省合金型極低温用高変形能天然ガス輸送用鋼管
Super ToughAce の開発
原重.

は じめ里卓
元也
篠1)
一津3)

原留康英浩2)司4)

図1

地殻変動に伴う鋼管の変形(1)．に天然ガスは，多く存在する北極圏から大消費地までパイプラインで輸送される．厳寒地域，特に断層，地震地帯，不連続凍土地帯のような地殻変動が起こる地域を通過する場合があり(図)，天然ガス輸送用鋼管(ラインパイプと呼ぶ)は低温靭性に加えて変形能に優れた厚肉高強度鋼管が要求される．不連続永久凍土，地すべり，断層などの地盤変動が起きやすい地域ではパイプラインが塑性変形するため，円周溶接部からの破壊や，管体での座屈を抑えるようなパイプラインの設計が必要である．このようなパイプラインの設計をひずみ設計( Strain Based Design; SBD )と呼ぶ． SBD では，プロジェクト毎に決定される要求ひずみ内で，溶接部からの破えばシャルピー吸収エネルギー)が要求されるため，低炭素壊および管体からの座屈をさせない設計にしなければならな化などの合金元素の最適化が重要となる．もう 1 つ，腐食い．円周溶接部からの破壊を防止するための重要な設計は，や人為的に万一破壊が発生しても，き裂を停止させる特性が円周溶接金属と鋼管長手方向の強度のオーバーマッチングで要求される．－ 40 °C のような極低温にて，脆性破壊でなある．通常，鋼管は防食を目的とした加熱塗装を実施するのく，延性破壊させることが大前提となる．これを達成するにで，ひずみ時効による鋼管強度の上昇を抑える必要がある．

は，ミクロ組織の微細化が重要な解決策となる．

鋼管強度の下限値は，必要グレードの最小強度であり，上限

本開発では，4 つ(低温靭性・変形能・厚肉・高強度)の複値は，現地溶接金属強度の最小値未満の値となり，狭レンジ合特性を確保するために，従来では， Mo や Ni などの希少の強度を満足するような鋼管の製造法を検討しなければいけ

高価元素を多く添加していたが，今回，従来以上の複合特性ない．一方，曲げ変形時に鋼管の座屈性能を向上させるにを 有 し ， か つ 省 合 金 化 し た 天 然 ガ ス 輸 送 用 鋼 管 ( Superは，鋼管の高一様伸び化かつ低降伏比化が基本となる(1)．

ToughAce)を開発したので内容を紹介する．

次に低温靭性について述べる．鋼管では，き裂発生抵抗性
とき裂伝播抵抗性の 2 つが要求される．まず，脆性破壊が.

開発鋼の設計思想発生しないような特性を得るには，極低温で高い衝撃値(例
本開発鋼の設計思想について述べる．高変形能を確保する
新日鐵住金株式会社
1 )鉄鋼研究所上席主幹研究員 2 )君津技術研究部主幹研究員
3)先端技術研究所主幹研究員 4)鉄鋼研究所主幹研究員
Development of High Strength and High Deformable Line Pipefor Ultra Low Temperature Usage (Super ToughAce); TakuyaHara, Yasuhiro Shinohara, Genichi Shigesato, Eiji Tsuru( 1) Steel Research labs. 2) Kimitsu R&D lab. 3) Advanced
Technology Research Labs. 4) Steel Research labs. Nippon
Steel and Sumitomo Metal Corporation)
2012年10月31日受理

ま て り あ 第52巻 第 2 号(2013)
Materia Japan

ために，加工硬化能に優れたフェライト(軟質組織)とベイナイト(硬質組織)の複合組織を適用した．
次に，極寒地域での適用を考慮して，－ 40 °C のような最も厳しい低温靭性を保証することを目的として，平均粒径 5mm 以下( ASTM 法)の微細複合組織を基本とした．この鋼管には従来にない 3 つの大きな特徴がある．
1 つは，これまでラインパイプで必須元素であった Mo をフリーにし，鋼管の加熱塗装後の変形能を改善した．一般



に，防食のために鋼管を200°C以上に加熱塗装する際，ひず緩冷却(mild accelerated cooling; MAC)プロセスを確立した．

み時効の影響を受ける．フリーな炭素量が多く存在するほど

図に緩冷却プロセスの概念図を示す(2)．これは独自の冷ひずみ時効が生じやすく，降伏比が上がり，一様伸びが低下却技術である．その結果，強度の狭レンジ化(引張り強度 50するため，変形能が低下する．Mo フリーにすると，鉄炭化MPa 以内)が達成できた．

物(セメンタイト)が多く形成し，フリーな炭素量が著しく低下した結果，変形能が著しく改善される．

最後に，極低温にて高靭性を確保するためには結晶粒の微細化が有効であり，厚板圧延条件の各工程の最適化と加速冷

図に Mo フリー鋼と Mo 添加鋼を 1の予ひずみを付加

却 の 高 精 度 化 ， 均 一 冷 却 を 行 い ， 平 均 粒 径 3 mm 以 下した後，240°Cのひずみ時効前後での降伏応力の上昇量を示( ASTM 法)という超微細組織を得ることに成功した．図す(2)．Mo フリー鋼のひずみ時効後の降伏応力の上昇量が大に 代 表 的 な ミ ク ロ 組 織 を 示 す ( SEM ( Scanning Electron

幅に抑制されていた．

Microscopy)像)．

図に Mo フリー鋼と Mo 添加鋼のひずみ時効前の TEM

Mo フリーで Ni を最小限に添加した系において，高精度( Transmission Electron Microscopy )像を示す(3) ． Mo フリ

冷却条件で製造した Super ToughAce 鋼管は，API グレーー鋼のセメンタイトは Mo 添加鋼よりも多く生成していた．

ド X60 から X100 までの鋼管製造が可能となった．

焼入れ性の指標である b(4)がほぼ同じであり，g/a 変態開始
温 度 も 同 じ で あ っ た ． Mo 添 加 鋼 は 変 態 停 留 が 生 じ る た.

開発鋼の特性め(5)，室温まで冷却後，未変態 g やマルテンサイトが生成することが知られている．本実験でも， Mo 添加鋼は未変態 g

ロシア向けに製造した API グレード X60 鋼管のひずみ時やマルサイトが生成していたのに対して， Mo フリー鋼で効前後の機械的性質について述べる．図に240°
Cでのひずは，未変態 g やマルテンサイトは多く生成せずに，セメンタみ時効前後での降伏比と一様伸びを示す(6)．降伏伸びはひずイトが多く生成したと考えられる．もう 1 つの特徴は，独み時効前後とも 88 以下で，かつ，一様伸びは 10 以上を自の加速冷却装置(CLCm: Continuous onLine Controlm)達成した．

を適用し，Mo フリーの強度不足を補うとともに，高精度，低温靭性については，厚板圧延の適正化によって，平均粒均一冷却を実現させ，強度の狭レンジ化を可能とした．すな

径 3 mm 以下という超微細組織を創製して，－40°Cでの極低わち，フェライトとベイナイトのそれぞれの組織分率を最適化させ，大量生産時に同じ組織分率を常に確保できるような

図2

図3




Mo フリー鋼と Mo 添加鋼のひずみ時効後の降伏応力上昇量(1予ひずみ＋240°C加熱)(2)．

Mo フリーと Mo 添加鋼の TEM 像(3)．
(左図Mo フリー鋼，右図Mo 添加鋼)．

図4

CLCm での冷却中の温度時間曲線(2)．

図5鋼管の SEM 像(6)．

新技術・新製品

図6

API グレード X60 鋼管のひずみ時効特性(6)．

図8API グレード X60 鋼管の敷設状況．

長距離化は明白であり，それに伴う鋼管の高靭化，高変形能化などの複合特性化は必須である．さらに，レアメタルの価格高騰，価格変動も今後必至である．そうした背景の中，省合金でかつ複合特性を有する Super Tough Ace 鋼管は今後多くの需要が見込まれることは確実である．さらに，この鋼管が適用されることで天然ガスの安定供給につながり，国民生活に必要なエネルギーの確保に大きく貢献できる．

.
図7

API グレード X60 鋼管の DWTT 延性脆性遷移
温度(6)．

まとめ

石油・石炭の化石資源に代わるクリーンなエネルギーとしての天然ガスの埋蔵場所は北極圏などの厳寒地に多く存在すること，さらに，その場所から大消費地にまでパイプライン温での靭性を確保した．図に API グレード X60 鋼管でので輸送する際，不連続凍土や地すべり，断層などの地殻変動DWTT(Drop Weight Tear Test)の延性脆性遷移曲線を示を伴う地域を通るために，－ 40 °C のような極低温にて破壊す(6) ．本鋼管の 32 mm 厚の厚肉鋼管の DWTT 延性破面率しない，かつ，変形しても破壊・座屈しない複合特性を有すを確保することは，極めて困難であるが，本鋼管は微細組織る鋼管が要求された．この鋼管製造を実現するために，モリを有しているため，－ 60 °C の極低温でも 85 の延性破面率ブデン(Mo)やニッケル(Ni)などのレアメタルを抑制した省を満足することができた．

合金鋼を採用し，また，高変形能に優れた複相組織を最適化するための高精度冷却装置を君津製鉄所に導入し，極低温用

.

特許および実用化状況

高変形能天然ガス輸送用鋼管(Super ToughAce)の開発に成功した．

API グレード X60 から X100 までの省合金型天然ガス輸

送 用 鋼 管 ( Super Tough Ace ) を 開 発 し た ． こ の う ち ，文献

APIX60 グレードについては， 2010 年ロシア向けに 1.7万トン製造した(6)．また，API グレード X100 については，カナダに 5 km 敷設した(7) ．直近，ミャンマー向け API グレー
ド X70 を0.5万トン受注し，製造完了した．
本省合金型天然ガス輸送用鋼管(Super ToughAce)の特許 に 関 し て は ， 5 件 の 基 本 特 許 ( 特 許 3869747 ， 特 許4116817 ，特許 4205922 ，特許 3745722 ，特許 3749704 )の成立に加えて， 26 件の特許を申請し， 12 件が登録となっている．
査読論文および国際会議にも26件を報告している．また，2010 年 12 月にロシアガスプロム社のパイプラインに約 2 万トン採用の際は，新聞発表を行なった．
極地などの寒冷地から天然ガスを輸送するパイプラインのま て り あ 第52巻 第 2 号(2013)
Materia Japan( 1 ) E. Tsuru, Y. Shinohara and H. Asahi: International Journal of
Offshore and Polar Engineering., 18(2008), 176.
( 2 ) Y. Shinohara, E. Tsuru, H. Asahi, T. Hara, N. Doi, N.
Ayukawa and M. Murata: International Journal of Offshoreand Polar Engineering., 18(2008), 220.
( 3 ) G. Shigesato, Y. Shinohara, T. Hara, M. Sugiyama and H.
Asahi: Proceedings of the 17th ISOPE Conference, Lisbon,(2007), ISOPE.
( 4 ) 上野正勝，伊藤亀太郎鉄と鋼，74 (1988), 10731080.
( 5 ) 高橋健二，宮本五郎，古原 忠材料とプロセス，20(2008),
37.
( 6 ) T. Hara, Y. Shinohara, Y. Hattori, T. Muraki and N. Doi:
Proceedings of the 21th ISOPE Conference, Hawaii, (2011),
ISOPE.
( 7 ) T. Hara, Y. Shinohara, H. Asahi, Y. Terada and N. Doi:
Proceedings of International Pipeline Conference, Calgary,ASME, (2008).

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