(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％を含み、かつＣｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％の１種または２種以上、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、管厚と外径との比が０．０２未満の場合には、ミクロ組織中でパーライト、ベーナイト、マルテンサイトのうち少なくとも１種からなる第２相組織の面積分率が２０％以上３０％以下で、残部が第１相としてのフェライト組織を有し、管厚と外径との比が０．０２以上の場合には、前記第２相組織の面積分率が１０％以上２５％以下で、残部が第１相としてのフェライト組織を有する鋼管であって、８０％以下の降伏比を有し、かつ、試験片長手方向を鋼管の軸方向に一致させて採取した引張試験片を用いて引張試験を行い、得られた公称応力−公称歪曲線において、公称応力−公称歪の勾配が、０％から５％の歪範囲において常に正となることを特徴とする、地震時に軸方向に引張・圧縮応力が作用するラインパイプに用いられる耐圧縮局部座屈性に優れた鋼管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスパイプライン、水道配管などに使用される地震時の耐局部座屈性に優れた耐震鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＯＥ鋼管、スパイラル鋼管、継目無鋼管、電縫鋼管、プレスベンド鋼管などの炭素鋼鋼管あるいは低合金鋼鋼管は、大量にかつ安定して製造できるため、その優れた経済性や溶接施工性とあいまって、ガスパイプラインや水道配管など流体の輸送用配管として広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、大地震が発生した場合、これら鋼管の長手方向には引張および圧縮の大きな力が繰り返し加わり、外径／管厚比がある程度大きな鋼管では、局部座屈を起こし、場合によっては円周方向の亀裂の発生や破断に至ることがある。
【０００４】
これまで建築用の鋼管としては、例えば特開平３−１７３７１９号、特開平５−６５５３５号、特開平５−１１７７４６号、特開平５−１１７７４７号、特開平５−１５６３５７号、特開平６−４９５４０号、特開平６−４９５４１号、特開平６−１２８６４１号、特開平６−２６４１４３号、特開平６−２６４１４４号の各公報に開示されているように、耐震性能として降伏応力と引張強さの比である降伏比を小さくしたものが提案されているが、これらはいずれも柱の曲げ応力に対する塑性変形吸収能に関するもので、圧縮の軸力に対する局部座屈と局部座屈発生後の引張による脆性亀裂の発生を防ぐための検討はこれまで行われていない。
【０００５】
また、ガスなどの流体輸送用ラインパイプでは、延性破壊や脆性破壊など円周方向に力が作用する内圧に対する抵抗力は検討されてきたが、軸方向の外力に対しては敷設時の曲げ変形以外はほとんど考慮されていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、大地震の際に軸方向に作用する引張・圧縮応力に対して、大径薄肉でも局部座屈を起こしにくく、脆性的な破断が発生し難く、ガスパイプライン、水道配管などに好適な耐震性に優れた鋼管を提供すること目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％を含み、かつＣｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％の１種または２種以上、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、管厚と外径との比が０．０２未満の場合には、ミクロ組織中でパーライト、ベーナイト、マルテンサイトのうち少なくとも１種からなる第２相組織の面積分率が２０％以上３０％以下で、残部が第１相としてのフェライト組織を有し、管厚と外径との比が０．０２以上の場合には、前記第２相組織の面積分率が１０％以上２５％以下で、残部が第１相としてのフェライト組織を有する鋼管であって、８０％以下の降伏比を有し、かつ、試験片長手方向を鋼管の軸方向に一致させて採取した引張試験片を用いて引張試験を行い、得られた公称応力−公称歪曲線において、公称応力−公称歪の勾配が、０％から５％の歪範囲において常に正となることを特徴とする、地震時に軸方向に引張・圧縮応力が作用するラインパイプに用いられる耐圧縮局部座屈性に優れた鋼管を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本願発明の理解を助けるために、まず、本発明に関連する当業者の技術常識を説明する。耐座屈性は、鋼管の加工硬化指数（ｎ値；真応力（σA）−真歪（ｅ）の関係をσA＝Ｃｅｎで表わした場合のｎで表わされる）と相関があり、加工硬化指数（ｎ値）が高い鋼管は、限界座屈歪が高い（耐座屈性がある）ことが知られている。また、加工硬化指数（ｎ値）と降伏比には明らかな相関が見られ、加工硬化指数（ｎ値）が高いほど低降伏比であることが知られている。すなわち、加工硬化指数が大きいほど応力−歪曲線の傾きが大きくなるので、加工硬化指数の大きな材料は変形による強度上昇が大きい材料といえる。そして、加工硬化指数の大きな材料ほど硬化後の強度上昇が大きいため、引張り強度と降伏強度の比で表わされる降伏比が小さくなる。他方、鋼管の座屈の発生は材質や形状の不均質さに起因して鋼管の最も弱い部分に変形が集中することで起る。このため、鋼管材料の加工硬化特性（＝降伏比）は鋼管の座屈挙動と密接な関係があり、耐座屈性の優れた鋼管を得るために降伏比の低い材料（＝加工硬化指数が大きい材料）を用いる必要がある。
次に、応力−歪曲線の形状は、均一変形により降伏が生じる場合（降伏点が明りょうでない）と、不均一変形により降伏が生じる場合（降伏点が明りょうに現れる）との２種類がある。そして、鋼管の座屈の発生は材質や形状の不均質さに起因していることから、不均一変形により降伏が生じる場合は座屈特性が低い。これに対し、均一変形により降伏が生じる場合は座屈特性に優れている。
本発明者らは、鋼管の軸方向に作用する圧縮力に対する耐座屈性を評価するために、材質と形状が種々異なる鋼管について、図１に示す試験機と試験体を用いて実管圧縮試験ならびに各種材質調査試験を行い、鋼管の材質的な特性と局部座屈発生挙動との相関を調査した。その結果、局部座屈の発生有無は、鋼管の軸方向の引張特性と以下のような相関があることを見出した。すなわち、試験片長手方向を鋼管の軸方向に一致させて採取した引張試験片を用いて引張試験を行い、得られた公称応力−公称歪曲線において、降伏点からオンロード歪量が５％までのいずれの歪量においても、公称応力／公称歪の勾配が正となる鋼管は、勾配が０または負となる鋼管に比較して局部座屈を起こす限界の外径／管厚比が著しく大きく、局部座屈を起こしにくい。
【０００９】
次に、圧縮応力によって塑性変形した後、引張応力を受けた際の脆性的な亀裂の発生や破断の有無と鋼管の材質の相関を調査した。その結果、圧縮応力により塑性変形した鋼管においても、試験片長手方向を鋼管の軸方向に一致させて採取した試験片の引張試験において、一様伸びが５％以上であれば脆性的な亀裂や破断は発生しないことを見出した。さらに、引張試験における降伏強さの引張強さに対する割合、降伏比の小さいものほど、破断に対する抵抗の大きいことも見出した。
【００１０】
このような結果に基づいて、上述のような特徴を有する公称応力−公称歪曲線と鋼管の形状やミクロ組織との関係について調査した結果、鋼管の管厚ｔと外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０２未満の鋼管では、パーライト、ベーナイト、マルテンサイトのうち少なくとも１種からなる第２相組織の面積分率が２０％以上８０％以下、またｔ／Ｄが０．０２以上の鋼管では第２相組織の面積分率が１０％以上８０％以下になると、上述のような公称応力−公称歪曲線を得ることができることを見出した。
【００１１】
このような知見に基づき、本発明では、ｔ／Ｄが０．０２未満の場合には、ミクロ組織中でパーライト、ベーナイト、マルテンサイトの少なくとも１種からなる第２相組織の面積分率が２０％以上８０％以下であり、ｔ／Ｄが０．０２以上の場合には、前記第２相組織の面積分率が１０％以上８０％以下であり、残部が第１相としてのフェライトである耐震性に優れた鋼管を提供する。
以上要約すれば、本発明は、所定の化学組成を有する鋼材について、その第2相分率と、鋼管に成形する際のｔ／Ｄとを所定範囲に規定することにより、８０％以下の降伏比を有し、かつ、応力−歪曲線を均一変形により降伏させることができる（公称応力−公称歪の勾配が、０％から５％の歪範囲において常に正となる）との定性的な知見に基づいて、その範囲を定量化したもので、管厚と外径との比（ｔ／Ｄ）が０．０２未満の場合には第２相組織の面積分率を２０％以上３０％以下とし、管厚と外径との比（ｔ／Ｄ）が０．０２以上の場合には前記第２相組織の面積分率を１０％以上２５％以下とし、このことにより、８０％以下の降伏比を有し、かつ、応力−歪曲線を均一変形により降伏するものとし、もって、地震時に軸方向に引張・圧縮応力が作用するラインパイプに用いられる耐圧縮局部座屈性に優れた鋼管を提供するようにしたものである。
【００１２】
ここで、ｔ／Ｄが０．０２未満の場合に、第２相組織の面積分率が２０％未満、ｔ／Ｄが０．０２以上の場合に、第２相組織の面積分率が１０％未満であれば、応力歪曲線の傾きが正にならない場合が存在し、一方８０％を超えると充分な一様延びと８０％以下の降伏比を得ることができなくなる。したがって、第２相組織の面積分率が２０％以上８０％以下であり、ｔ／Ｄが０．０２以上の場合には、前記第２相組織の面積分率が１０％以上８０％以下とする。
【００１３】
なお、本発明では鋼管の製造方法は問わず、ＵＯＥ鋼管、スパイラル鋼管、継目無鋼管、電縫鋼管、プレスベンド鋼管などいずれのものであっても、上記所定の特性を満足するものであればよい。
【００１４】
また、鋼の化学組成は特に限定されないが、以下の組成のものが好ましい。
【００１５】
すなわち、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％を含み、かつ必要に応じてＣｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％の１種または２種以上を含有するものが好ましい。このような成分範囲の鋼が好ましいのは以下の理由による。
【００１６】
Ｃ：０．０５〜０．２５％この範囲外の炭素量の鋼は、溶接した場合の溶接割れの可能性が増大し、鋼管成形後、溶接できなくなる。したがって、Ｃ量は０．０５〜０．２５％の範囲が好ましい。
【００１７】
Ｍｎ：０．５〜２．０％Ｍｎは構造用鋼として充分な強度と靭性を得るために有効な元素であるが、０．５％未満ではその効果が小さく、また２．０％を超えると母材と溶接部の靭性の劣化および溶接性の劣化を招く。したがって、Ｍｎ量は０．５〜２．０％の範囲が好ましい。
【００１８】
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％Ｎｉ：０．０５〜０．５０％Ｃｒ：０．０５〜０．５０％Ｍｏ：０．０５〜０．５０％Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏは強度の上昇に有効な元素であるが、それぞれ０．０５％未満ではその効果が有効に発揮されず、０．５０％を超えると鋼板の母材溶接部の靭性や溶接性を劣化させる。したがって、これらの量はそれぞれ０．０５〜０．５０％の範囲が好ましい。
【００１９】
Ｎｂ：０．００５〜０．１０％Ｎｂは、鋼板の靭性と強度の向上に有効な元素であるが、その量が０．００５％未満ではその効果を有効に発揮することができず、０．１０％を超えると溶接部の靭性を劣化させる。したがって、Ｎｂ量は０．００５〜０．１０％の範囲が好ましい。
【００２０】
Ｖ：０．００５〜０．１０％Ｖは、鋼板の強度の上昇に有効な元素であるが、その量が０．００５％未満ではその効果を有効に発揮させることができず、０．１０％を超えると溶接部の靭性を劣化させる。したがって、Ｖ量は０．００５〜０．１０％の範囲が好ましい。
【００２１】
Ｔｉ：０．００５〜０．１０％Ｔｉは、鋼板の靭性の向上と鋳造時のスラブ損傷防止に有効な元素であるが、その量が０．００５％未満ではその効果を有効に発揮させることができず、０．１０％を超えると溶接部の靭性を劣化させる。したがって、Ｔｉ量は０．００５〜０．１０％の範囲が好ましい。
【００２２】
また、製造条件については上記組織が得られるものであれば特に限定されないが、例えば上述の組成の鋼板に対して、圧延条件を制御したり、または造管中や造管後の鋼管に熱処理や加工処理を加えることにより、例えば、圧延終了後、その鋼の化学組成により決定されるＡｒ3 温度〜Ａｒ3 −８０℃の範囲から加速冷却を開始し、４００℃以上で加速冷却を停止することにより上記組織を得ることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００２４】
表１に示した化学組成を有する鋼（Ａは参考鋼種、Ｂ，Ｃ，Ｄは本発明鋼種）を熱間圧延して鋼板とした後、成形し、端部を溶接してＵＯＥ鋼管を得た。鋼管Ａ−１、Ａ−２、Ａ−３、Ａ−４、Ａ−５、Ｃ−１は圧延後の加速冷却開始温度を７００〜７６０℃まで変化させて第２相組織の面積分率を変化させた。鋼管Ｂ−１、Ｂ−２、Ｄ−１、Ｄ−２は、鋼管成形溶接後に８００℃から８５０℃に加熱後、１０℃／秒の冷却速度で冷却している。表２に、このようにして製造された鋼管の形状およびパーライト、ベイナイト、マルテンサイトのうち少なくとも１種の第２相組織の面積分率、オンロード歪５％までの勾配、一様伸び、降伏比を示す。なお、表２の勾配の欄中、＋は上記領域で勾配が常に正であることを示し、Ｘはこの領域で勾配が負あるいはゼロであることを示している。
【００２５】
【表１】
0003679179.tif 000002
【００２６】
【表２】
0003679179.tif 000003
【００２７】
表２に示すように、形状に応じた第２相の面積分率が本発明の範囲を満足する鋼管Ａ−１、Ａ−２、Ａ−４、Ｂ−１、Ｃ−１、Ｄ−１はいずれも応力歪曲線の上記領域での勾配が正となり、５％以上の一様伸びと８０％以下の降伏比を有していた。
【００２８】
一方、ｔ／Ｄが０．０２未満で第２相組織の面積分率が２０％未満の鋼管Ａ−３、Ｂ−２、Ｄ−２では勾配が一部でゼロとなり、さらにＤ−２では降伏比も８０％を超えていた。また、面積分率が８０％を超えている鋼管Ａ−５では充分な一様伸びが得らなかった。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大地震の際に軸方向に作用する引張・圧縮応力に対して、大径薄肉でも局部座屈を起こしにくく、脆性的な破断が発生し難い耐震性に優れた鋼管を得ることができる。したがって、本発明の鋼管を用いることにより、大地震が発生した際に、ガスパイプラインや水道配管の破損と内部流体の流出を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実管圧縮試験に用いた試験機および試験体を説明するための図。
【図１】
0003679179.tif 000004