管线用厚壁电焊钢管及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及管线用厚壁电焊钢管，特别涉及具有API (美国石油学会（American Petroleum Institute))X52 ~X80 级（屈服强度 YS :相当于 360MPa ~555MPa)高强度、 且母材部和电焊部均具有高韧性（high toughness)的管线用厚壁电焊钢管（havy wall electric resistance welded steel pipe for line pipe)及其制造方法。需要说明的 是，这里所说的"厚壁"是指壁厚（wall thickness)为20mm以上的情况。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着深海的油田、气田的开发，作为海底管道（offshore pipeline)用途、 油井管（Oil Country Tubular Goods)用途，强烈地期望高强度厚壁钢管。而且，对于面向 北海（the North Sea)、阿拉斯加（Alaska)等寒冷地区（cold area)的钢管而言，强烈地要 求电焊管焊接部的低温可靠性（low temperature reliability)，特别要求低温下的脆性 破坏初始抗力（brittle fracture initiation resistance) 〇
[0003] 对于电焊钢管的焊接部（weld zone)(电焊部（electric resistance weld zone))而言，由于在焊接时快速加热（rapid heating)、快速冷却（rapid quenching)，通 常比母材部的强度（strength)(硬度（hardness))更高而韧性（toughness)降低。针对这 样的电焊部的问题，最近提出了如下技术：在焊接（电焊焊接）后对电焊部（焊接部）在 线（in-line)地实施加热和冷却，改善电焊焊接部的组织（microstructure)，从而使电焊 焊接部的韧性恢复（提高）至与母材相同的程度。
[0004] 例如，专利文献1记载了一种低温韧性（low temperature toughness)优异的 电焊钢管的制造方法，该方法包括：将电焊钢管的电焊焊接部加热至850~1000°C，然 后从Ar 3相变点以上以超过30°C /秒且为KKTC /秒以下的冷却速度进行快速冷却，在 (Ar「50°C )~（Ar1-IOiTC )停止冷去卩，然后进行弱冷却（weak cooling)，所述电焊钢管以 C :0. 05~0. 20%、Si :0. 3%以下、Mn :0. 50~2. 00%作为基本成分，且含有Nb :0. 01~ 0. 10%、V :0. 01~0. 10%、Ti :0. 01~0. 05%中的一种或两种以上，余量由Fe及不可避免 的构成。由此，不实施冷却后的再加热（回火（tempering))也能够使电焊部的韧性达到与 母材相同程度优异的韧性。
[0005] 另外，专利文献2记载了一种高韧性电焊钢管的制造方法，该方法包括：将电焊钢 管的焊接部（电焊部）加热至850~1050°C，以冷却速度5~20°C/秒进行冷却，或者进一 步实施加热至550°C以下后再进行冷却的回火，所述电焊钢管具有如下成分体系：含有C : 0· 10% 以下、Si :0· 5% 以下、Mn :0· 4 ~I. 6%、P :0· 025% 以下、S :0· 010% 以下、Nb :0· 01 ~ 0. 08%、Ti :0. 01~0. 07%、V :0. 005~0. 07%，余量由Fe及不可避免的构成。由此，可以 使电焊部兼具与母材相同程度的高强度和高韧性。
[0006] 另外，专利文献3记载了一种厚壁电焊钢管的热处理方法。专利文献3记载的技术 是一种厚壁电焊钢管的热处理方法，该方法包括：在用高频感应加热装置（high-frequency dielectric heating device)对厚壁电焊钢管的焊接部连续地进行热处理时，首先在第1 次加热时进行加热使得焊接部内表面的温度为（Ar3A+50°C)以上，接着，通过水冷或自然 冷却将外表面温度冷却至被加热材料的贝氏体相变（bainite transformation)结束温度 (end temperature)以下，接下来，在第2次加热时加热至Ac3相变区域（Ac3transformation zone)能够完全覆盖由第1次加热和冷却引起的贝氏体相变产生区域（generating area) 的温度、且为产生贝氏体组织（bainite microstructure)的温度以下。由此，能够不用附 加复杂且处理时间长的工序就可制造加工性（workability)、韧性及耐腐蚀性（corrosion resistance)优异的具有焊接部的厚壁电焊钢管。
[0007] 现有技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1 :日本特公平07-42509号公报
[0010] 专利文献2 :日本特开平06-158177号公报
[0011] 专利文献3 :日本特开平06-220547号公报
[0012] 发曰月的内容 [0013] 发明要解决的课题
[0014] 然而，对于专利文献1、2所记载的技术而言，如果不进一步增强用于加热的设备， 则在线处理（in-line process)中无法使壁厚20mm以上的厚壁电焊钢管的电焊部成为具 有高强度且高韧性的电焊部，存在经济上不利的问题。而且，对于壁厚为20mm以上的厚 壁电焊钢管而言，存在难以在全部壁厚方向上确保如专利文献1所述的超过30°C /秒且 KKTC /秒以下的冷却速度的问题。另外，在以如专利文献2所记载的5~20°C /秒的冷却 速度对壁厚为20mm以上的厚壁电焊钢管进行冷却时，存在电焊部中容易生成铁素体+珠光 体组织而容易使电焊部的强度降低的问题。
[0015] 另外，专利文献3中仅记载了比较厚的壁厚16. Omm的例子，并未提及壁厚20mm以 上的厚壁电焊钢管。而且，专利文献3所记载的技术需要实施两次加热处理等复杂的工序。 在将专利文献3所述的技术应用于壁厚20mm以上的厚壁电焊钢管时，需要实施再次加热至 Ac3相变区域能够完全覆盖第1次加热和冷却引起的贝氏体相变产生区域的温度的加热处 理等复杂的工序，需要多个加热装置（heating device)的较长的加热带、以及较长的冷却 带等，存在经济上不利的问题。另外，对于专利文献3所述的技术而言，存在如下问题：如 果不进一步增强加热设备等，则在线处理中无法实施使壁厚20mm以上的厚壁电焊钢管的 电焊部成为具有高强度且高韧性的电焊部的热处理而不降低制管速度（pipe production speed) 〇
[0016] 本发明的目的在于，解决上述现有技术的问题，提供一种作为管线用途的具有API X52~X80级的高强度、且母材部和电焊部均具有高韧性的管线用厚壁电焊钢管及其制造 方法。在本发明中，特别将解决方法定为不进行回火而通过1次电焊部的热处理来使电焊 部高韧性化。需要说明的是，这里所说的"厚壁"是指壁厚为20mm以上的情况。另外，这里 所说的"高韧性"是指CTOD试验（crack-tip-opening-displacement test)中在试验温度 为-25°C时的张开位移临界值（critical opening displacement) δ为0.80mm以上的情 况。
[0017] 解决课题的方法
[0018] 本发明人等为了实现上述目的，首先对影响壁厚20mm以上的厚壁电焊钢管的电 焊部的韧性的各种因素进行了深入研究。
[0019] 其结果发现：在用CTOD试验评价电焊部的韧性时，为了使电焊部高韧性化需要使 电焊部在壁厚方向上全部为富有韧性的组织；为了不进行回火处理而用1次热处理使电焊 部高韧性化，需要通过1次热处理在整个电焊部确保由贝氏体铁素体相（bainitic ferrite phase)和/或贝氏体相（bainite phase)构成的组织；对于混入了马氏体相（martensite phase)或珠光体（pearlite)的组织而言，无法不进行回火处理而确保高韧性。因此，需要 进行控制冷却（controlled cooling)，使得冷却条件如图2所示，避开在整个电焊部生成 马氏体或珠光体的区域，而通过生成贝氏体铁素体相和/或贝氏体相的区域。需要说明的 是，图2中的M表示马氏体，BF表示贝氏体铁素体，F表示铁素体，P表示珠光体。
[0020] 在线的电焊部热处理由于受到设备限制，因此通常通过如下方法进行：使用高 频加热等加热装置从管外面进行加热，使用利用水等的冷却装置（水冷装置）从管外面 进行冷却。因此，在加热时，不可避免地在管的壁厚方向上产生温度分布（temperature distribution)，在壁厚方向上产生粒径分布（grain size distribution)。
[0021] 因此，本发明人等在上述受限的条件下对影响电焊部韧性的各种因素进行了深入 研究。其结果发现，如果将电焊钢管的管外面及管内面的加热温度和冷却速度精密地调节 至合适范围内，并对电焊部实施热处理，则能够使整个电焊部成为由贝氏体铁素体相和/ 或贝氏体相构成的组织，进而能够形成壁厚方向上最粗粒位置的平均结晶粒径（最粗粒位 置的平均结晶粒径）与壁厚方向上最细粒位置的平均结晶粒径（最细粒位置的平均结晶粒 径）之比（最粗粒位置的平均结晶粒径）八最细粒位置的平均结晶粒径）为2.0以下的均 匀组织，可以通过1次热处理（1步加热冷却处理）使壁厚20mm以上的电焊钢管的电焊部 高韧性化。（最粗粒位置的平均结晶粒径）八最细粒位置的平均结晶粒径）超过2.0时，粗 粒的部位容易成为脆性裂纹（brittle crack)的起点（origination)，因此韧性降低，无法 确保所希望的高韧性。
[0022] 本发明是基于上述见解并进行进一步研究而完成的。即，本发明的要点如下。
[0023] [1] -种管线用厚壁电焊钢管，其是以厚热乳钢板为原材料制管而成、且由母材部 和电焊部构成的厚壁电焊钢管，其中，
[0024] 所述母材部具有如下组成：以质量％计含有C :0.02~0. 10%、Si :0.05~ 0· 30%、Mn :0· 80~2. 00%、Nb :0· 010~0· 100%，且由下述式（1)定义的碳当量Ceq满足 0. 25~0. 50%，并且具有由贝氏体铁素体相和/或贝氏体相构成的组织，
[0025] 所述母材部具有屈服强度为360MPa以上的高强度、以及夏比冲击试验（Charpy impact test)的韧脆转变温度（fracture transition temperature) vTrs 为 _45°C 以下的 高韧性，
[0026] 所述电焊部具有如下的组织：由贝氏体铁素体相和/或贝氏体相构成，且壁厚方 向的各位置处的最粗粒位置的平均结晶粒径与壁厚方向的最细粒位置的平均结晶粒径之 比（最粗粒位置的平均结晶粒径V(最细粒位置的平均结晶粒径）为2. 0以下，
[0027] 所述电焊部具有CTOD试验中在试验温度_25°C下的张开位移临界值δ为〇. 80mm 以上的高韧性。
[0028] Ceq(%