专利名称：超高强度uoe钢管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及管周向强度(TS)为750MPa以上、900MPa以下的、强度·韧性平衡优异，耐接头破坏特性也优异的超高强度UOE钢管及其制造方法。
背景技术：
近年来管道的成本压缩的愿望加大，以制造技术的进步为背景，作为管线(pipe line)而铺设的钢管，实现其高强度化的这一倾向增强。以前，由美国石油协会(API)规格化了的钢种达到X80级(grade)，其被实际应用于管线。
目前更高强度的X100级(相当于管周向强度≥750MPa)的规格化和实用化的研究得以推进。将这种超高强度钢实际应用于管线用的钢管时，出于破坏安全性的考虑，与现有钢所实现的水平相比较，要求其具有相当高水平的韧性。因此，就要求能够并存超高强度与超高韧性的钢管和能够制造它的母材钢。
在特开平8-209290号公报和特开平8-209291公报中，公开了含有高Mn+高Mo系成分的高强度钢管，前者中公开的是实施回火处理，后者中公开的是实施2相域轧制。
特开平9-31536号公报也同样公开了具有Mn+高Mo系成分的高强度钢管，但是其所公开的是母材强度相当于950MPa以上的X120级的超高强度钢管。特开2000-199036号公报中公开了钢管强度为900MPa以上的超高强度钢管。特开平8-199192号公报中也公开了高强度钢管，但此钢管其母材组织的马氏体分率为90％以上，在实施例中也有母材强度900MPa以上的超高强度钢被使用。
这里，钢管强度和母材钢强度相同，另外钢管强度在管周向测定的结果，即为管周向强度。
发明内容
但是，上述的现有技术主要意思均是确保强度，关于母材的韧性和接头热影响部(HAZ)的韧性并未充分公开。超过X80级的高强度钢特别要求的、充分满足均衡的强度·韧性特性和耐接头破坏特性的高强度钢至少尚不存在。实际上，本发明作为对象的关于强度范围内的接头破坏特性和韧性的双方，在上述的各专利文献中均未提及。
根据本发明，为了使UOE钢管的耐接头破坏特性提高，而使碳当量(Ceq)处于历来未曾应用过的高范围。由此，能够使进行潜弧焊(submerged arc welding)的UOE钢管固有的现象，即焊接时的HAZ软化进一步降低。
另一方面，若考虑到管线现场铺设时的周焊接性，则要求能够实现低焊接裂纹敏感指数(Pcm)的均衡的成分设计。
此外，随着钢变为高强度，对HAZ和母材的韧性要求也变高。关于这点，尤其为了HAZ韧性的提高而必须降低Ti和N，同时为了母材韧性的提高而需要降低S。
通过考虑以上几点的成分设计，发现在制作强度级别控制在750MPa以上、900MPa以下(相当于X100级)的UOE钢管时，其具有非常良好的耐接头破坏特性和韧性。这时，确认到若使热轧后的水冷的冷却停止温度处于350℃以上，则能够满足X100级所要求的150J这一非常高的耐破坏韧性值。
从一个侧面讲，本发明是一种UOE钢管母材化学组成以质量％计，含有C0.03～0.08％、Mn1.70～2.2％、S0.0020％以下、Ti0.005～0.025％、N0.0050％以下，根据情况还含有从下述(i)至(iv)中选择出的至少1种元素，余量由铁和不可避免的杂质组成，下述所定义的碳当量(Ceq)为0.50％以上，焊接裂纹敏感性指数(Pcm)为0.24％以下，管周向强度为750MPa以上、900MPa以下，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15，Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+B，Ceq＝碳当量、Pcm＝焊接裂纹敏感性指数，式中的各元素符号意思是该元素以质量％计的含量，(i)Si0.05～0.50％及Al0.06％以下的1种或2种，(ii)Cu1.0％以下、Ni2.0％以下、Cr1.0％以下、Nb0.1％以下及V0.1％以下的1种或2种以上，(iii)Mo1.0％以下，(iv)Ca0.005％以下。
本发明的UOE钢管所要求显示出的破坏韧性为，母材和焊接热影响部(HAZ)在-10℃下的摆锤吸收能达到150J以上。
从另一侧面出发，本发明是一种制造上述碳当量(Ceq)为0.50以上，接裂纹敏感性指数(Pcm)为0.24％以下，管周向强度为750MPa以上、900MPa以下的UOE钢管的制造方法是将具有上述化学组成的钢板进行热轧后，使水冷停止温度为350℃以上进行水冷，对得到的钢板进行U型挤压和O型挤压，再经焊接和扩管而得到UOE钢管。UOE钢管的焊接遵循常规方法通过潜弧焊进行。
根据本发明，将经过高碳当量(Ceq)调节的钢管制造成为750MPa以上、900MPa以下的强度，由此进行潜弧焊的UOE钢管所固有的接头的HAZ软化得以降低，UOE钢管的耐接头破坏特性显著改善。另一方面，通过降低S、Ti、N的含量，能够确保母材和HAZ的韧性。
本发明的UOE钢管，由于能够通过与现有的X80级以下的UOE钢管相同的条件来制造，所以既能够维持与现有的UOE钢管同等的生产效率，又能够制造超高强度的UOE钢管。因此，能够显著降低超高强度的UOE钢管的制造成本。
图1表示钢中S含量与母材的韧性(-10℃的摆锤吸收能)的关系的曲线图。
具体实施例方式
为了使API规格也未规定的超高强度钢适用于实际的管线，在把(1)破坏安全性和(2)周焊接性列入考虑后，就必须提供具有与铺设环境相合的性能的管道。
特别是输送天然气和石油的长距离管线若是有破坏发生必然导致重大事故。在破坏的方式上有脆性破坏和延性破坏。在脆性破坏中，相对于以500m/sec以上的超高速传播破坏来说，来自延性破坏的破坏传播速度小至300m/sec以下。因此，为了使钢管适用于实际的管线，母材具有在使用环境下演变为像延性破坏这样的韧性是大前提。
此外，关于韧性的要求水平，如HLP委员会(日本的破坏研究机构)提倡的，即使有高速延性破坏发生时，该破坏的传播也要在一定距离以内得到阻止，因此随着钢变为高强度，就需要更高的破坏韧性值。所需要的破坏韧性值(-10℃下的摆锤吸收能)也依存于强度的品级、钢管的尺寸和内部的压力等，但是在X100级钢中，不是一般钢(APIX70级)所要求的40～50J，而是要求在150J以上。因此，X100级钢要求高强度的同时还要求有如此高的破坏韧性值。
关于破坏安全性，能够通过在管周向施加力时的断裂位置来评价。该断裂位置大致分为母材、焊接金属部和焊接热影响部(HAZ)三种。母材断裂时，如上述如果充分确保了韧性，则演变为延性破坏。焊接金属部断裂时，也有成为延性破坏的状况，但是发生脆性破坏的情况占大多数。因此，需要绝对防止焊接金属部的断裂。一般来说，是通过使焊接金属的强度在母材以上(处于过度)来防止焊接金属部的断裂。HAZ部的断裂这一现象尤其会出现在700MPa以上的高强度钢中。
本发明的钢特别在该HAZ断裂的防止上具有重大效果。被认为可防止HAZ断裂的方法有如下(1)使焊接金属部的强度处于母材强度以上(确保过度)，(2)为了缩小HAZ的面积而极力减小焊接输入热量，(3)提高HAZ的强度，(4)控制焊接部形状，就是降低焊接趾部的应力集中。
在本发明中，为了确保HAZ的强度而提高Ceq。HAZ部是由于热影响而一度熔化又再凝固或相变了的组织。为了使HAZ的强度上升，有效的做法是使成分充足(使Ceq和Pcm一起增大)或使输入热量降低。输入热量设定在能够确保焊接部形状的最低限度的输入热量即可，但若要使成分充足，则会存在这样一个难点，就是导致现场进行钢管之间的连接时的周焊接性降低。
在本发明中，通过实现高Ceq从而抑制HAZ的软化，以确保高强度，另一个方面，将Pcm控制在一定程度以下，从而良好地维持周焊接性。
关于HAZ韧性的确保，调节N和Ti也很重要，通过使其平衡最佳化，可判明能够防止伴随着强度上升而来的韧性劣化。
以前，对于TS为750MPa以上的超高强度钢的制造，一般适用TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)，使热轧后的水冷停止温度处于200℃以下(报告为室温的例子也很多)。这是为了确保强度和韧性等的基本性能。
在本发明中，尽管是750MPa以上的超高强度钢，但考虑到破坏安全性，其制造仍要以Ceq≥0.50％的成分组成，使热轧后的水冷停止温度处于350℃以上。由此，除了破坏发生时的接头部附近破坏以外，能够达成高强度·高韧性的并存。
另外，不采用极度低的水冷停止，能够使母材的变形性、即均匀延伸率进一步提高。因此，本发明的制造方法和UOE钢管从破坏安全性的观点来看非常有效。
所谓均匀延伸率(界限延伸率)，是指在拉伸试验中赶到达到最高载荷的塑性变形量。因此，所谓母材的均匀延伸率大，就意味着万一在管线的作业中有压力急剧上升的情况，其达到TS的塑性变形量大，破坏安全性高。从这一点出发，优选母材的均匀延伸率为5.0％以上。
图1是表示在X100级的钢中，S与母材的韧性(-10℃下的摆锤吸收能)的关系的曲线图。由图1可知，母材的韧性水平由于低S化而被显著改善。由该结果可知，在要求超高强度钢具有高破坏韧性值时，有效的做法是调节S。
在本发明中，因为所需要的破坏韧性值为150J，所以S要在20ppm以下。此外，当要求高破坏韧性值，例如要求为200J以上时，使S在14ppm以下即可。
本发明能够提供一种UOE钢管，像接头部HAZ断裂的防止、和母材的高均匀延伸率的确保这些靠现有的制造方法无法解决的问题，还有管线铺设时的周焊接性能，它都能够全部满足。
根据本发明，通过与APIX80级以下的普通钢相同的、而水冷停止温度作为350℃以上的TMCP而制造的UOE钢管，为了使其满足APIX100级所相当的强度而将碳当量(Ceq)设为0.50％以上，且将焊接裂纹敏感性指数(Pcm)抑制在0.24％以下，由此能够确保周焊接性。
本发明中的母材的化学成分组成如下。
C0.03～0.08％C是有效提升强度的元素，为了赋予X100级的强度而含有0.03％以上。另一方面，当C超过0.08％则韧性的降低显著，在带给母材的机械的特性以不利影响的同时，还会助长钢坯的表面瑕疵。优选的C3含量为0.03～0.05％。
Mn1.70～2.2％Mn是在钢的强化和强韧化方面有效的元素，为了确保强度和韧性而含有1.70％以上。但是，当Mn超过2.2％则焊接部韧性劣化。优选的Mn含量为1.8～2.0％。
S0.0020％以下S是为了母材的韧性确保而需要限制的元素之一，若S超过0.0020％，则不能确保必要的母材的破坏韧性值。如有关图1所说明，S要根据母材所要求的破坏韧性值，例如在0.0014％以下，也可以进一步限制。
Ti0.005～0.025％Ti通过TiN的生成来抑制HAZ的结晶粒成长，具有使韧性提高的效果。为此至少需要0.005％的Ti。另一方面，若Ti超过0.025％，则溶解N量增加，HAZ韧性劣化。优选的Ti含量为0.005～0.018％。
N0.0050％以下N与V、Ti等形成氮化物，可有效地提高高温强度。但是，若N超过0.0050％，则会与Nb、V、Ti形成碳氮化物而引起母材和HAZ的韧性的降低。当HAZ的要求水平高时，优选N为极低的0.0035％以下。
除了上述的基本成分以外，为了达成X100级以上的高强度还有母材和HAZ的高韧性，母材的碳当量(Ceq)和焊接裂纹敏感性指数(Pcm)成为非常重要的因素。
母材的Ceq0.50％以上在水冷停止温度设定为350℃以上的TMCP中，为了保证X100级以上的母材强度，而使母材的碳当量(Ceq)为0.50％以上。如果能够确保X100级以上的母材钢强度，则Ceq的上限没有特别限制，不过Ceq优选为0.55％以下。Ceq由下式表达(式中的各元素符号意思是该元素以质量％计的含量)Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。
母材的Pcm0.24％以下为了在高强度下且也包括在周焊接时确保高韧性，而要使母材的焊接裂纹敏感性指数(Pcm)为0.24％以下，并如此来设计钢的成分。Pcm的下限没有特别规定，但通常为0.16％以上。Pcm由下式表达(式中的各元素符号意思是该元素以质量％计的含量)Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+B。
作为本发明的UOE钢管，焊接金属的Ceq和Pcm没有特别限定。
还有，在本说明书中，仅记述为“Ceq”和“Pcm”时，意思是包含了HAZ的母材，即除了焊接金属以外的钢管整体的Ceq和Pcm。
本发明的UOE钢管的管周向强度为750MPa以上、900MPa以下。这规定的是钢管的强度水平为X100级的水平。在本发明中，通过如上述这样控制成分组成，运用将热轧后的水冷停止温度设为350℃以上、与现有的较低强度的UOE钢管相同的方法，能够制造X100品级的超高强度UOE钢管，且能够确保必要的母材和HAZ的破坏韧性性。
本发明的UOE钢管的母材，也可以再含有从下述(i)～(iv)的群中选择出的1种或2种以上的任意成分。
(i)Si0.05～0.50％、Al0.060％以下Si和Al都具有脱氧作用，优选调配它们中的至少1种。
Si除了作为脱氧剂以外，还有使钢强化的作用。当Si含量低于0.05％则脱氧不充分。若Si超过0.5％，则在HAZ有大量板条状马氏体生成，使HAZ韧性极底劣化，相应的是钢管的机械性质的降低。Si含量可以在0.05～0.50％的范围内，其决定需考虑与钢板的板厚的平衡。
Al与Si同样起着脱氧剂的作用，但要以0.06％以下才能充分得到该效果。过量的添加除了使现场周焊接性劣化以外，从经济面出发也不为优选。
(ii)Cu1.0％以下、Ni2.0％以下、Cr1.0％以下、Nb0.1％以下、V0.1％以下这些元素通过少量的添加可改善淬火性，随之而来的是对各种特性的改善产生影响。
Cu能够通过固溶强化和淬火性增大效果带来的组织变化，在不明显损害韧性的基础上实现强度的提高。若Cu超过1.0％，则对钢坯表面保护层有害的Cu裂纹(checking)发生，为了对其加以防止而需要对钢坯低温加热，可制造范围受到限制。
Ni与Cu一样，能够通过固溶强化和淬火性增大效果带来的组织变化，在不明显损害韧性的基础上实现强度的提高。同时有着抑制热弯曲加工后的母材和HAZ韧性的劣化的作用。高于2.0％的Ni的添加会使成本提高，除了不实用以外，也使现场周焊接性劣化。
Cr与Cu和Ni相同，能够通过固溶强化和淬火性增大效果带来的组织变化，在不明显损害韧性的基础上实现强度的提高，但是若Cr超过1.0％，则使HAZ的韧性劣化。
Nb和V带来的巨大效果是，基于析出强化和淬火性增大效果的强度上升，或者伴随结晶粒微细化的韧性的改善。若其添加量均超过0.1％，则成为使HAZ的韧性降低的原因。
添加这1或2种以上的元素时，更优选的含量为Cu0.50％以下、Ni0.80％以下、Cr0.40％以下、Nb0.06％以下、V0.06％以下。
(iii)Mo1.0％以下Mo可有效地提高母材·焊接部的强度。若Mo的添加量过多，则造成现场周焊接性和HAZ的韧性劣化，因此将上限设为1.0％。添加Mo时的更优选的含量为0.50％以下。
(iv)Ca0.005％以下。
Ca有控制夹杂物形态的效果，具体来说就是使夹杂物球状化，可防止氢致开裂和层状(lamellar)龟裂。但是在0.005％则其效果饱和。
为了制造本发明的UOE钢管，对调整为上述规定的化学组成的钢坯进行热轧，精轧结束后，进行水冷停止温度为350℃以上的水冷。通过惯用的U型挤压和O型挤压将得到的热轧钢板成形为管体，接着，从内外面焊接对接部。该焊接通过潜弧焊进行。通过焊接制管后进行扩管以提高圆度。扩管可通过机械扩管或水压扩管进行。
在本发明的UOE钢管的制造方法中，除了热轧后的水冷条件，关于UOE钢管的制造工序没有特别限制。实施与现有的X80级以下的UOE钢管相同的制造即可。尽管如此，仍能够制造出X100级(管周向强度为750MPa以上、900MPa以下)的超高强度，同时耐破坏特性优异的UOE钢管。
接下来，通过实施例更具体地说明本发明，但实施例只不过是示例，并不限制本发明。
实施例将具有表1所示的化学成分的钢坯，加热·保持在1100～1200℃以后，在700～850℃进行精轧直至板厚达到20mm后，以表1所示的水冷停止温度进行水冷，而后空冷至常温，由此制造母材的热轧钢板。通过冷U型挤压，然后O型挤压将该母材钢板成形为管体。然后，通过惯用的潜弧焊焊接对接部，再进行机械扩管。如此制造出外径910mm(36英寸)、壁厚20mm、长1200mm的UOE钢管。
母材的强度和韧性、以及制作的UOE钢管的接头抗拉特性和周焊接试验的结果都汇总在表1中。特别是，母材强度和接头拉伸断裂位置在确认本发明的效果上是一个重要的项目。
关于母材的韧性和强度，是从不包括焊接部和HAZ的UOE钢管在周向上提取冲击冲击试验片(JIS4号)和拉伸试验片(ASTM直径6.35mm圆棒试验片)，求得-10℃下的摆锤吸收能(表中记述为VE-10℃)、抗拉强度(TS)、和均匀延伸(界限延伸率)。
接头拉伸试验，是将UOE钢管的焊接部钻至中央，如此在周向提取拉伸试验片，对焊缝余高实施拉伸试验，确认其强度和断裂位置。另外，从UOE钢管的HAZ(焊接热影响部)提取冲击试验片(JIS4号)，求得-10℃下的摆锤吸收能(表中记述为VE-10℃)。焊接性能的评价是通过实际周焊接UOE钢管，实施Y裂纹试验，看是否在-10℃发生裂纹。可见裂纹时表示为“×”，未见时表示为“○”。
在作为实施例的No.1和20～24中，母材的强度和韧性满足规定的条件，同时通过使成分最佳化，而能够在接头拉伸试验中达成母材断裂，接头破坏特性也优异。另外，周焊接性也良好。
另一方面，在比较例中，不能满足适当的强度、韧性或其他的性能。特别是在No.10、12和16～18中，HAZ的韧性极度降低。
表1
(注)TS抗拉强度、UEL界限延伸率、BM母材、HAZ热影响部、*本发明范围外的条件、(周)周方向、实实施例
权利要求
1.一种UOE钢管，其特征在于，母材化学组成以质量％计，含有C0.03～0.08％、Mn1.70～2.2％、S0.0020％以下、Ti0.005～0.025％、N0.0050％以下，余量由铁和不可避免的杂质构成，通过使下述所定义的碳当量Ceq为0.50％以上、及焊接裂纹敏感性指数Pcm为0.24％以下，从而管周方向强度为750MPa以上，900MPa以下，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15；Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+B；Ceq＝碳当量、Pcm＝焊接裂纹敏感性指数，式中的各元素符号表示该元素以质量％计的含量。
2.根据权利要求1所述的UOE钢管，其特征在于，所述母材化学组成以质量％计，还含有从下述的(i)至(iv)中选择出的至少1种元素(i)Si0.05～0.50％及Al0.06％以下的1种或2种，(ii)Cu1.0％以下、Ni2.0％以下、Cr1.0％以下、Nb0.1％以下及V0.1％以下的1种或2种以上，(iii)Mo1.0％以下，(iv)Ca0.005％以下。
3.一种UOE钢管的制造方法，其特征在于，是制造被下述定义的碳当量Ceq在0.50以上及焊接裂纹敏感性指数Pcm在0.24％以下，管周向强度为750MPa以上、900MPa以下的UOE钢管的制造方法，其中，将母材化学组成以质量％计含有C0.03～0.08％、Mn1.70～2.2％、S0.0020％以下、Ti0.005～0.025％、N0.0050％以下，根据情况还含有从下述(i)至(iv)中选择出的至少1种元素，余量由铁和不可避免的杂质构成的钢板进行热轧后，将水冷停止温度设为350℃以上进行水冷，对得到的钢板进行U型挤压及O型挤压，然后经焊接和扩管而得到UOE钢管，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15；Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+B；Ceq＝碳当量、Pcm＝焊接裂纹敏感性指数，式中的各元素符号意思是该元素以质量％计的含量，(i)Si0.05～0.50％及Al0.06％以下的1种或2种，(ii)Cu1.0％以下、Ni2.0％以下、Cr1.0％以下、Nb0.1％以下及V0.1％以下的1种或2种以上，(iii)Mo1.0％以下，(iv)Ca0.005％以下。
全文摘要
一种管周向的强度具有750MPa以上、900MPa以下的超高强度，母材和热影响部的韧性和接头破坏特性优异，周焊接性也良好的管线用UOE钢管，含有C0.03～0.08％、Mn1.70～2.2％、S0.0020％以下、Ti0.005～0.025％、N0.0050％以下，具有下述规定的碳当量(Ceq)为0.50％以上、焊接裂纹敏感性指数(Pcm)为0.24％以下的组成，由热轧后的水冷停止温度为350℃以上的热轧钢板制造Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15；Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+B。
文档编号C21D8/10GK1977059SQ20058002131
公开日2007年6月6日 申请日期2005年5月10日 优先权日2004年5月11日
发明者高桥伸彰, 三浦充, 山本昭夫 申请人:住友金属工业株式会社