JP2003160838A

JP2003160838A - 継目無鋼管とその製造方法

Info

Publication number: JP2003160838A
Application number: JP2001360746A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Numata; 光裕沼田; Yoshihiko Higuchi; 善彦樋口; Takahiro Kushida; 隆弘櫛田; Hirofumi Kuraho; 浩文蔵保
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-06-06
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: JP3931640B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度であり、しかも耐SSC性に優れた継目
無鋼管とその製造方法を提供する。【解決手段】（１）質量％で、C:0.15〜0.35%、Si:0.
1〜1.5%、Mn:0.1〜2.5%、S:0.005%以下、Al:0.15%以
下、Ca:0.0005〜0.0050%を含有し、鋼中非金属介在物の
組成比が、（１）、（２）および（３）式を満足する継
目無鋼管。 (Al ₂O₃)／(CaS)≦4 （１） (CaS)／(CaO)
≦1.5（２）0.43≦(CaO)／(Al₂O₃)≦9（３）、（２）取
鍋精錬工程から連続鋳造工程までの溶鋼中に（４）式を
満足するようにCa含有物を添加する上記（１）に記載の
継目無鋼管の製造方法。−0.07×ln(t)+0.3≦Ｗ_Ca≦−
0.097×ln(t)+0.55 …（４）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、継目無鋼管とその
製造方法に関し、特に高強度であり、しかも耐硫化物応
力腐食割れ性（以下、耐SSC性ともいう）に優れた継目
無鋼管とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】過酷な油井環境や高温環境で使用される
継目無鋼管は、高い耐SSC性が要求され、近年ではさら
なる高強度化と高い耐SSC性との両立が求められてい
る。

【０００３】また、継目無鋼管は、生産効率向上および
コスト低減の観点からビレット連鋳機で鋳造されたビレ
ットから通常製造される。しかし、ビレット連鋳機では
浸漬ノズルが小径であり、ノズル閉塞が起こりやすいと
いう問題があり、このノズル閉塞の主原因は、脱酸処理
の際に生成されるアルミナ(Al₂O₃)介在物であることが
知られている。このAl₂O₃介在物によるノズル閉塞を防
止する方法としては、溶鋼中にCa含有物を添加してAl₂O
₃介在物を低融点組成のCaO-Al₂O₃系介在物に形態制御す
る方法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、溶鋼にCa含有物
を添加した場合には、CaS介在物が生成し易くなり、生
成したCaS介在物がノズル閉塞を起こすことが知られて
いる。また、大型介在物であるCaO-Al₂O₃-CaS系介在物
が形成し易く鋼材の靭性、耐食性等を低下させるという
問題があることも知られている。この対策として、例え
ば、特開平１−２９９７４２号公報には、大型介在物で
あるCaO-Al₂O₃-CaS系介在物の生成を抑制する技術が提
案されているが、耐SSC性を向上させるものではない。

【０００５】本発明の目的は、高強度であり、しかも耐
SSC性に優れた継目無鋼管とその製造方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、高強度で
あり、しかも耐SSC性に優れた継目無鋼管とその製造方
法について検討した結果、下記（Ａ）〜（Ｃ）の知見を
得た。

【０００７】（Ａ）継目無鋼管を高強度化するために
は、下記組成（質量％）が必要である。 C:0.15〜0.35%、Si:0.1〜1.5%、Mn:0.1〜2.5%、S:0.005
%以下、Al:0.15%以下、Ca:0.0005〜0.0050%。

【０００８】（Ｂ）耐SSC性に介在物が深く関与してい
ると考え、介在物組成と耐SSC性との関係について試験
を行い調査した。試験方法および得られた知見は、以下
の通りである。

【０００９】（１）鋼中S濃度を0.0002〜0.0020%、鋼中
Ca濃度を0.0005〜0.0050%の範囲で変化させ、ビレット
鋳造機で鋳造したビレットを用いて様々な組成のCa系介
在物を含有した継目無鋼管を試作した。なお、鋼中Ca濃
度は溶鋼へのCa−Si合金の添加量を調整することで、Ｓ
濃度は脱硫処理またはFe−S合金の添加で調整した。

【００１０】（２）試作鋼管から４個の平行部6.25φ×
25.4mmの丸棒単軸引張試験片(NACE TM0177 Method A準
拠)を採取し、NACE TM0177浴(5%NaCl、100kPa H₂S飽
和、25℃)を用い、付加応力644MPa、試験時間720時間の
条件で耐SSC評価試験を実施した。

【００１１】（３）SSC試験片中の介在物の大きさ、組
成をEPMAにて調査した結果、試験片中の介在物の大きさ
は最大で250μmであり、介在物組成、試験片間で大きな
差はなかった。また、介在物組成はCa濃度によって変化
し、Ca濃度が0.0005%未満ではMnSが確認された。Ca濃度
が0.0005%以上ではCaO-CaS-Al₂O₃系介在物となった。

【００１２】図１は、３元系の介在物組成と耐SSC試験
結果との関係を示すグラフである。なお、図中の○は４
試験片の全てにおいてSSCが発生しなかったときの介在
物組成を、●は４試験片中１本でもSSCが発生したとき
の介在物組成を、黒四角は４試験片の全てにおいてSSC
が発生したときの介在物組成をそれぞれ示す。

【００１３】図１に示すように、SSCが発生しない介在
物組成の領域があることがわかる。すなわち、SSCが発
生しない介在物組成は、下記（１）〜（３）式を満足す
ることが必要である。なお、各式中の(Al₂O₃)、(CaS)お
よび(CaO)は、鋼中の各化合物の含有量（質量％）を表
す。

【００１４】 (Al₂O₃)／(CaS)≦4 …（１） (CaS)／(CaO)≦1.5 …（２） 0.43≦(CaO)／(Al₂O₃)≦9 …（３）一方、(Al₂O₃)／(CaS)＞4の領域では、CaO-CaS-Al₂O₃系
介在物の他にMnSが認められ、このMnSがSSCの起点とな
っていることが認められた。(CaO)／(Al₂O₃)＜0.43の領
域では、MnSが起点となっていることに加えて、介在物
中のCaO含有量が低いため、Al₂O₃-CaS主体の介在物がSS
Cの起点となっていることも認められた。また、(CaS)／
(CaO)＞1.5、(CaO)／(Al₂O₃)＞9の領域では介在物が群
落状となっており、この群落状介在物がSSCの起点とな
っていることが認められた。

【００１５】（Ｃ）次に、上記（１）〜（３）式を満足
する介在物組成に精度よく制御する方法を、転炉吹錬、
真空脱ガス、取鍋精錬、、連続鋳造処理の順番で行う場
合について検討し、以下の知見を得た。

【００１６】（１）鋼中Ｃは、Caの活量を低下させるた
め、Ca添加時に進行するCaとアルミナ介在物との反応速
度を低下させる。本発明で対象とする継目無鋼管はC濃
度が0.15〜0.35%と高いため、このCaとアルミナ介在物
との反応速度が低下するおそれがあり、この反応進行
中、溶鋼中にアルミナ介在物が多数存在するとCaとアル
ミナ介在物との反応が十分に進まず、目標介在物組成に
制御することが難しい。

【００１７】（２）一方、反応速度が遅い分をCa添加量
増加で補完した場合には、CaとSとの反応も加速され、C
aS含有量が過剰となるおそれがある。（３）従って、アルミナ介在物の除去は、真空脱ガス装
置で成分および温度調整後に環流処理で先ず浮上分離さ
せ、この環流処理後に、別工程である取鍋精錬工程また
は連続鋳造工程（タンディッシュ工程）でCa添加を行え
ばよい。このように、真空脱ガス装置によるアルミナ介
在物の除去工程と、Ca添加工程とを分離することによ
り、介在物組成を安定して制御できる。

【００１８】図２は、介在物組成をパラメータとした環
流処理時間と取鍋溶鋼中へのCa添加量との関係を示すグ
ラフである。なお、図中の○は前記（１）〜（３）式全
てを満足した介在物組成であることを、図中の●は
（１）〜（３）式の少なくてもいずれかを満足しない介
在物組成であることをそれぞれ表す。

【００１９】同図に示すように、図中の○と●との境界
は、二本の曲線：(a)および (b)で表され、 (a)および
(b)は以下の式でそれぞれ表される（ただし、ｔは0.5 m
in以上である）。

【００２０】曲線(a)：Ｗ_Ca＝−0.097×ln(t)+0.55 曲線(b)：Ｗ_Ca＝−0.07×ln(t)+0.3 但し、Ｗ_Ca：Ca含有物のCa純分量(kg/t)、ｔ：真空脱ガス装置で溶鋼成分および溶鋼温度調整後の
環流処理時間(min)；ｔは0.5 min以上である。

【００２１】従って、介在物組成を安定して確保するた
めにはCa純分添加量Ｗ_Caが、下記（４）式を満足するこ
とが必要である。 −0.07×ln(t)+0.3≦Ｗ_Ca≦−0.097×ln(t)+0.55 …（４）本発明は、以上の知見に基づいてなされたもので、その
要旨は、下記のとおりである。

【００２２】（１）質量％で、C:0.15〜0.35%、Si:0.1
〜1.5%、Mn:0.1〜2.5%、S:0.005%以下、Al:0.15%以下、
Ca:0.0005〜0.0050%を含有し、鋼中非金属介在物の組成
比が、下記（１）、（２）および（３）式を満足するこ
とを特徴とする継目無鋼管。

【００２３】 (Al₂O₃)／(CaS)≦4 …（１） (CaS)／(CaO) ≦1.5 …（２） 0.43≦(CaO)／(Al₂O₃)≦9 …（３）（２）転炉吹錬、真空脱ガス、取鍋精錬、連続鋳造およ
び製管の各工程を経て製造される継目無鋼管の製造方法
において、前記取鍋精錬工程から連続鋳造工程までの溶
鋼中に下記（４）式を満足するようにCa含有物を添加す
ることを特徴とする上記（１）に記載の継目無鋼管の製
造方法。

【００２４】 −0.07×ln(t)+0.3≦Ｗ_Ca≦−0.097×ln(t)+0.55 …（４）但し、Ｗ_Ca： Ca含有物中のCa純分量(kg/t)、ｔ：真空脱ガス装置で溶鋼成分および溶鋼温度調整後の
環流処理時間(min)；ｔは0.5 min以上である。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の継目無鋼管を高強度化す
るためには、化学組成が質量％で、C:0.15〜0.35%、Si:
0.1〜1.5%、Mn:0.1〜2.5%、S:0.005%以下、Al:0.15%以
下、Ca:0.0005〜0.0050%であることが必要である。以下
に、その理由を述べる。C: C 濃度が0.15%（以下、本明
細書においては、特にことわりがない限り「％」は、
「質量％」を意味する）未満では焼き入れ性が不足し、
焼き戻し温度を低下させる。0.35%を越えると焼き割れ
が生じ、靭性が低下する。好ましくは、0.20〜0.33%で
ある。

【００２６】Si: Si 濃度が0.1%未満では脱酸が不十分
となり、1.5%を越えると熱間加工性が著しく低下する。
好ましくは、0.2〜0.8%である。Mn: Mn 濃度が0.1%未満
では焼き入れ性が不足し、2.5%を越えて高くなると偏析
が増加し靭性を低下させる。好ましくは、0.3〜1.8%で
ある。

【００２７】S:S濃度が高いとCaS系介在物が多数生成
し、靭性が低下するので0.005%以下とする。好ましく
は、0.0025%以下である。Al:Alは微量でも大きな脱酸力
を発揮するが、Al 濃度は0.002%以上が望ましい。ま
た、0.15%を越えて高くなると靭性が低下する。好まし
くは、0.007〜0.070%である。

【００２８】Ca:Ca濃度が0.0005%未満ではMnSが生成
し、Ca濃度が0.0050%を越えて高くなると耐火物の溶損
が発生する。好ましくは、0.0010〜0.0035%である。ま
た、本発明の継目無鋼管を、さらに高強度化するために
は、下記組成にすることが望ましい。

【００２９】Ｐ:0.005〜0.009%、Cr:0.9〜1.1%、Mo:0.5
〜0.7%、Nb:0.023〜0.027%、Ti:0.015〜0.020%、B:0.00
1〜0.0015%。本発明の継目無鋼管の製造方法について、以下に説明す
る。

【００３０】転炉吹錬後の転炉から取鍋内へ溶鋼を出鋼
した後、取鍋を真空脱ガス装置へ移動する。真空脱ガス
装置で真空脱ガス処理、溶鋼成分および温度調整を行
う。真空脱ガス装置としては、ＤＨ真空脱ガス装置、Ｒ
Ｈ真空脱ガス装置等があるが、ＲＨ真空脱ガス装置がス
ラグの影響を比較的に受けにくい構造のため望ましい。
その後、介在物特にAl₂O₃介在物を浮上分離するために
環流処理を5〜15分間程度行う。

【００３１】環流処理完了後に行うＣａ含有物の添加
は、取鍋溶鋼中またはタンディッシュ溶鋼中で行われ
る。Ca含有物は、金属Caの他、Ca−Si合金、Ca−Al合金
などの合金、Ca合金と酸化物の混合物などの形態で使用
される。Ca含有物の溶鋼中への添加方法は、ランス等を
使用した吹き付けや吹き込み、またはワイヤー法などが
使用される。ただし、添加量は前記（４）式を満足する
ことが必要である。

【００３２】また、鋼中の酸素濃度は0.004%以下が望ま
しい。酸素濃度が0.004%を越えて高いとCa添加量に対す
る酸素量が過剰と成るおそれがあり（４）式を満足する
ことが困難となるおそれがある。

【００３３】Ca添加された溶鋼は、連続鋳造機で鋳造さ
れ、得られたビレット等の鋼材から継目無鋼管が製造さ
れる。この継目無鋼管が製造された後、以下の（１）ま
たは（２）に示す「インライン熱処理」または「オフラ
イン熱処理」を施して調質することが望ましい。

【００３４】（１）インラインで直接焼入れ焼戻しをす
る場合は、最終圧延温度が950℃未満のときに伸展粒組
織となって耐SSC性に異方性が生じるおそれがあり、115
0℃を越える最終圧延温度では結晶粒度が粗大化するお
それがあるため、最終圧延温度は950℃以上1150℃以下
が望ましい。焼戻し温度は、高い方が耐SSC性に有利な
ので、680℃以上が望ましく、軟化防止の観点からAc1点
未満が望ましい。

【００３５】（２）オフラインで焼入れ焼戻しをする場
合は、加熱温度が980℃を越えると、粗粒組織となって
耐SSC性が低下するおそれがある。また、Ac3点未満では
完全にオーステナイト化しないおそれがある。従って、
加熱温度はAc3点以上980℃未満が望ましい。焼戻し温度
は、インライン処理の場合と同様に、高い方が耐SSC性
に有利なので、680℃以上が望ましく、軟化防止の観点
からAc1点未満が望ましい。

【００３６】

【実施例】転炉で脱炭脱硫した溶鋼230ｔを取鍋内に出
鋼し、取鍋をＲＨ真空脱ガス装置に移動し、溶鋼中のS
濃度を0.0008〜0.0030%に調整した。また、ＲＨ真空脱
ガス装置で、合金等を添加し、溶鋼中の元素濃度を、C:
0.25〜0.27%、Si:0.21〜0.25%、Mn:0.43〜0.45%、Al:0.
015〜0.035%にそれぞれ調整した。また、RH真空精錬後
の溶鋼中の酸素濃度は0.0009〜0.0028%であり、溶鋼中
のその他の元素濃度を、Ｐ:0.005〜0.009%、Cr:0.9〜1.
1%、Mo:0.5〜0.7%、Nb:0.023〜0.027%、Ti:0.015〜0.02
0%、B:0.001〜0.0015%にそれぞれ最終調整し、溶鋼成分
・温度調整後１０〜１５分間環流処理をおこなった。環
流処理後、取鍋溶鋼中にCa−Si合金（Ca純分30%）を添
加し、溶鋼中のCa濃度を0.0010〜0.0045%に調整した。C
a−Si合金添加量はCa純分で0.05〜0.29kg／溶鋼ｔと
し、本発明例では、溶鋼成分・温度調整後の環流処理時
間と前記（４）式から得られる適正範囲を基に適正範囲
内のCa添加量とし、比較例では前記（４）式から得られ
る適正範囲外のCa添加量とした。

【００３７】成分調整後、ビレット連続鋳造機で丸ビレ
ットに鋳造した。鋳造されたビレットを製管機に供給し
て外径244.5mm、肉厚13.8mmの継目無鋼管を製造し、イ
ンライン熱処理またはオフライン熱処理を行った。

【００３８】熱処理後の継目無鋼管から平行部6.25φ×
25.4mmの丸棒単軸引張試験片(NACETM0177 Method A準
拠)を採取し、NACE TM0177浴(5%NaCl、100kPa H₂S飽
和、25℃)を用い、付加応力644MPa、試験時間720時間の
条件で耐SSC評価試験を実施した。

【００３９】本発明例１〜１１ではＰ:0.008%、Cr:1.0
%、Mo:0.7%、Nb:0.025%、Ti:0.020%、B:0.0012%とし
た。また、本発明例１２、１３では、Ｐ:0.007%、Cr:0.
51%、Mo:0.29%、Nb:0.008%、Ti:0.015%、V:0.20%、B:0.
0012%とした。本発明例１〜１３の熱処理条件はオフラ
イン熱処理、950℃×30分間水焼入、690℃×30分間空冷
とした。

【００４０】本発明例１４、１５ではＰ:0.008%、Cr:0.
49%、Mo:0.70%、Nb:0.008%、Ti:0.013%、V:0.11%、B:0.
0014%とし、熱処理条件はオフライン熱処理（２回焼
入）、950℃×30分間水焼入、 920℃×30分間水焼入、6
90℃×30分間空冷とした。本発明例１６、１７ではＰ:
0.012%、Cr:0.58%、Mo:0.32%、Nb:0.005%、Ti:0.014%、
V:0.05%、B:0.0012%とし、熱処理条件はインライン熱処
理（1250℃に加熱して圧延後Ar3点を下回ることなく、
さらに900℃×5分の均熱加熱を施して後、水焼入れし
て、更にインラインで680℃×15分の均熱焼戻を実施）
し、外径244.5mm、肉厚13.8mmの継目無鋼管を製造し
た。

【００４１】なお、比較例１８〜２４は本発明例１〜１
１と介在物組成を除いて鋼材成分濃度が同じであり、熱
処理条件も同じである。比較例２５は本発明例１２、１
３と介在物組成を除いて鋼材成分濃度が同じであり、熱
処理条件も同じである。比較例２６は本発明例１４、１
５と介在物組成を除いて鋼材成分濃度が同じであり、熱
処理条件も同じである。比較例２７は本発明例２７と介
在物組成を除いて鋼材成分濃度が同じであり、熱処理条
件も同じである。

【００４２】試験結果を表１および表２に示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】なお、表２中の「Ca添加量欄」の○は、前
記（４）式から得られる適正範囲（下限〜上限）内であ
ることを示し、「Ca添加量欄」の×は、適正範囲外であ
ることをそれぞれ示す。また、「介在物組成欄」の○
は、前記（１）〜（３）式を全て満足することを、「介
在物組成欄」の×は、前記（１）〜（３）式を１つ以上
満足しないことを示す。さらに、「SSC試験欄」の○
は、720時間を超えて破断したことを、「SSC試験欄」の
×は、720時間以内で破断したことをそれぞれ示す。

【００４６】表１の本発明例および比較例に示すよう
に、継目無鋼管を高強度化するためには、化学組成が質
量％で、C:0.15〜0.35%、Si:0.1〜1.5%、Mn:0.1〜2.5
%、S:0.005%以下、Al:0.15%以下、Ca:0.0005〜0.0050%
であれば、高強度（降伏応力：700MPa以上、引張強さ：
800MPa以上および硬さ：25(HRC)以上）が得られた。し
かしながら、表２の本発明例に示すように、「Ca添加量
欄」が○であれば、「介在物組成欄」は○となり、「SS
C試験欄」に記載の通り、試験鋼材は720時間を超えるま
で破断しなかった。一方、表２の比較例に示すように
「Ca添加量欄」が×であれば、「介在物組成欄」は×と
なり、試験鋼材は720時間以内に破断した。

【００４７】

【発明の効果】本発明により、高強度であり、しかも耐
SSC性に優れた継目無鋼管とその製造方法を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】３元系の介在物組成と耐SSC試験結果との関係
を示すグラフである。

【図２】介在物組成をパラメータとした環流処理時間と
取鍋溶鋼中へのCa添加量との関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｃ２１Ｄ 9/08 Ｃ２１Ｄ 9/08 Ｅ (72)発明者櫛田隆弘大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者蔵保浩文大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内Ｆターム(参考） 4K013 AA07 BA14 EA09 4K042 AA06 BA04 4K070 AA02 AB03 AB04 BE05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、C:0.15〜0.35%、Si:0.1〜1.5
%、Mn:0.1〜2.5%、S:0.005%以下、Al:0.15%以下、Ca:0.
0005〜0.0050%を含有し、鋼中非金属介在物の組成比
が、下記（１）、（２）および（３）式を満足すること
を特徴とする継目無鋼管。 (Al₂O₃)／(CaS)≦4 …（１） (CaS)／(CaO) ≦1.5 …（２） 0.43≦(CaO)／(Al₂O₃)≦9 …（３）
【請求項２】転炉吹錬、真空脱ガス、取鍋精錬、連続
鋳造および製管の各工程を経て製造される継目無鋼管の
製造方法において、前記取鍋精錬工程から連続鋳造工程
までの溶鋼中に下記（４）式を満足するようにCa含有物
を添加することを特徴とする請求項１に記載の継目無鋼
管の製造方法。 −0.07×ln(t)+0.3≦Ｗ_Ca≦−0.097×ln(t)+0.55 …（４）但し、Ｗ_Ca： Ca含有物中のCa純分量(kg/t)、ｔ：真空脱ガス装置で溶鋼成分および溶鋼温度調整後の
環流処理時間(min)；ｔは0.5 min以上である。