JP2002220639A - 延性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼および油井用ステンレス鋼管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】延性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼お
よびこのステンレス鋼で製造したステンレス鋼管の提
供。 【解決手段】質量％で、Cr：10〜14％、Al：0.001〜0.0
50％、Ca：0.0001〜0.030％を含有し、Ｌ_max（μｍ）を
介在物の最大長さ、Al％、Ca％をマルテンサイト系ステ
ンレス鋼に含まれるAl、Caの含有量としたとき、下記式
を満足させることで、延性に優れたマルテンサイト系ス
テンレス鋼を得る。 Ｌ_max＋1200・（Al％＋10・Ca％）≦120

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、延性に優れたマル
テンサイト系ステンレス鋼およびその鋼で製造したステ
ンレス鋼管に係り、特に、炭酸ガス、硫化水素などの発
生があるような厳しい腐食環境下で用いられる油井管な
どの材料として使用できるマルテンサイト系ステンレス
鋼およびその鋼で製造した油井用ステンレス鋼管に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】マルテンサイト系ステンレス鋼は、耐食
性、耐熱性が優れていることに加え、強度、靱性といっ
た機械的特性をも兼ね備えており、さらに、フェライト
系およびオーステナイト系ステンレス鋼に比べ、安価で
あるため、さまざまな構造体の部位に使用されている。

【０００３】マルテンサイト系ステンレス鋼の中でも、
AISI（全米鉄鋼協会）420鋼に代表される約13%のCrが添
加されたマルテンサイト系ステンレス鋼、いわゆる13％
Cr鋼は、炭酸ガス、硫化水素、塩素イオンに曝されると
いった厳しい腐食性環境下でも十分に対応できる耐食性
を有するため、油井管の材料として使用されることが多
い。その他にも、同様に厳しい環境下におかれるエネル
ギーラインといった配管用の材料としても使用されてい
る。

【０００４】一方で、13％Cr鋼は、溶接性が悪く、接合
しようとしても十分な接合強度が得られないため、加工
性が劣るという欠点を有していた。そのため、ときとし
て、溶接が必要な構造体の作製には、13％Cr鋼の使用が
敬遠されることもあった。

【０００５】特に、13％Cr鋼のようなマルテンサイト系
ステンレス鋼を上記のような油井管や配管の材料として
使用する際には、多数の鋼管を接続する必要があり、し
かも、安全上、鋼管の接続部における接合強度はより高
いものが求められる。

【０００６】そこで、溶接性を向上し、加工性を改善す
るため、マルテンサイト系ステンレス鋼には、さまざま
な改良が施されている。

【０００７】特公昭５７−２８７３８号公報には、Ｃ、
Ｎ、Mn、Ni、Siの含有量を規定し、任意の式により決定
されるCr当量なる値を一定値以下にすることにより、優
れた溶接性と加工性を付加したマルテンサイト系ステン
レス鋼の発明が開示されている。

【０００８】また、特公平４−３５５５１号公報にも、
Ｃ、Ｎ、Ni、Mn、Cr、Si、Alといった元素の含有量を規
定し、これらの含有量から決定されるγ_Ｐなる量を一定
値以上にすることにより、特公昭５７−２８７３８号公
報に記載の発明と同様な効果を得る発明が開示されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】今日、採掘技術が進歩
したことから、従来は採掘の対象とされなかった深層油
田や開発を一旦放棄した油田からでも、十分石油の採掘
が可能となった。そして、この採掘技術の進歩は、鋼管
に関する諸技術の進歩でもある。

【００１０】この鋼管の技術に関し、近年では、目標と
する鋼管外径より小さい管径の鋼管を油井戸内に装入
し、井戸内で拡管することによって、所定の外径にする
技術の開発が進んでいる。さらには、燃料輸送用のライ
ンパイプなどに用いられる鋼管では、あらかじめ鋼管を
溶接で接合し、長尺の鋼管にした後、大型リールに巻き
取り、その鋼管を現地で敷設するといった方法（リール
パージ法）も開発されている。

【００１１】油井管やパイプラインなどを施設する際に
は、必ず、鋼管に現地で二次加工を施す必要がある。特
に、二次加工では、管周方向に引張加工を施し、管径を
拡大することも多く、鋼管に疵が発生する場合があり、
また過酷な加工を施す場合には割れに至ることもあっ
た。このような加工不良は、マルテンサイト系ステンレ
ス鋼で製造した鋼管を用いた場合、その鋼の性質上、疵
または割れが発生することが多く、鋼管の材料として、
上記の公報に開示されるような溶接性と加工性に優れた
マルテンサイト系ステンレス鋼を用いたとしても、その
発生は避けられなかった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するために、マルテンサイト系ステンレス鋼に
延性を付加させる手段を検討した。

【００１３】鋼の延性を評価する方法として、引張試験
による伸び率測定がある。この試験方法を用い、鋼に荷
重ゼロから徐々に荷重を加えていくと、降伏点に達する
が、さらに、荷重を加え続けると、一様な伸びを示し、
その後、鋼にくびれができ破断に至る。この時、一様な
伸びが大きくなる、すなわち鋼が伸び続け、くびれがで
きにくいほど延性特性が優れていることになる。

【００１４】一般に、鋼中に、例えば、Ca-Al-Ｏ系、Ca
Ｏ系、Al_２Ｏ_３系、MnＳ系の非金属介在物、あるいはT
i、Nb等の炭窒化物、酸化物、Mg、Zr等を含んだ複合介
在物（以上をまとめて「介在物」という）が存在する
と、母材とその介在物の間で空間ができ、局所的にくび
れができやすくなるため、大きな伸びは得られない。そ
のため、伸びを大きくするためには、鋼中に含まれる非
金属介在物などを極力少なく、かつ大きさを小さくする
ことが重要となる。

【００１５】そこで、疵や割れの発生と延性の低下した
マルテンサイト系ステンレス鋼との関係を調べたとこ
ろ、疵や割れは圧延方向に連続したクラスター状の介在
物の近傍で発生していることを見いだした。そして、さ
らに詳細に調べたところ、この介在物の大きさとマルテ
ンサイト系ステンレス鋼中のAl、Caの量に一定の相関関
係があるとき、延性が著しく向上することを見いだし
た。

【００１６】本発明は、質量％で、Cr：10〜14％、Al：
0.001〜0.050％、Ca：0.0001〜0.030％を含有するマル
テンサイト系ステンレス鋼であって、Ｌ_max（μｍ）を
介在物の最大長さ、Al％、Ca％を前記マルテンサイト系
ステンレス鋼に含まれるAl、Caの含有量としたとき、下
記式を満足する延性に優れたマルテンサイト系ステンレ
ス鋼、を提供する。 Ｌ_max＋1200・（Al％＋10・Ca％）≦120 この際、上記のマルテンサイト系ステンレス鋼が、さら
に、Ｃ：0.05％以下、Si：0.05〜0.5％、Mn：0.1〜1.5
％、Ni：1〜7％、Ｎ：0.07％以下を含有し、残部は実質
的にFeからなり、不純物として、Ｐ：0.025％以下、
Ｓ：0.010％以下含まれていてもよい。

【００１７】さらに、下記の１群または／および２群か
ら選択された元素を含有していてもよい。

【００１８】・１群…Cu：0.01〜3.0％、Mo：0.05〜4.0
％の１種または２種 ・２群…Ti：0.005〜0.2％、Nb：0.005〜0.05％、Ｖ：
0.05〜0.1％の１種または２種以上 また、本発明は、上記のような延性に優れたマルテンサ
イト系ステンレス鋼で製造したことを特徴とする油井用
ステンレス鋼管、を提供する。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明は、延性に優れたマルテン
サイト系ステンレス鋼に関する発明である。ここで、マ
ルテンサイト系ステンレス鋼とは、Feに13%程度のCrを
合金した鋼であり、一般に、13％Cr鋼と呼ばれるもので
ある。この鋼は、高温から、焼入れることによりマルテ
ンサイト組織を得たもので、耐食性とともに耐熱性も有
する。

【００２０】本発明に係るマルテンサイト系ステンレス
鋼では、Cr含有量を10〜14％とした。Crは耐食性を向上
させる元素であり、10％未満では十分な耐食性が得られ
ず、14％を超えると、高温加熱でδフェライトが生成
し、熱間加工性が低下するためである。

【００２１】さらに、本発明に係るマルテンサイト系ス
テンレス鋼には、Al、Caがそれぞれ0.001〜0.050％、0.
0001〜0.030％含有する。Al、Caは延性、靱性に有害な
Ｓ、Ｏを製鋼時に低減させる効果がある。

【００２２】Alは、その含有量が0.001％未満である
と、脱酸剤としての効果を発揮できず、また、0.050％
を超えると、粒径の大きな介在物が急激に増加し、脆化
しやすくなる。Alの含有量は0.006〜0.040％であること
がより好ましい。

【００２３】一方、Caは、熱間加工性を向上させる効果
も有するが、その含有量が0.0001％未満であると、その
効果は発揮されない。また、0.030％を超えると粗大な
介在物が急増し、延性の低下および耐食性の低下を招
く。

【００２４】そして、Ｌ_max（μｍ）を介在物の最大長
さ、Al％、Ca％をマルテンサイト系ステンレス鋼に含ま
れるAl含有量、Ca含有量としたとき、下記式を満足する
ことが必要である。 α＝Ｌ_max＋1200・（Al％＋10・Ca％）≦120 介在物の最大長さＬ_maxとは、ステンレス鋼の圧延面に
観察される連続した介在物の最大の長さを意味する。Ｌ
_maxは、具体的には、以下のように判断する。

【００２５】図１は、介在物の最大長さを説明するため
に、介在物を模式的に表した図であり、介在物の分布形
態に応じてCase1〜4に区分している。介在物が単独で存
在している場合は、介在物の長軸の長さをＬ_maxとする
（Case1）。しかし、複数の介在物が隣接して存在する
場合は、複数の介在物の長さを足したものをＬ_maxとす
る。例えば、長軸の長さがＬ_ａ、Ｌ_ｂ（Ｌ_ａ＞Ｌ_ｂ）の
介在物が隣接して存在し、それらの長軸が実質的にとも
に同一線上にある場合、両介在物の最短距離Ｔ_１が10μ
ｍ以下であるとき、Ｌ_max＝Ｌ_ａ＋Ｌ_ｂ、Ｔ_１が10μｍ
を超えるとき、Ｌ_{m ax}＝Ｌ_ａとする（Case2）。また、同
じく長軸の長さがＬ_ａ、Ｌ_ｃ（Ｌ_ａ＞Ｌ_ｃ）の介在物が
隣接して存在し、それらの短軸が実質的にともに同一線
上にある場合（長軸の一部が短軸方向で重なっていた場
合）、両介在物の最短距離Ｔ_２が10μｍ以下であると
き、Ｌ_max＝Ｌ_ａ＋Ｌ_ｃ、Ｔ_２が10μｍを超えるとき、
Ｌ_max＝Ｌ_ａとする（Case3）。なお、Case2でもCase3で
もない場合、すなわち複数の介在物がともに長軸および
短軸の同一線上にない場合、介在物の最短距離Ｔ_３が10
μｍ以下であるとき、Ｌ_max＝Ｌ_ａ＋Ｌ_ｄとし、Ｔ_３が1
0μｍを超えるとき、Ｌ_{m ax}＝Ｌ_ａとする（Case4）。

【００２６】さらに、本発明に係るマルテンサイト系ス
テンレス鋼には、以下の化学組成を含むことが好まし
い。以下にその理由もあわせて記す。

【００２７】Ｃ：延性に対し、Ｃの含有量は低いほどよ
いが、低くするためには、製鋼工程で精錬に必要な時間
が長くなるので、低くしすぎることはかえって製鋼コス
トの上昇を招く。Ｃの含有量が高いと、ＣとCrが結合
し、固溶Cr量が低下し、耐食性が悪くなるので、Ｃの含
有量は0.05％以下とすることが好ましい。

【００２８】Si：Siは、製鋼を行う際、脱酸剤として必
要な元素である。しかし、多量に添加すると、靱性およ
び延性が劣化するので、Siの含有量は0.05〜0.5％とす
るのが好ましい。

【００２９】Mn：Mnも脱酸剤として必要な元素である。
これも、多量に添加すると、靱性および延性が劣化する
ので、Mnの含有量は0.1〜1.5％とするのが好ましい。

【００３０】Ni：Niは、マルテンサイト相の靱性、延性
を向上させるために有効な元素であり、1％以上添加す
ることが好ましい。一方、大量に添加すると、高温から
冷却してマルテンサイト相に変化させようとしても、オ
ーステナイト相が残存してしまい、その結果、強度不足
が生じるため、Niの添加量は7％以下であることが好ま
しい。

【００３１】Ｎ：延性に対し、Ｎの含有量は低いほどよ
いが、低くするためには、製鋼工程で精錬に必要な時間
が長くなるので、低くしすぎることはかえって製鋼コス
トの上昇を招く。Ｎの含有量が高いと延性および靱性が
低下するので、Ｎの含有量は0.07％以下とすることが好
ましい。

【００３２】Ｐ：Ｐは、鋼中に含有される不純物元素で
あるが、鋼中に大量に含まれると延性が低下するので、
0.025％以下とすることが好ましい。

【００３３】Ｓ：Ｓは、Ｐと同様に、鋼中に含有される
不純物元素であるが、鋼中に大量に含まれると熱間加工
性および冷間での延性が低下するので、0.010％以下と
することが好ましい。

【００３４】Cu、Mo：Cu、Moは、いずれも耐食性を向上
させる効果を有するが、過剰に添加するとその効果は飽
和し、さらに熱間加工性を劣化させるので、Cuの添加量
は0.01〜3.0％、Moの添加量は0.05〜4.0％とすることが
好ましい。

【００３５】Ti、Nb、Ｖ：Ti、Nb、Ｖは、いずれもオー
ステナイト結晶粒の微細化による延性改善を促進し、か
つ、延性を低下させるＣ、Ｎを固定するとともに、固溶
Crの増加による耐食性を向上させる元素である。多く添
加した場合、その効果は飽和し、かえって延性を劣化さ
せるため、Ti、Nb、Ｖの含有量はそれぞれ0.005〜0.2
％、0.005〜0.05％、0.005〜0.1％とするのが好まし
い。

【００３６】以上のような延性に優れたマルテンサイト
系ステンレス鋼の製造用途として、油井用ステンレス鋼
管に用いることが好ましい。さらに詳しくは、掘削装置
（リブ）に用いるケーシング用鋼管に用いることが好ま
しい。前述したように、油井開発における掘削装置の施
工の際に、油井戸の中で拡大して管の外径を井戸径に合
わせる技術が開発されている。油井開発の際、本発明の
マルテンサイト系ステンレス鋼で製造した鋼管を油井戸
に装入し、前もって装入してあるプラグを鋼管の下方か
ら圧力をかけることでプラグを上昇させ、鋼管を管拡さ
せて油井戸の径と鋼管の外径を一致させる施工方法を採
用すれば、本鋼管は優れた延性を有するため、疵あるい
は割れが発生することはなく、本鋼管を油井戸とぴった
り一致したケーシングとして非常に有効に用いることが
できる。

【００３７】

【実施例】本発明の効果を確認するため、さまざまな組
成からなる鋼片を用いてマルテンサイト系ステンレス鋼
管を製造した。

【００３８】表１に示す組成を有する鋼片を分塊圧延に
より、外径225mmのビレットにし、続いて、このビレッ
トを1200〜1250℃に加熱し、マンドレルミルにて外径11
4mm、肉厚12mmの鋼管を形成した。その後、この鋼管を
冷却後、900℃に再度加熱し、急冷焼入を行い、降伏強
さを約700Ｎ／mm^２となるように任意の温度で焼戻を行
った。

【００３９】

【表１】 この鋼管について、介在物を観察するために、観察試料
として鋼管の一部を切り出し、鋼管の圧延方向の断面を
観察面積が4cm^２（全肉厚を含む）となるように試料を
研磨し、研磨面全面を50〜500倍の顕微鏡で観察し、介
在物の最大長さを測定した。

【００４０】延性の評価は、引張試験により伸びを測定
することで行った。ここで、引張試験を行うに当たり、
鋼管の拡管方向である管周方向が引張試験における引張
方向となるようにするために、上記のように製造した鋼
管を幅80mmのリング状に切り出し、冷間にて展開して平
板加工を施した後、API規格に規定された板状の引張試
験片を加工して、測定試料を作製した。

【００４１】また、押拡げの評価は、鋼管を、長さ200m
mのリング状に切り出し、このリング端を60°の角度を
有する円錐状のコーンを使ってラッパ型に押拡げ、外径
を1.3倍にすることで行った。

【００４２】表２に延性および押拡げの評価結果を示
す。なお、表２には併せて、Ｌ_max、（Al％＋10・Ca
％）およびαの値についても記す。

【００４３】

【表２】 延性の評価では、同一条件で３回の引張試験を行い、破
断までの伸び（全伸び）を測定した。表２において、３
回の試験のうち、すべて伸びが25％以上を示したものを
○、１回だけ伸びが25％以下となったものを△、２回以
上伸びが25％以下となったものを×と示した。また、押
拡げの評価では、これも同一条件で行った３回の試験の
うち、すべて元の外径から1.3倍以上押拡げても、すべ
て疵・割れの発生のなかったものを○、１回だけ疵・割
れが発生したものを△、２回以上疵・割れが発生したも
のを×と示した。

【００４４】表２において、No.19は、Alの含有量が本
発明の規定するAlの含有量の範囲を超えているため、N
o.20、21は、Caの含有量が本発明の規定するCaの含有量
の範囲を超えているため、いずれも延性、押拡げ特性が
不良（△、×）であった。一方、その他の試料（No.1〜
18）についてAl、Caの含有量とCa-Al-Ｏ系介在物の最大
長さの関係を調査した。

【００４５】図２にNo.1〜18の試料についての延性特性
を、縦軸をＬ_max、横軸を（Al％＋10・Ca％）として記
した図を示す。なお、各試料が図２上に取る位置は○、
△、×で示した。ここで、○、△、×の意味は、表２に
示す延性特性の評価基準と同じである。

【００４６】図２中の右下がりの直線はＬ_max＝120−12
00・（Al％＋10・Ca％）を示す。図２からわかるよう
に、この直線より下にあるものは全て、延性特性が良好
（○）であった。また、この直線より上にあるものは全
て、延性特性が不良（△、×）であった。

【００４７】図３にも、No.1〜18の試料についての押拡
げ特性を、図２と同様に記した図を示す。図３において
も、右下がりの直線はＬ_max＝120−1200・（Al％＋10・
Ca％）を示し、この直線より下にあるものは全て、押拡
げ特性が良好（○）、この直線より上にあるものは全
て、押拡げ特性が不良（△、×）であった。

【００４８】したがって、Al、Caの含有量が一定の値を
取り、Ｌ_max＋1200・（Al％＋10・Ca％）≦120を満たす
マルテンサイト系ステンレス鋼であれば、良好な延性特
性、押拡げ特性を得られ、鋼管にし、管径を拡大させて
も疵・割れなどは生じない。

【００４９】

【発明の効果】本発明に係る延性に優れたマルテンサイ
ト系ステンレス鋼を用いれば、高い延性特性、押拡げ特
性が得られ、二次加工時にも疵や割れを生じることがな
い。さらに、このステンレス鋼を用いて作製した鋼管
は、管径を拡大させる施工を行っても、鋼管自体に疵や
割れが生じないので、掘削装置に用いるケーシング用鋼
管として使用するのに非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】介在物の最大長さを説明するために、介在物を
模式的に表した図である。

【図２】延性特性を、縦軸をＬ_max、横軸を（Al％＋10
・Ca％）として記した図である。

【図３】押拡げ特性を、縦軸をＬ_max、横軸を（Al％＋1
0・Ca％）として記した図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】質量％で、Cr：10〜14％、Al：0.001〜0.0
   50％、Ca：0.0001〜0.030％を含有するマルテンサイト
   系ステンレス鋼であって、Ｌ_max（μｍ）を介在物の最
   大長さ、Al％、Ca％を前記マルテンサイト系ステンレス
   鋼に含まれるAl、Caの含有量としたとき、下記式を満足
   することを特徴とする延性に優れたマルテンサイト系ス
   テンレス鋼。 Ｌ_max＋1200・（Al％＋10・Ca％）≦120
2. 【請求項２】上記マルテンサイト系ステンレス鋼が、さ
   らに、Ｃ：0.05％以下、Si：0.05〜0.5％、Mn：0.1〜1.
   5％、Ni：1〜7％、Ｎ：0.07％以下を含有し、残部は実
   質的にFeからなり、不純物として、Ｐ：0.025％以下、
   Ｓ：0.010％以下である請求項１に記載の延性に優れた
   マルテンサイト系ステンレス鋼。
3. 【請求項３】さらに、下記１群または／および２群から
   選択された元素を含有することを特徴とする請求項２に
   記載の延性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼。 １群…Cu：0.01〜3.0％、Mo：0.05〜4.0％の１種または
   ２種 ２群…Ti：0.005〜0.2％、Nb：0.005〜0.05％、Ｖ：0.0
   5〜0.1％の１種または２種以上
4. 【請求項４】請求項１〜３に記載された延性に優れたマ
   ルテンサイト系ステンレス鋼で製造したことを特徴とす
   る油井用ステンレス鋼管。