JP5447698B2

JP5447698B2 - スチーム配管用高強度鋼材およびその製造方法

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Publication number: JP5447698B2
Application number: JP2012556708A
Authority: JP
Inventors: 浩史中村; 秀治岡口
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2031-02-10
Also published as: WO2012108027A1; JPWO2012108027A1

Description

本発明は、スチーム配管用高強度鋼材およびその製造方法に関する。

石油の類似資源であるオイルサンドの開発がカナダなどで進められている。オイルサンドとは、極めて粘性の高い鉱物油分（以下、「ビチューメン」という。）を含む砂岩のことである。露天掘りが難しい比較的深い位置に存在するオイルサンドの場合、３５０℃程度の高温の水蒸気を２０年以上の長期間オイルサンドに注入することにより、ビチューメンの粘度を下げ、液化したビチューメンを汲み上げることが行われている。このため、高温水蒸気を長期間送ることが可能なスチーム配管用鋼材が求められている。

スチーム配管用鋼材は、軽量化による敷設コスト低減などの目的で、要求される強度が増加する傾向にある。最近では降伏強度が７００ＭＰａ以上の製品が要望されている。しかしながら、鋼材は、高温に長期間さらされると機械的性能が低下することがある。

従来、スチーム配管用鋼材を高強度化するため、化学組成または製造条件を制御して鋼材の性能を高める技術が開示されている。例えば、特許文献１には、溶接熱影響部（以下、「ＨＡＺ」という。）の靭性に優れた高強度蒸気配管用鋼板の製造方法に関する技術が開示されている。また、特許文献２には、高温特性に優れた蒸気輸送配管用鋼板および鋼管ならびにそれらの製造方法に関する技術が開示されている。特許文献１および特許文献２で開示された技術によれば、降伏強度５５０ＭＰａ以上のスチーム配管用鋼材が得られるとされている。

特開２００６−１８３１３３号公報特開２００８−１９５９９１号公報

特許文献１および特許文献２で開示された技術を用いても、７００ＭＰａ以上の降伏強度を安定的に有する鋼材を得ることが難しい。

スチーム配管用鋼材は、ＵＯＥ工程で製管される。このとき、鋼板が冷間加工によって管状に成形され、突合せ部をサブマージアーク溶接などによって接合された後、必要に応じて拡管が行われて鋼管となる。よって、スチーム配管用鋼材には、良好な靱性および溶接性も求められる。

本発明は、このような従来技術の問題を解決するため、高温に長期間曝された後にも７００ＭＰａ以上の降伏強度を有するとともに、良好な靱性および溶接性をも有する、スチーム配管用高強度鋼材およびその製造方法を提供することを目的とする。

高温に長期間曝した後の降伏強度を実際に測定することは不可能である。そこで、本発明者らは、Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒパラメータを使用して、３５０℃に２０年間曝される使用条件を模擬した熱処理の条件を見出した（以下、この熱処理を「模擬熱処理」という。）。

高温に長期間曝された後の降伏強度は、下記（３）式から求められるＬａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒパラメータ（Ｐｌｍ）により評価することができる。
Ｐｌｍ＝Ｔ（ｌｏｇ（ｔ）＋２０）・・・（３）
ただし（３）式中のＴは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈｏｕｒ）、ｌｏｇは常用対数をそれぞれ意味する。

Ｐｌｍは時間を温度で補正するパラメータであり、これを用いることで実験時間を短縮できる。すなわち、Ｐｌｍでは、鋼材の使用条件において想定される温度および期間（時間）のパラメータ値が、実験における温度および期間（時間）のパラメータ値と同程度になる。想定される鋼材の使用条件（３５０℃に２０年間曝される使用条件）は、例えば、４００℃で２０００時間の熱処理、４５０℃で５０時間の熱処理、５００℃で２時間の熱処理に相当する。このときのＰｌｍは１５７００である。

本発明者らは、各種鋼材について、上記Ｐｌｍが１５７００である熱処理をした後でも常温で７００ＭＰａ以上の降伏強度を有する条件を調査し、本発明を完成した。

本発明の要旨は、下記（Ａ）〜（Ｃ）に示すスチーム配管用高強度鋼材および下記（Ｄ）〜（Ｆ）に示すスチーム配管用高強度鋼材の製造方法にある。

（Ａ）質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．６０％、Ｍｎ：０．８３〜２．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．０９０％およびＮ：０．００１〜０．００９％と、さらに、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０９％およびＢ：０．０００３〜０．００５０％から選択される１種以上とを含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＰ、ＳおよびＯが、それぞれＰ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００４％以下およびＯ：０．００５％以下であり、下記の（１）式から求められるＰｃｍが０．１５〜０．２９であり、下記の（３）式から求められるＰｌｍが１５７００を満足する熱処理後に７００ＭＰａ以上の降伏強度を有するスチーム配管用高強度鋼材。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ・・・（１）
Ｐｌｍ＝Ｔ（ｌｏｇ（ｔ）＋２０）・・・（３）
ただし、（１）式中の元素記号は各元素の鋼中含有量（質量％）を意味し、（３）式中のＴは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈｏｕｒ）、ｌｏｇは常用対数をそれぞれ意味する。

（Ｂ）さらに、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下およびＭｇ：０．００８％以下から選択される１種以上を含有する上記（Ａ）のスチーム配管用高強度鋼材。

（Ｃ）さらに、質量％で、Ｓｎ：０．５％以下を含有する上記（Ａ）または（Ｂ）のスチーム配管用高強度鋼材。

（Ｄ）鋼片または鋼塊を８５０℃以上に加熱し、９００℃以下の温度域における合計圧下率が５０％以上であり、圧延仕上温度を７００〜８５０℃とする条件で圧延し、６００℃以上の温度で開始し、６５０〜５００℃の冷却速度が１０℃／ｓ以上であり、２００℃以上で終了する加速冷却を行うスチーム配管用高強度鋼材の製造方法であって、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．６０％、Ｍｎ：０．８３〜２．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．０９０％およびＮ：０．００１〜０．００９％と、さらに、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０９％およびＢ：０．０００３〜０．００５０％から選択される１種以上とを含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＰ、ＳおよびＯが、それぞれＰ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００４％以下およびＯ：０．００５％以下であり、下記の（１）式から求められるＰｃｍが０．１５〜０．２９であり、下記の（２）式から求められるＦｃが５０以上である鋼片または鋼塊を、下記の（４）式から求められるＦｐが８６以上となる条件で、加熱、圧延および加速冷却を行うことを特徴とするスチーム配管用高強度鋼材の製造方法。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ・・・（１）
Ｆｃ＝４４−１６５Ｃ−３４Ｓｉ−２６Ｍｎ−１２Ｃｕ＋８５Ｎｉ＋１２Ｃｒ＋７３Ｍｏ＋１３Ｖ−７７Ｎｂ＋９９００Ｂ・・・（２）
Ｆｐ＝（１０Ｆｃ＋Ｔｈ＋５Ｔｆ＋５Ｔａ＋Ｔｂ）／１００・・・（４）
ただし、（１）、（２）式中の元素記号は各元素の鋼中含有量（質量％）を意味し、（４）式中のＦｃは（２）式から求められる値、Ｔｈは圧延前の加熱温度（℃）、Ｔｆは圧延仕上温度（℃）、Ｔａは加速冷却開始温度（℃）、Ｔｂは加速冷却停止温度（℃）をそれぞれ意味する。

（Ｅ）さらに、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下およびＭｇ：０．００８％以下から選択される１種以上を含有する上記（Ｄ）のスチーム配管用高強度鋼材の製造方法。

（Ｆ）さらに、質量％で、Ｓｎ：０．５％以下を含有する上記（Ｄ）または（Ｅ）のスチーム配管用高強度鋼材の製造方法。

本発明の高強度鋼材は、３５０℃以上の高温に長期間さらされた後にも７００ＭＰａ以上の降伏強度を有するため、スチーム配管用高強度鋼材として好適である。特に、オイルサンドにスチームを注入するための配管、水蒸気を注入した後にビチューメンを運搬するための配管などに適している。本発明の高強度鋼材は、靱性および溶接性にも優れているため、ＵＯＥ工程で製管を容易に行うことができる。
本発明の製造方法によれば、上記の高強度鋼材を比較的容易に製造することができる。

模擬熱処理後の常温降伏強度とＦｃとの関係

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、化学組成における各元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

[１]鋼材の化学組成について
Ｃ：０．０２〜０．１５％
Ｃは、鋼の強度を高めるために必要な元素である。この効果を得るために、Ｃ含有量は０．０２％以上とする。しかし、Ｃの含有量が０．１５％を超えると、溶接割れが起こり易い。よって、Ｃ含有量は０．０２〜０．１５％とする。好ましい下限は０．０３％である。好ましい上限は０．１１％であり、より好ましい上限は０．０７％である。

Ｓｉ：０．０１〜０．６０％
Ｓｉは、脱酸作用を有する元素である。この効果を得るために、Ｓｉ含有量は０．０１％以上とする。しかし、Ｓｉの含有量が０．６０％を超えると、母材およびＨＡＺの靱性が著しく悪化する。よって、Ｓｉ含有量は０．０１〜０．６０％とする。好ましい下限は０．０５％であり、より好ましい下限は０．０９％である。好ましい上限は０．３０％である。

Ｍｎ：０．５〜２．５％
Ｍｎは、鋼の強度を高める作用を有する。この効果を得るために、Ｍｎ含有量は０．５％以上とする。しかし、その含有量が２．５％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。このため、Ｍｎの含有量は０．５〜２．５％とする。好ましい下限は１．２％であり、より好ましい下限は１．４％である。好ましい上限は２．０％である。

Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ｔｉは、Ｎとともに析出物（ＴｉＮ）を形成してＨＡＺの靱性を改善するので、０．００５％以上含有させる。しかし、その含有量が０．０５％を超えると、母材とＨＡＺの靱性が悪化する。よって、Ｔｉ含有量は０．００５〜０．０５％とする。好ましい下限は０．００７％である。好ましい上限は０．０２５％であり、より好ましい上限は０．０２０％であり、さらに好ましい上限は０．０１４％である。

ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．０９０％
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。この効果を得るために、ｓｏｌ．Ａｌ（「酸可溶Ａｌ」）として０．００５％以上含有させる。しかし、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．０９０％を超えると、ＨＡＺの靱性が悪化する場合がある。よって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は０．００５〜０．０９０％とする。好ましい下限は０．０１５％である。好ましい上限は０．０６０％であり、より好ましい上限は０．０４５％である。

Ｎ：０．００１〜０．００９％
Ｎは、Ｔｉとともに析出物（ＴｉＮ）を形成してＨＡＺの靱性を改善するので、０．００１％以上含有させる。しかし、その含有量が０．００９％を超えると、母材とＨＡＺの靱性が悪化する。よって、Ｎ含有量は０．００１〜０．００９％とする。好ましい下限は０．００２％である。好ましい上限は０．００５％である。

本発明のスチーム配管用高強度鋼材は、上記の各元素を基本成分とし、鋼材の強度を向上させるために、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０９％およびＢ：０．０００３〜０．００５０％から選択される１種以上を含有する。

Ｃｕ：０．１〜２．０％
Ｃｕは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｃｕを０．１％以上含有させた場合に顕著となる。しかし、Ｃｕ含有量が２．０％を超えると、鋼材の表面性状および靱性が悪化し、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｃｕを含有させる場合の含有量は０．１〜２．０％以下とする。好ましい下限は０．２％である。好ましい上限は０．６０％以下である。

Ｎｉ：０．１〜３．０％
Ｎｉは、鋼材の強度および靱性を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｎｉを０．１％以上含有させた場合に顕著となる。しかし、Ｎｉ含有量が３．０％を超えると、鋼材の表面性状が悪化することがある。よって、Ｎｉを含有させる場合には、その含有量を０．１〜３．０％とする。好ましい下限は０．２％である。好ましい上限は０．６０％である。

Ｃｒ：０．１〜１．０％
Ｃｒは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｃｒを０．１％以上含有させた場合に顕著となる。しかし、Ｃｒ含有量が１．０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｃｒを含有させる場合には、その含有量を０．１〜１．０％とする。好ましい下限は０．２％である。好ましい上限は０．６０％である。

Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｍｏを０．０５％以上含有させた場合に顕著となる。しかし、Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｍｏを含有させる場合には、その含有量を０．０５〜１．０％とする。好ましい下限は０．１％である。好ましい上限は０．６０％である。

Ｖ：０．０１〜０．１０％
Ｖは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｖを０．０１％以上含有させた場合に顕著となる。しかし、Ｖ含有量が０．１０％を超えると、延性および靱性が悪化するおそれがある。よって、Ｖを含有させる場合には、その含有量を０．０１〜０．１０％とする。好ましい下限は０．０２％である。好ましい上限は０．０６％である。

Ｎｂ：０．００５〜０．０９％
Ｎｂは、鋼材の強度を向上させる効果を有し、また、適切な圧延を行えば、母材靱性を高める作用もある。この効果は、Ｎｂを０．００５％以上含有させた場合に顕著となる。しかし、その含有量が０．０９％を超えると、母材とＨＡＺの靱性が悪化する。よって、Ｎｂを含有させる場合には、その含有量を０．００５〜０．０９％とする。好ましい下限は０．０１％である。好ましい上限は０．０６％であり、より好ましい上限は０．０４％である。

Ｂ：０．０００３〜０．００５０％
Ｂは、鋼材の強度を向上させるのに有効な元素である。この効果は、Ｂを０．０００３％以上含有させた場合に顕著となる。しかし、Ｂの含有量が０．００５０％を超えると、溶接割れが起こりやすくなる。よって、Ｂを含有させる場合には、その含有量を０．０００３〜０．００５０％とする。好ましい下限は０．０００６％であり、より好ましい下限は０．００１０％である。好ましい上限は０．００２５％である。

本発明のスチーム配管用高強度鋼材は、上記の化学組成を有し、残部はＦｅおよび不純物からなるものである。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分を意味する。ただし、Ｐ、ＳおよびＯは、不純物としての含有量が高いと、鋼の特性を悪化させる可能性がある。よって、これらの元素については、その含有量を下記の範囲に制限する必要がある。

Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、鋼材中に不純物として不可避的に存在し、靱性を悪化させる元素である。ただし、Ｐ含有量は０．０２０％まで許容できる。好ましい上限は０．０１５％である。より好ましい上限は０．００５％である。

Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは、鋼材中に不純物として不可避的に存在し、延性または靱性に有害な介在物を多く生成する元素である。ただし、Ｓ含有量は０．０１０％まで許容できる。好ましい上限は０．００４％であり、より好ましい上限は０．００２％であり、さらに好ましい上限は０．００１％である。

Ｏ：０．００５％以下
Ｏ（酸素）は、鋼材中に不純物として不可避的に存在し、母材靱性および延性に悪影響を及ぼす元素である。ただし、Ｏ含有量は０．００５％まで許容できる。好ましい上限は０．００２％である。

本発明のスチーム配管用高強度鋼材には、Ｆｅの一部に代えて、下記の元素を含有させてもよい。

Ｃａ：０．０１％以下
ＲＥＭ：０．０２％以下
ＣａおよびＲＥＭは、硫化物（特にＭｎＳ）の形態を制御し、低温靱性および耐水素割れ性能を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るために、Ｃａおよび／またはＲＥＭを含有させてもよい。ただし、含有量が過剰な場合、ＣａおよびＲＥＭを含む介在物が粗大となる。粗大化した介在物がクラスター化すると、鋼の清浄度を害し、溶接性にも悪影響を及ぼすことがある。よって、Ｃａを含有させる場合には、その含有量は０．０１％以下とし、ＲＥＭを含有させる場合には、その含有量は０．０２％以下とする。上記の効果は、Ｃａは０．０００５％以上、ＲＥＭは０．００１％以上含有させた場合に顕著となる。Ｃａ含有量は、溶接性の観点から０．００６％以下にすることが好ましい。ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、これらの元素から選択される１種以上を含有させることができる。ＲＥＭの含有量は上記元素の合計量を意味する。

Ｍｇ：０．００８％以下
Ｍｇは、微細に分散した酸化物を形成し、ＨＡＺのオーステナイト粒径の粗大化を抑制して低温靭性を向上させる効果を発揮する。この効果を得るためにＭｇを含有させてもよい。ただし、Ｍｇ含有量が０．００８％を超えると、粗大な酸化物を生成して靭性を劣化させることがある。このため、Ｍｇを含有させる場合には、その含有量は０．００８％以下とする。上記の効果は、Ｍｇを０．０００５％以上含有させた場合に顕著となる。

Ｓｎ：０．５０％以下
Ｓｎは、Ｓｎ^２＋となって溶解し、腐食を抑制する作用を有する。これは、Ｓｎ^２＋が腐食促進作用を有するＦｅ^３＋を速やかに還元する効果を有するからである。Ｓｎは鋼のアノード溶解反応を抑制し耐食性を向上させる作用も有する。これらの効果を得るためにＳｎを含有させてもよい。ただし、Ｓｎ含有量が０．５０％を超えると、これらの効果は飽和する。よって、Ｓｎを含有させる場合には、その含有量を０．５０％以下とする。上記の効果は、Ｓｎを０．０３％以上含有させた場合に顕著となる。好ましい下限は０．０５％である。好ましい上限は０．３０％である。

ここで、鋼材中の各元素をそれぞれ規定するだけでは、３５０℃に２０年間曝されるという過酷な条件で使用された場合に、７００ＭＰａ以上の降伏強度を有するとともに、良好な靱性および溶接性が安定して得られない。そのため、下記（１）式から求められるＰｃｍおよび下記（２）式から求められるＦｃを特定の範囲とする必要がある。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ・・・（１）
Ｆｃ＝４４−１６５Ｃ−３４Ｓｉ−２６Ｍｎ−１２Ｃｕ＋８５Ｎｉ＋１２Ｃｒ＋７３Ｍｏ＋１３Ｖ−７７Ｎｂ＋９９００Ｂ・・・（２）
ただし、（１）、（２）式中の元素記号は各元素の鋼中含有量（質量％）を意味する。

Ｐｃｍ：０．１５〜０．２９
Ｐｃｍは、母材の機械的性能を維持し、良好な溶接性を得るための指標となる。母材の強度は、Ｐｃｍが大きいほど向上し、０．１５以上の場合に良好となる。しかし、Ｐｃｍが０．２９を超えると溶接割れが顕著となる。よって、Ｐｃｍは０．１５〜０．２９とする。母材の強度をさらに向上させるためには、下限を０．１７とすることが好ましい。溶接割れを抑制するためには、上限は０．２５とするのが好ましい。より好ましい上限は０．２３であり、さらに好ましい上限は０．２１である。

Ｆｃ：３０以上
本発明者らは、Ｌａｒｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅｒパラメータに基づいて、３５０℃に２０年間曝される使用条件の模擬熱処理を種々の鋼材に施す実験を行った。その結果、３５０℃に２０年間曝された場合に鋼材の機械的特性を低下させる元素を特定するとともに、各元素の影響を勘案して上記（２）式を見出した。本発明者らはさらに、Ｆｃが３０以上であれば、上記実験後の降伏強度の低下が小さい、すなわち、３５０℃に２０年間曝された後であっても鋼材の降伏強度を７００ＭＰａ以上に維持できることを見出した（図１参照）。Ｆｃは５０以上とすることが好ましく、６０以上とすることがより好ましい。Ｆｃは、さらに８０以上とすることが好ましく、１２０以上とすることが一層好ましい。

Ｐｌｍが１５７００である熱処理をした後の常温降伏強度：７００ＭＰａ以上
ただし、Ｐｌｍは、下記（３）式から求められる値であり、下記（３）式中のＴは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈｏｕｒ）、ｌｏｇは常用対数をそれぞれ意味する。
Ｐｌｍ＝Ｔ（ｌｏｇ（ｔ）＋２０）・・・（３）
鋼材が３５０℃以上の高温に長期間曝された後の降伏強度を７００ＭＰａ以上にするためには、Ｐｌｍが１５７００である熱処理をした後でも常温で７００ＭＰａ以上の降伏強度を有するものにすることが好ましい。よって、本発明の鋼材は、Ｆｃの規定に代えて、Ｐｌｍが１５７００である熱処理をした後に７００ＭＰａ以上の常温降伏強度を有するものとも表現できる。実際の使用環境における降伏応力の低下を小さくするためには、Ｐｌｍが１５７００である熱処理をした後の常温降伏強度を大きくすることが好ましく、上記熱処理後の常温降伏強度は７２０ＭＰａ以上であることが好ましく、７４０ＭＰａ以上であることがより好ましく、７６０ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。

[２]製造条件について
上記[１]で説明した化学組成を有する鋼片または鋼塊を用いて、（４）式から求められるＦｐが８６以上となる加熱、圧延および加速冷却を行うことが必要である。
Ｆｐ＝（１０Ｆｃ＋Ｔｈ＋５Ｔｆ＋５Ｔａ＋Ｔｂ）／１００・・・（４）
ただし、（４）式中のＦｃは（２）式から求められる値、Ｔｈは圧延前の加熱温度（℃）、Ｔｆは圧延仕上温度（℃）、Ｔａは加速冷却開始温度（℃）、Ｔｂは加速冷却停止温度（℃）をそれぞれ意味する。
Ｆｐが８６以上となる加熱、圧延および加速冷却を行えば、炭窒化物の固溶が促進し、焼入れ性が向上する。その結果、降伏強度の高い鋼材が得られるとともに、３５０℃で２０年曝された後でも常温で７００ＭＰａ以上の降伏強度を確実に得ることができる。Ｆｐは９０以上であることが好ましい。

（４）式を満たすように、圧延前の加熱温度（℃）、圧延仕上温度（℃）、加速冷却開始温度（℃）、加速冷却停止温度（℃）を設定すればよいが、各工程の好ましい条件を以下に示す。

圧延前の加熱温度（Ｔｈ）は、鋼材の熱間圧延を容易に行うため、８５０℃以上とするのが好ましい。この温度で圧延前の加熱を行えば、炭窒化物の固溶が促進するなどの効果が得られ、強度および靱性が向上する。Ｔｈは、１０５０℃以上とするのがより好ましい。ただし、Ｔｈが高すぎると、オーステナイト結晶粒が粗大化して低温靱性が劣化することがある。したがって、Ｔｈは１２００℃以下とするのが好ましい。

圧延は、９００℃以下の温度域における合計圧下率が５０％以上となる条件で行うことが好ましい。これにより、オーステナイトに残留ひずみを確実に与えることができ、良好な靱性を確保することが容易になる。９００℃以下の温度域における合計圧下率は７０％以上とするのがより好ましい。ここで、「９００℃以下の温度域における合計圧下率」とは、｛（９００℃に達した時点の厚さ）−（圧延仕上厚さ）｝／（９００℃に達した時点の厚さ）×１００（％）を意味する。

さらに、圧延仕上温度（Ｔｆ）は、７００〜８５０℃とすることが好ましい。これにより、良好な強度および靱性がより確実に得られる。Ｔｆが７００℃未満の場合には、加速冷却開始温度が低くなり、焼入れの程度が充分でなく、鋼板の強度が不足することがある。一方、Ｔｆが８５０℃を超えると、良好な靱性の確保が難しくなることがある。好ましい下限は７５０℃であり、好ましい上限は８００℃である。

圧延後の加速冷却は、良好な強度、および靱性を得るために行うものである。この加速冷却開始温度（Ｔａ）が低すぎると焼入れの効果が小さくなるので、Ｔａは６００℃以上が望ましく、６５０℃以上とすることがより好ましい。Ｔａが高いと良好な靱性が得られない場合があるため、Ｔａは８００℃以下が好ましく、７５０℃以下がより好ましく、７００℃以下とするのがさらに好ましい。

水素割れの発生および熱処理時の特性変化を抑制するために、加速冷却停止温度（Ｔｂ）は２００℃以上とするのが好ましく、４００℃以上とするのがより好ましい。加速冷却停止後は、放冷または徐冷することが好ましい。

加速冷却においては、強度確保を確実にするため、６５０〜５００℃の冷却速度を１０℃／ｓ以上とすることが好ましい。この温度域の冷却速度は、良好な強度を得るために、２０℃／ｓ以上とするのが好ましく、良好な延性を確保するためには、７０℃／ｓ以下とするのが好ましい。

上記各温度は、被圧延材の代表位置（例えば、鋼板の中央部）における表面温度を指し、加速冷却停止温度とは、復熱後の最大到達温度を意味する。冷却速度は、加速冷却開始温度と加速冷却停止温度との差を加速冷却時間で除した値である。また、加速冷却時間とは、例えば水槽で冷却を行う場合、浸漬時間を意味する。

本発明で製造された鋼板を用いて、管状に成形し、突合せ部を接合し、必要に応じて、拡管、防食のためのコーティングを施すことによって、ラインパイプを製造することができる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１に示す化学組成を有する厚さ１４０ｍｍの鋼片を、加熱し、熱間圧延し、さらに加速冷却（水冷）を行って、鋼板を作製した。表２および表３に各工程の温度を示す。なお、加熱後にその温度で１時間保持した。熱間圧延において、９００℃以下の温度域における合計圧下率は７８％とし、仕上げ板厚は２５ｍｍとした。加速冷却において、いずれも６５０〜５００℃の冷却速度は約３５℃／ｓであった。

得られた各鋼板に５００℃で２時間の模擬熱処理を行った後、常温で引張試験およびシャルピー衝撃試験を行った。この模擬熱処理におけるＰｌｍの計算値は約１５７００であり、３５０℃で２０年間曝される使用条件を模擬したものである。

＜引張試験＞
板厚中央部から、試験片の軸が圧延方向に対して垂直になるように採取した丸棒引張試験片（平行部の直径：８．５ｍｍ、標点距離：４２．５ｍｍ）を用いて、室温で引張試験を実施し、ＹＰ（０．２％耐力）、ＴＳ（引張強度）およびＥｌ（全伸び）を求めた。

＜シャルピー衝撃試験＞
板厚中央部から、試験片の長辺が圧延方向に対して垂直になるように採取したＶノッチ試験片（ＪＩＳＺ２２４２−２００５）を用いてシャルピー衝撃試験を実施し、ｖＥ−４０（−４０℃での吸収エネルギー）、およびｖＴｓ（破面遷移温度）を求めた。

各試験結果を表２および表３に併記した。

表２および表３に示すように、本発明で規定される条件を満足する試験Ｎｏ．１〜３、５〜３１、３３〜６０および６２〜８３（本発明例）は、模擬熱処理後のＹＰが７００ＭＰａ以上であり、ｖＴｓが−１０℃以下で、ｖＥ−４０が４７Ｊ以上であり、良好な靱性を有していた。ただし、本発明例のうち、試験Ｎｏ．３４は、Ｆｐが本発明で規定される範囲を外れるため、模擬熱処理後のＹＰが７１２ＭＰａと、他の本発明例よりも低い水準にとどまった。一方、Ｆｃが本発明で規定される条件を満しない試験Ｎｏ．４、３２および６１は、熱処理後のＹＰが７００ＭＰａ未満であった。

本発明の高強度鋼材は、３５０℃以上の高温に長期間さらされた後にも７００ＭＰａ以上の降伏強度を有するため、スチーム配管用高強度鋼材として好適である。特に、オイルサンドにスチームを注入するための配管、水蒸気を注入した後にビチューメンを運搬するための配管などに適している。本発明の高強度鋼材は、靱性および溶接性にも優れているため、ＵＯＥ工程で製管を容易に行うことができる。本発明の製造方法によれば、上記の高強度鋼材を比較的容易に製造することができる。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．６０％、Ｍｎ：０．８３〜２．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．０９０％およびＮ：０．００１〜０．００９％と、さらに、
Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０９％およびＢ：０．０００３〜０．００５０％から選択される１種以上とを含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、
不純物としてのＰ、ＳおよびＯが、それぞれＰ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００４％以下およびＯ：０．００５％以下であり、
下記の（１）式から求められるＰｃｍが０．１５〜０．２９であり、
下記の（３）式から求められるＰｌｍが１５７００を満足する熱処理後に７００ＭＰａ以上の降伏強度を有することを特徴とするスチーム配管用高強度鋼材。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ・・・（１）
Ｐｌｍ＝Ｔ（ｌｏｇ（ｔ）＋２０）・・・（３）
ただし、（１）式中の元素記号は各元素の鋼中含有量（質量％）を意味し、（３）式中のＴは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈｏｕｒ）、ｌｏｇは常用対数をそれぞれ意味する。
さらに、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下およびＭｇ：０．００８％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載のスチーム配管用高強度鋼材。
さらに、質量％で、Ｓｎ：０．５％以下を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のスチーム配管用高強度鋼材。
鋼片または鋼塊を８５０℃以上に加熱し、９００℃以下の温度域における合計圧下率が５０％以上であり、圧延仕上温度を７００〜８５０℃とする条件で圧延し、６００℃以上の温度で開始し、６５０〜５００℃の冷却速度が１０℃／ｓ以上であり、２００℃以上で終了する加速冷却を行うスチーム配管用高強度鋼材の製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜０．６０％、Ｍｎ：０．８３〜２．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．０９０％およびＮ：０．００１〜０．００９％と、さらに、
Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０９％およびＢ：０．０００３〜０．００５０％から選択される１種以上とを含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、
不純物としてのＰ、ＳおよびＯが、それぞれＰ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００４％以下およびＯ：０．００５％以下であり、
下記の（１）式から求められるＰｃｍが０．１５〜０．２９であり、
下記の（２）式から求められるＦｃが５０以上である鋼片または鋼塊を、
下記の（４）式から求められるＦｐが８６以上となる条件で、加熱、圧延および加速冷却を行うことを特徴とするスチーム配管用高強度鋼材の製造方法。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ・・・（１）
Ｆｃ＝４４−１６５Ｃ−３４Ｓｉ−２６Ｍｎ−１２Ｃｕ＋８５Ｎｉ＋１２Ｃｒ＋７３Ｍｏ＋１３Ｖ−７７Ｎｂ＋９９００Ｂ・・・（２）
Ｆｐ＝（１０Ｆｃ＋Ｔｈ＋５Ｔｆ＋５Ｔａ＋Ｔｂ）／１００・・・（４）
ただし、（１）、（２）式中の元素記号は各元素の鋼中含有量（質量％）を意味し、（４）式中のＦｃは（２）式から求められる値、Ｔｈは圧延前の加熱温度（℃）、Ｔｆは圧延仕上温度（℃）、Ｔａは加速冷却開始温度（℃）、Ｔｂは加速冷却停止温度（℃）をそれぞれ意味する。
さらに、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下およびＭｇ：０．００８％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする請求項４に記載のスチーム配管用高強度鋼材の製造方法。
さらに、質量％で、Ｓｎ：０．５％以下を含有することを特徴とする請求項４または５に記載のスチーム配管用高強度鋼材の製造方法。