JP2000219915A

JP2000219915A - 高強度高靱性継目無鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP2000219915A
Application number: JP2146099A
Authority: JP
Inventors: Hajime Osako; 大迫　　一
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2000-08-08
Anticipated expiration: 2019-01-29
Also published as: JP3589066B2

Abstract

(57)【要約】【課題】油井用鋼管として要求される高強度および高靱
性の特性を兼備する継目無鋼管を高い生産効率で製造す
る。【解決手段】重量％で、Ｃ：0.15〜0.5％、Si：0.1〜1.
0％、Mn：0.1〜1.5％、Ｐ：0.02％以下、Ｓ：0.002％以
下、Cr：0.1〜1.5％、Ti：0〜0.5％、Ｂ：0〜0.01％、A
l：0.005〜0.5％、Ｎ：0.01％以下、Ｏ（酸素）：0.01
％以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からな
る素材を加熱して熱間で穿孔圧延し継目無鋼管を製造す
るに際し、最終圧延工程で断面圧縮率で40％以下の加工
を仕上がり温度1050℃以上で行い、次いで直ちに930℃
以上で保熱し、焼入れ前のオーステナイト粒の短径が平
均で40μm以上の状態で直接焼入れすることを特徴とす
る高強度高靱性継目無鋼管の製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、油井用鋼管として
使用される継目無鋼管の製造方法に関し、さらに詳しく
は、油井用の特性として要求される高強度および高靱性
の性質を兼備する継目無鋼管を高い生産効率で製造する
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、深さ数千ｍにも及ぶ天然ガス田や
原油田などの探査および天然ガスや原油の産出を行うた
めに使用される油井用の継目無鋼管には、安全性、加工
性を確保するため、高強度、かつ高靱性という特性を満
足することが一層要請されるようになっている。

【０００３】このような継目無鋼管は、従来、圧延ライ
ンとは別に焼入れ装置と焼戻し装置を設置し、圧延ライ
ンで製造され、一旦室温まで冷却された鋼管を再加熱し
て、焼入れ−焼戻しの処理を行う、という方法で製造さ
れてきた (以下、この方法を「再加熱−焼入れ法」とい
う) 。そして、この製造方法に適用される鋼管素材とし
ては、Mo等の高価な合金元素を添加して、鋼管の強度を
確保するとともに、必要な特牲を兼備させるような成分
設計がなされていた。

【０００４】例えば、特公平２−25969号公報には、サ
ワー化傾向の下での深井戸化を前提として、耐硫化物応
力腐食割れ性とともに低温靱性にも優れた高強度の継目
無鋼管を製造するため、Cr：1.0〜4.0％を含み、Mo：0.
2〜1.0％、Nb：0.01〜0.1％等を含有する素材鋼を用い
て、「再加熱−焼入れ法」で製造する方法が提案されて
いる。しかし、提案の方法では、高強度と低温靱性とを
兼備させるため、高価な元素を多量に含有させる必要が
あることから、経済的な面から問題になる。

【０００５】また、特開昭60−33312号公報では、高価
な元素であるはMo等を添加せず、添加したとしてもこれ
らの合金系の添加量は最小限にとどめ、「再加熱−焼入
れ法」で焼入れすることにより、高価な合金成分を添加
した場合と同等の強度と靱性を有する油井用鋼管が開示
されている。しかし、ここで開示されている鋼管には、
強度確保のためにＶ、Nbが添加されており、高価な元素
を添加しないとするには不十分である。さらに、この製
造方法では、焼戻し温度条件に制限を加えていることか
ら、継目無鋼管の製造に適用した場合に、煩雑な焼戻し
温度管理を必要として、生産性の低下が避けられないと
いう問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述の通り、従来か
ら、「再加熱−焼入れ法」で高強度の継目無鋼管を製造
するため、焼入れ性向上に有効な高価な合金元素を添加
していた。ところが、最近では、高強度の継目無鋼管を
高い生産効率で得る方法として、熱間製管の連続プロセ
ス化が検討され、その前提として「直接焼入れ法」も採
用されるようになっている。「直接焼入れ法」とは、圧
延材の保有熱を利用し、実質的な再加熱を行うことな
く、焼入れを行う方法である。

【０００７】一方、靱性に関しては、圧延仕上げ温度を
できるだけ低くコントロールすることによって、オース
テナイト結晶粒を細粒化するのが有効である。しかし、
圧延による継目無鋼管の製造では、潤滑の困難性などか
ら、圧延仕上げ温度を低くすることが難しく、通常、仕
上げ温度は1000℃以上を確保している。そうであれば、
仕上げ温度が1000℃以上である圧延工程でオーステナイ
ト結晶粒を微細化することが困難であり、これを通常の
「直接焼入れ」で製造した場合には低温靱性に劣るもの
となる。

【０００８】本発明は、上述の「直接焼入れ法」の際に
生ずる問題点を勘案してなされたものであり、製管連続
プロセスの前提となる「直接焼入れ法」を用いて、しか
も、焼入れ性向上に有効であるが高価な合金元素を添加
することなく、高強度で、かつ高靱性という特性を有す
る継目無鋼管を高い生産効率で製造する方法を提供する
ことを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を達成するため、素材鋼の成分設計、穿孔圧延条件お
よび直接焼入れ条件に関して種々の検討を加えた結果、
焼入れ性を向上させるための高価な合金元素を添加しな
くても、適正な圧延条件と加工熱処理を組み合わせるこ
とによって、高強度で、かつ高靱性な継目無鋼管を製造
できることを明らかにした。この検討によって得られた
知見は、次の〜である。

【００１０】最終圧延工程である仕上げ圧延機にお
いて、断面圧縮率が40％以下の低加工を仕上げ温度1050
℃以上で行うことによって、圧延完了後の鋼管のオース
テナイト結晶粒を粗大にすることができる。そして、結
晶粒が粗大なまま焼入れを実施すると焼入れ性が向上
し、高強度化が得られる。

【００１１】圧延終了後に、できるだけ高温で保熱
することによりオーステナイト結晶粒を粗大なままで保
持できるとともに、鋼管の全長各部にわたり均熱性を向
上させることができ、焼入れ性能のバラツキ防止が可能
になる。

【００１２】オーステナイト結晶粒の粗大は焼入れ
性を向上させる反面、靱性劣化を顕著にする。また、靱
性に関して、鋼中に不純物として含まれるＰ、Ｓが悪影
響を及ぼす。そこで、素材鋼に含有されるＰ、Ｓを低減
させることによって、結晶粒が粗大化した場合に、鋼管
の靭性を著しく改善することができる。

【００１３】本願発明は、上記の知見に基づいて完成さ
れたものであり、次の継目無鋼管の製造方法を要旨とし
ている。

【００１４】すなわち、重量％で、Ｃ：0.15〜0.5％、S
i：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜1.5％、Ｐ：0.02％以下、
Ｓ：0.002％以下、Cr：0.1〜1.5％、Ti：0〜0.5％、B：
0〜0.01％、Al：0.005〜0.5％、Ｎ：0.01％以下、Ｏ
（酸素）：0.01％以下を含有し、残部はFeおよび不可避
的不純物からなる素材を加熱して熱間で穿孔圧延し継目
無鋼管を製造するに際し、最終圧延工程で断面圧縮率で
40％以下の加工を仕上がり温度1050℃以上で行い、次い
で直ちに930℃以上で保熱し、焼入れ前のオーステナイ
ト粒の短径が平均で40μm以上の状態で直接焼入れする
ことを特徴とする高強度高靱性継目無鋼管の製造方法で
ある。

【００１５】熱間で穿孔圧延し継目無鋼管を製造するに
際には、後述するように、穿孔された中空素管が延伸圧
延機および仕上げ圧延機によって寸法調整される。この
圧延を行う設備にも幾つかの方式があるが、例えば、マ
ンネスマン・マンドレルミル方式では、ピアサーミルで
穿孔・圧延され、さらにマンドレルミルで延伸圧延が、
サイザーまたはレデューサーで仕上げ圧延が行われる。
したがって、本発明における最終圧延工程とは、上記の
延伸圧延、およびサイザーまたはレデューサーによる仕
上げ圧延工程の両者を意味している。

【００１６】本発明の継目無鋼管においては、高強度と
は降伏応力で700Mpa以上であり、高靱性とは衝撃破面遷
移温度（vＴrs）が-50℃を超えることを意図している。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各要件を、素材鋼
の化学組成および継目無鋼管の製造方法に区分して逐次
説明する。なお、化学成分の含有量を示す％は「重量
％」を意味する。

【００１８】(A) 素材鋼の化学組成Ｃ：0.15〜0.5％Ｃは焼入れ性を高め、鋼管の強度を向上させために必要
な元素である。0.15％未満では焼入れ性が不足して強度
が確保できない。一方、0.5％を超えると焼き割れ、遅
れ破壊が起こりやすく継目無鋼管の製造が困難になるの
で、Ｃ含有量は、0.15〜0.5％とする。

【００１９】Si：0.1〜1.0％ Siは鋼の脱酸作用の他に、鋼材強度を向上する作用があ
るので、0.1％以上の添加を必要とする。一方、添加が
1.0％を超えると、靱性劣化が見られる。このため、Si
含有量は、0.1〜1.5％とする。

【００２０】Mn：0.1〜1.5％ Mnにも鋼の脱酸、脱硫作用があり、この目的を達成する
には0.1％以上の添加が必要である。一方、その添加が1.
5％を超えると靱性劣化が見られるので、含有量は0.1〜
1.5％とする。

【００２１】Ｐ：0.02％以下Ｐは鋼中に不可避的に含まれる不純物であり、粒界に偏
析してして靱性を劣化させるので、可能な限り含有量を
少なくする。本発明方法において圧延加工後にオーステ
ナイト結晶粒が粗大化した場合であっても、Ｐ含有量を
低減することによって、鋼管の靭性を著しく改善するこ
とができる。そのため、その上限を0.02％とする。さら
に、上限を0.005％とすることにより一層靱性を改善す
ることができる。

【００２２】Ｓ：0.002％以下Ｓは、上記Ｐと同様に、鋼中に不可避的に含まれる不純
物であり、介在物として存在し靱性を劣化させるので、
可能な限り含有量を少なくする。本発明方法において圧
延加工後にオーステナイト結晶粒が粗大化した場合であ
っても、Ｓ含有量を低減することによって、靭性を著し
く改善することができる。そのため、Ｓ含有量は、0.00
2％以下とした。さらに望ましくは0.0008％以下にす
る。

【００２３】Cr：0.1〜1.5％ Crは焼入れ性を確保し、強度を増加させる作用がある
が、その含有量が0.1％未満ではその効果が得られず、
1.5％を超えると靱性が劣化する。したがって、Cr含有
量は、0.1〜1.5％とする。

【００２４】Ti：0〜0.5％ Tiは添加しなくてもよいが、焼入れ性に有効な元素であ
るのでより高強度が必要な場合に添加する。しかし、添
加が0.5％を超えると鋼管の靱性を低下させるので、Ti
含有量は0.5％以下とする。

【００２５】Ｂ：0〜0.01％Ｂは添加しなくてもよいが、微量の添加で焼入れ性を向
上させるのでより高強度が必要な場合に添加する。しか
し、添加が0.01％を超えると靱性が劣化し、焼き割れ感
受性も高くなることから、Ｂ含有量は0.01％以下とす
る。

【００２６】Al：0.005〜0.5％ Alは鋼の脱酸剤として有用な元素であるが、0.005％未
満ではその効果が得られず、0.5％を超えると介在物が
多くなって靱性が低下する。したがって、Al含有量は0.
005〜0.5％とする。Ｎ：0.01％以下Ｎは不純物として鋼に存在し、鋼管の靭性を低下させる
ので、0.01％以下とする。

【００２７】Ｏ（酸素）：0.01％以下Ｏは、Ｎと同様に、不純物として鋼に存在し、鋼管の靱
性を低下させるので、0.01％以下とした。

【００２８】(B) 継目無鋼管の製造方法以下、本発明の継目無鋼管の製造方法を、工程順に説明
する。

【００２９】1. 素材鋼の加熱および穿孔：素材鋼は、
丸棒状に分塊圧延した鋼片あるいは横断面が円形の鋳型
を持つ連続鋳造機で鋳造した鋳片など、いわゆるビレッ
トである。なお、エネルギー節減のためにはビレット
は、分塊圧延や連続鋳造された後、室温まで完全に冷却
する前に加熱炉に装入するのがよい。

【００３０】ビレットの加熱温度は、熱間加工で穿孔で
きる温度であればよく、材質の高温延性と高温強度を考
慮して定めればよい。通常は、1100〜1300℃の範囲に加
熱する。穿孔工程においては、例えば傾斜ロール圧延機
のようなピアサーを用いて中実のビレットに熱間で貫通
孔を開け中空素管（ホローシェル）を製造する。

【００３１】2. 最終圧延工程：穿孔された中空素管
は、延伸圧延機および仕上げ圧延機によって最終圧延さ
れて、所定寸法の継目無鋼管が製造される。前述の通
り、本発明の最終圧延工程とは、マンネスマン・マンド
レルミル方式の場合では、マンドレル延伸圧延、および
サイザーまたはレデューサーによる仕上げ圧延工程の両
者を意味している。

【００３２】製品鋼管のオーステナイト結晶粒を微細化
し低温靭性を高めるためには、最終圧延において高加工
度の圧延をなるべく低い温度で行うようにすれば良い。
これは、高加工度の圧延によって加工歪みが大きくな
り、再結晶による微細化が促進されるためであり、ま
た、圧延温度を低くすることによって、再結晶後の粒成
長が抑制されるためである。

【００３３】しかしながら、鋼管のオーステナイト結晶
粒が小さくなると強度が低くなるため、高強度を確保す
ることができず、高強度と高靱性を兼備する特性を満足
することができない。一方、圧延温度を低くしすぎる
と、圧延負荷の上昇にともない、圧延後マンドレルバー
の引き出しのときに焼き付きが発生する等の圧延生産性
を阻害することになる。そこで、本発明方法では、圧延
での生産能率を高めることも考慮し、最終圧延工程で低
加工度の圧延を高温の仕上げ温度で実施するようにして
いる。したがって、具体的には、低加工度の圧延として
は断面圧縮率で40％以下であり、高温仕上げ温度として
は1050℃以上である。

【００３４】上述の通り、本発明方法によれば、鋼管の
オーステナイト結晶粒が粗大になるが、同時に焼入れ性
を著しく向上させることができるので、特に、高価な合
金元素を添加することなく、高強度の鋼管を得ることが
できる。次ぎに、靱性に関しては、圧延加工後にオース
テナイト結晶粒が粗大化した場合であっても、Ｐ、Ｓの
含有量を低減することによって、鋼管の靭性を著しく改
善することができるので、問題とならない。

【００３５】3. 最終圧延後の保熱：最終圧延後の鋼管
は、直ちに930℃以上で保熱される。一般には、圧延ラ
インの中に保熱炉のようなものを置くのは、設備コスト
面では得策でないかもしれない。しかし、焼入れ前の鋼
管の均熱性を確保して、焼入強度および靱性のバラツキ
を抑えるためには、鋼管の長手方向および円周方向の組
織および性能の均一性を確保することができる保熱炉が
必要である。

【００３６】再結晶による結晶粒の微細化が起こらない
ようにするため、保熱はできるだけ高温で行うようにす
るため、930℃以上とした。保熱時間は、鋼管全体の温
度を均一にするために、少なくとも１分は必要である。
しかし、60分を超えて保熱してもその効果は飽和し、生
産性を低下させるだけである。

【００３７】4. 直接焼入れ：保熱により温度を均一化
された鋼管は、水冷等により直接焼入れされる。このと
き、結晶粒径が大きいとフェライト変態がし難くなり、
マルテンサイト変態がし易くなり焼入性が向上するの
で、焼入れ前のオーステナイト結晶粒の短径は平均で40
μm以上になるようにしている。このときの冷却は、早
ければ早いほど組織の均一性を増すことができるので上
限を設ける必要はない。しかし、10℃/sec以下では、強
度が低下し、また組織も粗大になって、靱性も低下す
る。

【００３８】上記の急冷の後は、空冷で適当な温度、例
えば室温まで冷却すればよい。上記の冷却のままでも、
製品鋼管は優れた特性のものとなる。しかし、これに焼
戻し処理を施せば、組織の硬さを減じ、靱性をさらに改
善することができるので、必要ある場合には、焼戻しす
ればよい。

【００３９】

【実施例】表１に示す化学組成を有する素材鋼を用い
て、油井用継目無鋼管を製造する。これらの素材鋼を加
熱炉に装入し、２時間以上保持して1230〜1280℃に加熱
した後、ピアサーにて穿孔圧延して中空素管とした。最
終圧延工程として、マンドレル延伸圧延し、次いでサイ
ザーで仕上げ加工を行い、その後保熱し、直接焼入れの
のち焼戻して製品鋼管を製造した。このときの圧延仕上
げ温度、圧延加工度、保熱温度（焼入温度）、焼戻し温
度および焼入れ前のオーステナイト結晶粒の短径平均値
を、表２に示すように、変化させた試験を実施した。な
お、オーステナイト結晶の粒径は、ASTM E112で測定し
た。

【００４０】焼戻し後の製品鋼管から試験片を切り出
し、引張試験およびシャルピー試験を行って、強度とし
て降伏強さ（ＹＳ）、引張強さ（ＴＳ）を、靱性として
破面遷移温度（vＴrs）を調査した。その結果を、表２
に示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【表２】

【００４３】表２の結果から明らかなように、発明例の
試験１〜９では、最終圧延での仕上げ温度が1050℃以上
で、圧延加工度を40％以下として圧延を実施し、次いで
保熱を930℃以上にて行った後、直ちに直接焼入れ＋焼
戻し処理にて製品鋼管を製造している。このため、焼入
前のオーステナイト結晶粒を粗大の状態で保つことがで
き、充分な焼入れ性が確保できる。また、素材鋼である
鋼Ａ〜ＥはＰ、Ｓの低減により、粗大な結晶粒であって
も、低温靱性の著しく改善している。したがって、高強
度で、かつ高靱性と言える油井用鋼管の目安となる、Ｙ
Ｓ：700Mpa以上、およびvＴrs：-50℃を、いずれの発明
例も達成している。

【００４４】これに対し、比較例の試験10〜12は、本発
明で規定する素材鋼を用いたが、圧延仕上げ温度、最終
圧延加工度、または保熱温度の何れかが本発明の規定範
囲から外れているため、靱性劣化が著しい。

【００４５】比較例の試験13〜19は、最終圧延および直
接焼入れの条件は本発明の規定を具備するものである
が、素材鋼の化学組成のいずれかが本発明の規定範囲を
外れるものであるから、製品鋼管での靱性劣化が著し
い。特に、試験17では焼入れ性を確保するために最小限
必要なＣ含有量が不足しているため、必要な強度も確保
することができなかった。

【００４６】

【発明の効果】本発明の高強度高靱性継目無鋼管の製造
方法によれば、焼入れ性向上に有効であるが高価な合金
元素を添加することなく、高強度で、かつ高靱性の特性
を兼備する油井用鋼管を製造することができる。しか
も、製管連続プロセスを前提とする「直接焼入れ法」に
よる処理であるため、均一で優れた特性を有する継目無
鋼管を高い生産効率で製造することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.15〜0.5％、Si：0.1〜1.
0％、Mn：0.1〜1.5％、Ｐ：0.02％以下、Ｓ：0.002％以
下、Cr：0.1〜1.5％、Ti：0〜0.5％、Ｂ：0〜0.01％、A
l：0.005〜0.5％、Ｎ：0.01％以下、Ｏ（酸素）：0.01
％以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からな
る素材を加熱して熱間で穿孔圧延し継目無鋼管を製造す
るに際し、最終圧延工程で断面圧縮率で40％以下の加工
を仕上がり温度1050℃以上で行い、次いで直ちに930℃
以上で保熱し、焼入れ前のオーステナイト粒の短径が平
均で40μm以上の状態で直接焼入れすることを特徴とす
る高強度高靱性継目無鋼管の製造方法。