JP2001011568A - インライン熱処理用鋼およびこの鋼からなる耐硫化物応力腐食割れ性に優れる継目無鋼管の製造方法 - Google Patents
インライン熱処理用鋼およびこの鋼からなる耐硫化物応力腐食割れ性に優れる継目無鋼管の製造方法Info
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Abstract
ン熱処理用鋼とこの鋼からなる耐硫化物応力腐食割れ性
に優れる高強度継目無鋼管の製造方法を提供する。 【解決手段】C:0.15〜0.35%、Si:0.1〜1.5%、Mn:
0.1〜2.5%、P:0.03%以下、S:0.004%以下、Al:0.0
01〜0.1%、V:0.01〜0.25%、Ti:3.4×N%以下を含
み、NとNbをそれぞれ0.0080%以下、0.005%未満に規制
した鋼と、この鋼を用いて最終圧延温度950〜1100℃で
製管された継目無鋼管を、インライン中で、Ar3変態点
〜950℃の温度域に補熱してから、Ar3変態点以上でその
まま焼入れし、次いでAc1変態点未満で焼戻す。
Description
を施した場合に、強度バラツキが小さく、その結果とし
て、耐硫化物応力腐食割れ性に優れる高強度な製品が得
られるインライン熱処理用鋼とこの鋼からなる継目無鋼
管、具体的には油井やガス井用のケーシングやチュービ
ングおよび掘削用のドリルパイプの製造方法に関する。
鋼管は、過酷な油井環境や高温環境で使用されることが
多く、高強度化、靱性向上、耐硫化物応力割れ性(以
下、耐SSC性という)の向上が常に要求されている。
80〜90%以上のマルテンサイト組織鋼、(b) 粗大な
炭化物を含まない鋼、(c) 非金属介在物の少ない清浄
鋼、(d) 高温焼戻し鋼、(e) 細粒組織鋼、(f) 高降伏比
鋼、(g) 低Mn−低P−低S鋼、(h) 不溶性窒化物を多
く含む鋼、(i) Zr添加鋼がある。
組織鋼は、高性能な継目無鋼管を得るために開発された
鋼で、オーステナイト結晶粒度の細粒化を図った鋼であ
る。
は、特開平4−328170号公報に示される方法があ
る。すなわち、その方法は、素材に0.01〜0.1%
のNb添加鋼を用い、製管後の鋼管にオフラインで焼入
れ焼戻しの熱処理を施す方法である。
する方法に比べると、生産効率や省エネルギーの観点か
らは不利である。また、この不利を避けるために、イン
ラインで熱処理を施すと、焼入れまでにNbCが不均一
に析出して製品の強度バラツキが極めて大きくなり、高
強度になった部分の耐SSC性が低下するという欠点を
有している。さらに、上記の方法は、穿孔、粗圧延後に
連続して2台以上の傾斜圧延機が必要で、設備費が嵩む
という欠点も有している。
ライン処理に比べて低コストなインライン熱処理で、強
度バラツキが小さく、結果として、耐硫化物応力腐食割
れ性に優れる高強度な製品が得られるインライン熱処理
用鋼とこの鋼からなる継目無鋼管の製造方法を提供する
ことにある。
(1)のインライン熱処理用鋼と、(2)の耐硫化物応
力腐食割れ性に優れる継目無鋼管の製造方法にある。
%、Si:0.1〜1.5%、Mn:0.1〜2.5
%、P:0.03%以下、S:0.004%以下、A
l:0.001〜0.1%、V:0.01〜0.25
%、Ti:3.4×N%以下、Cr:0〜1.5%、M
o:0〜1.0%、W:0〜1.0%、B:0〜0.0
030%、Ca:0〜0.0050%、Mg:0〜0.
0050%、Zr:0〜0.10%を含有する一方、N
とNbがそれぞれ0.0080%以下、0.005%未
満に規制され、残部は実質的にFeからなるインライン
熱処理用鋼。
理用鋼からなるビレットを、熱間で穿孔、延伸圧延し、
最終圧延温度950〜1100℃の条件で製管された継
目無鋼管を、インラインでAr3 変態点〜950℃の温
度域で補熱してから、Ar3 変態点以上のまま焼入れ
し、次いでAc1 変態点未満で焼戻す耐硫化物応力腐食
割れ性に優れる継目無鋼管の製造方法。
知見に基づいて完成させた。すなわち、発明者らは上記
の課題を達成するにあたり、種々の鋼成分、種々の圧延
条件で継目無鋼管を製造し、圧延条件と結晶粒度の関
係、さらに強度の関係について検討を重ねた。その結
果、以下のことが判明した。
持(補熱を含む)したまま、焼入れするインライン熱処
理プロセスにおいては、オーステナイト領域において析
出し始めるTiやNbの炭化物および/または炭窒化物
が焼入れまでに継目無鋼管全域にわたって不均一に析出
し、これが原因で強度バラツキが生じる。
一析出に起因する強度バラツキは、Nbの含有量を極力
少なくし、かつTiの含有量をN固定に必要な量以下に
すれば解消される。
まま、比較的長尺の継目無鋼管を補熱せずに焼入れする
インライン熱処理プロセスにおいては、鋼管の周方向ま
たは長手方向に温度ムラが発生し、これが原因で強度バ
ラツキが生じる。
ると、組織が粗粒になり、耐SSC性が低下する。
には、組織が伸展粒組織になり、靱性や耐SSC性に異
方性が生じ、その後に補熱しても解消しない。また、補
熱に必要な温度が確保できない。
以上で補熱して鋼管全体を均熱化すると鋼管の温度ムラ
が解消され、かつ、その間に再結晶して細粒化し、強度
バラツキがなくなって耐SSC性が向上する。
性がより一層向上し、油井管として必要な耐SSC性が
確保される。
する。なお、以下において「%」は「重量%」を意味す
る。
に定めた理由について説明する。
有させるが、0.15%未満では焼入性が不足して焼戻
温度を低下させ、必要な強度確保が困難になる。しか
し、0.35%を超えて含有させると焼き割れが発生す
るだけでなく、靱性が劣化する。このため、C含有量は
0.15〜0.35%とした。好ましい範囲は0.20
〜0.30%である。
加され、また焼戻軟化抵抗をたかめて強度上昇にも寄与
する。これらの効果を得るには0.1%が必要である。
しかし、1.5%を超えて含有させると、熱間加工性が
著しく低下する。このため、Si含有量は0.1〜1.
5%とした。好ましい範囲は0.10〜0.50%であ
る。
強度確保に有効な元素である。しかし、その含有量が
0.1%未満では焼入性の不足によって強度、靱性およ
び耐食性ともに低下する。一方、2.5%を超えて含有
させると、偏析を増して靱性が低下する。このため、M
n含有量は0.1〜2.5%とした。好ましい範囲は
0.20〜1.0%である。
し、その含有量が0.05%を超えると、粒界に偏析し
て靱性を低下させる。このため、P含有量は0.05%
とした。なお、P含有量は低ければ低いほどよい。
物として鋼中に存在し、Mnまたは添加した場合のCa
と結合して介在物(MnS、CaS)を形成する。これ
らの介在物は熱間圧延で延伸して靭性を低下させる。し
かし、S含有量が0.004%以下であれば特に支障は
ないことから、その上限を0.004%とした。なお、
S含有量は低ければ低いほどよい。
であり、その含有量が0.001%未満では脱酸不足に
よって鋼質が劣化し、靱性が低下する。しかし、0.1
%を超えて含有させると、かえって靱性の低下を招く。
このため、Al含有量は0.001〜0.1%とした。
好ましい範囲は0.01〜0.07%である。なお、本
発明にいうAlとは、酸可溶Al(sol.Al)のこ
とである。
元素であるほか、二次析出強化により強度を高める効果
があり、所定の強度を得るのにより高温で焼戻すことが
でき、これが耐SSC性の向上に寄与している。また、
VCはオーステナイト相への溶解度が大きいため、イン
ラインでの焼入時に全て固溶しており、強度バラツキの
原因にならない。これらの効果を得るためには0.01
%以上が必要である。しかし、0.25%を超えて含有
させると靱性が大きく劣化する。このため、V含有量は
0.01%〜0.25%とした。好ましい範囲は0.0
2〜0.1%である。
述のNとの結合力が強く、高温から安定なTiNを形成
してNを固定する効果がある。しかし、Nの固定に必要
な量、すなわち、3.4×N%を超えて含有させると過
剰なTiがTiCとなって析出し、これが最終圧延温度
域で析出し始めるため、後述するNbと同様に、強度バ
ラツキの原因となる。このため、Ti含有量は3.4×
N%以下とした。
れば、焼入性と焼戻軟化抵抗を高め、強度と耐SSC性
を向上させる作用があり、特に厚肉鋼管を製造する場合
に有効な元素である。したがって、この効果を得たい場
合には添加することができる。その効果は0.1%以上
で顕著になるが、1.5%を超えて含有させると靱性が
劣化する。このため、添加する場合のCr含有量は0.
1〜1.5%とするのがよい。好ましい範囲は0.2〜
0.7%である。
れば、上記のCrと同様に、焼入性と焼戻軟化抵抗を高
め、強度と耐SSC性を向上させる作用があり、特に厚
肉鋼管を製造する場合に有効な元素である。また、Mo
には耐サワー性能を向上させる作用もある。したがっ
て、これらの効果を得たい場合には添加することができ
る。その効果は0.1%以上で顕著になるが、1.0%
を超えて含有させると靱性が劣化する。このため、添加
する場合のMo含有量は0.1〜1.0%とするのがよ
い。好ましい範囲は0.2%〜0.8%である。
れば、上記のCr、Moと同様に、焼入性と焼戻軟化抵
抗を高め、強度と耐SSC性を向上させる元素である。
したがって、この効果を得たい場合には添加することが
できる。その効果は0.1%以上で顕著になるが、1.
0%超では飽和する。このため、添加する場合のW含有
量は0.1〜1.0%とするのがよい。好ましい範囲は
0.1〜0.5%である。
ば、焼入性を著しく高め、強度を大幅に向上させる作用
があり、特に厚肉鋼管を製造する場合に有効な元素であ
る。したがって、この効果を得たい場合には添加するこ
とができる。その効果は0.0005%以上で顕著にな
るが、0.0030%を超えて含有させると粒界に炭窒
化物が析出しやすくなり、靱性劣化の原因になる。この
ため、添加する場合のB含有量は0.0005〜0.0
030%とするのがよい。好ましい上限は0.0015
%である。
もよい。添加すれば、不可避不純物として鋼中に存在す
るSと反応して硫化物を生成する。この硫化物は、圧延
加工後も球状であり、圧延方向に伸びることがない。そ
の結果、圧延直角方向の衝撃性質を向上させる一方、水
素誘起割れを抑制する。したがって、この効果を得たい
場合にはいずれか一方を単独または両方を複合で添加す
ることができる。その効果は、いずれの元素も0.00
05%以上で顕著になるが、0.0050%を超えて含
有させると鋼中の介在物量が増加して清浄度が低下し、
種々の性能が低下する。このため、添加する場合のこれ
らの元素の含有量は、いずれも、0.0005〜0.0
050%とするのがよい。なお、両方を複合で添加する
場合の合計含有量は、0.0050%以下とするのが好
ましい。
れば、上記のTiと同様に、不可避不純物として鋼中に
存在する後述のNと結合し、窒化物を形成してNを固定
する作用を有しており、特に、前述のB添加時には優先
的にNと結合して窒化物を形成してBの焼入性向上効果
を高める作用を有している。したがって、この効果を得
たい場合には添加することができる。その効果は0.0
1%以上で顕著になるが、0.10%を超えて含有させ
ると、介在物が増加して靱性が低下する。このため、添
加する場合のZr含有量は0.01〜0.10%とする
のがよい。好ましい上限は0.05%である。なお、Z
rは炭化物を形成しにくので、添加しても強度バラツキ
の原因にはならない。
し、Al、Ti、Nbと結合して窒化物を形成する。特
に、AlNやTiNが多量に析出すると、靱性や耐SS
C性、耐水素誘起割れ性に悪影響を及ぼす。しかし、そ
の含有量が0.0080%以下であれば特に問題ないこ
とから、その上限を0.0080%とした。好ましい上
限は0.0060%である。
ロセスでは、再加熱時に結晶粒の成長をピンニング効果
で抑制し、オーステナイト粒の細粒化に有効であるとし
て積極的に添加されていた。しかし、本発明のように、
最終圧延後、Ar3 変態点以上の温度に保持したまま焼
入れするインライン熱処理プロセスにおいては、Nbに
上記のような効果はないばかりでなく、仮にNbが鋼中
に存在している場合には、焼入れ時にほとんどのNbC
が析出せず、焼戻し時に析出するという、オフライン熱
処理とは全く異なった析出挙動を示し、従来にも増して
強度により大きく影響を及ぼす。特に、継目無鋼管にお
いては、工具と接触する表面層と肉厚中央部では温度差
が必ず生じ、この温度差に起因してNbの固溶量が肉厚
位置により変化するために、強度バラツキが顕著にな
る。したがって、本発明においては、Nb含有量は少な
ければ少ないほどよく、皆無であることが最も好まし
い。しかし、その含有量が0.005%未満であれば、
特に支障はないことから、その含有量を0.005%未
満と定めた。好ましい上限は0.003%である。
継目無鋼管の製造条件を上記のように定めた理由につい
て説明する。
加熱温度は特に制限しない。要は次に述べる最終圧延温
度が満足できる温度であればよい。
満では、伸展粒組織となり、靱性や耐SSC性に異方性
が生じ、その後の補熱でも解消されない。また、110
0℃超では、結晶粒度が著しく粗大化して、その後の補
熱によっても細粒とならない。このため、本発明におい
ては、最終圧延温度を950℃〜1100℃とした。
粒のままなので、靱性および耐SSC性が芳しくない。
また、Ar3 変態点未満では、初析フェライトが析出し
て完全なマルテンサイト組織が得られない。このため、
補熱温度はAr3 変態点以上、950℃以下とした。好
ましい上限温度は920℃である。
度ムラを解消すると同時に細粒化を図り、これによって
強度バラツキの解消と耐SSC性を向上させることにあ
る。なお、補熱時間は、特に制限しないが、下式を満た
す時間保持するのが好ましい。すなわち、温度差が大き
ければ大きいほど、また肉厚が厚ければ厚いほど、長時
間保持するのがよい。
補熱温度)×肉厚因子 焼戻温度:焼戻温度がAc1 変態点以上では、著しく軟
化して所望の強度が確保できないので、焼戻温度はAc
1 変態点未満とした。なお、下限温度は特に定めない
が、耐SSC性の観点からは高い方が好ましく、680
℃以上とするとがよい。
の鋼を準備した。なお、表1〜2中、鋼No. A〜Hは容
量150kgの真空溶解炉に用いて溶製した鋼で、鋼N
o.A〜C、D〜EおよびF〜Hは、いずれも、同じ溶鋼
をそれぞれ分湯し、分湯後にNb、VおよびTiの含有
量を調整した鋼である。また、鋼No. I〜Kは、実機の
マンドレルミルラインによる製管試験に供するために準
備した鋼である。
は、得られたインゴットを熱間鍛造し、厚さ50mm、
幅80mm、長さ100mmのブロック材とした。次い
で、各ブロック材を種々の温度に加熱し、表3に示す最
終圧延、補熱温度、焼入温度および焼戻温度で処理し、
厚さ15mmの板材とした。
ることにより、全厚での降伏強度(YS)がAPI規格
に規定されるT95級になるように調整した。
と同じく、圧延ロールと接触する表面層と肉厚中心部で
は温度差が生じるので、Nb量によっては硬度差が生じ
ることになることはいうまでもない。
6mmの中実丸ビレットを準備し、いずれも1250℃
に加熱した後、実機のマンネスマンピアサーに供して外
径250mm、肉厚15.88mmの中空素管とした。
次いで、この中空素管をマンドレルミルに供し、最終圧
延温度を種々変化(1000℃、1050℃)させて外
径244.5mm、肉厚13.8mmの継目無鋼管に仕
上げた。そして、仕上げた継目無鋼管の温度がAr3 変
態点を下回らない間にインライン中に設けられた補熱炉
(加熱炉でもよい)に挿入し、種々の温度(900℃、
920℃、950℃)に5分間保持する補熱(均熱)処
理を施した後、直ちに水焼入れし、次いでインライン中
に設けられた焼戻し炉に挿入し、種々の温度(680
℃、690℃、700℃)に15分間保持する焼戻し処
理を施して製品管とした。
は、上面、下面および肉厚中心部から、圧延方向(L方
向)に、NACE TM0177 Method Bに
規定される3点曲げ試験片を各2枚採取した。
ルで製造した継目無鋼管からは、管軸長方向の任意位置
からリング状のサンプルを採取し、円周4ヶ所(0°、
90°、180°、270°)位置の外面部、肉厚中央
部および内面部のそれぞれから、上記と同様の3点曲げ
試験片を各2枚採取した。
77 Method Bに規定される方法に従った腐食
試験に供した。すなわち、S値として100ksiを与
えた試験片を、1気圧の硫化水素が飽和した25℃の
0.5%酢酸水溶液中に720時間浸漬する試験であ
る。
しなかったものを耐SSC性が良好「○」、2つのうち
1つ以上が破断したものを耐SSC性が不芳「×」とし
た。また、いずれの試験片も、上記の腐食試験後、端部
のロックウエル硬度(HRC)を測定した。
せて示した。なお、表中の硬度は、2つの試験片の平均
値である。
のインライン熱処理用鋼を用い、本発明で規定する条件
に基づいて製造された本発明例の板材と継目無鋼管(試
番1、5〜7、9〜12、14および15)は、いずれ
も肉厚方向の硬度差(強度差)が小さく、耐SSC性が
良好であった。
のいずれかが本発明で規程する範囲を外れる条件で製造
された比較例の板材と継目無鋼管(試番2〜4、8、1
3、および16〜18)は、いずれも肉厚方向の硬度差
(強度差)が大きく、耐SSC性が不芳であった。
含有量の影響を調べた例であるが、試番2と3は、製造
条件は本発明の範囲内であるが、鋼のNb含有量が多す
ぎるために、肉厚中心部の硬度が高く、該部の耐SSC
性が不芳であった。
を調べた例であるが、試番4はVが添加されていないた
めに、試番8はTi含有量が多すぎるために、製造条件
は本発明の範囲内であるが、いずれも肉厚方向の硬度
(強度)バラツキは小さいものの、耐SSC性が不芳で
あった。
の影響を調べた例であり、鋼の化学組成はいずれも本発
明で規程する範囲内であるが、試番13は仕上げ温度が
低すぎるために、試番16は仕上げ温度が高すぎるため
に、また試番17と18は補熱温度が高すぎるために、
いずれも肉厚方向の硬度(強度)バラツキは小さいもの
の、耐SSC性が不芳であった。
熱処理を施せば、強度が大きくバラツクことがない。ま
た、本発明発の方法によれば、強度バラツキが小さく、
結果ととして耐SSC性に優れた細粒組織の高強度な継
目無鋼管を高能率かつ低コストで製造することができ
る。
Claims (2)
- 【請求項1】重量%で、C:0.15〜0.35%、S
i:0.1〜1.5%、Mn:0.1〜2.5%、P:
0.03%以下、S:0.004%以下、Al:0.0
01〜0.1%、V:0.01〜0.25%、Ti:
3.4×N%以下、Cr:0〜1.5%、Mo:0〜
1.0%、W:0〜1.0%、B:0〜0.0030
%、Ca:0〜0.0050%、Mg:0〜0.005
0%、Zr:0〜0.10%を含有する一方、NとNb
がそれぞれ0.0080%以下、0.005%未満に規
制され、残部は実質的にFeからなることを特徴とする
インライン熱処理用鋼。 - 【請求項2】請求項1に記載のインライン熱処理用鋼か
らなるビレットを、熱間で穿孔、延伸圧延し、最終圧延
温度950〜1100℃の条件で製管された継目無鋼管
を、インラインでAr3 変態点〜950℃の温度域で補
熱してから、Ar3 変態点以上のまま焼入れし、次いで
Ac1 変態点未満で焼戻すことを特徴とする耐硫化物応
力腐食割れ性に優れる継目無鋼管の製造方法。
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