CN1177644A - 钢管的冷却方法 - Google Patents

Abstract

(1)一种钢管的冷却方法,该方法是一边使钢管绕管轴旋转一边使内表面的冷却速度与外表面相等或其以下,最小冷却速度部为8℃/sec以上。(2)(1)的冷却方法,该方法将马氏体系不锈钢管的外表面温度空冷到[Ms点－30℃]～[Ms点与Mf点的中间温度],接着把外表面强冷到Mf点以下。(3)(1)的冷却方法,该方法把马氏体系不锈钢管的外表面强冷到[Ms点+400℃]～Ms,接着缓冷到Ms点～中间温度,接着把外表面强冷却到Mf点以下。

Description

钢管的冷却方法

本发明涉及钢管的冷却方法，特别是涉及不发生淬裂地冷却耐碳酸气腐蚀性和耐硫化物应力腐蚀断裂性优秀的马氏体系不锈钢管的方法。

马氏体系不锈钢管，在要求强度和耐腐蚀性的种种用途中，特别是作为开采石油和天然气用的油井管，近年来使用量在增大。另一方面，对于石油和天然气的油井的钢材的腐蚀环境正变得越发苛刻。例如，随着采掘深度的增大，除了使用环境的高压化外，高浓度地含有潮湿的碳酸气、硫化氢、氯离子等腐蚀性成分的环境的井增多。因此，在高强度化的同时，腐蚀性成分引起油井管的腐蚀和脆化成了大问题，耐腐蚀性好的高强度油井管的必要性高起来。在以下的说明中，所谓“耐腐蚀性好”是指具有对腐蚀性成分引起的“腐蚀”和“脆化”二者的抵抗性。这里，所谓腐蚀成分引起的脆化是指硫化氢引起的硫化物应力腐蚀断裂等。在以下的说明中，“马氏体系不锈钢”是指冷却相变后的马氏体相占主相的钢，及加热时奥氏体相占主相的钢两方的钢。

马氏体系不锈钢管虽然对硫化氢引起的硫化物应力腐蚀断裂的抵抗性不足，但是对潮湿碳酸气引起的腐蚀具有优秀的抵抗性。因此，可在含有比较低温的潮湿的炭酸气的环境下被广泛地使用。作为其代表，可以举出AP1(美国石油协会)规定的L80级的马氏体系不锈钢的油井管。这是按重量％，含有C：0.15～0.22％、Si：1.00％以下、Mn：0.25～1.00％、Cr：12.0～14.0％、P：0.020％以下、S：0.010％以下、Ni：0.50％以下及Cu：0.25％以下的马氏体系不锈钢的油井管。该L80级油井管主要在含有硫化氢分压为0.003气压以下的比较低温的潮湿的碳酸气的环境下被广泛地使用。

马氏体系不锈钢管，也包括上述API的L80级在内，一般需进行淬火回火之后再供使用。但是，马氏体系不锈钢的马氏体相变开始温度(以下记为Ms点。另外，马氏体相变结束温度记为Mf点)为300℃左右，比低合金钢低，此外由于淬透性大而对淬裂的敏感性高。特别是，在钢管的淬火中，由于与板材与棒材的场合不同，高应力复杂地分布，所以通常的水淬往往引起淬裂。因此，在马氏体系不锈钢管的淬火中，必须采用空冷、强制空冷或鼓风冷却之类冷却速度低的小的冷却方法。但是，用该方法虽然能防止淬裂，但是由于冷却速度低，所以生产率不高，而且存在着机械性能和耐腐蚀性劣化的问题。在以下的说明中，所谓“冷却”，特别是只要未作说明，就是指“为淬火而冷却”。

一般来说，关于冷却速度对马氏体系不锈钢管的耐腐蚀性的影响，以下事项是公知的。①抗拉强度越高，则硫化物应力腐蚀断裂敏感性越大，与屈服极限无关。这意味着，在根据屈服极限进行强度设计的油井管中，如果不提高抗拉强度而使屈服极限提高，则可以不使耐腐性劣化而实现高强度化。因此，在马氏体系不锈钢管中，屈服比(屈服极限/抗拉强度)的提高被用作性能判断的指标，屈服比高则被判断成有利。②马氏体系不锈钢具有在冷却后容易残留奥氏体的倾向。该残留奥氏体由于回火而分解成铁素体和碳化物，使屈服比和耐腐蚀性下降。③为了减少该残留奥氏体，有必要使冷却速度从先有技术的空冷引起的冷却速度大幅度地提高。但是，通过喷雾冷却或油淬，不能得到把残留奥氏体减少到不成问题的范围。

作为这样的冷却方法，通过一边使钢管旋转一边在钢管的外表面用喷嘴喷射冷却水，向钢管全面而均匀地供给冷却水，以便不产生冷却不均匀性的方法已被提出(日本特开平3-82711号公报)。根据该方法，把冷却速度控制于1～20℃/sec的范围的水淬成为可能，与先有技术的空气冷却相比可以抑制残留奥氏体。但是，没有消除发生淬裂的危险性。

另外，作为效率高的冷却钢管的方法，一边使钢管旋转，一边从钢管的端部把冷却水送入钢管内，同时在钢管的外表面使板状的冷却水流下的冷却钢管的内外表面的方法被公开(日本特开平7-310126号公报)。根据该方法，冷却速度为40℃/sec以上的强冷却是可能的，可以效率高地进行冷却。但是，尚未达到完全防止淬裂。

此外，在特定的冷却条件下对特定的化学组成的马氏体系不锈钢进行冷却的方法的发明也被提出(日本特开昭63-149320号公报、特公平1-14290号公报、特开平2-236257号公报、特开平2-247360号公报、特开平4-224656号公报等)。

其中，在特公平1-14290号公报中公开，如果在固溶处理后以1～20℃/sec的冷却速度冷却油井管，则应力腐蚀断裂敏感性下降。但是，关于急速冷却时的淬裂什么也没有提及。

另外，在特开平2-236257号公报、特开平2-247360号公报和特开平4-224656号公报等中，为了同时解决耐硫化物应力断裂和淬裂两方面的问题，提出把C含量比先有技术降低的称为所谓“超级13Cr”的钢及其制造方法。但是，这样的方法中由于全都不得不提高昂贵的合金元素的含量，所以存在着成本上升显著的问题。

本发明的目的在于提供不产生淬裂的钢管的冷却方法，特别是，提供以高生产率不产生淬裂地冷却在油井环境中具有优秀的耐腐蚀性的马氏体系不锈钢管的方法。

本发明的钢管的基本冷却方法为以下的冷却方法(1)。

(1)一边使钢管绕管轴旋转，一边在整个温度区内使钢管内表面的冷却速度与外表面的冷却速度相等，或低于外表面的冷却速度的钢管冷却方法，使冷却速度最低部位的冷却速度在从〔Ms点与Mf点的中间温度〕到Mf点的温度区内超过8℃/sec的冷却方法(以下作为〔发明1〕)。

作为使钢管的内表面的冷却速度与外表面的冷却速度相等的冷却方法，有例如用层流水冷却旋转的管的外表面，内表面则不让水充满地通水的方法。此外，对于使内表面的冷却速度在整个温度区内低于外表面的冷却速度的冷却方法，有例如对外表面用层流水冷或集中喷射水冷，内表面则进行空气冷却的方法。在以下的说明中，有时把用足够的水量冷却外表面，例如用层流水或足够的水量的喷射水冷却者称为“强冷却”，而把对外表面进行节制水量冷却者，例如用集中水量的喷射水冷却者称为“缓冷却”。在冷却内表面的场合，即使水冷的场合也不用“强冷却”或“缓冷却”的说法。

包括〔发明1〕在内，本说明书中的所有的本发明方法，钢管在大体水平的状态下一边绕管轴旋转一边被冷却。

以下的(2)和(3)的冷却方法，是在上述〔发明1〕中，外表面在整个温度区内强冷却，内表面则使冷却速度与外表面相等，既抑制奥氏体的残留，又防止淬裂的方法。

(2)使冷却水在钢管的外表面流下或喷射，并且冷却水不充满管内地使冷却水在管内通流，使内表面的冷却速度与外表面的冷却速度相等的〔发明1〕的钢管冷却方法(以下作为〔发明2〕)。

(3)使冷却水在钢管的外表面流下或喷射，并且，冷却水不充满管内地使冷却水在管内通流，使内表面的冷却速度与外表面的冷却速度相等，而且，使钢管的内外表面的最高冷却速度低于35℃/sec而冷却马氏体系不锈钢管的上述〔发明1〕的钢管冷却方法(以下作为〔发明3〕)。

以下的(4)和(5)，是在上述〔发明1〕中，内表面在整个温度区内进行空气冷却，外表面进行空气冷却、缓冷却或强冷却的组合，抑制残留马氏体，并且防止淬裂的冷却方法(参照下述的图3和图4)。内表面的冷却速度在整个温度区内低于外表面的冷却速度。

(4)马氏体系不锈钢管的冷却方法(以下，作为〔发明4〕)包括：一边使钢管绕管轴旋转，一边空冷到钢管的外表面温度成为〔Ms点-30℃〕～〔Ms点与Mf点的中间温度〕的温度区的第一冷却，与接着以内表面处的冷却速度8℃/sec以上的条件把管外表面强冷却到外表面温度成为Mf点以下的温度区的第二冷却。

(5)马氏体系不锈钢管的冷却方法(以下，作为〔发明5〕)包括：一边使钢管绕管轴旋转，一边把钢管的外表面强冷却到钢管的外表面温度成为〔Ms点+400℃〕～Ms点的温度区的第一冷却；接着，直到外表面温度成为Ms点～〔Ms点与Mf点的中间温度〕的温度区，使外表面处的第二冷却中的平均传热系数小于第一冷却结束时的该系数的1/2的第二冷却；以及然后以内表面处的冷却速度8℃/sec以上的条件强冷却管外表面到外表面温度成为Mf点以下的第三冷却。

上述当中，〔发明1〕和〔发明2〕的作为对象的钢管不限于马氏体系不锈钢管，也可以是淬裂成为问题的中碳钢管。〔发明3〕、〔发明4〕和〔发明5〕的作为对象的钢管限于马氏体系不锈钢管。冷却速度最低的钢管部位，在〔发明2〕和〔发明3〕的方法的场合为钢管壁厚的中心，而在〔发明4〕和〔发明5〕的方法的场合为钢管的内表面。

成为钢管的最低冷却速度的部位处的冷却速度8℃/sec以上，是指在从Ms点与Mf点的中间温度到Mf点的温度区中的冷却速度。

关于〔发明2〕和〔发明3〕，以下事项是重要的。

关于钢管内表面的水冷，在冷却水不充满钢管内的状态，例如在下述的内表面湿润角180°以下冷却。一般来说，由于钢材的水冷却主要由钢材与水接触时发生的热传递实现的，单位时间内钢材表面与水的接触面积影响拔热量即冷却速度。在冷却水充满钢管内的状态，由于即使使钢管旋转，内表面也始终与水接触，所以即使用足够的层流水进行外表面的冷却，内表面的冷却速度也超过外表面的冷却速度。

〔发明3〕中最高冷却速度为35℃/sec以下，是指整个冷却过程的最高冷却速度。在用水冷却钢管的场合，由于一般来说泡状沸腾时(低温区)的冷却速度高于膜状沸腾时(高温区)的冷却速度，所以为了使整个冷却过程的最高冷却速度为35℃/sec以下，最好是使泡状沸腾时的冷却速度为35℃/sec以下。关于钢管外表面的强冷却，由于在强冷却的范围内减少在管道外表面流下或喷射的冷却水的水量，很容易把最高冷却速度调节为35℃/sec以下。

关于〔发明5〕，以下事项是重要的。

传热系数为把冷却中从钢管外表面夺取的热流束(J/(sec·m²)＝W/m²)除以外表面温度与冷却介质温度之差的值。因而，传热系数为冷却装置、冷却介质(水、油等)及钢管外表面的状态、温度等有关，一般来说有温度越低传热系数越大的趋势。平均传热系数是指作为对象的温度区中，即〔发明5〕的第二冷却中从开始温度到停止温度的传热系数的平均值。第一冷却结束时的传热系数是指第一冷却结束温度附近的第一冷却方法中的传热系数。传热系数或平均传热系数可以由单位面积和单位时间的冷却水量来控制。

在〔发明1〕～〔发明5〕中，钢管的内外表面的温度或冷却速度，如下述的图11中所示，是指从各自表面向内侧深入3mm的位置的温度或冷却速度。

图1(a)是表示〔发明2〕的最佳实施例的冷却装置的剖视图。图1(b)是表示〔发明4〕和〔发明5〕的实施例的最佳冷却装置的剖视图。标号1表示钢管，3表示供给外表面冷却水的喷嘴，4表示旋转支承辊，5表示内面侧冷却水，6表示外面侧冷却水，7表示挡板，8表示下部喷射喷嘴。

图2是表示〔发明2〕的实施例的最佳冷却装置的纵剖视图。标号2表示向内表面供给冷却水的喷嘴。

图3是示意地表示运用〔发明4〕的方法时的钢管外表面的温度推移的图。标号11表示温度〔Ms点-30℃〕，12表示温度〔Ms点与Mf点的中间温度〕，13表示〔发明4〕中的第一冷却，14表示〔发明4〕中的第二冷却，15表示〔发明4〕中的第一冷却停止温度和第二冷却开始温度。

图4是示意地表示运用〔发明5〕的方法时的钢管外表面的温度推移的图。标号16表示温度〔Ms点+400℃〕，17表示Ms点，18表示〔发明5〕中的第一冷却，19表示〔发明5〕中的第二冷却，20表示〔发明5〕中的第三冷却，21表示〔发明5〕中的第一冷却停止温度和第二冷却开始温度，22表示〔发明5〕中的第二冷却停止温度和第三冷却开始温度。

图5是表示运用〔发明5〕的方法时的钢管的内表面和外表面的实测的冷却曲线的一例的图。

图6是表示运用〔发明4〕的方法时第二冷却开始温度对外表面的周向残余应力的影响的图。符号ΔT表示第二冷却开始温度与Ms点之差。ΔT为正时乃是第二冷却开始温度比Ms点低的场合，为负时乃是高的场合。

图7是表示运用〔发明5〕的方法时第三冷却开始温度对外表面的周向残余应力的影响的图。横轴的(  )内的数值表示ΔT。

图8是表示用〔发明5〕的方法冷却壁厚5.5mm的钢管时，残余应力成为200MPa的第二冷却的平均传热系数Hb，第三冷却的平均传热系数Hc及第三冷却开始温度的关系的图。图中附于各折线的数值表示第三冷却开始温度。

图9是表示运用〔发明5〕的方法时第一冷却的平均传热系数〔以7000W/(m²·k)为1〕对壁厚5.5mm的外表面的周向残余应力的影响的图。

图10是表示运用〔发明5〕的方法时第三冷却开始温度和第三冷却的平均传热系数对壁厚5.5mm的第三冷却的管内表面冷却速度的影响的图。

图11是表示钢管的内外表面的测温位置的图。壁厚中心处的冷却推移，可以根据在该内外表面处实测的冷却推移通过极高精度计算来预测。

图12是表示实施例1的试验结果的图。其中，试验件a和b是用〔发明3〕的范围以外的方法冷却的。

图13是表示实施例1的冷却曲线的图。

图14是表示〔发明2〕的钢管的冷却速度与内表面水量的关系的图。

图15是表示〔发明2〕冷却水的流动的图。这里，内表面湿润角是在钢管不旋转的状态下测定的角度。

图16是表示实施例2的钢管的冷却曲线的图。曲线A为本发明例的结果，曲线B为先有技术例的结果。

图17是表示实施例3中所用的马氏体系不锈钢管的化学组成的图。

图18是表示实施例3的冷却条件、冷却速度、淬裂发生等的图。

图19是(a)表示带缺口中的四点弯曲试验片的图，而(b)是表示把该试验片装在四点弯曲试验夹具中的状态的图。

图20是表示实施例3中冷却的钢管的拉伸试验和耐腐蚀性试验的结果的图。

下面根据附图来说明本发明的实施例。1.冷却装置

图1是表示本发明的实施例的最佳冷却装置的剖视图。图1(a)是〔发明2〕和〔发明3〕，而图1(b)是〔发明4〕和〔发明5〕的最佳实施例的冷却装置。

无论在哪一种方法中，钢管1都在旋转支承辊4上旋转。在〔发明2〕和〔发明3〕中，来自内表面冷却用喷嘴2的内表面冷却水5通常以下述图15中所示的内表面湿润角小于180°供给，对旋转钢管1的内表面以与外表面相等的冷却速度进行冷却。对外表面的强冷却中，使来自例如两排外表面冷却用喷嘴3的板状外表面冷却水6在钢管1的上部流下，以冷却钢管1的外表面。就对外表面的强冷却装置而言，虽然在图1(a)的场合例示了两排缝隙层流冷却，但是也可以像图1(b)所示那样为一排缝隙层流冷却。同样，在〔发明4〕和〔发明5〕的场合的外表面冷却中也可以用两排缝隙层流水。

图2是表示〔发明2〕和〔发明3〕的方法中用于内表面冷却的喷嘴的配置的纵剖视图。内表面冷却水供给用喷嘴包括能针对钢管尺寸和冷却条件来调节水量和流速的机构，它为了防止容易发生淬裂的钢管端部的过冷却，被设置成冷却水不直接接触端部。

在〔发明4〕和〔发明5〕的方法中，如图1(b)所示，钢管内表面的冷却在整个温度区内为空冷。外表面的冷却，〔发明4〕的第一冷却为例如空冷，进行强冷却的第二冷却可以用图1(b)中所示的缝隙层流冷却装置。在〔发明5〕中，在强冷却的第一冷却中，进行例如缝隙层流冷却，在作为缓冷却的第二冷却中可以用挡板7把缝隙层流遮断，仅用来自冷却能比它小的下部喷射喷嘴8的冷却水进行冷却。在第三冷却中，可以去掉挡板7而再次由缝隙层流来冷却。此时下部喷射可以停止，也可以不停止。由于第三冷却是强冷却，所以通常不停止下部喷射，而与层流水并用。图1(b)表示〔发明5〕的作为缓冷却的第二冷却的状态。

从外表面对钢管进行强冷却的装置，不限于图1(a)和图1(b)中所示的层流装置，只要能充分保证单位时间单位面积上的水量，也可以是沿管的长度方向配置多个喷射环的装置，喷射环带有沿管的周向的多个喷嘴。

把层流冷却装置用于外表面的强冷却的场合或为内表面的冷却而通水的场合，为了降低管周向的温度不均匀性，可以有以40rpm以上，最好是50rpm以上的旋转速度使钢管旋转的旋转装置。2.冷却速度

在〔发明3〕的方法中，马氏体系不锈钢管内外表面位置的最高冷却速度为35℃/sec以下，钢管的壁厚中心位置的Ms点附近以下的冷却速度(最低冷却速度)为8℃/sec以上。这可以通过调节内表面冷却水5的水量和流速，及调节外表面冷却条件来实现。如果最高冷却速度超过35℃/sec，则只要不把C含有量抑制得很低，就会在马氏体系不锈钢管上发生淬裂。此外，壁厚中心位置的冷却速度不足8℃/sec时，残留奥氏体混入马氏体，耐腐蚀性和机械性能劣化。

钢管的内外表面位置的冷却速度的下限，自然由钢管的壁厚中心位置的冷却速度为8℃/sec以上的条件来限制。此外，钢管的壁厚中心位置的冷却速度的上限，也由钢管内外表面位置的冷却速度为35℃/sec以下的条件来限制。

下面说明〔发明4〕和〔发明5〕的冷却速度。

图3和图4分别示意地表示由〔发明4〕和〔发明5〕的方法引起的外表面温度的推移。在两图中，所谓“中间温度”是指Ms点与Mf点的中间的温度{(Ms点+Mf点)/2}。从马氏体相变进行一半的中间温度到Mf点的温度区内的冷却速度，对残留奥氏体的量有很强的影响。由于在该温度区的冷却速度不足8℃/sec的场合，如上所述残留奥氏体增加，耐腐蚀性和机械性能劣化，所以在〔发明4〕和〔发明5〕的冷却方法中，冷却速度最低的钢管内表面处必须为8℃/sec以上。

钢管内表面的冷却速度的上限虽然没有特别限制，但由于从外表面冷却的冷却介质是水而自然受限制。

Ms点与Mf点可以根据基于钢的化学组成的计算值和实际测定相变曲线的数据来确定。这样求出的Ms点或Mf点，与实际值相比出入不大，不会产生本发明的实施上的问题。作为本发明的对象的马氏体系不锈钢的Ms点为200℃～300℃，Mf点在常温～150℃的范围内。

图5表示运用〔发明5〕的冷却方法时钢管内表面和外表面的实测的冷却曲线。3.冷却方法与残余应力的关系

〔发明2〕和〔发明3〕的钢管的冷却方法，一边使钢管绕管轴旋转，一边在冷却水不充满钢管内的状态下使冷却水在钢管内通流。借助于该方法，可以减小钢管内表面中在单位时间内的与水接触面积，实现与外表面的冷却速度相等的冷却速度。这些方法，由于同时冷却内外表面，所以可以实现沿钢管的壁厚方向均一的冷却。但是，如上所述，由于即使使内外表面的冷却速度相同，如果该冷却速度超过35℃/sec则残余应力也要增大，所以冷却速度定为35℃/sec以下。

再者，在钢管内通流的冷却水在管截面内的内表面湿润角最好为90°～180°左右。管截面内的内表面湿润角是从管轴心看到的水覆盖管内表面的区域的角度。由于如果钢管的内径、水量及流速确定，则内表面湿润角确定，所以最好预先把握它们的关系。当内表面湿润角为上述范围时，可以实现与外表面相等的冷却速度，并且进行稳定的通水。

将钢管1的尺寸和冷却条件合在一起，调节该内表面冷却水5的水量、流速、内表面湿润角，并且将它们合在一起，调节外表面冷却条件，就可以实现沿壁厚方向均一的想要的冷却。

〔发明4〕和〔发明5〕的冷却程序，除了内表面的冷却中不用水，和把外表面冷却分成两段或三段来进行以外，与上述的〔发明2〕和〔发明3〕的方法几乎相同。下面说明〔发明4〕和〔发明5〕各自的冷却方法与残余应力的关系。

在〔发明4〕的冷却方法中，第一冷却(空冷)的停止温度15比〔Ms点-30℃〕低，而比中间温度12高。

图6表示第二冷却开始温度对外表面的周向残余应力的影响。一般来说，如果外表面的周向残余应力为200MPa以下，则几乎不发生淬裂。由同一图，ΔT为30℃时残余应力约为200MPa，因而，如果ΔT为30℃以上则不发生淬裂。

例如，在Ms点为290℃而Mf点为100℃的马氏体系不锈钢的场合，中间温度为195℃。

因而，如果从例如250℃附近开始强冷却，则由于ΔT为+40℃，所以不发生促进淬裂那样的高残余应力。

在〔发明4〕的方法中，由于ΔT设定成30℃以上所以几乎不发生残余应力，因而，不产生淬裂。同时，由于从中间温度12以上的温度15转换成第二冷却(强冷却)，所以能抑制残留奥氏体，防止耐腐蚀性的劣化。

在〔发明5〕的方法的场合，在有强冷却的第一冷却中，在钢管外表面侧产生引起热应力的拉伸塑性变形。此后，作为第二冷却，当外表面温度成为Ms点以上的温度21时把强冷却转换成缓冷却，由回热现象而实现壁厚方向的温差的减小。由于外表面温度用第一冷却强冷却到Ms点以下，发生相变应力，所以即使以后进行回热也不能指望残余应力的降低。

第一冷却停止温度定为〔Ms点+400℃〕～Ms点的温度区。第一冷却停止温度如果超过〔Ms点+400℃〕，则发生在外表面的拉伸塑性变形不充分，另一方面，如果低于Ms点，则不能指望由上述的回热引起的残余应力降低。

由于第二冷却是与第一冷却连续的冷却，所以第二冷却开始温度21当然在〔Ms点+400℃〕～Ms点的范围内。通常，由于作为本发明的对象的钢的Ms点为200℃～300℃，所以第二冷却开始温度21的上限大致为700°～600°。另一方面，第二冷却停止温度定为中间温度以上。作为缓冷却的第二冷却停止温度如果低于中间温度，则在左右残留奥氏体数量的温度区中内表面的冷却速度变低，内表面处的残留奥氏体增加。

另外，在第二冷却中，为了靠回热来减小在第一冷却中发生的温度差，把平均传热系数定为第一冷却结束时的该系数的1/2以下。对于超过该值的传热系数来说，回热不充分，内外表面的温度差不能进入最佳范围内。第二冷却的传热系数的下限虽然没有特别限制，但是为了缩短热处理时间最好定为得到比空冷要高的冷却速度的传热系数。

在〔发明5〕的方法的场合，在第一冷却中在外表面侧产生拉伸塑性变形后，在第二冷却中进行缓冷却，保留着一定程度的壁厚方向的温度差而通过Ms点。这时，第一冷却中产生的拉伸塑性变形吸收在第二冷却中发生的引起相变应力的塑性变形。因此，虽然冷却时间比〔发明4〕缩短，但能把残余应力抑制于小的范围内，因而能抑制淬裂。〔发明4〕与〔发明5〕的区别就在于此。

在第三冷却中虽然再次进行强冷却，但是在该温度区强冷却的理由，如上所述，是为了抑制残留奥氏体的缘故。第三冷却开始温度22在Ms点～中间温度的温度区内。〔发明5〕中的第三冷却开始的上限温度(Ms点)，可以比〔发明4〕的方法中的第二冷却的上限温度(Ms点-30℃)高一些。其理由是因为在〔发明5〕中，第一冷却中产生的拉伸塑性变形在第二冷却后仍然残存，吸收在第三冷却中发生的引起相变应力的塑生变形。

此第三冷却，如果由于钢管为薄壁等原因第二冷却中的内表面处的冷却速度为8℃/sec以上，则没有必要特别进行比第二冷却更强的冷却，也可以用与第二冷却相同的冷却手段继续冷却。但是，为了缩短热处理时间，最好把第三冷却的冷却速度提高得比第二冷却的冷却速度更高。

图7表示运用〔发明5〕的方法时第三冷却开始温度对管外表面的周向残余应力的影响。如图7中所示，随着第三冷却开始温度的提高，即随着ΔT接近于0，残余应力增加，但是增加的斜率比〔发明4〕的方法中相对于第二冷却开始温度地增加斜率要缓慢。从图7中可以知道，如果壁厚增加则残余应力增加。在相同的冷却条件下，残余应力几乎与壁厚成比例地增大。

在图7中可以知道，为了把残余应力抑制于作为足以防止发生淬裂的值的200MPa以下，在壁厚5.5mm的场合把第三冷却开始温度22变成267℃以下，而在壁厚6.5mm的场合变成264℃以下就可以了。该第三冷却开始温度的上限可以根据第二冷却的平均传热系数Hb或第三冷却的平均传热系数Hc来选定。

下面对壁厚5.5mm的场合为例说明该第三冷却开始温度、Hb和Hcr选定方法。再者，第一冷却的传热系数Ha，只要未特别说明，就是指第一冷却停止温度附近的第一冷却的传热系数。

图8用作为各折线的第三冷却开始温度来表示残余应力成为200MPa的第二冷却的平均传热系数Hb与第三冷却的平均传热系数Hc的关系。各折线是令第二冷却开始温度为350℃，令第一冷却的传热系数Ha为7000W/(m²·K)，按有限元法算出的。根据图8，如果确定了Hb(横座标)和Hc(纵座标)，则可求出外表面的周向残余应力成为200MPa的第三冷却开始温度。如果根据图8把该第三冷却开始温度作为回归式数字化，则成为以下(a)式这样。

残余应力成为200MPa的第三冷却开始温度(℃)＝Ms(℃)+6.4-0.0154Hb(W/(m²·K))-0.00276Hc(W/(m²·K))…(a)

因而，把Hb和Hc设定于层流水冷却等的现实可能的范围内，可以根据上述(a)式确定第三冷却开始温度。图8或上述(a)式是令第一冷却的传热系数Ha为恒定值7000W/(m²·K)的结果。如果该Ha变动，则第三冷却开始温度的允许范围也变化。

图9表示第一冷却的传热系数Ha对外表面的周向残余应力的影响。这里横座标把7000W/(m²·K)作为1表示。如图9所示，由于如果增加第一冷却的传热系数，则外表面的周向残余应力减少，所以通过增加第一冷却的传热系数可以把第三却开始温度提高得比图8中所示的温度更高。但是，第一冷却的传热系数Ha并不是由于加大时可以提高第三冷却开始温度以便缩短冷却时间就越大越好。如果考虑从第一冷却到第二冷却的转换的控制精度、直到把钢管冷却到室温为止的整个冷却时间等，则Ha的最佳上限自然确定。

为了缩短整个冷却时间，缩短作为缓冷却的第二冷却的冷却时间是重要的。第二冷却开始温度最好是尽可能靠近Ms点。例如，第二冷却，可以用(Ms+60℃)～100℃的温度区进行。此外，作为第一冷却结束时的传热系数Ha，最好是定为5000～10000W/(m²·K)的范围。此传热系数Ha相当于在两排缝隙层流冷却中供给0.3～1.0m³/(min·m)的水量时的传热系数。

图10表示第三冷却开始温度和第三冷却的平均传热系数Hc对第三冷却中的管内表面冷却速度的影响。从图10可见，在壁厚5.5mm中为了确保第三冷却的内表面冷却速度在8℃/sec以上，Hc必须在1860W/(m²·K)以上。

用该Hc值1860W/(m²·K)，根据第三冷却开始温度必须为Ms点以下这一条件，可以得到在第二冷却中，也可以不把下部喷射等用于冷却而进行空冷的依据。在钢管外表面存在着空气对流和辐射冷却，可以在Ms点附近把由空冷引起的传热系数估定为35W/(m²·K)左右。因此，如果把Hb＝35W/(m²·K)、Hc＝1860W/(m²·K)代入上述(a)式，则残余应力成为200MPa的第三冷却开始温度大约成为Ms点。

由于残余应力与壁厚成比例，在壁厚比5.5mm薄的场合，为了把残余应力抑制于200MPa以下的第三冷却开始温度的上限设定成比Ms点稍高些是可能的。但是，壁厚5.5mm乃是当前高强度油井管的最小壁厚，即使将来进一步薄壁化，也由于进一步降低残余应力是最佳的方向，所以第三冷却开始温度仍取为Ms点以下。4.冷却前的加热

钢管的材质无论是碳素钢、低合金钢、马氏体系不锈钢，冷却前的加热温度最好是定为奥氏体晶粒未粗大化的温度，例如1100℃以下。再者，在马氏体系不锈钢的场合，可以选上述δ铁素体的比率未达到20％的温度区，例如900℃～1100℃。冷却开始温度通常是与冷却前加热温度相同的温度，或者是减掉从加热装置到冷却装置的温度下降量(50℃以下)的温度。

无论钢管的材质如何，淬火不仅是上述所谓离线的再加热冷却，也可以利用热加工后材料保有的热，或者在线辅助加热后就那样进行冷却的所谓直接淬火。

冷却后的钢管，无论是马氏体系不锈钢管、低合金钢管、中碳素钢管，都进行回火。

在马氏体系不锈钢管的场合，按API的L80的规定，在593℃～AC1点的温度区内回火，根据用途赋予想要的特性。再者，为了赋予良好的耐腐蚀性，回火温度最好为650℃以上。该回火后的冷却最好以高于空冷的冷却速度来进行，冷却速度越高则韧性越高。

在中碳素钢管、低合金钢管的场合，也可以根据用途确定回火温度。但是，回火温度的上限取为A_C1点以下。

另外，即使在回火之后用热矫直机进行矫直处理，在上述的所有钢种的钢管的特性上不发生任何问题。5.马氏体系不锈钢管的材质

马氏体系不锈钢管的材质最好是以下材质。再者，附在合金元素上的“％”是指“重量％”。1)化学组成

同时具有耐碳酸气腐蚀性和耐硫化物应力腐蚀断裂性的马氏体系不锈钢管的合金元素中，C和Cr最好在下述范围内。其他合金元素及其含有率，只要马氏体占80％以上，不损害耐碳酸气腐蚀性和耐硫化物应力腐蚀断裂性，可以任意。

C：0.1～0.3％

由于C不足0.1％时δ铁素体多量地生成，不能得到想要的强度和耐腐蚀性，另一方面，如果C超过0.3％，则不仅即使按本发明的方法来冷却也不能避免奥氏体的残留，耐腐蚀性劣化，而且即使运用本发明方法也不能阻止淬裂，所以最好为0.1～0.3％。

Cr：11～15％

由于Cr不足11％时耐腐蚀性劣化，另一方面，如果超过15％则生成δ铁素体，不能得到想要的组织，强度和耐腐蚀性劣化，所以最好为11～15％。2)组织

为了同时具有想要的强度和耐腐蚀性，马氏体系不锈钢管的组织最好是由80％以上的马氏体组成。如果马氏体不足80％，则难于得到所要求的屈服强度。这里组织的比率(％)是指光学显微镜视野内的面积率。整个组织都是马氏体(马氏体100％)当然好，不足20％的其他组织存在也可以。再者，本发明方法，如上所述，是抵制残留奥氏体的，因而，所谓“马氏体以外的组织”是指大部分的δ铁素体和随着C增加而增加的少量的残留奥氏体相。

为了上述的马氏体系不锈钢的组织成为马氏体80％以上，最好使C和Cr以外的其他合金元素含量在以下范围内。例如可以是含Si：0.01～1％、Mn：0.01～1％、Mo：0～3％、Ni：0～5％、sol Al：0.001～0.1％、N：0～0.1％、Nb：0～0.5％、Ti：0～0.5％、V：0～0.8％、Cu：0～2％，Ca：0～0.01％、Mg：0～0.01％以及B：0～0.01％，作为杂质的P：0.1％以下、S：0.05％以下的钢。实施例

下面通过实施例来说明本发明的效果。(实施例1)

用图1(a)和图2中所示的钢管的冷却装置，进行了普通钢管的冷却试验。在冷却试验中，通过用加热炉把钢管加热成900℃后，一边使之旋转，一边从850℃起由两排缝隙层流水冷却外表面，并且在管内通水冷却内表面，测定钢管的温度变化来进行。

图11表示设置了热电偶的钢管内外表面的测温位置。这些位置的冷却曲线是改变供给内外表面的冷却条件而测定的。

所用的钢管为直径139.7mm、壁厚16.0mm、长度1200mm的普通钢管(化学成分C：0.1％、Si：0.4％、Mn：1.0％)。两排缝隙层流的缝隙间隔100mm，该外表面冷却水供给用嘴高度为离钢管的上端1245mm。钢管的旋转速度为60rpm。冷却水的水温约为36℃。内表面通水冷却，在抑制水量，使冷却水不充满钢管内的条件下进行。

图12表示冷却速度的测定结果。冷却速度从表示钢管的温度变化的冷却曲线读取。在冷却速度最慢的试验件f、g的场合，壁厚中心部的冷却速度在21℃/sec时通过数值计算被确认。其他试验件的壁厚中心部的冷却速度均为21℃/sec以上。

图13表示该冷却曲线的一例(图12中的试验件g)。如图13中所示，根据在冷却前半的高温区中的直线部分的温度斜率求出膜状沸腾时的冷却速度，根据在冷却后半的低温区中的直线部分的温度斜率求出泡状沸腾时的冷却速度。

如上所述，泡状沸腾时的冷却速度高于膜状沸腾时的冷却速度，为了使内表面的冷却速度与外表面相等，抑制该泡状沸腾时的冷却速度是重要的。

图14表示令外表面水量为恒定值26m³/hr时泡状沸腾时的冷却速度对内表面水量的关系。可见通过减少内表面水量可以降低冷却速度。

图15表示冷却水的流动。内表面水量为15m³/hr时，内表面湿润角为160°，内表面水量为25m³/hr时，内表面湿润角为180°，内表面水量为35m³/hr时，内表面湿润角为220°。

就是说，通过一边使钢管绕其管轴旋转，一边内表面湿润角小地使冷却水在钢管内通流，可以实现使内外表面的冷却速度相等的冷却。从图13的冷却曲线可以看出，上述冷却是抑制内外表面的温度差的冷却。(实施例2)

用图1(a)和图2中所示的钢管的冷却装置，进行了含有13％Cr的马氏体系不锈钢管的冷却试验。冷却试验中，用加热炉把钢管加热成1000℃，一边使之旋转一边从900℃起使两排缝隙层流在外表面流下，在内表面通水，测定钢管的温度变化。

所用的钢管为直径139.7mm、壁厚16.0mm、长度1200mm的含有13％Cr的马氏体系不锈钢管(C：0.18％、Si：0.20％、Mn：0.70％、Cr：12.9％、其余实质为Fe)。Ms点为290℃。供给内表面的冷却水量为15m³/hr，外表面的冷却水量为26m³/hr。内表面湿润角为160°。两排缝隙层流的缝隙间隔100mm，该外表面冷却水供给用喷嘴高度为离钢管的上端1245mm。钢管的旋转速度为60rpm。冷却水的水温约为36℃。温度测定由热电偶进行。温度与实施例1相同在图11中所示的位置测定。

再者，为了比较，也对外表面冷却水量为26m³/hr、内表面的水量为250m³/hr(冷却水充满管内的量)的先有技术例进行了冷却试验。

图16表示冷却曲线。曲线A为本发明例的结果，曲线B为先有技术例的结果。曲线A的最高冷却速度为31℃/sec，而曲线B的内表面的最高冷却速度为60℃/sec。冷却曲线A是运用本发明方法的结果，实现了最佳冷却速度。此外，曲线A中钢管内外表面的温度差最大为60°左右，与曲线B相比可以看出均一地进行着冷却。

曲线A中的壁厚中心部的冷却速度，根据本测定结果等进行数值计算的结果，确认为26℃/sec以上。

用本发明方法和先有技术方法分别对各10根钢管施行同样的冷却。结果是，先有技术方法中有3根发生淬裂，而本发明方法中未发生淬裂。(实施例3)

图17表示实施例中所用的被试钢管的化学组成。该钢的Ms点为290℃，Mf点为100℃。因而，〔Ms点+400℃〕为690℃，〔Ms点-30℃〕为260℃，而中间温度(〔Ms点+Mf点〕/2)为195℃。熔炼该图中所示的化学组成的马氏体系不锈钢，用通常的曼内斯曼制管法制造了外径151mm、壁厚5.5mm、长度15m的马氏体系不锈钢管。

图18表示冷却该钢管时的冷却条件。从上述钢管切出长度1m的试验用钢管并加热成980℃后，针对各种冷却条件每次对100根实施淬火。在图18中，试验号1～试验号3(〔发明4〕的例子)的第一冷却的传热系数Ha为空冷的传热系数，在旋转速度为40～80rpm、外表面温度为250℃时，约为35W/(m²·K)。

冷却，如图1(b)所示，用层流冷却装置，通过一边使钢管在旋转辊4上以40rpm的速度旋转，一边向缝隙喷嘴3供给每1m钢管0.5m³/(min·m)的水量来实施。该水量下的外表面的平均传热系数，在外表面温度为300℃时约为9000W/(m²·K)，350℃时约为70000W/(m²·K)，400℃时约为5800W/(m²·K)。

来自下部喷射嘴8冷却水6为在〔发明5〕的冷却方法中实施第二冷却而使用。〔发明4〕的方法中的第二冷却与〔发明5〕的方法中的第一冷却和第三冷却中使用层流3，不使用下部喷射。第一冷却与第二冷却的转换通过用配置于管上部的挡板7遮断冷却水，同时开始下部喷射来实现，第二冷却与第三冷却的转换通过相反的步骤来实现。

此外，在所进行的钢管的冷却试验中，预先在图11中所示的内表面位置贴装热电偶，实测冷却中内表面的温度。借助于经与该实测结果比对而确认为具有足够的精度的数值解析方法，预测各种条件下管外表面的温度和内表面的冷却速度。像〔发明5〕的方法那样在第一冷却中进行强冷却的场合，把从第一冷却向第二冷却(缓冷却)的转换时刻定为外表面温度成为350℃的时刻，根据该预测的外表面温度变化来确定转换时间。

此外，第二冷却与第三冷却(强冷却)的转换同样也预测外表面温度变化，对ΔT实行种种变更来进行实验。此外，冷却速度则是实测内表面的冷却速度，以确认的预测的冷却速度是妥当的。图18中记载的冷却速度是实测值，是第三冷却的温度区内的平均值。〔发明4〕和〔发明5〕一起，在本发明例中，内表面的冷却速度为8℃/sec以上。

钢管冷却后，用目测检查有无淬裂，然后在730℃下施行回火处理，并调查强度和耐腐蚀性。图18的发生淬裂的根数，表示每种冷却条件的100根试验钢管中发生淬裂的根数。

耐腐蚀性，在能同时评价耐碳酸气腐蚀性与耐硫化物应力腐蚀断裂性的带缺口四点弯曲试验中实施。

图19的(a)表示该带缺口四点弯曲试验片，而(b)表示装进了弯曲变形加载夹具的带缺口四点弯曲试验片的状态。弯曲变形，是顶入螺栓使带缺口四点弯曲试验片的试验片中央处发生屈服极限的100％的弯曲应力。把装进夹具并受载荷的试验片浸泡在30气压的碳酸气和0.005气压的硫化氢饱和的25℃的5％食盐水中经过200小时后，调查有无断裂。

图20是表示拉伸试验和带缺口四点弯曲试验结果的一览表。在图20中，作为本发明的例子的试验号1～试验号13，由于进行使从中间温度到Mf点的温度区内的内表面冷却速度为8℃/sec以上的冷却，所以不发生淬裂，得到屈服比高且耐腐蚀性也良好的结果。

另一方面，像作为比较例的试验号14和试验号15那样，在冷却中依旧供给恒定水量来冷却的场合，发生淬裂。此外，像试验号15那样冷却速度在8℃/sec以下的冷却方法中，屈服比低，耐腐蚀性差。在此场合，另外还发生淬裂。

在作为先有技术例的试验号16和试验号17中，虽然未发生淬裂但屈服比低、耐腐蚀性差。另一方面，通过浸油而油淬的试验号18的先有技术例，虽然并未发生淬裂，但是由于冷却速度在8℃/sec以下，所以成了屈服比低、耐腐蚀性也差的结果。

根据本发明的方法，即使不提高昂贵的合金元素的含量也能不发生淬裂以高生产率制造具有优秀的耐腐蚀性的高强度的马氏体系不锈钢管。因此，可以对石油、天然气开采产业廉价地提供有益的资材。

Claims (5)

1.一种钢管的冷却方法，该方法是一边使钢管绕管轴旋转，一边使钢管的内表面的冷却速度在整个温度区内与外表面的冷却速度相等或在其以下的钢管的冷却方法，冷却速度最低的部位的从〔Ms点与Mf点的中间温度〕到Mf点的温度区内的冷却速度为8℃/sec以上。

2.根据权利要求1中所述的钢管的冷却方法，其特征在于，使冷却水在钢管的外表面流下或喷射，而且使冷却水不充满管内地在管内通流，使内表面的冷却速度与外表面的冷却速度相等。

3.根据权利要求1中所述的钢管的冷却方法，其特征在于，使冷却水在钢管的外表面流下或喷射，而且使冷却水不充满管内地在管内通流，使内表面的冷却速度与外表面的冷却速度相等，而且使钢管的内外表面的最高冷却速度为35℃/sec以下而冷却马氏体系不锈钢管。

4.一种马氏体系不锈钢管的冷却方法，该方法包括：一边使钢管绕管轴旋转，一边空冷到钢管的外表面温度成为〔Ms点-30℃〕～〔Ms点与Mf点的中间温度〕的温度区内的第一冷却；和接着以内表面处的冷却速度为8℃/sec以上的条件把外表面强冷却到外表面温度成为Mf点以下的温度区内的第二冷却。

5.一种马氏体系不锈钢管的冷却方法，该方法包括：一边使钢管绕管轴旋转，一边把外表面强冷却到钢管的外表面温度成为〔Ms点+400℃〕～Ms点的温度区内的第一冷却；接着，直到外表面温度成为Ms点～〔Ms点与Mf点的中间温度〕的温度区内，使外表面处的第二冷却中的平均传热系数为第一冷却结束时的该系数的1/2以下的第二冷却；以及接着以内表面处的冷却速度为8℃/sec以上的条件把外表面强冷却到外表面温度成为Mf点以下的第三冷却。

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