专利名称：抗震性能及焊接热影响部低温韧性优异的高强度uoe钢管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种UOE钢管，详细而言，本发明涉及一种设置在寒冷地区的多年冻 土、地震发生地域中的、适于用作管线的、抗震性能及焊接热影响部的低温韧性优异的高强 度UOE钢管。
背景技术：
由于对近年来价格高涨的管线提出消减成本的要求，因此，用于构成管线的UOE 钢管本身的高强度化也相应地被推进。特别是用于输送天然气、石油的长距离管线的断裂 会引发重大事故。为了将由高强度钢构成的UOE钢管应用到管线中，最重要的是要确保防 断裂安全性(safety against fracture)。以往的管线管是根据应力设计(Mress-Based Design)而设计的。一直以来，对于用于构成管线的UOE钢管，希望其既能够充分确保所要 求的强度又能够充分承受管线的内压。在国际学会等中报告了许多能够满足所要求的高强 度、并且受到内压作用时也具有充分的变形性(deformability)的UOE钢管。为了将具有更高强度的UOE钢管应用到管线中，必须确保其比以往的强度级别的 UOE钢管具有更高的防断裂安全性。近年来，逐渐利用不仅考虑到强度还考虑到断裂变形性 (fracture deformability)的应变设计(Strain-Base Design)来设计管线。特别是，由于多年冻土的融化、地表面随着地震沿上下方向的变动，用于构成铺 设在加拿大等寒冷地区的多年冻土、地震发生地域中的管线(本说明书中总称为“寒冷 地区管线”)的UOE钢管沿其轴向发生变形。通常，管线的抗震性是指应对地表面沿上下 方向的变动的变形性。在谋求实现用于构成寒冷地区管线的UOE钢管的高强度化的情况 下，(a)作为拉伸特性的指标的最高强度高、(b)材料的例如屈服比、均勻伸长率(uniform elongation)等的变形性优异以及(c)焊接热影响部的低温韧性优异，都是很重要的。以往，用于构成寒冷地区管线的UOE钢管采用API规格X70等级以下的低强度 UOE钢管，而不采用API规格X80等级以上的高强度UOE钢管。由于作为母材的该低强度 的UOE钢管不需要高强度化，因此比较容易确保该低强度的UOE钢管的焊接热影响部的低 温韧性。公知不仅是UOE钢管的尺寸，UOE钢管的屈服比、均勻伸长以及应力-应变曲线的 形状都会影响管线的抗震性的提高。例如，在专利文献1中公开了通过限定UOE钢管的微 观组织来提高抗震性的发明。在专利文献2中公开了通过限定UOE钢管的材料的轧制条件 和微观组织来提高抗震性的发明。在专利文献3中公开了通过限定UOE钢管的微观组织并 且采用参数充分确保规定的均勻伸长率来确保UOE钢管的抗震性的发明。专利文献1 3 所公开的发明都是仅谋求提高抗震性、即UOE钢管的拉伸特性的发明。在专利文献4中公开了由利用了不含有Mo或抑制了 Mo含量的钢的低温韧性钢构 成的管线用高强度钢管具有优异的低温韧性。在专利文献5中公开了通过将管线用钢管的(Mo/Mn)的比值限定为大于0且小于 等于0. 08能够抑制长度方向上的屈服强度的上升。
专利文献1 日本特开平9-18405号公报专利文献2 日本特开平11-343542号公报专利文献3 日本特开2003-293089号公报专利文献4 日本特开2007-327136号公报专利文献5 日本特开2007-314828号公报在专利文献1 3所公开的发明中，对于确保用于构成寒冷地区管线的UOE钢管 所要求的焊接热影响部的低温韧性均没有任何考虑。基于上述发明也无法同时满足用于构 成寒冷地区管线的UOE钢管所要求的抗震性能和焊接影响部的低温韧性。专利文献4所公开的发明概略来说是一种含有W并且利用氧化物改善了焊接热影 响部的韧性的管线用钢管，由于不是提高抗震性的钢管，因此不能获得期望的抗震性。专利文献5所公开的发明具有由贝氏体和马氏体混合而成的金属组织，拉伸强度 (tensile strength)高达900MPa以上，因此不能获得期望的抗震性。如上所述地确立了管线的抗震性的概念。但是，根据各铺设地域的不同，对抗震性 的具体的性能要求(performance required)也不同。虽然以往也已知晓一些用于评价抗 震性的评价项目，但是实际上在国外抗震性的具体的性能要求还没有被确立。
发明内容
在上述状况下，本发明人关注了作为抗震性的评价项目的屈服比、详细而言是UOE 钢管在轴向上的低屈服比化。此外，由于多年冻土地带是极寒地域，因此用于评价韧性时 的温度应为-40°C。在管线的应变设计中，除了考虑作为重要因素的抗震性之外，还应该 考虑在与通常的使用管线的环境相比极其严苛的严寒环境下的低温韧性。本发明人将目 标定为U0E钢管的轴向的屈服比为85%以下，以及焊接热影响部的夏比冲击试样吸收功 在-40°C时为40J以上。本发明人经过反复专心研究，得出如下见解通过做出抑制C含量和Nb含量并且 基本上不含有V和Mo的成分而做出提高淬透性并且具有硬质的第2相的混合组织，且通过 降低淬透性指数能够实现UOE钢管的低屈服比化和提高焊接热影响部的低温韧性，由此， 能够确保上述目标，从而完成了本发明。本发明提供一种UOE钢管，其特征在于，该UOE钢管具有下述钢成分含有C :0. 03% 0.07% (在本说明书中只要没有 特别声明，关于成分的“ %，，都指“质量％ ”)、Si :0. 05 % 0. 50 %、Mn 1. 6 % 2. 2 %、P 0. 020% 以下、S 0. 003% 以下、Cu 0. 20% 0. 60%, Ni :0. 20% 0. 80%, Nb :0. 005% 0. 030%, Ti 0. 005% 0. 030%, N :0. 0070% 以下、Al :0. 005% 0. 060%，其余由 Fe 以 及杂质(例如Mo :0. 02%以下、V :0. 01%以下)构成，淬透性指数Pcm = C+(Si/30) + (Ni/6 0) + (Mo/15) + {(Cr+Mn+Cu) /20} + (V/10) +5B 为 0· 22 % 以下，且 Cu+Cr+Ni 为 0.4% 1.5% 并 且Nb+Mo+V为0. 05%以下，该UOE钢管轴向上的屈服强度为480MPa以上，屈服比为85%以 下，此外，焊接热影响部的夏比冲击试样吸收功在-40°C时为40J以上。上述本发明的UOE钢管优选还含有Cr :0. 10%以下。采用本发明，由于抗震性能及焊接热影响部的低温韧性优异，因此能够提供一种 适合用于寒冷地区管线的、高强度的UOE钢管。
图1是表示C含量与焊接热影响部的韧性之间的关系的坐标图。图2的(a) 图2的(c)是表示在本发明的成分系中使Nb含量变化为0. 018%, 0. 023%,0. 030%的情况下，UOE钢管的焊接热影响部的变化的坐标图。图3是表示对确保API规格X70等级以上的高强度并且含有0. 10%的Mo的UOE 钢管的、焊接热影响部的韧性带来的影响的调查结果的坐标图。
具体实施例方式下面，说明用于实施本发明的UOE钢管的最佳方式。通过对用于构成管线的UOE钢管的成分和制造方法这两方面进行改善，能够提高 管线的抗震性。欲利用本发明同抗震性一起改善的、焊接热影响部的低温韧性基本上由钢 管的成分决定。考虑各元素对焊接热影响部在_40°C下的低温韧性的影响地决定本发明的 UOE钢管的成分。下面说明限定成分的理由。(C :0· 03% 0. 07% )C是对提高强度有效的成分，为了具有API规格X70等级以上的强度而使C含量为 0. 03%以上。图1是表示C含量与焊接热影响部的韧性之间的关系的坐标图。如图1中的坐 标图所示，在增加C含量时，特别是超过0. 07%时，焊接热影响部的硬度显著上升，焊接热 影响部的韧性随之显著下降。因此，使C含量为0. 03% 0. 07%，优选C含量为0. 03% 0. 06%。(Si :0· 05% 0. 50% )Si作为脱氧剂以及作为用于强化钢的成分很有效。若Si含量小于0. 05%，则脱 氧会变得不充分。Si含量超过0. 50%时，会在焊接热影响部生成大量岛状马氏体而使韧性 极度地下降，使UOE钢管的机械性性质下降。因此，使Si含量为0.05% 0.50%。优选考 虑Si含量与作为UOE钢管的原材料的钢板的板厚之间的平衡地决定Si含量。(Mn :1· 6% 2. 2% )Mn用于强化钢并使钢强韧化。在本发明中，由于为了确保焊接热影响部的韧性而 抑制C含量，因此为了确保强度而使Mn含量为1. 6%以上。但是，在Mn含量超过2. 2%时， 焊接部的韧性会变差。因此，使Mn含量为1.6% 2.2%。优选Mn含量为1. 7% 2. 0%。(P :0.020% 以下)P是偏析显著的元素。UOE钢管的母材的韧性会由于P的偏析而变差。因此，使P 含量为0. 020%以下。(S :0.003% 以下)当S存在于钢中时会形成MnS。当大量存在MnS时，UOE钢管的母材的韧性可能会 显著变差。因此，使S含量为0.003%以下。(Cu :0· 20% 0. 60% )Cu能够通过固溶强化和由淬透性增大效果引起的组织变化来实现强化，而不太损 伤韧性。通过含有0. 20%以上的Cu，能够确保UOE钢管在轴向上的屈服强度为480MPa以上。另一方面，在Cu含量超过0.60%时，为了防止在扁钢坯的表面产生成为缺陷的有害 的Cu龟裂需要对扁钢坯进行低温加热，制造条件受到限制。因此，使Cu含量为0. 20% 0. 60%。(Ni :0· 20% 0. 80% )Ni与Cu相同，能够通过固溶强化和由淬透性增大效果引起的组织变化来实现强 化，而不太损伤韧性。另外，M能够抑制热弯曲加工后的母材和热影响部的韧性变差。M 含量如果在0. 20%以上，能够确保UOE钢管的轴向强度为480MPa以上。另一方面，在Ni含 量超过0. 80%时，会导致成本增加，有损实用性。因此，使Ni含量为0. 20% 0. 80%。(Nb 0. 005% 0. 030% )图2的(a) 图2的(c)是表示在本发明的成分系中使Nb含量变化为0. 018%, 0. 023%,0. 030%的情况下，UOE钢管的焊接热影响部的变化的坐标图。如图2的(a) 图2的(c)所示明显可知，通过使Nb含量为0. 030%以下，能够确 保在_40°C时的韧性，因此使Nb含量为0. 030%。在本发明中，将Nb含量抑制为0.030%以下的理由是(i)认为固溶Nb会提高淬 透性而导致焊接热影响部的强度上升，焊接热影响部的韧性会随之变差，(ii)Nb作为析出 强化元素也有效，利用析出强化使屈服强度上升，从而使被规定为屈服强度/拉伸强度的 屈服比上升。因此，在以低屈服比化为目的的本发明中要抑制Nb含量。但是，在完全不利 用Nb的固溶强化的情况下，具体而言，在Nb含量小于0. 005%时，确保API规格X70等级以 上的高强度会变得困难。这样，通过含有0. 005 %以上的Nb能起到固溶强化的效果，但在Nb含量超过 0. 030%时会使焊接热影响部的韧性变差。因此，使Nb含量为0. 005% 0. 030%。(Ti 0. 005% 0. 030% )Ti用于生成TiN以抑制焊接热影响部的晶粒成长，从而提高焊接热影响部的韧 性。为获得该效果而含有0.005%以上的Ti。在Ti含量超过0.030%时，会使溶解N量增 加，使焊接热影响部的韧性变差。因此使Ti含量为0. 005% 0. 030%。(N :0· 0070% 以下)N能与V、Ti等形成氮化物，起到提高高温强度的效果。在N含量超过0. 0070%时， 会与Nb、V、Ti形成炭氮化物，引起母材和热影响部的韧性下降。因此，使N含量为0.0070% 以下。但是，在欲进一步提高焊接热影响部的韧性的情况下，优选N含量为0.0050%以下。(Al 0. 005% 0. 060% )Al与Si相同，在含有0.005%以上的Al时，Al作为脱氧剂起作用。如果含有 0. 060%的铝，能充分地获得上述效果，如果含量超过0. 060%，也只会增大成本。因此，在本 发明中，使Al含量为0. 005 % 0. 060 %。除上述元素之外的其余部分是Fe和杂质。在本发明中，作为杂质，例如是Mo和V， 因此对Mo和V进行说明。Mo尤其会对焊接热影响部的低温韧性产生影响。图3是表示对确保API规格X70 等级以上的高强度并且含有0. 10%的Mo时UOE钢管的焊接热影响部的韧性受到的影响的 调查结果的坐标图。通过将Nb含量大致相等的图3和图的2(a)所示的结果进行对比可知由于含有6Mo，使焊接热影响部的韧性变差。因此，为了确保焊接热影响部的韧性，优选不含有Mo。如 果是实际上不有损焊接热影响部的低温韧性的程度的、微量的Mo，则也可以含有，例如可以 含有0. 02%以下的Mo。V由于析出强化会使UOE钢管的母材的屈服强度、即屈服比上升，并且由于固溶强 化会降低焊接热影响部的韧性。因此，优选不含有V。但是，如果是实际上不会产生上述问 题的程度的、微量的V，则也可以含有，例如可以含有0. 01%以下的V。(Cr :0.10% 以下)Cr是在本发明中可以根据需要含有的任意添加元素，与Cu、Ni相同，能够通过固 溶强化和由淬透性增大效果引起的组织变化来谋求强化，而不太损伤韧性。为了确保作为 本发明的对象的在-40°C时的低温韧性，在含有Cr的情况下，优选Cr含量为0. 10%以下。 为了可靠地获得该效果，优选Cr含量为0.01%以上。(淬透性指数Pcm:0· 22 %以下)淬透性指数Pcm是用于评价焊接性的一般性指标。考虑到焊接热影响部的韧性以 及现场的环焊性能(girth weldability)(所谓现场的环焊性能是指在铺设现场、即当地进 行的对该钢管端面(即圆周面)进行焊接的焊接性)，优选极力减小利用上述(1)式=Pcm = C+ (Si/30) + (Ni/60) + (Mo/15) + {(Cr+Mn+Cu) /20} + (V/10) +5B 所规定的淬透性指数 Pcm。通 常，在淬透性指数Pcm超过0. 22%时，环焊性能会变差，因此，使淬透性指数Pcm为0. 22 % 以下。(Cu+Cr+Ni :0. 4% 1. 5% )为了保证UOE钢管的强度，使Cu、Cr、Ni各自的含量之和、S卩(Cu+Cr+Ni)为0. 4% 以上。在(Cu+Cr+Ni)超过1.5%时，淬透性反倒会上升而使焊接热影响部的韧性变差。因 此，使(Cu+Cr+Ni)为 0. 4% 1. 5%。(Nb+Mo+V :0. 05% 以下)为了确保UOE钢管的焊接热影响部的韧性，使Nb、Mo、V各自的含量之和、即 (Nb+Mo+V)为 0. 05% 以下。本发明的UOE钢管具有如上说明的钢成分。以往，为了实现85%以下的低屈服比化，认为含有淬透性高的元素C、Mo、Nb，并采 用作为第2相的MA(马氏体、奥氏体)等硬组织与铁素体混合而成的混合组织是有效的。与之相反，在本发明中，由于随着淬透性变得过高，焊接热影响部的低温韧性会变 差，因此，抑制C含量、Mo含量以及Nb含量，考虑到Nb、V以及Mo的效果而将淬透性指数Pcm 抑制得较低。在本发明中，还可以含有除上述元素以外的元素，只要是能够满足API规格 X70等级以上的高强度且能使淬透性指数Pcm为0.22以下的成分即可。由此，本发明具有 以贝氏体为主体的金属组织，详细而言，该金属组织具有面积比为80%以上、优选为90% 以上的贝氏体。由此，利用本发明，由于“轴向上的屈服强度为480MPa以上、屈服比为85%以下、 焊接热影响部的夏比冲击试样吸收功在40°C时为40J以上、轴向上的拉伸强度为SOOMI^以 下”等抗震性能和焊接热影响部的低温韧性都很优异，因此能提供特别适合用作寒冷地区 的管线的高强度的UOE钢管。实施例1
参照实施例，更加详细地说明本发明。利用UOE成形，将具有表1所示的钢成分(表1所示之外的其余部分为和杂质， 未添加B，作为杂质的B的含量为0. 0001%)和淬透性指数Pcm的厚板钢板形成为圆筒状。 然后，利用埋弧焊(submerged arc welding)将对接部自内表面和外表面各焊接一道次，从 而制造成外径30 56英寸、壁厚20 38mm的UOE钢管。针对板厚调整为使外表面的焊 接部分和内表面的焊接部分具有3mm 30mm的重叠部地进行焊接。然后，测量出上述UOE钢管的母材的机械特性(屈服强度YS (MPa)、拉伸强度 TS(MPa)、屈服比YR(%))、焊接热影响部的夏比冲击试验的吸收功VE-40°C (J)0将测量结 果一并表示在表1中。另外，采用API板状试验片来评价母材的强度，屈服强度YS为总伸长率0.5%时的 应力。另外，夏比冲击试验采用JIS4号的2mmV形缺口试验片，将缺口设计为焊接部与焊接 影响部的比率为50 % 50 %，在-400C对6片试验片逐一进行试验，示出其最低值。表 权利要求
1.一种UOE钢管，其特征在于，该UOE钢管具有下述钢成分按质量％计含有C :0. 03% 0. 07%, Si :0. 05 % 0. 50%、Mn :1. 6% 2. 2%、P :0. 020% 以下、S :0. 003% 以下、Cu :0. 20% 0. 60%、Ni 0. 20% 0. 80%, Nb 0. 005% 0. 030%, Ti :0. 005% 0. 030%, N :0. 0070% 以下、Al 0.005% 0.060%，其余由！^e以及杂质构成，利用(1)式所规定的淬透性指数Pcm为 0. 22%以下，且Cu+Cr+Ni为0. 4% 1. 5%，并且Nb+Mo+V为0. 05%以下，该UOE钢管轴向 上的屈服强度为480MPa以上，屈服比为85%以下，此外，焊接热影响部的夏比冲击试样吸 收功在-40°C时为40J以上。淬透性指数 Pcm = C+ (Si/30) + (Ni/60) + (Mo/15) + {(Cr+Mn+Cu) /20} + (V/10) +5B... (1)
2.根据权利要求1所述的UOE钢管，其特征在于， 按质量％计，该UOE钢管还含有Cr 0. 10质量％以下。
全文摘要
本发明提供一种抗震性能及焊接热影响部的低温韧性优异的、适合用于设置在例如寒冷地区的多年冻土、地震发生地域的管线的高强度UOE钢管。该UOE钢管具有下述钢成分C0.03～0.07％、Si0.05～0.50％、Mn1.6～2.2％、P0.020％以下、S0.003％以下、Cu0.20～0.60％、Cr0.10％以下、Ni0.20～0.80％、Nb0.005～0.030％、Ti0.005～0.030％、N0.0070％以下、Al0.005～0.060％，其余由Fe以及杂质构成，淬透性指数Pcm为0.22％以下，且Cu+Cr+Ni为0.4～1.5％，并且Nb+Mo+V为0.05％以下，该UOE钢管轴向上的屈服强度为480MPa以上，屈服比为85％以下，此外，焊接热影响部的夏比冲击试样吸收功在-40℃时为40J以上。
文档编号C22C38/58GK102046825SQ200980119540
公开日2011年5月4日 申请日期2009年3月24日 优先权日2008年3月26日
发明者山本昭夫, 滨田昌彦, 高桥伸彰 申请人:住友金属工业株式会社