背景技术
在油井、气井等中,以往使用了80ksi级(YS:551~654MPa)的油井管,但随着油井的加深,要求油井管具有更高强度。因此,最近多使用95ksi级(YS:654~758MPa),还有110ksi级(YS:758~861MPa)这样的油井管。
另一方面,腐蚀性低的浅井枯竭,这些年,多挖掘含有2atm以上的高压硫化氢的腐蚀性高的深井。在这样的环境所使用的油井管被要求高强度的同时,还存在被称为氢致裂纹(Hydrogen Induced Cracking:HIC)和硫化物应力裂纹(Sulfide Stress Cracking:SSC)的氢脆的问题。因此,油井管的最大的课题在于实现高强度和克服HIC、SSC。
在含有高压硫化氢的环境所使用的油井管虽适于使用Ni基高合金,但是出于降低挖掘成本的理由,期望使用低合金油井管。
作为防止低合金油井管的HIC和SSC的方法公知有使钢高纯度的方法、使组织细粒化的方法等。而且,申请人已经提出了通过将非金属夹杂物限制为特定尺寸来提高耐SSC性的方法(专利文献1和2)。但是,以往的低合金油井管只设想用于含有1atm以下的硫化氢的环境。
申请人例如在专利文献1中提出了通过降低长径为20μm以上的非金属夹杂物来提高耐SSC性的方法,在专利文献2中提出了通过降低长径为5μm以上的氮化物来提高耐SSC性的方 法。但是,这些文献中全部表示1atm以下的硫化氢环境的评价结果。
在非专利文献1公开了如下内容:在含有B的钢中含有1%以上的Cr时,粗大碳化物M23C6(M是Fe、Cr、Mo)选择性地在旧奥氏体晶界生成,诱发晶界破断型的SSC,不佳。但是,该文献也表示1atm以下的硫化氢环境的结果。
在此,作为低合金油井管的硫化氢的腐蚀性的评价方法,采用了美国石油协会(National Association of CorrosionEngineers:NACE)所规定的TM0284-2003法和TM0177-2006法。这些方法是在使1atm的硫化氢气体饱和的酸性食盐水中进行HIC和SSC的评价,不是假想了高压硫化氢环境。
虽不是低合金油井管的例子,但是在非专利文献2中公开了研究了YS为70ksi级的通用的管线钢在高压硫化氢环境的HIC动向的例子。在非专利文献2指出,在硫化氢压力为2~5atm的情况下,增加了HIC的危险性,但硫化氢压力在为15atm的情况下,难以引起HIC。
但是,低合金油井管比非专利文献2所示的管线钢具有高强度。因此,即使在相同的环境也预想到增加了HIC和SSC的危险性,但并未对预想适用于高压的硫化氢环境的油井管用低合金的化学成分进行研究。因此,在高硫化氢环境使用低合金油井管的情况的HIC和SSC的防止方法到现在还没有确定。
专利文献1:日本特开2001-172739号公报
专利文献2:日本特开2001-131698号公报
非专利文献1:M.Ueda et.al、Proc.Int.Conf.Corrosion 2005,Houston,2005,Paper No.05089
非专利文献2:M.Kimura et.al、Proc.Int.Conf.Corrosion85,Massachusetts,1985,Paper No.237
发明内容
只要是在低压的硫化氢环境所使用的低合金油井管,就可利用如上述那样的高纯度、细粒化等钢的内质组织的改善,来改善耐SSC性。但是,在更高腐蚀性的高压(具体来说为2atm以上)的硫化氢环境所使用的低合金油井管只通过改善高纯度、细粒化等内质组织在防止HIC和SSC方面存在极限。
因此,本发明人为了在高腐蚀性的高压的硫化氢环境提高腐蚀生成物的保护性,进一步改善耐HIC性和耐SSC性,而进行了各式各样的研究。
在含有硫化氢的湿润环境下,硫化氢促进氢侵入钢中。因此,发生氢脆的一种即HIC和SSC。越是增加包含于环境中的硫化氢的量,该硫化氢的作用越增加。即,环境中的硫化氢分压越高,该硫化氢的作用越大,增加了HIC和SSC的危险性。
已知由于硫化物、氧化物等的腐蚀生成的皮膜一般而言作为氢侵入的阻挡层而起作用。在含有硫化氢的环境中,作为腐蚀生成物而在钢表面生成铁硫化物,但是硫化物通常比氧化物致密度低。因此,认为对于氢侵入无法发挥足够的保护性,引起了HIC和SSC。但是,在含有硫化氢的湿润环境中,一般而言,难以生成铁氧化物,铁硫化物就优先生成。
因此,本发明人想到通过在母材中适当地含有比铁容易生成不溶性氧化物的Cr和Mo,生成致密的氧化物皮膜,改善腐蚀生成物的保护性。
本发明的目的在于提供即使在高压的硫化氢环境中也具有优越的耐HIC性和耐SSC性的高强度低合金油井管用钢和无缝钢管。另外,所谓高压的硫化氢环境特别是指含有2atm以上的硫化氢的环境,所谓高强度是指具有95ksi(654MPa)以上的YS。
本发明是为了解决上述问题而做成的,以下述(1)和(2)所示的低合金油井管用钢和下述(3)所示的无缝钢管为主旨。
(1)一种低合金油井管用钢,在高压硫化氢环境中具有优异的耐HIC性和耐SSC性,屈服强度为654MPa~757MPa,其特征在于,以质量%计,含有C:0.10~0.60%、Si:0.05~0.5%、Mn:0.05~3.0%、P:0.025%以下、S:0.010%以下、Al:0.005~0.10%、O(氧):0.01%以下、Cr:3.0%以下以及Mo:3.0%以下,Cr和Mo的总计含有量为1.2%以上,剩余部分由Fe和杂质构成,通过截面观察,长径为10μm以上的非金属夹杂物为每1mm2 10个以下。
上述(1)所述的低合金油井管用钢,以质量%计,最好还含有从B:0.0003~0.003%、Nb:0.002~0.1%、Ti:0.002~0.1%、Zr:0.002~0.1%以及N:0.003~0.03%选择的1种以上以替代Fe的一部分。最好还含有V:0.05~0.3%和/或Ca:0.0003~0.01%。
(2)一种低合金油井管用钢,屈服强度为758MPa以上,其特征在于,以质量%计,含有C:0.10~0.60%、Si:0.05~0.5%、Mn:0.05~3.0%、P:0.025%以下、S:0.010%以下、Al:0.005~0.10%、O(氧):0.01%以下、Cr:3.0%以下、Mo:3.0%以下以及V:0.05~0.3%,Cr和Mo的含有量满足Cr+3Mo≥2.7%的关系,剩余部分由Fe和杂质构成,通过截面观察,长径为10μm以上的非金属夹杂物为每1mm2 10个以下。
上述(2)所述的低合金油井管用钢,以质量%计,最好还含有从B:0.0003~0.003%、Nb:0.002~0.1%、Ti:0.002~0.1%、Zr:0.002~0.1%以及N:0.003~0.03%选择的1种以上以替代Fe的一部分。也最好含有Ca: 0.0003~0.01%。
(3)一种低合金无缝钢管,其特征在于,由上述(1)~(2)所述的钢构成。
本发明的高强度低合金油井管用钢和无缝钢管具有优越的耐HIC性和耐SSC性,因此适于在高压的硫化氢环境使用。
具体实施方式
(A)钢的化学成分
C:0.10~0.60%
C对提高淬硬性来提高强度是有效的。为了得到该效果,必须含有0.10%以上。另一方面,即使含有超过0.60%,其效果也饱和,因此其上限为0.60%。优选的下限为0.25%。优选的上限为0.40%。
Si:0.05~0.5%
Si是对钢的脱氧有效的元素,具有提高回火软化阻力的效果。从脱氧的目的来看必须含有0.05%以上。另一方面,其含有量超过0.5%时,就促进软化相的铁素体相的析出,降低耐SSC性。因此,Si的含有量处于0.05~0.5%的范围。优选的下限为0.10%。优选的上限为0.35%。
Mn:0.05~3.0%
Mn是对确保钢的淬硬性有效的元素。从该目的来看必须含有0.05%以上。另一方面,超过3.0%地含有时,就与P、S等杂质元素一起在晶界偏析,降低耐SSC性。因此,Mn的含有量为0.05~3.0%。优选的下限为0.30%。优选的上限为0.50%。
P:0.025%以下
P在晶界偏析,降低耐SSC性。其含有量超过0.025%时,其影响更明显,因此上限为0.025%。P最好限制在0.015%以下。
S:0.010%以下
S也和P同样地在晶界偏析,降低耐SSC性。其含有量超过0.010%时,其影响更明显,因此上限为0.010%。S最好限制在0.003%以下。
Al:0.005~0.10%
Al是对钢的脱氧有效的元素,含有量不足0.005%就无法得到其效果。另一方面,即使超过0.10%地含有,其效果也饱和,因此上限为0.10%。所谓本发明的Al含有量是指酸可溶Al(所谓“sol.Al“)。优选的下限为0.020%。优选的上限为0.050%。
O(氧):0.01%以下
O(氧)作为杂质存在于钢中,其含有量超过0.01%时,就形成粗大的氧化物而降低韧性和耐SSC性。因此,其上限为0.01%。O(氧)最好为0.001%以下。
Cr:3.0%以下、Mo:3.0%以下
Cr和Mo在油井管表面形成致密的氧化物层,防止氢侵入,是改善耐SSC性的元素。这些效果在95ksi级(YS:654~758MPa)的钢材在Cr+Mo为1.2%以上的情况下发挥,在110ksi级(YS:758~861MPa)的钢材在Cr+3Mo为2.7%以上的情况下发挥。并且,为 了稳定地得到该效果,含有Cr1.0%以上,更优选含有1.2%以上。另一方面,这些效果即使过多地含有Cr和Mo,该效果也饱和,因此Cr和Mo的各自的上限为3.0%。
另外,110ksi级的钢材必须比95ksi级的钢材多含有Mo,原因在于Mo有助于提高腐蚀生成物的保护性的同时,也具有与V一起形成细微碳化物,提高回火温度,提高耐SSC性的效果。
V:0.05~0.3%(110ksi级是必须的。95ksi级是任意的。)
V生成细微碳化物即MC(M是V和Mo),具有提高回火温度的效果。从该观点来看,为了防止110ksi级的钢材的SSC,至少需要含有0.05%以上。95ksi级的钢材中,也可以不含有V,特别是想发挥上述的效果时,即使含有V超过0.3%,淬火时固溶的V也饱和,提高回火温度的效果饱和。因此,V的上限为0.3%。
B:0.0003%~0.003%
B即使不含有也可以,但若含有,对提高钢的淬硬性是有效的。另一方面,若过多地含有时,就具有促进晶界粗大碳化物M23C6(M是Fe、Cr、Mo)的生成的作用,降低耐SSC性。因此,含有B的情况下,其含有量最好为0.0003~0.003%。另外,为了充分得到添加B的效果,防止B成为B氮化物(BN),因此将N(氮)固定成别的氮化物为佳。因此,在含有B的情况下,最好添加比B的氮化物生成能力强的Ti和Zr。
Nb:0.002~0.1%、
Ti:0.002~0.1%、
Zr:0.002~0.1%
Nb、Ti和Zr都与C和N结合,形成碳氮化物,利用针扎(pinning)效果对细粒化有效地起作用,改善韧性等机械特性。为了得到该效果,最好分别含有0.002%以上。另一方面,即使含有都超过0.1%,效 果就饱和,因此其上限最好分别为0.1%。
N:0.003~0.03%
N作为杂质而不可避免地存在于钢中,但在主动含有的情况下,与C一起与Al、Nb、Ti或Zr结合,形成碳氮化物,利用针扎效果对细粒化有效地起作用,改善韧性等机械特性。为了得到该效果,最好含有0.003%以上。另一方面,即使含有超过0.03%,该效果也饱和,因此其上限最好为0.03%。
Ca:0.0003~0.01%
Ca与钢中的S结合,形成硫化物,改善夹杂物的形状来改善耐SSC性。为了得到该效果,最好含有0.0003%以上。另一方面,即使含有超过0.01%,其效果也饱和,因此其上限最好为0.01%。
(B)非金属夹杂物
在包含高压的硫化氢的严酷的环境下,只通过上述Cr和Mo提高腐蚀生成物皮膜的保护性是不够的,必须比以往更进一步降低成为HIC的起点的非金属夹杂物。即,在高压的硫化氢环境所使用的低合金油井用钢以包含在钢材内部的非金属夹杂物为起点而发生HIC。因此,不限于氮化物,也包含容易粗大化的含氧硫化物的全部的非金属夹杂物当中,必须尽量降低长径10μm以上的非金属夹杂物。特别是长径10μm以上的非金属夹杂物超过10个时,就容易成为HIC的起点。因此,必须使该个数为每1mm截面10个以下。
作为降低非金属夹杂物的方法,可列举出尽量降低容易形成粗大夹杂物的Ti、N(氮)、O(氧)、S的方法、通过加热器加热或搅拌钢液而使粗大夹杂物上浮的方法、防止在熔炼过程中从炉壁的耐火物混入氧化物的方法等。夹杂物一般在刚熔炼之后生成,多在冷却时成长,因此通过加快刚熔炼之后的冷却速度就能抑制粗大夹杂物的生成。例如,使刚熔炼之后的1500~1200℃(钢锭的最表层的温度。以下相同。)的温度区 域的冷却速度为100℃/分钟以上,就能防止粗大夹杂物的生成。另外,若S、N和O(氧)分别抑制在0.003%以下、0.005%以下和0.001%以下,刚熔炼之后的1500~1200℃的温度区域的冷却速度即使不足100℃/分钟也可以。
(C)制造方法
关于熔炼后的制造工程没有特别限制。例如,在板材的情况下,以通常的方法制造钢锭后,通过热锻、热轧等方法来制造钢材即可。无缝钢管也按照通常的方法制造即可。关于热处理,为了得到良好的耐SSC性,最好实施淬火、回火处理。关于淬火,为了充分地固溶Cr、Mo、V等碳化物生成元素,最好为900℃以上的温度。关于淬火时的冷却,C(碳)含有量为0.3%以下最好通过水冷,C含有量超过0.3%的的情况下,为了防止淬火裂纹,最好使用油冷或喷淋冷却。
实施例
以下、为了检验本发明的效果,熔炼表1和表2所示的化学成分的钢,评价了各种性能。钢A~B、钢L~O、钢P~T、钢d~e和钢w~aa为熔炼后而成形的钢坯,经过穿孔轧制,形成了无缝钢管。其他的钢通过热锻采取40mm厚度的钢块,这些钢块进行热轧制到厚度12mm,形成板材。
另外,对于熔炼后1500~1200℃的温度区域的冷却速度,其中钢A和B为20℃/分钟,钢C~D为100℃/分钟,钢E~K为500℃/分钟。另外,钢A和B中,S、N和O(氧)分别控制在0.003%以下、0.005%以下和0.001%以下。钢L~O和钢d~e的冷却速度为150℃/分钟,钢a~c和钢f~v为500℃/分钟。另外,钢P~T、钢w~aa在熔炼之后的1500~1200℃的温度区域的冷却速度均为50℃/分钟。另外,钢P~T、钢w~aa中,不满足如下条件S:0.003%以下、N:0.005%以下和O(氧):0.001%以下中的一个以上。
表1和表2如下所示。
对这些无缝钢管和板材在保持900~920℃后实施水冷的淬火,之后,保持500~720℃后实施了放凉的回火。表1所述的钢种都将屈服强度(YS)调整为95~110ksi(654~758MPa),表2所述的钢种都将屈服强度(YS)调整为110~125ksi(758~861MPa)。
硫化氢腐蚀试验
5atm、10atm和15atm的高压硫化氢环境的腐蚀试验通过以下方法进行。从各试样采集了厚度2毫米、宽度10毫米、长度75毫米的应力腐蚀试验片。对试验片按照ASTM-G39规定的方法,通过4点弯曲付与规定量的变形,负载了90%的屈服应力的应力。将该状态的试验片连同试验夹具一起封入高压釜中之后,将脱气的5%的盐水保留气相部而注入高压釜中。之后,将5atm、10atm或15atm的硫化氢气体加压封入高压釜内,通过液相的搅拌而使该高压的硫化氢气体液相饱和。封上高压釜之后,搅拌液体的同时,在25℃保持720小时,之后减压,取出试验片。
1atm的硫化氢环境的腐蚀试验通过以下方法进行。使上述4点弯曲试验片在1atm的硫化氢饱和的常温的5%食盐+0.5%醋酸水溶液(NACE TM0177-2006法所规定的溶液)中浸渍720小时,之后进行了取出试验片的实验。
对于试验后的试验片,通过目视观察调查了裂纹的发生状态。对通过目视观察难以判定的试验片,通过埋入树脂,通过显微镜观察其截面来判断裂纹的发生。在表中和图中用“○”表示未产生裂纹,“×”表示产生了裂纹的试验片。
非金属夹杂物的量
从试样切取1cm×1cm×1cm的试验片,埋入树脂之后,对与轧制方向垂直的断面进行研磨,用100倍的放大倍数观察,测量了每 1mm2观察到的具有10μm以上的长径的非金属夹杂物的个数。关于各试样,进行了5视场观察,用其平均个数进行比较。
在表3中,YS表示95ksi级的钢材在10atm的硫化氢环境的试验结果,在表4中,YS表示110ksi级的钢材在1~15atm的硫化氢环境的试验结果。
表3
区分 |
钢 |
YS (MPa) |
夹杂物个数 |
评价 |
本发明例1 本发明例2 本发明例3 本发明例4 本发明例5 |
A B C D E |
721 734 732 737 695 |
8.8 7.6 0.0 0.0 1.8 |
○ ○ ○ ○ ○ |
本发明例6 本发明例7 本发明例8 本发明例9 本发明例10 |
F G H I J. |
695 757 693 720 713 |
0.6 0.0 0.4 0.0 0.0 |
○ ○ ○ ○ ○ |
本发明例11 比较例1 比较例2 比较例3 比较例4 |
K L* M* N* O* |
720 694 721 719 713 |
0.4 6.0 8.2 6.8 0.0 |
○ × × × × |
比较例5 比较例6 比较例7 比较例8 比较例9 |
P Q R S T |
727 713 734 741 727 |
14.2* 13.6* 16.2* 11.8* 12.8* |
× × × × × |
*是指超出了本发明的规定范围。
表4
*是指超出了本发明的规定范围
图1是以Cr和Mo的含有量整理了表1的钢A~P(本发明例子1~11和比较例1~5)在10atm的硫化氢试验的裂纹特性的图。如表1、表3和图1所示,可知Cr和Mo的总计含有量为1.2%以上时,就能防止裂纹。表3的本发明例1~11(钢A~K)与此相当。另一方面,Cr和Mo的总计含有量不足1.2%的比较例1~5(钢L~P)时,发生了裂纹。
比较例1~4的裂纹形态是与材料的轧制方向水平地发生、进展的HIC,HIC的起点方面观察到了3~10μm的非金属夹杂物。另一方面,比较例5~9(钢P~T)虽Cr和Mo含有量与钢A~K是相同程度,但发生了裂纹。比较例5~9是截面观察的长径10μm的非金属夹杂物的量多于其他钢种,裂纹也是以长 径10μm以上的非金属夹杂物为起点的HIC。
图2是以Cr和Mo的含有量整理了表2的钢a~u(本发明例12~25和比较例10~16)的10atm的硫化氢试验的裂纹特性的图。如表2、表4和图2所示,“Cr+3Mo”不足2.7%的比较例10~16(钢o~u)发生了裂纹。这种情况的裂纹是裂纹从钢材表面与应力的负载方向垂直地发生、进展的SSC,特别是未以粗大的夹杂物为起点。对此,本发明例16中,硫化氢压力为1atm的情况发生了裂纹,但5atm、10atm和15atm的任一情况都没有产生裂纹。其他的本发明例12~15和17~25在任何硫化氢压力下也没有产生裂纹。
另外,如表4所示,即使不满足本发明所规定的化学成分的情况在1atm的条件下,也存在具有良好的耐HIC性和耐SSC性钢。不过,最严酷的腐蚀环境即硫化氢压力为10atm的环境的情况下,在不满足本发明的条件的钢o~aa中发生了裂纹。而另一方面,硫化氢压力为15atm时,任何例都没有发生裂纹。因此,只要在硫化氢压力为10atm的环境下不产生裂纹,就可以判定为可适用于高压的硫化氢环境。
如表4中的钢v~z所示,在V含有量低的钢中,不论Cr含有量和Mo含有量的大小,都发生了SSC。该理由推定为,像钢a~o那样含有V的钢中,可进行高温回火,通过降低位错密度和碳化物的球状化,改善了耐SSC性,但在V含有量低的钢中,回火温度变低,在这样的YS为110ksi级的高强度方面,不能得到足够的耐SSC性。表2中的钢w~aa的Cr和Mo含有量虽与钢a~n为相同程度,但发生了裂纹。钢w~aa是截面观察的长径10μm的非金属夹杂物的量多于其他钢种的、裂纹也是以长径10μm以上的非金属夹杂物为起点的HIC。
看硫化氢的压力为1atm的试验结果时,在含有1%以上的 Cr,而且含有B的钢(钢e、钢v)中发生了SSC,在不足1%的Cr含有量的钢(钢q~u)中未发生SSC。即,可知硫化氢压力为1atm时与硫化氢压力为10atm时对材质的依赖性完全不同。因此,在以往的1atm以下的硫化氢环境和这次研究的高硫化氢压力的环境下,防止HIC和SSC的材质设计的方向性不同是显而易见的。
图3是表示表2的钢e的腐蚀生成物的截面的元素浓度分布的图。另外,在图3中,(a)是SEM外观照片,(b)~(f)是分别通过EPMA(Electron Probe Micro Analysis)对O、S、Cr、Fe和Mo进行成分分析的结果。如图3(a)所示,在母材的表面上形成有二层的腐蚀生成物,外层是铁硫化物,内层是含有Cr和Mo的氧硫化物。推测出生成外层的铁硫化物之后,在降低了硫化氢浓度的外层硫化物和母材的界面Cr和Mo生成了氧化物,该致密的内层氧化物提高了皮膜的保护性,抑制氢侵入而提高了耐SSC性。
将对表1的钢A、钢D、钢G和钢K比较了10atm的硫化氢中的浸渍试验后的腐蚀速度的表表示为表5。另外,腐蚀速度是通过用4点弯曲试验片的试验前后的重量除以试验片的总表面积求出的。另外,这些本发明钢是都未发生HIC和SSC的钢。
表5
钢 |
Cr含有量(%) |
腐蚀速度(g/m2/h) |
A |
1.05 |
0.5 |
D |
0.00 |
0.8 |
G |
0.52 |
0.8 |
K |
1.21 |
0.4 |
如表5所示,Cr量多的钢A(1.05%)和钢K(1.21%)与Cr量少的钢D(0.00%)和钢G(0.52%)相比,腐蚀速度变小,提高了皮膜的保护性,抑制了腐蚀。从该结果可知, 为了更稳定得到通过抑制腐蚀来防止HIC和SSC的效果,Cr量最好为1.0%,更优选为1.2%。