(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（ＡＰＩ規格５Ｌ基準）を有する鋼管の端部を突き合わせて、突き合わせ部を円周方向に溶接して形成されるラインパイプの円周溶接継手であって、溶接金属の引張強度ＴＳ−ｗと母材の引張強度ＴＳ−ｂとの比率（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）と溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとの比率（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）との積で表した継手強度比率σmatch＝（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）・（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）と、母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-cri（％）とが（１）式を満たし、かつ溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとが（２）式を満たすことを特徴とするラインパイプの円周溶接継手。
σmatch＞４．８５εp-cri-0.31        …（１）
ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ≧１．０      …（２）
【請求項２】
１層あたり１パスの積層方法を用い１パスあたりの溶接入熱量を８０００Ｊ／ｃｍ以上とするサブマージアーク溶接方法によって形成されることを特徴とする請求項１記載のラインパイプの円周溶接継手。
【請求項３】
５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（ＡＰＩ規格５Ｌ基準）を有する鋼管の端部を突き合わせて、突き合わせ部を円周方向に溶接するラインパイプの円周溶接継手の形成方法であって、溶接金属の引張強度ＴＳ−ｗと母材の引張強度ＴＳ−ｂとの比率（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）と溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとの比率（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）との積で表した継手強度比率σmatch＝（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）・（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）と、母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-cri（％）とが（１）式を満たし、かつ溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとが（２）式を満たすように、溶接材料及び溶接条件を選定して溶接を行うことを特徴とするラインパイプの円周溶接継手の形成方法。
σmatch＞４．８５εp-cri-0.31        …（１）
ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ≧１．０      …（２）
【請求項４】
１層あたり１パスの積層方法を用い１パスあたりの溶接入熱量を８０００Ｊ／ｃｍ以上とするサブマージアーク溶接方法によって溶接を行うことを特徴とする請求項３記載のラインパイプの円周溶接継手の形成方法。
【請求項５】
鋼管の端部を突き合わせて、突き合わせ部を円周方向に溶接して形成されるラインパイプであって、溶接金属の引張強度ＴＳ−ｗと母材の引張強度ＴＳ−ｂとの比率（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）と溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとの比率（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）との積で表した継手強度比率σmatch＝（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）・（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）と、母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-cri（％）とが（１）式を満たし、５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（ＡＰＩ規格５Ｌ基準）を有することを特徴とするラインパイプ。
σmatch＞４．８５εp-cri-0.31        …（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（アメリカ石油協会規格（ＡＰＩ）規格５Ｌ基準）を有する高強度のラインパイプの円周溶接継手、ラインパイプの円周溶接継手の形成方法、及びラインパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス又は石油を輸送するパイプラインに使用される鋼管については、操業圧力を増加させることによって輸送効率の向上を図るために、高強度化が進められている。一方、地震地帯や凍土地帯に敷設されるパイプラインについては、地盤変動による外力によって大きな塑性変形が発生するおそれがある。塑性変形が発生したパイプラインでは、円周溶接部等の部分に潜在する欠陥から延性き裂が発生・進展する、又は、母材部でくびれが発生することによって延性破壊が発生することがある。【０００３】
従来、溶接継手の設計においては、脆性破壊防止の観点から溶接継手部に変形や歪が集中するのを阻止するため、溶接金属の降伏強度及び引張強度を、母材のそれより高くすること（オーバーマッチング）を基本とし、母材に比べ１１０％乃至１２０％程度のオーバーマッチングを要求されていた（特許文献１の発明の実施の形態の欄を参照）。しかし、最近では、大きな地盤変動が生じる地域で使用するパイプラインには十分な脆性破壊特性を有する鋼が使用されており、破壊形態としては延性破壊が問題になっている。にもかかわらず、溶接金属を選定する際には、破壊形態に関わらず母材降伏強度及び母材引張強度との比較で１１０％以上のオーバーマッチングとなる継手設計がなされているのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４８３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、破壊形態として延性破壊が問題となるような場合においても、従来の脆性破壊防止の観点から設計されたオーバーマッチングを適用し続けることは、過度に安全側の設計となっているおそれがある。【０００６】
また、従来、ラインパイプを円周溶接する場合、ラインパイプを敷設する場所でガスシールドメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）等の溶接方法によりラインパイプを接合するのが一般的である。しかし、最近では、コスト削減に向けた高効率化の観点から、あらかじめ工場において２本のラインパイプを溶接してつないでから、ラインパイプを敷設する場所へ搬送するという方法が取られる場合がある。このような工場での溶接の場合には、円周溶接を行うのにガスシールドメタルアーク溶接ではなく、より高効率の溶接が可能なサブマージアーク溶接が用いられる場合がある。しかし、円周溶接をサブマージアーク溶接で行い、最大４００００Ｊ／ｃｍの入熱となる場合、溶接割れを起こさずＡＰＩ規格Ｘ８０グレードの母材に対して母材降伏強度との比較で１１０％以上のオーバーマッチングとなる溶接継手の形成は困難である。【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、ラインパイプに使用される高強度鋼管の端部を突き合わせ、端部に沿って円周溶接を行う場合において、母材引張強度と同等の継手強度を確保できるラインパイプの円周溶接継手、ラインパイプの円周溶接継手の形成方法、及びラインパイプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るラインパイプの円周溶接継手は、５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（ＡＰＩ規格５Ｌ基準）を有する鋼管の端部を突き合わせて、突き合わせ部を円周方向に溶接して形成されるラインパイプの円周溶接継手であって、溶接金属の引張強度ＴＳ−ｗと母材の引張強度ＴＳ−ｂとの比率（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）と溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとの比率（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）との積で表した継手強度比率σmatch＝（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）・（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）と、母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-cri（％）とが（１）式を満たし、かつ溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとが（２）式を満たすことを特徴とする。
σmatch＞４．８５εp-cri-0.31        …（１）
ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ≧１．０      …（２）【０００９】
本発明に係るラインパイプの円周溶接継手は、上記発明において、１層あたり１パスの積層方法を用い１パスあたりの溶接入熱量を８０００Ｊ／ｃｍ以上とするサブマージアーク溶接方法によって形成されることを特徴とする。【００１０】
本発明に係るラインパイプの円周溶接継手の形成方法は、５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（ＡＰＩ規格５Ｌ基準）を有する鋼管の端部を突き合わせて、突き合わせ部を円周方向に溶接するラインパイプの円周溶接継手の形成方法であって、溶接金属の引張強度ＴＳ−ｗと母材の引張強度ＴＳ−ｂとの比率（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）と溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとの比率（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）との積で表した継手強度比率σmatch＝（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）・（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）と、母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-cri（％）とが（１）式を満たし、かつ溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとが（２）式を満たすように、溶接材料及び溶接条件を選定して溶接を行うことを特徴とする。
σmatch＞４．８５εp-cri-0.31        …（１）
ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ≧１．０      …（２）【００１１】
本発明に係るラインパイプの円周溶接継手の形成方法は、上記発明において、１層あたり１パスの積層方法を用い１パスあたりの溶接入熱量を８０００Ｊ／ｃｍ以上とするサブマージアーク溶接方法によって溶接を行うことを特徴とする。【００１２】
本発明に係るラインパイプは、鋼管の端部を突き合わせて、突き合わせ部を円周方向に溶接して形成されるラインパイプであって、溶接金属の引張強度ＴＳ−ｗと母材の引張強度ＴＳ−ｂとの比率（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）と溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとの比率（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）との積で表した継手強度比率σmatch＝（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）・（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）と、母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-cri（％）とが（１）式を満たし、５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（ＡＰＩ規格５Ｌ基準）を有することを特徴とする。
σmatch＞４．８５εp-cri-0.31        …（１）
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、円周溶接継手部等の部分に欠陥が存在しても円周溶接継手部全体として母材の引張強度と同等の継手強度を確保することができ、合理的でかつ必要な強度を満たすラインパイプの円周溶接継手を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の効果を説明する実施例における実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
地盤変動による外力によって大きな塑性変形が発生するパイプラインの円周溶接継手部において、円周溶接継手部等の部分に欠陥が存在しても円周溶接継手部全体として母材の引張強度と同等の継手強度を確保できればよい。本発明者は、円周溶接継手部に規格で許容される最大欠陥が存在する場合の継手の延性破壊性能とマッチングとの関係を調査した。その結果、本発明者は、脆性破壊しない円周溶接継手部の継手強度は、ある一定以上の延性き裂に対する発生抵抗を有する場合、降伏強度において従来のように必ずしも１１０％以上のオーバーマッチングである必要がないことを新たに知見した。本発明は係る知見に基づくものである。
【００１６】
本発明の一実施の形態に係るラインパイプの円周溶接継手は、５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（ＡＰＩ規格５Ｌ基準）を有する鋼管の端部を突き合わせて、突き合わせ部を円周方向に溶接して形成されるラインパイプの円周溶接継手であって、溶接金属の引張強度ＴＳ−ｗと母材の引張強度ＴＳ−ｂとの比率（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）と溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとの比率（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）との積で表した継手強度比率σmatch＝（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）・（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）と、母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-cri（％）とが（１）式を満たし、かつ溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとが（２）式を満たすことを特徴とする。
σmatch＞４．８５εp-cri-0.31        …（１）
ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ≧１．０      …（２）
【００１７】
前述したように、従来、溶接継手の設計においては、脆性破壊防止の観点から溶接継手部に変形や歪が集中するのを防止するため、溶接金属の強度を母材の強度より高くすることを基本としており、溶接金属はその強度が母材の降伏強度及び引張強度と比較して１１０％以上のオーバーマッチングとなるよう選定されていた。しかし、５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（ＡＰＩ規格５Ｌ基準）を有する鋼管において十分な脆性破壊特性を有する場合、溶接継手部は脆性破壊しない。脆性破壊しない溶接継手は、溶接金属の引張強度と母材の引張強度との比率と溶接金属の降伏強度と母材の降伏強度との比率との積で表した継手強度比率σmatchと、母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-criとの関係で示される（１）式と、溶接金属の降伏強度が母材の降伏強度以上であることを示す（２）式とを満たせば、溶接継手全体として破壊することなく母材と同等の継手強度を示すことが明らかになった。つまり、脆性破壊しない上記溶接継手では、（１）式を満たす延性き裂に対する破壊抵抗を有することで、延性き裂の成長を抑え、溶接継手全体として破壊することなく、かつ（２）式を満たすことで、母材と同等の継手強度を有することができる。より好ましくは、ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂの値は１．０５以上である。
【００１８】
延性き裂に対する発生抵抗は、パイプライン分野においてはシングル・エッジ・ノッチ・テンション（ＳＥＮＴ）試験によって同定することができる。この点は、実鋼管の溶接部に欠陥がある場合の延性き裂の発生は、ＳＥＮＴ試験で得られる延性き裂発生限界相当塑性歪εp-criで予測・評価できることを示した下記の論文にも記載されている。
“TENSILE  STRAIN  CAPACITY  OF  X80  PIPELINE  UNDER  TENSILE  LOADING  WITH  INTERNAL  PRESSURE”,  S.Igi,  Proceedings  of  the  8th  International  Pipeline  Conference,IPC2010-31281  
【００１９】
本発明ではこの手法で得られる母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-criを延性き裂に対する発生抵抗としている。また、継手強度比率σmatchは、降伏応力及び引張強度それぞれに対するマッチング比率を規定し、溶接金属の引張強度ＴＳ−ｗと母材の引張強度ＴＳ−ｂとの比率を（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）、溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとの比率を（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）とすると、（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）・（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）で表すこととした。
【００２０】
５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（ＡＰＩ規格５Ｌ基準）を有し、様々な母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-criを有する鋼管を用い、溶接金属が種々のマッチングとなるように設定した溶接材料を用いて溶接継手を形成し、広幅引張試験により継手強度を評価した。広幅引張試験では、溶接部と母材部との境界にＡＰＩ規格１１０４に記載されている許容最大欠陥長さ２５ｍｍ（融合不良等の表面欠陥）、及びＥＰＲＧ（European  Pipeline  Research  Group）ガイドラインに記載されている許容最大欠陥深さ３ｍｍの表面欠陥を導入している。
【００２１】
継手強度の評価の結果、上記溶接継手は、規格で許容される最大の表面欠陥が存在しても、溶接継手の引張強度と母材の引張強度との比率と溶接金属の降伏強度と母材の降伏強度との比率との積で表した継手強度比率σmatchと母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-criとの関係で示される上記（１）式と、溶接金属の降伏強度が母材の降伏強度以上であることを示す上記（２）式とを満たせば、溶接継手全体として破壊することなく母材の引張強度と同等の継手強度を示すことが明らかになった。
【００２２】
地盤変動による外力によって大きな塑性変形が発生する場合でも、上記の溶接継手は母材と同等の引張強度及び伸び特性を示すため、溶接金属の降伏強度に対する過度なオーバーマッチを要求することなく合理的な継手設計が可能である。また、鋼板の板厚は特に限定されないが、本発明は、例えば、板厚が０．５ｉｎｃｈ（１２．３ｍｍ）超の高強度鋼管に適用するのが好ましい。なぜなら、板厚が薄くなると、最大許容欠陥深さ３ｍｍが板厚に対し相対的に大きくなり脆性破壊する可能性があるからである。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の効果を確認する実験を行ったので、これについて説明する。実施例における条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件ないし条件の組合せを採用し得るものである。【００２４】
鋼種：ＡＰＩ規格５Ｌ  Ｘ８０グレードで、板厚：２３．７ないし３８．０ｍｍの鋼管を準備し、一層あたり１パスの積層方法を用い１パスあたりの溶接入熱量を８０００Ｊ／ｃｍ以上とするラインパイプの円周サブマージアーク溶接（ダブルジョイント溶接）により作製した溶接継手部の最大引張強度を母材の引張強度と比較した結果を表１及び図１に示す。【００２５】
【表１】
0005621948.tif 000002
【００２６】
溶接継手の最大引張強度は、溶接継手部を含む広幅引張試験体の引張試験により求めた。広幅引張試験寸法は、幅３００ｍｍ、平行部長さ１３５０ｍｍ、及び元厚のままとした。また、溶接継手の最大引張強度は、標点間９００ｍｍ（幅の３倍）の引張方向変位から計算される引張歪及び引張荷重と初期断面積から計算される応力との関係から応力が最大点を示す値とした。【００２７】
表１中のεp-criは、対象母材の熱影響部延性き裂発生限界相当塑性歪であり、非特許文献１記載の手法と同様の手法により測定した。また、母材及び溶接金属の降伏強度及び引張強度は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格Ａ３７０に準拠して測定した。【００２８】
図１において、縦軸は継手強度比率σmatchを示し、横軸は延性き裂発生限界相当塑性歪εp-criを示している。図１における曲線は、下式（３）により表される。
σmatch＝４．８５εp-cri-0.31        …（３）【００２９】
したがって、図１における曲線よりも上方の範囲が（１）式を満たす範囲となる。図１には、発明例（Ｎｏ．１ないし４）及び比較例（Ｎｏ．５ないし７）における継手強度比率σmatchの値がプロットされており、○印が発明例（Ｎｏ．１ないし４）で×印が比較例（Ｎｏ．５ないし７）である。図１に示すように、発明例（Ｎｏ．１ないし４）の継手強度比率σmatchは全て曲線の上方にあり、比較例（Ｎｏ．５ないし７）の継手強度比率σmatchは全て曲線の下側にある。つまり、発明例（Ｎｏ．１ないし４）は全て（１）式を満たしており、逆に比較例（Ｎｏ．５ないし７）は（１）式を満たしていない。また、表１から分かるように、発明例（Ｎｏ．１ないし４）及び比較例（Ｎｏ．５ないし７）は共に（２）式を満たしている。【００３０】
表１に示すように、（１）式及び（２）式を満たす発明例（Ｎｏ．１ないし４）では、溶接継手部の最大引張強度σmax-Jと母材の最大引張強度σmax-Bとの比率σmax-J／σmax-Bが１．０となっており、溶接継手部の最大引張強度は母材の最大引張強度と同等の性能を有している。そして、発明例（Ｎｏ．１ないし４）では、母材引張強度との比較では１１０ないし１２０％程度のオーバーマッチングとなっているが、母材降伏強度との比較では１０８％以下のオーバーマッチングとなっている。これに対して、比較例（Ｎｏ．５ないし７）は（１）式を満たさず、溶接継手部が十分に変形する前に破壊し、溶接継手部の最大引張強度は母材の最大引張強度の８０％以下となった。特に、比較例（Ｎｏ．７）は、降伏強度及び引張強度が共に１１０％以上のオーバーマッチングを達成しているが、延性き裂に対する抵抗が低いため十分な継手強度を示していない。
【００３１】
上記のように、本発明例の溶接継手は、溶接継手部の最大引張強度は母材の最大引張強度と同等の性能を有し、かつ母材降伏強度との比較では１０８％以下のオーバーマッチングであることから、合理的でかつ十分な強度を有する溶接継手であることが実証された。上記の実施例においては、板厚１２．３ｍｍ以上の鋼管について本発明の有効性を確認したが、このことは本発明が板厚を限定することを意味するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、円周溶接継手部等に欠陥が存在しても円周溶接継手部全体として母材の引張強度と同等の継手強度を確保することができ、合理的でかつ必要な強度を満たすラインパイプの円周溶接継手を提供することができる。
【要約】
本発明に係るラインパイプの円周溶接継手は、５５５Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度（ＡＰＩ規格５Ｌ基準）を有する鋼管の端部を突き合わせて、突き合わせ部を円周方向に溶接して形成されるラインパイプの円周溶接継手であって、溶接金属の引張強度ＴＳ−ｗと母材の引張強度ＴＳ−ｂとの比率（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）と溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとの比率（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）との積で表した継手強度比率σmatch＝（ＴＳ−ｗ／ＴＳ−ｂ）・（ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ）と、母材熱影響部の延性き裂発生限界相当塑性歪εp-cri（％）とが（１）式を満たし、かつ溶接金属の降伏強度ＹＳ−ｗと母材の降伏強度ＹＳ−ｂとが（２）式を満たすことを特徴とする。
σmatch＞４．８５εp-cri-0.31        …（１）
ＹＳ−ｗ／ＹＳ−ｂ≧１．０      …（２）【図１】
0005621948.tif 000003