座屈抵抗の良いラインパイプの実用化

公開時間： 07 / 01 2021 著者：サイト編集者訪問：10796

地震帯とツンドラ帯の基礎が変わると、その帯に敷設されたパイプラインが座屈して破損する可能性があります。したがって、パイプラインの安全性を確保するためには、ラインパイプの座屈抵抗を改善することが非常に重要です。従来のパイプライン設計では、鋼管の座屈を防ぐために鋼管の肉厚を厚くする方法を使用しています。この方法では、高張力鋼管を使用して鋼管を細くし、パイプラインのコストを削減するという目的を達成することはできません。 JFEスチール株式会社は、最新の厚板変形熱処理技術を用いて鋼の多相構造を制御し、従来の鋼管よりも座屈性に優れた新製品を開発し、地震地帯や凍土ゾーン。

座屈抵抗の良いラインパイプの実用化

鋼管は構造体であり、鋼管の座屈現象は鋼管の機械的性質、特に応力-ひずみ関係によって決定されます。鋼管の機械的特性は、鋼管の微細構造によって決まります。鋼管の構造は、鋼管の化学組成、圧延、熱処理条件を最適化することで制御できます。新しい鋼管製品を開発するためには、次の関係を見つけることが重要です：1）鋼管の座屈抵抗と鋼管の引張強度の関係2）鋼管の引張強度の関係鋼管と鋼管の微細構造、3）鋼管の微細構造組織と鋼管製造条件との関係。その中で、微細構造の機械的性質の研究によれば、実験的研究は主に過去に行われた。この研究では、TEM分析を使用して鋼管の構造と変形挙動を予測し、鋼管の構造を最適化する技術を開発しました。

鋼管の座屈抵抗と鋼管の引張強度の関係を特定する

まず、さまざまな鋼管の応力-ひずみ曲線とパイプの直径と壁の厚さの比率（D / t）を、軸方向の圧縮と座屈のテストに使用します。図1は、極限座屈ひずみとnの値の関係、および応力-ひずみ曲線のモデル図です。一般的に、パイプ径（D）が小さく肉厚（t）が大きい鋼管は座屈しにくい、つまりD / tが小さい鋼管は極限座屈ひずみが大きい。 D / tが同じ場合、nの値が大きいほど、極限圧力が大きくなり、曲げひずみが大きくなります。また、降伏プラトー型の応力-ひずみ曲線を持つ鋼管の極限座屈ひずみが小さい。したがって、座屈を防ぐために、パイプライン鋼は連続的な応力-ひずみ曲線と高いn値を持つ必要があります。

多相構造用鋼の引張特性の制御

この論文は、鋼の微細構造と鋼の引張特性との関係を研究している。この研究は、制御された圧延および加速冷却プロセスによって製造された高n値のフェライト-ベイナイト二相構造鋼に焦点を当てています。鋼の構造がモデル化され、その変形挙動が分析されます。構造の連続性と対称性に応じて、ハード相がソフト相に分散した2次元構造モデル計算ユニットが2次元軸対称解析に使用されます。このモデルによると、構造体積分率の異なるフェライト-ベイナイト鋼の応力-ひずみ曲線と加工硬化特性のFEM解析結果を図40に示します。FEM解析結果は実験測定結果と非常に一致しています。したがって、この解析モデルにより、多相鋼の加工硬化特性を予測できると考えられます。また、図XNUMXから、単相フェライトと単相ベイナイトはどちらもn値が低く、鋼中のベイナイトの体積分率がXNUMX％のときに最大n値が得られることがわかります。

鉄鋼製造工程を調整することにより、ベイナイト以外の様々な硬い第二相も得ることができます。そのため、パーライトやマルテンサイトなどの硬い第XNUMX相の場合にもFEM解析を行いました。結果は、さまざまなハードフェーズの割合が増加すると、nの値が増加することを示しています。また、ソフト相とハード相の強度差が大きいほど、nの値への影響が大きくなります。したがって、硬い第二相としてマルテンサイトを使用すると、マルテンサイトの体積分率が小さくても、高いn値を得ることができます。

革新的なオンライン熱処理多相構造制御技術

厚鋼板用の革新的なオンライン熱処理多相構造制御技術の主な特徴は、制御された圧延後、Ar 3温度以下の加速冷却（ACC）でフェライト-ベイナイト構造鋼を製造できることです。日本では、フェライト系ベイナイト系の高変形鋼管がガスパイプラインとして使用されてきました。ただし、海外では、腐食を防ぐために、鋼管の外側を200〜250℃で防食コーティングする必要があります。そのため、ひずみ時効により変形性能が低下するという問題があります。この問題を解決するために、加速冷却後のオンライン熱処理装置（HOP？）を使用して、鋼構造を多相にし、ひずみ時効を低減します。

制御圧延後に加速冷却を行う場合、ベイナイト変態の途中で加速冷却を停止し、直接熱処理を行います。このとき、Cは未変態オーステナイトに濃縮され、オンライン熱処理加熱後の空冷過程で島状マルテンサイト（MA）が形成されます。したがって、ベイナイト中にＭＡが分散した多相構造が得られる。さらに、NbやMoなどの炭化物の析出は、オンライン熱処理の加熱プロセス中に発生します。これにより、固溶体Cの量が大幅に減少し、時効の発生が抑制されます。このような軟質ベイナイト相にMAが分散・分布する多相構造は、これまでの製造工程では得られなかった構造です。

ベイナイト-MA構造用鋼の機械的性質と鋼管の実用化

ベイナイト-MA構造の鋼コーティングを加熱すると、降伏強度がわずかに増加し、応力-ひずみ曲線の形状はあまり変化せず、コーティングは加熱後も高いn値を維持します。フェライト-ベイナイト構造の鋼コーティングを加熱すると、降伏強度が大幅に増加し、nの値が減少します。 MAは熱影響部などの溶接部の脆性破壊の起点であり、鋼の靭性を低下させることが過去に知られています。ただし、オンライン熱処理で得られるMAは微粒体であり、母材の靭性に悪影響を与えることはありません。また、MAは配向の異なる多くのベイナイト粒子に囲まれているため、ベイナイト/ MA界面での亀裂伝播が抑制されます。

ベイナイト-MA鋼管の圧縮座屈試験を実施し、耐座屈性に優れていることを証明しました。 API X80グレードのベイナイト-MA鋼管は、中国とカナダの地震ツンドラ地帯の天然ガスパイプラインで使用されています。

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