耐酸性、耐压碎特性及低温韧性优异的厚壁高强度线管用钢板和线管的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及耐酸性、耐压碎特性及低温韧性优异的厚壁高强度线管用钢板，特别 是涉及最适合于天然气或原油输送用的线管的原材料的耐酸性、耐压碎特性及低温韧性优 异的厚壁高强度线管用钢板和线管。
【背景技术】
[0002] 近年来，作为原油、天然气的长距离输送方法，管线的重要性越来越高。长距离输 送用的干线线管的设计的想法主要基于美国石油协会（API)标准，以往，为了防止负荷内 压时的破裂，开发了抗拉强度、低温韧性优异的线管。
[0003] 在为了提高原油、天然气的输送效率而提高内压时，需要线管的高强度化及厚壁 化，进而在将线管铺设于寒冷地区的情况下特别要求低温韧性。但是，一般由于高强度化、 厚壁化，钢材的韧性的确保变得困难。
[0004] 为了减少厚壁材料的板厚方向的硬度变化，改善低温韧性，专利文献1中，提出了 在金属组织变成奥氏体和铁素体的2相的温度域（2相域）中进行乳制的方法。通过上述方 法，可以将厚壁材料的金属组织制成在微细针状铁素体组织中混入了岛状马氏体的组织。
[0005] 此外，最近，对于线管的要求特性多样化，除了强度及低温韧性以外，有时还要求 不会因外压而压碎的耐压碎特性、在含有硫化氢等的酸环境中不会产生裂纹的耐酸性。特 别是在将管线铺设于深海中时，要求兼顾耐压碎特性及低温韧性这样的相反的特性。但是， 由于线管的厚壁化，该耐压碎特性及低温韧性的兼顾变得非常困难。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1 :日本特开平8-041536号公报
[0009] 专利文献2 :日本特开2010-084170号公报
[0010] 专利文献3 :日本特开2010-084171号公报
[0011] 专利文献4 :日本特开2011-132599号公报
[0012] 专利文献5 :日本特开2011-163455号公报
【发明内容】
[0013] 发明所要解决的问题
[0014] 如上述那样，近年来，对于铺设于深海中的天然气、原油输送用的线管的要求特性 存在复杂化的倾向，变得还要求厚壁化、高强度化、低温韧性、耐酸性、进而压碎特性。
[0015] 在上述的专利文献1的情况下，没有考虑对耐酸性、耐压碎性的应对。特别是存在 由于岛状马氏体成为破坏的起点，从而使破坏韧性降低的问题。
[0016] 针对这种问题，提出了抑制硬质的马氏体的生成而抑制铁素体与贝氏体的硬度差 的方法、通过利用微细的贝氏体来抑制鲍欣格效应的方法（例如，参照专利文献2~4)。
[0017] 近年来，对于线管的要求特性存在多样化的倾向，其中特别是深海用线管的要求 特性发生复杂化。具体而言，除了厚壁化、屈服应力（YS)、抗拉强度（TS)、低温韧性（-KTC 下的DWTT延性断口率）以外，还要求耐酸性、进而压碎特性（200°C下的时效后的圆周方向 的压缩的0.2 %流动应力）。
[0018] 然而，就现有的技术（例如专利文献2~5等）而言，能全部兼顾这些特性是非常 困难的。
[0019] 专利文献2中公开的发明考虑了对脆性裂纹传播停止性能及低温韧性的应对，但 没有考虑对耐酸性、耐压碎性的应对。此外，专利文献3中公开的发明考虑了低温韧性、压 碎特性，但没有考虑对耐酸性的应对。此外，专利文献4中公开的发明谋求了压缩强度及低 温韧性的平衡、高的压缩强度与耐酸性能的兼顾，但没有考虑上述的压碎特性（200°C下的 时效后的圆周方向的压缩的0. 2%流动应力）。
[0020] 专利文献5中发现：在板厚为25mm以上的美国石油协会（API)标准X80 (抗拉强 度为620MPa以上）以下的线管用钢管的情况下，将板厚的中央部制成微细的贝氏体组织是 极其困难的。为了解决这样的技术课题，专利文献5中，提出了以使C的含量降低、将金属 组织制成以贝氏体为主体的低温相变组织而使韧性提高的钢材为基础，添加Mo而提高淬 火性，抑制A1的添加而有效利用晶内贝氏体的制造方法。
[0021] 专利文献5中公开的发明通过提高母材的淬火性，并由以钢板整体为贝氏体主体 的均匀的金属组织构成，从而将HAZ的有效晶粒微细化。专利文献5中公开的发明的意图 是焊接部的低温韧性化，但没有考虑对耐酸性、耐压碎性的应对。
[0022] 此外，在板厚的中央部中，基于控制乳制的压下及基于控制冷却的冷却速度变得 不充分。因此，即使是淬火性提高的情况下，伴随着板厚的增加，使钢板整体变成均匀的金 属组织也是困难的。
[0023] 此外，以往，线管用钢板的板厚经常为20mm以下的薄壁，若在API标准中为X65级 左右的强度，则能够容易地确保耐酸性、低温韧性、耐压碎特性这样的多样特性。这是由于， 在热乳中充分确保压下率而有效晶体粒径变得微细，进而利用加速冷却的表层与板厚中央 部的冷却速度的差小，金属组织发生均质化。然而，若变成板厚为25mm以上、特别是30mm 以上的厚壁，则满足耐酸性、低温韧性、耐压碎特性的全部变得困难。
[0024] 特别是耐压碎特性的确保与低温韧性的确保相反，就现有技术而言，还没有设计 出能够兼顾耐压碎特性和低温韧性那样的材料。
[0025] 本发明鉴于这样的实际情况，课题是提供最适合于天然气、原油输送用的线管的 原材料的、以良好的平衡具有耐酸性、耐压碎特性及低温韧性的厚壁高强度线管和上述厚 壁高强度线管用钢板。
[0026] 用于解决问题的手段
[0027] 本发明人为了得到线管用钢板中耐酸性、耐压碎特性及低温韧性优异的厚壁高强 度线管用钢板，着眼于金属组织及晶体粒径进行了深入研究。其结果发现，在厚壁线管（也 称为"厚壁钢管"）中，关于用于达成（1)强度与耐酸性的兼顾、（2)厚壁钢管的强度与耐压 碎特性的兼顾、（3)厚壁钢管的强度与低温韧性的兼顾的成分、金属组织、制造方法等，分别 可以按照如下所述进行整理。
[0028] (1)强度与耐酸性的兼顾
[0029] 为了在不损害耐酸性的情况下提高线管的强度，将作为上述线管的母材的钢板的 金属组织制成针状铁素体或贝氏体的均匀的组织是有效的。此外，为了提高耐酸性，必须抑 制中心偏析部的硬化。
[0030] 这里，对在酸环境中产生的裂纹的机制进行说明。酸环境中的裂纹、特别是氢诱发 裂纹（HIC)特别是起因于在存在于钢板的中心偏析部中的伸长的MnS系夹杂物等钢中的 缺陷的周围聚集的氢。即，在酸环境中，侵入钢中的氢聚集在这些缺陷的周围而变成气体， 在其压力超过钢的破坏韧性值（KIC)的情况下，产生裂纹。进而，若钢的中心偏析部、夹杂 物的周边等发生硬化，则裂纹变得容易传播。因此，就在酸环境中使用的线管而言，抑制伸 长的MnS的生成、中心偏析的硬化相的形成是有效的，具体而言，使加速冷却在稍高温下停 止、例如按照钢的中心偏析部的温度达到400°C以上的方式停止热乳后的加速冷却是有效 的。另外，所谓中心偏析部是指起因于铸造时的凝固偏析，在钢板的板厚中央部中Mn等成 分发生浓化的部位。
[0031] (2)厚壁钢管的强度与耐压碎特性的兼顾
[0032] 在厚壁钢管的情况下，为了确保强度及耐压碎特性这两者，添加Mo等而提高淬火 性，通过热乳后的加速冷却生成位错密度高的马氏体、贝氏体，促进应变时效是有效的。具 体而言，若按照稍低温、例如钢板表面温度达到400°C以下的方式控制加速冷却的停止温 度，则生成马氏体，能够促进厚壁钢管的涂装烧结处理（涂装时加热至200°C前后并保持的 处理）时的应变时效。
[0033] (3)厚壁钢管的强度与低温韧性的兼顾
[0034] 在厚壁钢管的情况下，与薄壁的钢管的情况相比，原奥氏体（通过加速冷却而发 生相变之前的奥氏体）变得粗大，低温韧性降低。此外，若与贝氏体的单独组织相比，针状 铁素体的单独组织的有效晶体粒径小，但尽管如此也不能说低温韧性是充分的。因此，为了 确保低温韧性，多边形铁素体的生成是有效的。但是，由于多边形铁素体使强度降低，所以 为了确保强度，制成与贝氏体、针状铁素体的复合组织是有效的。
[0035] 如以上叙述的那样，获知同时满足上述（1)~（3)，确保耐酸性、低温韧性、耐压碎 特性的全部是困难的。例如，对于（2)的耐压碎特性而言马氏体是有效的，但对于（1)的耐 酸性及（3)的低温韧性而言马氏体是有害的。此外，对于（3)的低温韧性而言多边形铁素 体是有效的，但（1)的耐酸性由于因多边形铁素体的生成而组织变得不均匀，所以降低。此 外，位错密度低的多边形铁素体使耐压碎特性降低。
[0036] 因此，本发明人研究了有效利用厚壁这样的特征、即通过热乳及其后的加速冷却 利用起因于板厚的表面与中心部的温度差来控制组织的方法。并且留意到在板厚中央部中 耐酸性的确保、进而在表层中耐压碎特性的确保分别非常重要这点。此外，为了确保低温韧 性，研究了有效晶体粒径的微细化。
[0037] 首先获知，在板厚中央部中，为了确保耐酸性、强度、及低温韧性，抑制加工铁素体 及马氏体-奥氏体混成物（以下，称为"MA"。）的生成而抑制硬化，制成由针状铁素体、贝 氏体的一者或两者构成的均质的组织是有效的。
[0038] 其中，在板厚中央部中通过偏析而Mn发生浓化，淬火性高，铁素体的生成得到抑 制。但是，为了确保低温韧性，铁素体的生成是有效的，制成向着表层而铁素体量增加那样 的金属组织变得必要。
[0039] 另一方面，若为了确保低温韧性而生成软质的多边形铁素体，则表层的圆周方向 的压缩屈服应力降低，耐压碎特性降低。针对这种问题，本发明人认为只要使表层中生成 加工铁素体，提高铁素体的位错密度而促进应变时效，使耐压碎特性提高即可。因此发现， 关于表层的组织，为了满足耐压碎特性以面积率计生成5%以上的加工铁素体较佳，为了确 保低温韧性，抑制MA，将剩余部分制成由多边形铁素体、贝氏体的一者或两者构成的组织较 佳。
[0040] 若加工铁素体多，则压碎强度增加，但因此而导致低温韧性恶化。为了确保低温韧 性，有必要在一定程度上限制加工铁素体量。即，有必要将承担压碎强度的部分和承担低温 韧性的部分根据板厚而适当分配。即，板厚变得越薄，则表层部的加工铁素体的容许量变得 越少，板厚变得越厚，则表层部的加工铁素体的容许量变得越多。因此，发明人调查了加工 铁素体的容许量与板厚的关系，发现了最佳的关系。
[0041] 本发明是基于这些认识而完成的，其主旨如下。
[0042] [1] -种耐酸性、耐压碎特性及低温韧性优异的厚壁高强度线管用钢板，其特征在 于，其是板厚为25mm以上且45mm以下的钢板，
[0043] 其成分以质量％计含有：
[0044] C:0? 04 ~0? 08%、
[0045] Mn:1.2 ~2.0%、
[0046] Nb:0? 005 ~0? 05%、
[0047] Ti:0? 005 ~0? 03%、
[0048] Ca:0? 0005 ~0? 0050%、
[0049] N:0? 001 ~0? 008%，