次世代ニーズに対応する高品質高性能鋼管
High Performance Steel Pipes Securing and Exploiting the Future Demands
三浦山本

寛
定弘

鉄鋼事業部

鋼管セクター部

総合材料技術研究所

部長

鋼材研究部

部長

工博

Hiroshi Miura
Sadahiro Yamamoto

当社の福山製鉄所ならびに京浜製鉄所の溶接管工場において製造される各種高性能鋼管は，インフラストラクチャー整備，高性能自動車用途などの多様な用途に広く用いられてきた。さらなる次代のニーズに応えるべく，各種高性能ラインパイプ，建築土木用鋼管，ハイドロフォーミングプロセス適合鋼管などを開発した。本稿では，適用の拡大が期待される開発鋼管の特徴とその製造方法などについて紹介する。

Wide variety of high performance steel pipes for infrastructure and automobile usages have been manufactured in UOE and ERW mills of Fukuyama and Keihin works for many years. High performance linepipes suchas high strength corrosion resistance, high deformability structural pipes and ERW pipes suitable for hydoforming process have been developed for needs expected to come in near future. Characteristics of these steel
pipes and some features of manufacturing process are introduced in this article.

削減の方法として操業圧力の増加あるいは高強度ラインパ

1.

はじめにイプの使用による使用鋼材量の低減が試みられている。

当社は福山製鉄所ならびに京浜製鉄所に溶接管工場を有

種々のグレードのラインパイプを用いた場合のコスト比較し，UOE 鋼管，スパイラル鋼管，電縫鋼管，鍛接鋼管をの結果，X65 からの高グレード化により，X80 では 5%程製造している。両溶接管工場では，ラインパイプ，建築土度，X100 を用いると 8%程度のトータルコストの低減が可木などインフラストラクチャー，自動車構造部材など各種能であるとの試算結果が報告されている 3)。
さらに，コスト削減のため，使用材料を含めた適正なパ用途に用いられる高性能溶接鋼管を製造している。
本稿では，使用環境あるいは設計･操業条件の多様化から，イプライン設計が注目され，より実環境に近い条件での評

従来より求められてきた高強度に加えて，高靭性，厚肉，価方法が提案され始めている。たとえば EFC（European

高耐食性など様々な要求に応えるべく開発され，今後の更Federation of Corrosion）Document No.16 の「硫化水素なる需要に拡大が期待される高性能 UOE ラインパイプと環境で用いられる炭素鋼に対する要求ガイドライン」ではその特性について紹介する。また，設計の多様化や高付加SSC 試験での試験溶液に関して，従来広く用いられてきた価値化のニーズに対応して開発した建築土木用途に用いらNACE TM0175-96 の溶液 A ないし B に加えて，井戸の環れる各種鋼管について紹介する。さらに最近注目されてい境を模擬した環境での試験溶液が提案されている 4)。

るハイドロフォーミング技術を用いた自動車部材への電縫2.2

高強度･高靭性鋼管の製造技術

高強度ラインパイプを用いるためには，安全性の観点か鋼管適用ニーズに対応して，当社で開発した高加工性電縫ら優れた低温靱性，溶接施工能率の観点からは優れた現地鋼管についても紹介する。

溶接性が重要である。しかし，これらの特性は鋼の高強度2.

高性能ラインパイプ化とは相反するものである。この矛盾を解決するための手

2.1

パイプライン敷設･使用環境ならびにパイプライン設段として，高強度ラインパイプの製造には制御圧延と加速計･操業条件の多様化冷却が適用されている。加速冷却は，1980 年に世界で初めラインパイプにおいては，寒冷域あるいは深海域を含むて福山厚板工場で実機化された技術で，制御圧延後オンラ海底におけるガス・油田開発が進み，敷設・使用環境ならインで鋼板を冷却するものである 5)。加速冷却の適用によびに輸送される石油・天然ガスの性状は多様化している。

り，より低成分な鋼を用いた高強度高靱性鋼板の製造が可

サハリン州コルサコフを起点として北海道の苫小牧を経能となる。さらに，高冷却速度と優れた温度制御性，鋼板由し，日本に向けた天然ガスパイプラインの敷設も検討さ上下面の対称冷却と面内均一冷却を特徴とする新しい加速れている 1) 。また，水深 2000m の黒海を横断する長さ冷却装置「 Super - OLAC」を開発し，1998 年に設置稼動

300km のパイプラインも現在敷設が行われている 2)。

を開始している。2001 年までのわずか 3 年間で累計生産量 150 万トン突破という，かつてないハイペースでの快挙

パイプライン敷設・操業のコスト削減も叫ばれ，コスト–63–

NKK 技報 No.179 (2002.11)

次世代ニーズに対応する高品質高性能鋼管を成し遂げている。

Pipe size : 48” O.D.×0.476” W.T.
200

耐サワーラインパイプは，S, P の低減，Ca による硫化Charpy absorbed energy

物の形態制御，連続鋳造技術ならびに制御圧延−加速冷却150の組み合わせにより，1980 年代末までに X65 グレードまNumberでが開発，実用化されている。耐サワー性能のさらなる改善を目的として，脱酸前の鋼中酸素量の低減による清浄性向上を目指したプロセスを確立している 6)。また，耐サワー鋼や高強度ラインパイプのような炭素含有量が低く，高10050

清浄性を必要とする鋼の製造用に，低 Si 溶銑を溶銑予備処理炉に適用するスラグレス製鋼法（ゼロスラグプロセス）0も確立し，コストの低減と鋼の高純化を図っている 7)。

50100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
CVN energy at -5℃/J

さらに，多様化，厳格化している品質への要求に応える
Fig.1

ため，UOE 鋼管溶接部自動超音波探傷装置も 1999 年に更新している。この装置は最大 20 チャンネルまで同時に探Charpy absorbed energy statistical dataof X80 linepipe mass-produced in NKK

傷可能，高精度シーム追従センサを有するなどの特徴がある。
また，厳格化する寸法精度ニーズに対応し成形技術開発を進め，Ｃ成形形状の最適化を進めている。より厚肉管で理想的なＣ成形形状を達成するためにＣプレスの更新が予定されており，製造可能範囲の拡大が見込まれている。
2.3

次世代高性能ラインパイプ

次に，前述したパイプライン敷設環境の多様化およびコスト低減などの流れに対応して開発し，今後の需要拡大が大いに期待される次世代高性能ラインパイプについて紹介する。
2.3.1

高強度ラインパイプ

当社では 1991 年にカナダ向け X80 ラインパイプを国内の他社に先駆けて製造し，以来約 5 万トンの X80 ラインパイプを実製造している。機械的性能の一例としてシャルピー吸収エネルギーの統計データを Fig.1 に示す。図からわかるように X80 という高強度にもかかわらず吸収エネルギーの平均は 250J 前後（−5℃）となっている。この値はISO に規格化されている X80 ラインパイプの高速延性破壊伝播停止に必要なエネルギー値を充分に満足している値である。

Fig.2

さらに高強度となる X100 ラインパイプの開発も進めて

Comparison of stress strain relationships measured by small scale and full scale testing

いる。X100 といった高強度材の適用に向けた共同研究プロジェクトが欧米では盛んに行われており，これらの共同Schluchten-Werne（Rhgas）プロジェクトならびに NGTL研究へのサンプル管の提供を通して X100 ラインパイプの（TCPL）プロジェクトでは，敷設距離がそれぞれ，260km評価方法や要求性能の確立に向けた取り組みも進めている。

および 250km と長大なパイプラインになっている。一方，

Fig.2 には，X100 ラインパイプの強度評価方法の検討とX80 ラインパイプに対応するベンド管などのフィッティンして 2 種類の引張試験と実管内圧試験とを比較した結果をグの開発は，ラインパイプに比べるとやや遅れている感が示す。X100 ラインパイプのような高強度材では，試験片あるが，当社においては X80 までの高周波曲がり管の開発

矯正時のバウシンガー効果が大きく，従来広く用いられてをほぼ完了している 8)。さらに，X100 ラインパイプにおいきた矯正 API 試験片を用いた試験結果は実管の内圧試験ては，ベンド管，円周溶接材料ならびに適正溶接プロセス結果に比べ著しく低い値を示す。の開発が今後の課題である。これら周辺技術の開発と，上述の延性破壊挙動の検討が X80 さらに X100 ラインパイプ

すでに充分な機械的性質と現地溶接性とを有する X80
ラインパイプの供給可能な体制は整っており，至近の X80
NKK 技報 No.179 (2002.11)の適用拡大をもたらすと考えられる。

–64–

次世代ニーズに対応する高品質高性能鋼管

厚肉ラインパイプ

2.3.2

2.3.3

深海パイプラインでは，外圧や敷設時の座屈防止のため適正性能ラインパイプ（Fit for purpose ラインパイプ）に，管厚のきわめて厚い鋼管が求められている。水深前に述べたようにパイプラインシステム費用低減を目的

2000m の黒海を横断する長さ 300km のパイプラインにおとして，適正鋼材かつ低価格鋼材への要求が高まると考えいては，管厚外径比（t/D）が 5％以上と大きく，かつパイられる。すなわち，厳しい条件での評価試験を採用するこ

プのグレードも X65 と高強度材を用いている。厚肉の鋼管とにより，高価格の過剰品質鋼材を選定するよりも，実環の製造では，高強度高靭性（DWTT 特性）を得るための制境を反映した適正な試験条件で適正な材料を選定する傾向

御圧延−加速冷却条件の適正化が必要となる。このようなは増加すると考えられる。このような背景から H2S 濃度が厚肉のラインパイプにおいても高冷却速度を有する

低いあるいは pH が高いライトサワー環境に適合したライ「Super - OLAC」の適用は効果的で，Fig.3 に示すようにンパイプや Weldable 13%Cr などの適用が拡大することも従来材に比べて優れた DWTT 特性が得られている。

予想される。

0 02 1

前述のように EFC では過剰品質鋼材の採用によるコストアップを防ぐことを一つの目的として，実環境に近い条
Ｓａｍｐｌｅｓ：Ｐｌａｔｅｓ

85% SATT, ℃

0 0 0 0 0 01 2 3 4 5- - - - -30mm
50mm
Super‑OLAC件での SSC 試験を提案している。硫化水素濃度や pH レベ
ルごとに適用可能な鋼材の組成や硬さなどを明確にし，適正鋼材選定のための検討も行われている。このような研究結果の一例を Fig.5 に示す。図に示すように，H2S 濃度の低 い 領 域 で は 割 れ 発 生 限 界 硬 さ が 上 昇 し ， 80 ％CO2-20%H2S の条件下においては限界硬さは 280Hv 前後50mm目標となる。また，pH の上昇による限界硬さの上昇も報告されている。このような結果に基づいて，限界硬さに対する30mm目標

085707560606-

要求性能が緩和されれば，当然ラインパイプ製造コストへの反映が期待できる。

圧下率､％Ratio,Ratio,% %ControlledReduction
Rolling Reduction
Toughness (DWTT) improvements achieved
by applying “Super - OLAC”

H 2 S partial pressure, P/bar

Fig.3

また，このプロジェクトでは，パイプライン敷設時の座屈の伝播を防ぐため，管厚 52.7mm のバックルアレスターを採用した。当社では，厚肉のラインパイプに加えてこのバックルアレスターも開発し製造した。Fig.4 に，厚肉鋼管の機械的性質の一例として管周方向での引張強さの統計デ

1100% of actual YS
SMAW, MAG

○ No Failure● Failure

0.1

0.01200ータを示す。管厚 52.7mm といった厚肉材においても十分250300

350

Hardness, Hv98Nな強度が得られている。さらに引張強さの最大と最小の差

Fig.5

Effect of H2S content on the SSC

は約 50MPa と非常に小さい値となっている。
2.3.4

耐震性･高変形吸収ラインパイプ NK-HIPER

今後，高強度高靭性以外に日本国内での高強度ラインパ
イプに必要となる特性として，大規模地震を考慮した耐震

Frequency , %40性・変形吸収能が挙げられる。国内のパイプラインでは，

30

高圧ガス配管の耐震設計基準に基づいて設計がなされてい20る 9)。1995 年に発生した兵庫県南部地震の被害を教訓とし10てパイプラインの耐震設計法の見直しが進められている。
新しい耐震設計では兵庫県南部地震レベルの大規模な地震0に対応できる設計レベルの高い塑性設計法が導入され，今540 550 560 570 580 590 600 610 620 630

後は従来にも増して鋼管の変形吸収能力の向上が必要とな

Tensile strength , MPa
Fig.4る。ガス導管耐震設計指針では鋼管の塑性座屈ひずみの設計式を定義している。この座屈ひずみは管厚に比例し，管Tensile strength statistical data of heavy
wall linepipe mass-produced in NKK径に反比例する。パイプラインが高強度化した場合，管厚–65–

NKK 技報 No.179 (2002.11)

次世代ニーズに対応する高品質高性能鋼管を低減すると Fig.6（通常材）に示すように管径管厚比が増の領域で UOE，冷間プレスベンド+SR もしくは温間プレ加し，限界座屈ひずみを低下させる結果となる。当社では，スベンドで製造した「NT コラム」の結果である。引張特高強度ラインパイプの座屈ひずみ改善に関しての検討を行性は YR≦80%を満足した上で充分な強度を確保している。ってきた。そして，一軸圧縮時の限界座屈ひずみを通常のまた，靭性についても 0℃でのシャルピー吸収エネルギーパイプの 1.5 以上を有する耐震ラインパイプ「NK-HIPER」が母材，溶接部とも 27J を大きく上回ったレベルの値を示を開発した。「NK-HIPER」は鋼材の加工硬化能を向上さしている。以上のように，実機製造においても安定して低せることにより，高座屈性を達成している。「NK-HIPER」

降伏比，高靭性を有する建築構造用高性能鋼管「NT コラの耐座屈性能を通常材のそれと比較した結果を Fig.6 に示ム」の製造技術を確立し，数多くの建築物・土木構造物用す。日本国内を通過するサハリンパイプラインなどを考えに量産，出荷した。

た場合，このようなパイプラインの耐震性・変形吸収能を考慮した高強度ラインパイプ材料設計が必要となる。現在，国内向けの実製造を開始するとともに，高変形能を要求されるパイプラインへの適用を図っている。

Buckling strain (%)

2.0NK-HIPER
1.5

1.0

0.5

Fig.7

ε b = 35 ⋅ t D Conv.Linepipes

Strength statistical data of “NT-Column”
mass-produced in NKK

03540

455055

Diameter/Thickness
Fig.6

4.

ハイドロフォーミング用高加工性電縫鋼管

4.1

ハイドロフォーミング技術と自動車部材への適用

ハイドロフォーミングは金型に装入された鋼管の中に水Buckling strain versus diameter to thickness ratio
in standard gas pipelines and “NK-HIPER”

を満たし，水圧によって複雑な形状を一体成形する成形技術で，1990 年代後半より国内外でこの技術を用いた自動車

3.

建築土木用鋼管部材への電縫鋼管の適用が徐々に拡大している 10)。特に国

円形鋼管柱の優れた力学特性や，建築分野ではその優れ内では，鋼管適用による軽量・高剛性化効果を最大限に享た意匠性から，大径の溶接鋼管の建築土木分野への適用が受するために，より高強度の素材，より高い加工度を志向進んだ。当社ではこれら分野への溶接鋼管の用途拡大をする傾向が強く，これに適用可能な加工性の高い電縫鋼管

1990 年代初めから推進し，現在，建築分野では，「NT コが求められている。

ラム」，土木分野では，「つばさ杭」,「リブ付鋼管」,「NKK

ここでは，このような要求に応えるために当社が開発しイーグル」,「NK ピラー」などの商品を開発，商品化してた 290〜590MPa 級ハイドロフォーミング用高加工性電縫いる。

鋼管について紹介する。

「NT コラム」は UOE 鋼管やプレスベンド鋼管にリン4.2ハイドロフォーミング用高加工性電縫鋼管

グ状の外ダイヤフラムを嵌め，自動溶接によって一体化し一般に，ハイドロフォーミングにより鋼管から成形されたものである。従来タイプの柱材に比べて安価であること，る部材は，連続したプレス成形により鋼板から成形されるコンクリート充填鋼管構造（CFT）へも容易に適用できる部材に比べ，造管，曲げや金型による圧下による予成形，などの特徴を有している。福山溶接管工場では 1997 年に液圧工程など複雑なひずみ履歴を経て部材に成形される。

「NT コラム」のダイヤフラム取り付けなどを行う建材加このため，曲げ，液圧などの成形工程で必要な変形能を確工工場を立ち上げている。1991 年から「NT コラム」の開保するには，造管前の素材鋼板の加工性を最大化すると同発を始め，その後もサイズ拡大（厚肉対応）と素材の高張時に，こうしたひずみ履歴による加工性の低下を最小限に力化高性能化を図ってきた。現在では，低降伏比（85%以抑える鋼管特有の材質設計を行うことが重要である。

下）と高靭性を有する STKN590 グレードの製造も可能とFig.8 は，時効指数 A.I＜10MPa とした鋼板を素材とす

STKN490N/mm2 級る電縫鋼管の，引張強度 TS と降伏比 YR，一様伸び U-El，「NT コラム」の製造実績を Fig.7 に示す。0.02≦t/D≦0.13

全伸び El，n 値の関係を示したものである。素材の A.I をなっている。オーダー生産を行った

NKK 技報 No.179 (2002.11)–66–

次世代ニーズに対応する高品質高性能鋼管＜10MPa とした電縫鋼管は，A.I≧20MPa の比較材に比べFig.9 は鋼管を周長増加率 20%の矩形型内部で液圧成形て YR が低く，U-El，El，n 値が高く，より良好な加工性した際の TS と最大張出し率の関係を示したものである。

を示す。これは A.I＜10MPa（所謂，非時効）とすること

素材鋼板の A.I を 10MPa 未満とし，ひずみ履歴による加でひずみ履歴を受けた際の加工性低下（主に固溶 N により工性の低下を抑制したハイドロフォーミング用高加工性電助長）が抑制されたことによるものと考えられる。当社で縫鋼管は強度によらずいずれも破断なく周長増加率 20%はこのように成分と熱延条件を制御し，素材鋼板の A.I をの矩形断面が得られている。一方，A.I≧20MPa の比較材

＜10MPa とすることを，ハイドロフォーミング用高加工ではいずれも成形途中で破断が生じている。

性電縫鋼管の基本材質設計としている。なお，素材熱延鋼板の段階では引張特性に対する A.I レベルの影響は認められない。

Fig.9

Relationship between tensile strength andhydroformability in rectangular die cavity(Maximum expanding ratio = 20%)

Fig.10 はハイドロフォーミング用高加工性電縫鋼管に負荷される公称応力の軸方向応力と周方向応力の比αm11)を変えて自由バルジさせた際のひずみ経路と破断限界を示したものである。軸力を上げ（αm を下げ）ることで限界周長張出し率は上昇し，αm=−0.5 の条件で周長増加率 60%を超える高い破断限界が得られている。

Fig.8

Relationship between tensile strength andtensile properties of developed and conventional tubes (t/D=2〜4%; JIS No.12A)

Fig.10–67–

Forming limit curve of the developed tube(TS=340MPa) in free-bulge

NKK 技報 No.179 (2002.11)

次世代ニーズに対応する高品質高性能鋼管

以上のように，非時効を基本とした当社のハイドロフォーミング用高加工性電縫鋼管は，液圧成形性に優れ，同時5.

おわりにに曲げなど他の二次加工においても優れた加工性を示す。

UOE ラインパイプ分野では，高強度高靭性材料の開発

Fig.11 に当社のハイドロフォーミング用高加工性電縫鋼に加えて，設計･操業条件および評価方法の多様化と，適正管のシーム近傍の硬度部分布を示す。当社電縫鋼管製造ラ

材料適正設計によるコストダウンをドライビングフォース

インは電縫溶接後，溶接部をオンラインで熱処理可能な高とした材料開発が求められている。

出力ポストアニーラーを有しており，鋼管には電縫溶接時これらの背景と次代のニーズに応えるべく開発した高強の加熱冷却に起因する高硬度部が存しない。このため，電度 高 靭 性 ラ イ ン パ イ プ （ X80-X100， 厚 肉 ， 耐 サ ワ ー ，縫溶接部に起因する成形不具合への配慮が比較材に比べて「NK-HIPER」）について紹介した。これら商品は次代の少なく済み，部材設計，工程設計上のメリットが見込める。

パイプラインに広く用いられることを確信している。また，今後も環境に見合った適正材料の開発がさらに重要となると考えられる。
ハイドロフォーミング用高加工性電縫鋼管については，現在 590MPa 級を超える高強度材のニーズにも対応した素材技術，加工技術，数値解析技術などの開発を進めている。今後，成形性に加え，衝撃特性，疲労強度など製品特性をも勘案した素材設計，部材形状・成形工程設計技術の重要性が増すものと考えられる。
参考文献
1) 佐野佳洋. 配管技術. No.9, p.54(1998).
2) Ahrabian, A. et al. Proceedings of the 21st Offshore Pipeline Technology.
3) Sanderson, N. et al. Oil & Gas Journal. Mar. 15. p.54(1999).

Fig.11

4) European Federation of Corrosion Document. No.16.

Hardness distribution in weld seam of the developed tube with on-line seam annealed comparedwith the conventional tube (TS=490MPa)

5) 束田幸四郎. 日本鋼管技報. No.89, p.121(1981).
6) 川波俊一ほか. CAMP-ISIJ. Vol.6, p.1152(1993).
7) 赤井真一ほか. CAMP-ISIJ. Vol.11, p.24(1998).
8) Kondo, J. et al. Proceedings of the 4th ISOPE. Conference(1994) p.164.

実際のハイドロフォーミングにおいては，予成形，型拘9) (社)日本ガス協会ガス導管耐震設計指針(1982).

束によるひずみ分布，潤滑，型形状によるひずみ勾配，軸力など材料以外の多くの要因が成形可否を大きく左右する。
特に成形の難しい高強度材においては最適な素材，加工技

cent Status & Trend of Tube Hydroforming. p.40(1999).
11) Suzuki, K. et al. 日本塑性加工学会第 195 回塑性加工シンポ術，加工条件を組み合せることが必須となる。このため，ジウム(2000). p.238.

当社では本稿で紹介した材料技術に加えて，加工技術（ハイドロフォーミング技術，鋼管の二次加工技術），数値解
析技術の開発に早期より取り組み 11)，現在までに型設計を含む試作技術まで含めた自動車用鋼管のハイドロフォーミング部品の開発から量産までの一貫体制を確立している。

NKK 技報 No.179 (2002.11)

10) Fuchizawa, S. Proceeding of International Semiar on Re-–68–