JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）p. 50-562海洋構造物用溶接継手 CTOD 仕様 YP500 N/mm 級鋼板
2YP500 N/mm Class High Strength Steel Plates for Offshore Structurewith Excellent CTOD Properties at Welded Joints
寺澤祐介

TERAZAWA Yusuke

JFE スチール

スチール研究所

田中敏隆

TANAKA Toshitaka

JFE スチール

西日本製鉄所（福山地区） 鋼材商品技術部

鋼材研究部

主任研究員（副課長）鈴木伸一

SUZUKI Shinichi

JFE スチール

厚板セクター部

厚板室

主任部員（副部長）

主任部員（副部長）

要旨
海洋構造物の大型化が進んでおり，鋼板に要求される強度，板厚が増加している。さらに，寒冷域への建造のために溶接継手亀裂先端開口変位（CTOD）仕様の需要も高まっており，優れた溶接熱影響部（HAZ）靭性との両立が課題となる。従来より JFE スチールではマイクロアロイを活用した精微な HAZ 組織制御等により，優れた継手CTOD 特性を有する鋼板を開発してきた。本開発鋼においては，さらに高度な制御圧延技術と HAZ 中の脆化組織である島状マルテンサイトの無害化技術の組み合わせにより，高い母材強度と継手 CTOD 特性の両立を達成する
2

ことで，板厚 75 mm の CTOD－10℃仕様 YP500 N/mm 級鋼板を開発した。

Abstract:
Increase of the size of offshore structure proceeds steadily, and the strength and plate thickness required for steel
plates have increased. In addition, the demand for specifications with welded joint CTOD properties has also
increased for the construction in cold regions. Therefore, it is necessary to achieve both high strength of the baseplate and excellent HAZ toughness. JFE Steel has developed steel plates with excellent welded joint CTOD property
through elaborate HAZ microstructure control utilizing microalloying technology. This developed steel has both highstrength of base plate and excellent welded joint CTOD properties by applying advanced thermo-mechanical control
process and making island martensite, which is an embrittlement microstructure in HAZ, harmless. In this paper,
2

YP500 N/mm class steel plate of 75 mm in thickness with excellent CTOD properties is introduced.

1． はじめに2． 開発鋼の組織制御技術
2.1

新興国の発展による世界的なエネルギー需要の増加によ

目標性能り，海洋油田，ガス田開発を行うための海洋構造物の建造

表 1 に 開 発 鋼 の 目 標 性 能 を 示 す。Norsk sokkelsが今後さらに活発になると予測される。また，旺盛なエネル

konkuranseposisjon（NORSOK）規格の M-120 Y40, Y45, Y50,ギー需要に対応するために，海洋構造物の大型化や建造地Y55 に準拠し，最大板厚 75 mm，CTOD 仕様温度を－10℃域の寒冷域への拡大が進んでおり，それに伴い鋼材に要求とした。

される強度，板厚，低温靭性も増加している1-5）。また，海2.2

洋構造物用鋼板の特徴として，厳しい安全性保証のため，溶接継手の CTOD 特性向上

シャルピー衝撃試験に加えて，溶接継手部の亀裂先端開口

海洋構造物用鋼板の溶接施工は，サブマージアーク溶接変位（Crack-tip opening displasment：CTOD）特性が要求さ（Submerged arc welding：SAW），フラックスコアードアーれるケースが増えている

6, 7）。JFE スチールではこれまでに，2ク溶接（Flux-cored arc welding：FCAW）等の多層盛溶接が強度クラスが降伏強度（Yield stress：YS）420 N/mm 級，適用される。そのため，溶接ビードからの距離に応じて，異継手 CTOD 仕様温度が－10～－40℃までの海洋構造物用鋼なる熱履歴を複数回受けることで様々な溶接熱影響部（Heat板を開発しており，すでに多くの適用実績を有している。

affected zone：HAZ）が形成される。中でも，溶接線付近の本報では，継手 CTOD 仕様鋼板の高強度化の需要に対応融点近傍まで昇温される粗粒熱影響部（Coarse grain HAZ：するために新たに開発した板厚 75 mm の CTOD－10℃仕様

CGHAZ）と，CGHAZ が次パスの溶接によりフェライトとオー

2YS500 N/mm 級鋼板について紹介する。

ステナイトの 2 相域に再加熱された Inter-critically reheated
CGHAZ（ICCGHAZ）が靭性の低い局所脆化組織として知2020 年 3 月 6 日受付

られ－ 50 －Copyright © 2020 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

8-11），溶接継手 CTOD 特性を劣化させる原因となる。

2

海洋構造物用溶接継手 CTOD 仕様 YP500 N/mm 級鋼板

表 1 開発鋼の目標特性
Table 1

Target properties for the developed steel

Steel plate

Welded joint
Charpyabsorbed*energy*

Tensile properties
ClassThickness(mm)YS (N/mm )TS (N/mm )vE−40 (J)

YP500

75

500-580

600-700≧60

22Weldingmethod

FCAWSAWHeat input(kJ/mm)

0.7
3.5

Charpyabsorbedenergy

CTOD
properties

vE−40 (J)CTOD value
at −10˚C (mm)

≧60

≧0.25

*

Test piece: Transverse direction
YS: Yield strength, TS: Tensile strength,
FCAW: Flux-cored wire arc welding, SAW: Submerged arc welding

特に ICCGHAZ は，2 相域温度に加熱された際にオーステナた領域である。これらの靭性を向上させるために，高温までイト相中に炭素が濃化し，続く冷却過程で脆化組織である安定した TiN島状マルテンサイトが多量に生成されるため，CTOD 特性とで，ピン止め効果により γ 粒の粗大化を抑制している。ま1, 12, 13）

5），Ca（O, S） の微細粒子を分散させるこを顕著に劣化させる。さらに，高強度・高板厚の鋼板とすた，これらの粒子は冷却過程においてアシキュラーフェライるためには，高炭素等量（Ceq）成分が必要となるため，トの変態核となることで最終組織を微細化し，靭性を向上さ

ICCGHAZ 中の島状マルテンサイト量が増加することとなせる効果を有する。

り，母材強度と継手 CTOD 特性の両立が著しく困難となる。

続いて，ICCGHAZ 中の島状マルテンサイトの無害化技術

このような課題を解決するために，当社では高度な制御圧について説明する。まず，ICCGHAZ 中に生成する島状マル延と制御冷却を駆使した Thermo-mechanical control process

テンサイト量を低減するために低 C，低 Si，低 Ceq 成分と（TMCP）技術と，マイクロアロイによる HAZ 組織制御技術するを用いている。図 1 に，本開発鋼の HAZ 靭性向上のためのの昇温による島状マルテンサイトの分解を促進する効果も考え方を示す。

持つ2, 3）。さらに，低 Si 成分は ICCGHAZ 形成後の溶接パス14）。図 2 に，熱サイクル試験機を用いて入熱量 3.5 kJ/

まず，母材の製造において，理論限界相当の冷却速度をmm の SAW 溶接を行った ICCGHAZ 組織，およびその後さ実 現 で き る 最 新 鋭 の オ ン ラ イ ン 加 速 冷 却 装 置 Super-

らに ICCGHAZ 形成後の溶接パスによる昇温として 600℃ま®

OLAC -A の高速冷却技術により，母材強度を向上させるこでの昇温を行った焼戻し ICCGHAZ 組織を模擬したサンプとで Ceq を最小限に抑えている。

ルの SEM 像と添加 Si 量の関係を示す。なお図 2 の SEM 像

次に HAZ 組織制御について述べる。CGHAZ，ICCGHAZ

は，3％ナイタールエッチング後に，水 800 ml に水酸化ナト

ともに溶接熱により融点直下まで加熱され，γ 粒が粗大化しリウム 200 g とピクリン酸 40 g を溶かした水溶液で電解研

図 1 HAZ 靱性向上の考え方
Fig. 1

Concept for improving HAZ toughness－ 51 －JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）

2海洋構造物用溶接継手 CTOD 仕様 YP500 N/mm 級鋼板

3． 開発鋼の特性3.1

化学成分と製造プロセス

表 2 に開発鋼の化学成分を示す。継手 CTOD 特性を向上させるために低 C，低 Si，低 Ceq 成分とし，Ni の適正量の添加を行っている。また HAZ 組織微細化のために Ti，Ca添加と，これらの元素により形成される析出物の形態制御のために，他の元素量の最適化も同時に行っている。
図 4 に製造プロセスを示す。スラブの鋳造条件から圧延時の加熱温度，圧延温度，圧下量，冷却開始温度，冷却停止温度を精微に制御することにより目標の特性を実現している。

3.2

母材の機械的特性

図 5 に母材のミクロ組織を示す。板厚中心位置まで微細

図 2 再現 ICCGHAZ 組織に及ぼす Si 量の影響なベイナイト組織が得られている。表 3 に母材の引張試験

Fig. 2 Effect of Si content on microstructure of simulatedICCGHAZ

結果とシャルピー衝撃試験結果を示す。溶接後熱処理（Postweld heat treatment：PWHT）有無のいずれにおいても，全ての試験で表 1 に示した目標特性を十分に満足している。
また，延性脆性破面遷移温度（vTrs）も仕様温度に対して優れた値を示した。

3.3

ひずみ時効特性

ひずみ時効シャルピー試験により，ひずみ時効特性を評価した。予ひずみ量は 5, 8, 10％とし，時効熱処理は 250℃

表 2 開発鋼の化学成分（mass％）
Table 2

Chemical composition of developed steel plate

図3 再 現焼戻し ICCGHAZ 組織のシャルピー吸収エネルギーとSi 量の関係

CSiMnFig. 3 Relationship between Charpy absorbed energy ofsimulated tempered-ICCGHAZ and Si amount

0.07

0.18

1.58 0.004 0.002 0.035*

PSAlOthers

Ceq*

Cu, Ni, Mo,Nb, Ti, Ca,
etc.

0.46

Ceq = C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Cu＋Ni)/15

磨を行う 2 段エッチング処理にてセメンタイトを除去したものであり，白く見えている組織はほぼ全てが島状マルテンサイト組織である。添加 Si 量を 0.36 mass％から 0.18 mass％に低減すると，特に ICCGHAZ 形成後の昇温時による島状マルテンサイトのフェライトとセメンタイトへの分解反応が促進されており，最終的に残存する島状マルテンサイト量が低 減 さ れ て い ること が 分 か る。ま た 図 3 は 再 現 焼 戻 し
ICCGHAZ 組織のシャルピー衝撃試験結果と添加 Si 量の関係を示す。添加 Si 量の低減により，シャルピー衝撃吸収エネルギーが向上しており，これは島状マルテンサイト量の低下に起因すると考えられる。
さらに，マトリックスの靭性向上のために，鋼組織の脆化効果のある P や S などの不純物元素の低減と，靭性向上効果のある Ni 添加を適正量行っている。

図 4 製造プロセス
Fig. 4JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）

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Manufacturing process

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海洋構造物用溶接継手 CTOD 仕様 YP500 N/mm 級鋼板

表 3 母材の引張試験結果とシャルピー衝撃試験結果
Table 3Thickness
(mm)

PWHT
―75580˚C −4 hr

Results of tensile test and Charpy impact test for base platePosition

Direction

Tensile test
2Charpy impact test

2YS (N/mm )TS (N/mm )El (%)

vE−40 (J)vTrs (˚C)

1/4t

56562726289＜−1001/2t

53363321216−7355962527284＜−10054362523152−811/4t

T1/2t

表 4 母材のひずみ時効シャルピー衝撃試験結果
Table 4

Results of strain aged Charpy impact test forbase plate

Thickness(mm)

75

Position

PreCharpy impact test
Direction strain(%) vE-40 (J) vTrs (˚C)

SurfaceT

5216−858164−8210189−79

表 5 母材の落重試験結果
Table 5Thickness(mm)Results of drop weight test for base plate
PWHT

Position

Direction―75580˚C−4 hr

NDTT(˚C)＜−80Surface

T＜−80

図 5 母材のミクロ組織
Fig. 5

Optical micrographs of base plate

で 1 時間保持とした。表 4 にひずみ時効シャルピー衝撃試
験結果を示す。予ひずみ量 10％においても十分な吸収エネルギーを示し，vTrs も－79℃と優れた特性を示した。

3.4

NRL 落重特性

図 6 母材の CTOD 試験結果
Fig. 6

ASTM Standards の ASTM E208 に準拠し，NRL 落重試験Results of CTOD test for base plateを行った。試験片形状は P-3 タイプとし，鋼板表面から T方向に試験片を採取し，Nil-ductility transition temperature

材 CTOD 試験の結果を示す。PWHT 有無のいずれにおいて（NDTT）を求めた。落重エネルギーは 400 J とした。試験も，良好な値が得られた。

結果を表 5 に示す。NDTT は－80℃以下であり，優れた特4． 溶接継手の特性性を示した。

3.5

母材の CTOD 特性

4.1

図 6 に，ISO12135 に準拠し，試験温度－10℃で行った母－ 53 －溶接条件

表 6 に継手試験用の溶接継手を作成した際の溶接条件をJFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）

2海洋構造物用溶接継手 CTOD 仕様 YP500 N/mm 級鋼板

表 6 溶接条件
Table 6Thickness(mm)

Welding
methodWelding
consumable

FCAW

SAW

Welding conditions
Preheattemperature (˚C)

Interpasstemperature (˚C)

Heat input(kJ/mm)

MX-A62L(1.2 mmϕ ),(Kobe steel, Ltd.)150＞1500.7US-2N(4.0 mmϕ ),PFH-55LT(Kobe steel, Ltd.)130＞140

3.5

Groove shape75

示 す。 溶 接 入 熱 量 0.7 kJ/mm に つ い て は 多 層 の FCAW，3.5 kJ/mm については多層の SAW により溶接継手を作成した。図 7 に溶接継手のマクロ組織を示す。

4.2

溶接継手の機械的特性

表 7 に溶接継手の引張試験結果およびシャルピー衝撃試
験結果を示す。いずれの試験条件においても，引張，シャルピー特性ともに目標を十分に満足している。

4.3

溶接継手の CTOD 特性

図 8 に溶接継手の CTOD 試験結果を示す。ISO15653 に
準 拠 し， 試 験 温 度－10 ℃ に て 試 験 し た。W. M., CGHAZ,
Subcritically reheated HAZ（SCHAZ）のいずれの試験位置，試験条件においても CTOD 値は目標を満足し，溶接継手が優れた脆性破壊発生抵抗を示すことが確認された。

5． おわりに深海域開発用の海洋構造物用鋼板として，板厚 75 mm の2

CTOD－10 ℃ 仕 様 YS500 N/mm 級 鋼 を 開 発 し た。YS500
図 7 溶接継手のマクロ組織
Fig. 7

Macrostructures of welded joint2

N/mm 級という高強度鋼板にも関わらず，高度な成分設計と最新鋭のオンライン加速冷却装置 Super-OLAC-A をはじめとする厚板製造技術の組み合わせにより，良好な溶接継手CTOD 特性を達成した。
今後も海洋エネルギー資源の開発は活発に行われることが予測され，開発鋼の様々な海洋構造物への適用が期待される。

JFE 技報 No. 46（2020 年 8 月）

－ 54 －

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海洋構造物用溶接継手 CTOD 仕様 YP500 N/mm 級鋼板

表 7 溶接継手の引張試験結果およびシャルピー衝撃試験結果
Table 7Thickness(mm)Welding Heat input
method(kJ/mm)
FCAW

0.7

Results of tensile test and Charpy impact test for welded jointTensile test

SAWPosition

2(N/mm )―655―

75Charpy impact test

TSPWHT629

3.5580˚C −4 hr626

vE−40 (J)
W.M.

F.L.

F.L.＋2 mm

F.L.＋5 mm

Sub-surface

175

226

229

252

Root

172

325

118

142

Sub-surface

161

177

247

241

Root

119

213

268

274

Sub-surface

174

202

279

265

Root

82

164

234

258

W. M.: Weld metal, F. L.: Fusion line

図 8 溶接継手の CTOD 試験結果
Fig. 8Results of CTOD test for welded joint

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2海洋構造物用溶接継手 CTOD 仕様 YP500 N/mm 級鋼板

寺澤 祐介

田中 敏隆

鈴木 伸一

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