のアルミニ
ウム（0.02〜0.08％）及び痕跡程度のカルシウム
及びセリウムが与えられる。 本発明によれば、この種の鋼が遠心鋳造鋳型内
で鋳造され、前記鋳型は適当に空冷又は冷却され
ており、砂型又は永久鋳型即ち金属チル鋳型とす
ることが出来る。 第１図の例によれば、遠心鋳造は次の如き態様
で行なわれる。 即ち、特殊な砂から成る管状遠心鋳造鋳型１が
軸線Ｘ−Ｘ上で用いられ、該鋳型は空気ベント１
ａを備えている。鋳型１は例えば歯付リング２及
び該リング２と噛み合うピニオン３及び減速ユニ
ツト４によつて軸線Ｘ−Ｘのまわりに回転可能に
配置されている。 前述の組成を備えた溶鋼が湯道５を介して砂型
１の空洞内に注湯される。かくて鋳型１と湯道５
との間には並進運動が発生し、湯道は溶鋼を鋳型
全長にわたつて注湯することが可能である。この
目的のために、キヤリツジによつて支持された鋳
型１が静止した湯道５に関して並進運動を行なつ
ても良く、あるいは移動することの出来る方を湯
道５として、鋳型を静止させても良い。この例に
おいては鋳型１が静止している。この種の遠心鋳
造装置は良く知られている。 特殊な砂から成る砂型を用いての遠心鋳造は特
に１つの製品を１度だけ製造するか、少数の製品
を製造するのに用いられる。というのは、各鋳造
作業の後には新しい砂型を用いる必要があるから
である。それというのもこの砂型は１回の鋳造作
業においてのみ使用可能だからである。砂型は又
大直径で肉厚の大きい管の遠心鋳造にも用いるこ
とが出来る。 かくて得られた鋼管Ｔはその直径が砂型１の内
径に応じて100〜2000mmと変化させることが出
来、その肉厚ｅは10〜150mmとすることが出来
る。このようにして鋳造された管Ｔの長さは管径
及び管肉厚に応じて３〜12ｍの間で変化させるこ
とが可能である。 第２図の例においては、遠心鋳造金型即ちチル
鋳型６が用いられており、遠心鋳造装置の他の部
分は前述の例と類似している。チル鋳型６は例え
ば散布水ジエツト列７によつて外側から冷却され
ている。チル鋳型６の内壁は図示せぬ既知のコー
テイング材で被覆されており、このコーテイング
材はチル鋳型を保護すること及び健全な鋳造鋼管
Ｔを得ることの双方に役立つ。 この方法は夫々の場合に応じて管外径が90〜
1000mmに変化し、管肉厚が10〜120mmに変化する
管を鋳造するのに用いられる。このようにして鋳
造された管Ｔの長さは直径及び肉厚に応じて２〜
10ｍの間で変化する。 遠心鋳造の後且つ熱処理に先立つて、管Ｔの冷
却が制御された速度において行なわれる。この冷
却工程は砂型１の場合には型から取り出す前に行
なわれ、チル鋳型６の場合には型から取り出した
後にピツト内で行なわれる。 遠心鋳造管を取り出した後においては、即ち管
を砂型１又はチル鋳型６から取り出した後におい
ては該管の組織は極めて粗い。 取り出された管Ｔはこれを第３図の要領で適当
に制御された熱処理炉８へと供給することにより
1050℃の温度迄の均質化処理を受ける。 管Ｔは次に800〜950℃の間のオーステナイト化
温度からの制御された速度での焼入れ処理を受
け、次いで600〜700℃の間の温度での焼鈍処理を
受ける。これらの処理により所望の機械的特性の
レベルを調整することが可能となる。 前述の熱処理は最大肉厚を備えた管即ち60〜
150mmの肉厚の管に用いられる熱処理である。 実際上、熱処理されるべき管の肉厚が大きい
程、より複雑な熱処理が必要とされる。10〜60mm
の平均的及び小肉厚のものについては、焼入れ及
び焼鈍による冷却で十分である。 これらの熱処理のサイクルにより所望のフエラ
イト組織が得られるばかりでなく、フエライト中
における炭化物の分散が保証される。 鋼管Ｔからサンプルを切り出し、その組織を顕
微鏡写真で調べる（第４図）と、組織は極微細針
状フエライトの結晶粒によつて構成されているこ
とがわかる。かくて得られた結晶粒度は米国
ASTMスケール（結晶粒度の測定に関する標準
規格E.112−63）によれば10よりも大きい。炭化
物の寸法は１〜２ミクロンであり、これらの間隔
は２〜10ミクロンである。これらの炭化物はフエ
ライト内に極めて一様に分布しており、フエライ
ト粒界には殆んど析出していない。 かくて前記組織は均質であり、等方性を有して
いる。 本発明はこれらの全ての要素即ち、(1)鋼の成分
組成の選択、(2)遠心鋳造、(3)制御された冷却、(4)
均質化、オーステナイト化後の焼入れ、並びに焼
鈍という要素の組合せにより、極めて良好な機械
的特性を備えた鋼管を得ることを可能としてい
る。即ち、本発明によれば、低温度においても強
度と延性の特性が適正に組合わされている。従来
の方法と比較して、本発明による鋼管用鋼の断面
収縮率の値は50％以上であり、極めて肉厚が大き
い場合でも溶接している間に「層状割れ」即ちへ
き開による割れが発生する危険性は除去出来る。
加うるに、これらの鋼の冶金学的状態は安定状態
である。何故ならば前記状態は圧延の如き熱−機
械的処理によつて得られる鋼の状態と相違して熱
処理によつて得られているからである。 炭素含有量が低く、フエライト粒が微細であ
り、組織が安定であるという特徴により、通常の
作業条件で溶接が容易に出来、少なくとも比較的
大きな肉厚（60mm）迄は予熱を必要としない製品
が保証される。加うるに、溶接に用いられる材質
並びに溶接に用いられる技術をうまく選択するこ
とにより、熱影響部においても母材の機械的特性
と実質的に同一の機械的特性を得ることが可能で
ある。もしも溶接作業が適切な温度において実施
されるならば、母材の機械的特性は実質的に変化
せず、かくて母材及び溶接部の機械的特性は均質
性を有している。 例として挙げるのだが、以下の表は本発明の鋼
管に対する組成及び熱処理条件に関する３つの実
施例並びに遠心鋳造による管の製造例を示してい
る。 これらの実施例を比較すればわかるように、実
施例はモリブデンに加えてニオブが存在するこ
とで実施例と異なつている。このニオブの存在
により、破断伸びが顕著に低下したり衝撃試験値
が低下したりすることなく機械的強度及び弾性限
を増大させた鋼を得ることが出来る。 実施例はバナジウム及び痕跡程度のニオブが
存在するという点で実施例と異なつている。こ
の実施例は実施例とくらべて機械的強度は明
らかに増大しているが、破断伸び及び衝撃試験値
は幾分減少している。 これらの実施例は極めて小比率のイオウ及びリ
ンを含有している。 この表に与えられている製造例は実施例に属
するものである（表参照）。 本発明による鋼管の利点 (a) 遠心鋳造の利点 鋳造金属に鋳型の形を一様に与えるために遠
心力の作用が利用される。金属は80〜120g
（ｇは重力の加速度）の加速度を受ける。この
ような大きな加速度の故に液体状金属は純化さ
れる。即ち遠心力の作用により、重い成分は外
側に投げ飛ばされ、軽い成分は内側にとどまる
ので、金属よりも軽いドロス、ガス及び不純物
は鋳型空洞の内側に搬び去られる。不純物のあ
るこの内側層は機械加工により除去することが
出来る。高い圧力のもとで冷却鋳型内で急速な
凝固が起るので微細粒が得られ、機械的特性が
改善され、密度が上昇する。これらの機械的特
性は基本的には等方性である。但し鋳造物の肉
厚が大きい場合には回転軸線を横断する方向に
わずかな等方性からのずれが認められる。 十分に制御された方向性凝固特性により脆弱
な領域の存在が防止される。 この強烈な冷却のために組織は極めて微細化
している。 凝固の後において、遠心鋳造された管の冷却
の熱サイクルを制御することが可能である。 (b) 冶金学的利点 (1) 金属の純度が高くなる。 (2) 物理的及び機械的特性が等方性となる。 (3) 脆弱な領域がなくなる。 (4) 溶接に対して非常に適している。 特に溶接性について言えば、遠心鋳造された
鋼の組織は均質性を備えているので、遠心鋳造
鋼管を困難無く溶接することが出来る。 別の１つの実施例として、製造すべき管の肉
厚に応じて、ニツケルを添加させ、強度を低下
させることなしに高い延性値を得ることが可能
である。添加するニツケルの量は1.5％迄とす
ることが出来る。 最後に、脱酸の目的で、全成分の0.02〜0.08
重量％の少量のアルミニウム並びに痕跡程度の
カルシウム及びセリウムを添加することが出来
る。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は砂型で管を遠心鋳造するのに用いられ
る装置の極めて概略的な断面図、第２図は金型で
管を遠心鋳造するのに用いる装置の第１図と同様
な図、第３図は遠心鋳造された管の端部を熱処理
炉の入口に導入する状態の一部分を概略的に示す
図、第４図は本発明による鋼管の特徴である極め
て微細な結晶粒を有する遠心鋳造された鋼のフエ
ライト組織のサンプルのナイタル試薬で腐蝕した
後における400倍の顕微鏡写真。 １……砂型、５……湯道、６……チル鋳型、８
……熱処理炉、Ｔ……遠心鋳造された鋼管、ｅ…
…鋼管の肉厚。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低炭素合金鋼からなる溶接可能な遠心鋳造鋼
   管において、前記鋼は鉄の外に、重量基準で0.08
   ％以下の炭素と、0.30％以下のけい素と、1.20〜
   2.20％のマンガンと、0.20〜0.50％のモリブデン
   とを有し、前記鋼の均質なフエライト組織中には
   安定な炭化物の微細結晶粒が均質な状態で分散さ
   れていることを特徴とする鋼管。 ２ 低炭素合金鋼からなる溶接可能な遠心鋳造鋼
   管において、前記鋼は鉄の外に、重量基準で0.08
   ％以下の炭素と、0.30％以下のけい素と、1.20〜
   2.20％のマンガンと、0.20〜0.50％のモリブデン
   と、ニオブ、バナジウム及びタンタルから成る群
   から選ばれ特殊炭化物を生成する少なくとも一種
   類の少量の金属とを含有し、前記鋼の均質なフエ
   ライト組織中には安定な炭化物の微細結晶粒が均
   質な状態で分散されていることを特徴とする鋼
   管。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の鋼管におい
   て、該鋼はモリブデンの外に0.03〜0.06％のニオ
   ブを含有していることを特徴とする鋼管。 ４ 特許請求の範囲第２項に記載の鋼管におい
   て、該鋼はモリブデンの外に0.10％のバナジウム
   及び／又は痕跡程度のニオブを含有していること
   を特徴とする鋼管。 ５ 特許請求の範囲第２項に記載の鋼管におい
   て、該鋼は鉄の外に、重量基準で0.08％以下の炭
   素と、0.30％以下のけい素と、ニオブ、バナジウ
   ム及び同一族の他金属から選ばれた特殊炭化物を
   生成する少なくとも１種類の金属と、0.015％よ
   り少ないリンと、0.010％より少ないイオウとの
   成分を含有することを特徴とする鋼管。 ６ 特許請求の範囲第１項、第２項及び第５項の
   いずれか一つの項に記載の鋼管において、均質化
   熱処理、焼入れ及び焼鈍の後において該鋼管の機
   械的特性は： −引張り強さ：51〜71.4Kgｆ／mm²、 −弾性限：34.7〜61.2Kgｆ／mm²、 −破断伸び≧16〜20％、 −断面収縮率≧50％、 −仏国標準規格A03−161による−40℃での平均
   シヤルピー衝撃試験値≧40〜60ジユール、 であることを特徴とする鋼管。 ７ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の鋼
   管において、該鋼の成分が重量で1.5％までのニ
   ツケルをも含有していることを特徴とする鋼管。 ８ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の鋼
   管において、該鋼の成分が重量で0.02％〜0.08％
   のアルミニウムとさらに痕跡程度のカルシウム及
   びセリウムをも含有していることを特徴とする鋼
   管。 ９ 特許請求の範囲第２項又は第６項に記載の鋼
   管において、該鋼管は重量で0.08％の炭素と、
   2.00％のマンガンと、0.42％のモリブデンと、
   0.29％のけい素と、0.082％のバナジウムと、
   0.011％のリンと、0.08％のイオウと、残部の鉄
   とを含有する鋼から構成されており、均質化熱処
   理、焼入れ及び焼鈍の後において該鋼管の機械的
   特性は： −引張り強さ：68.7Kgｆ／mm²、 −弾性限：60.6Kgｆ／mm²、 −破断伸び：19％、 −断面収縮率：61.5％、 −仏国標準規格A03−161による−40℃での平均
   シヤルピー衝撃試験値：148〜220ジユール、 であることを特徴とする鋼管。 １０ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   鋼管において、その直径が100〜2000mmであり、
   その肉厚が10〜150mmであることを特徴とする鋼
   管。 １１ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   鋼管において、その微細フエライト組織は
   ASTMスケールで10より大きな粒度を備えたフ
   エライト結晶粒と、寸法が２ミクロンを越えない
   一様に分布した炭化物とから形成されていること
   を特徴とする鋼管。