JP2014208888A - コイル管へ応用するための高性能材料およびそれらの製造法 - Google Patents
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Abstract
Description
外国および国内出願の優先権の主張が、本出願と共に提出する出願データシートで確認されるいかなる出願も、37CFR1.57の元に引用により本明細書に編入する。
本出願は、2011年9月9日に出願され、そして2012年7月26日に特許文献1として公開された“COILED TUBE WITH VARYING MECHANICAL PROPERTIES FOR SUPERIOR PERFORMANCE
AND METHODS TO PRODUCE THE SAME BY A CONTINUOUS HEAT TREATMENT”(連続番号13/229517)と言う表題の出願人の同時係属出願に関し、この内容は全部、引用により本明細書に編入する。
最近ではコイル管の使用が、高圧および延長リーチ操作を必要とする応用にも広がってきている。その結果、i)長いストリングを掛けたりためたりする時の軸方向の荷重、およびii)操作中にかかる高圧に耐えるために、上昇した引張特性を持つコイル管を生産する必要がある。
り均一な特性を持つように生産することができ、高い強度の従来のコイル管で重要となるストリップ対ストリップの連結の弱い繋がりは除かれる。この一般的概念は以前に記載されたものであるが、高強度のコイル管(80〜140ksiの範囲の降伏強度)の生産に成功裏に応用された事は無い。その理由は(高い生産性を達成するために必要な)上昇したライン速度での熱処理には、一般に複雑で大きい設備を必要とすることになるからである。この方法は適切な化学と熱処理条件が選択されれば簡略化できるだろう。
以下に熱処理コイル管を生産するために計画された化学組成を記載し、これはAPI 5ST基準により設定されるコイル管の現在の限界をほとんど越えている。(Max.C:0.16%,Max.Mn:1.2%(CT70−90)Max.Mn:1.65(CT100−110),Max.P:0.02%(CT70−90)Max.P:0.025(CT100−CT110),Max.S:0.005,Si.Max:0.5)。
幾つかの態様では、溶接継手がバイアス溶接を含んでなることができる。幾つかの態様では、バイアス溶接での疲労寿命が、少なくとも約80%のベース金属領域であることができる。幾つかの態様では、熱影響部を含む溶接継手の相対硬度が、ベース金属の硬度の110%以下であることができる。
量%のマンガン、0.10−0.20重量%のケイ素、最高0.7重量%のクロム、最高0.5重量%のモリブデン、0.0005−0.0025重量の%ホウ素、0.010−0.025重量%のチタン、0.25−0.35重量%の銅、0.20−0.35重量の%ニッケル、最高0.04重量%のニオブ、最高0.10重量%のバナジウム、最高0.00015重量%の酸素、最高0.03重量%のカルシウム、最高0.003重量%の硫黄および最高0.010重量%のリンを含んでなることができる。
コイル管の原材料は熱間圧延ストリップとして鋼材店で生産される。微細構造の細粒化を介して高い強度および良好な靱性を確保するためには、制御圧延が使用される。このストリップはパイプの生産用の幅に長手方向に切断され、次いでスライスされた末端と末端とを連結する工程(例えばプラズマアーク溶接または摩擦撹拌接合)に通して、より長いストリップを形成する。その後、管はERW法を使用して形成される。最終生成物の性能は:とりわけa)軸方向の機械的特性、b)微細構造の均一性および特性、c)靱性、d)疲労耐性、e)サワー耐性について測定される。従来の加工工順を使用して、コイル管の機械的特性は熱間圧延ストリップの特性と溶接操作および管の形成中に導入される改質(modification)との組み合わせから生じる。このようにして得た特性は、コイル管の性能が上に挙げたように測定された場合、限定される。その理由は、ストリップを連結するための溶接工程が、精錬した(refined)圧延のままの微細構造を改質し、たとえ溶接後熱処理を適用しても最終的な特性がさらに損なわれるからである。低下した疲労寿命および不十分なサワーパフォーマンスは、微細構造中の異質性および溶接部にわたる脆い成分の存在に関連する。新たな工順には少なくとも本体全体の熱処理を含むべきとの提案がなされた。この工順は一般的意味で記載されてきたものの、具体化されたことはない。本開示は、適切な溶接加工および熱処理条件と組み合わせた化学組成および原材料の特性が、パイプ本体およびストリップの継手溶接の両方で高い性能を持つ急冷および焼戻し製品を生むことを記載する。この材料は、相対的なコストという意味だけでなく、好ましくはコイル管の操作に適用する特定の条件下で疲労寿命を最大にするために選択されたものであるので(同時に行う軸方向の荷重と内圧での曲げの下での低サイクルの疲労)、コイル管用に計画されたものである。
れた後に行われ、そして少なくとも1サイクルのオーステナイト化、急冷そして焼戻しからなる。上に挙げた開示は、上に挙げた特性を持つ、急冷し、そして焼戻したコイル管を生産するための鋼化学組成および加工パラメーターにさらに具体的に関連している。所定の組成を有するベース材料に対する熱処理を介して特定の機械的特性を生み出すことは一般的知識の一部であるが、コイル管の特定の応用では、この応用の特異的性質に及ぼす特定の変数の有害効果、例えば偏析パターンを最少にするために、特定の化学組成の原材料を使用する。
ル管技術とは主に異なる。
loads)に及ぼすその影響から、コイル管の製造をより難しくする犠牲の大きい添加である。したがって幾つかの態様では、Crは約1.0%、好ましくは約0.7%に制限されている。
最大のMoは約0.5%である。
dispersion hardening)により鋼強度を上げる。一つの態様では、鋼組成物中のNb含量は約0%から約0.10%、好ましくは約0%から約0.04%の間の範囲内で変動してよい。
れる。
耐性を上げない。したがって簡単かつ短い焼戻し処理を使用して所望の強度レベルを達成することができる。
サイクルを行うことができる。FBHT後、パイプは特定の寸法交差、応力除去そしてコイルへの巻き取りを保証するための採寸工程(sizing process)かけることができる。
すでに述べたように、この開示の微細構造は微細な炭化物の均質分布を含む少なくとも90%の焼戻しマルテンサイトからなり、残りはベイナイトである。この微細構造により高い強度、長い低サイクル疲労寿命および改善したSSC耐性の望ましい組み合わせを持つコイル管の生産が可能になる。
ーステナイトの粒度(AGS)を得るために、オーステナイト化は900−950℃で行った。STD1、STD2およびSTD3鋼はAP1 5ST仕様内の化学組成を有するが、本開示は、その低炭素添加(表A1)によりその範囲外である。臨界冷却CR90はSTD1およびSTD2の場合で100℃/秒より大きく、そしてSTD3については約50℃/秒であった。
表A1に表す鋼の焼戻し挙動を分析するために、工業的熱処理のシュミレーションをGleeble(登録商標)で行った。シュミレーションは900−950℃でのオーステナイト化、30℃/秒での急冷、そして焼戻しからなった。STD1,STD2およびSTD3鋼の特定の場合には、急冷中に少なくとも90%のマルテンサイトを達成するために、より高い冷却速度を使用した。STD1およびSTD2について、約150℃/sの急冷速度を使用したが、STD3について冷却は50℃/sであった。このようなより高い冷却速度は、外部の水冷が適用される場合にGleeble(登録商標)で小さいサンプルについて行うことができる。急冷後、サンプルは2種類のサイクルを使用して焼戻した:
−ピーク様サイクル:550℃〜720℃の範囲の最大温度(Tmax)まで50℃/sで加熱。約1.5℃/sで室温まで冷却。これらのサイクルは誘導電気炉での実際の焼戻し条件を模することを意図しており、これは高い加熱速度、最高温度での灼熱時間無し、そして風乾を特徴としている。
−等温サイクル:50℃/sで710℃まで加熱、この温度で1分から1時間の間、灼熱、そして約1.5℃/sで冷却。このサイクルは幾つかの灼熱インダクタまたはトンネル炉を装備した工業用ラインでの焼き戻しを模するために使用した。
鋼の凝固中に、合金元素は固体(δフェライトまたはオーステナイト)と比較して高いその溶解性から液体中に希釈されたままである傾向にある。溶質が豊富な領域では凝固で2種類の非均一化学組成パターンを形成する:ミクロ偏析およびマクロ偏析。
−溶接操作の結果として、この領域に脆い成分が非焼戻しマルテンサイトとして現れる可能性がある(バイアス溶接およびERW、例えば図5A−Bを参照されたい)。このような望ましくない成分は続く本体全体の熱処理中で除去される。しかし管は溶接と熱処理操作との間で曲がることにより塑性変形する可能性があり、工業的生産中に破損する。
−FBHT後、中心偏析しまの残りは、残りの材料よりも高密度の粗い炭化物を含む代替溶質(Mn,Si,Moとして)が豊富な領域である。この領域は図6−7で観察されるような低サイクル疲労中のヒビ割れの起点となり易い。さらに顕著な偏析しまは良くないSSC耐性に関連する。
できる。さらにマンガンの減少はホウ素および/またはクロムの添加を使用して達成することができる。例を表2Cに見ることができ、この表はCCT図から得た様々な鋼組成物ついて臨界冷却速度(CR90)を表す(データーは前の実施例Aから取った)。約0.25%の炭素を含む鋼で焼入性を達成するために、Mnはホウ素を添加する場合は1.6%から1.3%へ、そしてCr−Moが追加で使用されればさらに0.4%へと減らすことができる。
すでに述べたように、コイル管の疲労寿命は微細構造の異質性として顕微鏡による特徴に強く依存する。軟質および硬質ミクロ−成分が組み合わさると塑性歪の局所化を生じる傾向があり、これがヒビ割れの起点を形成し、そして広がる駆動力となる。この章ではAPI 5STの化学組成に適用される標準的な生産法で得たコイル管の微細構造を、本開示に開示する範囲内の化学組成および加工条件に対応するものと比較する。
−ベース金属(BM):ERWラインおよびバイアス溶接とは別のコイル管の微細構造、「別の」という場合、この領域には任意の溶接操作中に生じる熱影響部(HAZ)、およびそれらの可能な溶接後熱処理(PWHT)を含まないことを意味する。
−バイアス溶接(BW):プラズマアーク溶接(PAW)、摩擦撹拌溶接(FSW)または他の任意の溶接技術により行うことができるストリップ対ストリップの連結に対応する微細構造領域。この領域には溶接およびPWHT中に対応する熱影響部も含む。
−ERWライン:管形成中の長軸方向のERW溶接および一般にシームアニーリングであるその局所化PWHTから生じる微細構造。前の場合のように、この領域には対応する熱影響部も含む。
れる。このマトリックスおよび微細構造は、制御熱間圧延加工から生じる。本開示の微細構造(図8B)は、主に焼戻しマルテンサイトからなる。この場合、ベイナイトの容積画分は5%未満である。また焼戻しマルテンサイト構造は、フェライトマトリックス中の鉄炭化物の微細分布でもある。従来構造と新規構造との間の主な差異は、フェライト粒子およびサブ粒子の形態学、および転位密度に関連する。しかし細粒化および均質性に関して、両構造は大変類似している。
る。このような不均質性は、本開示の化学組成および加工条件を使用して成功裏に除かれる。
本開示に従い生産したコイル管の性能を、対応する標準品の性能と比較するために、研究室で一連の試験を行った。コイル管のサンプルは図15で概略的に示す疲労機械で試験した。この機械は巻き取りおよび広げる操作中に、同時に内圧をかけて曲げの変形を模することができる。したがってこの試験は実際に現場で作業中に経験する条件に近い低サイクル疲労条件下で材料をランク付けるために有用である。
H2S含有環境での水素脆化に関する材料の性能は、腐食環境、局所的水素濃度を上げるトラップの存在(例えば析出物および転位)、ならびにヒビが容易に広がる可能性がある脆い領域の存在が組み合わさった効果に関連する。通常のコイル管材料で重要な脆性領域(critical brittle region)が起こる起源は、原材料中のMnのような代替元素の偏析パターンである。他とは異なる濃度領域は、バイアス溶接、PWHT、ERWおよびシームアニーリング中に課される熱サイクルに対して独特に反応する傾向があり、そして脆い成分の局所的形成を導く可能性がある。特に材料がERW加工後にシームアニーリングされる場合、パイプ本体は溶接領域から熱を急速に取り出す。偏析が十分に高いと、マルテンサイトが存在する可能性がある拡大した高硬化領域が冷却状態の結果として形成する可能性がある。このような領域は管に留まってヒビが簡単に広がる路になる。製造の最終段階として新規工程が取り入れられると、過度に硬化した領域を最少にすることができる。他の関連する差異は:a)パイプの低温形成中に導入される転位が新規製品には存在しない、b)新規製品中の炭化物は、典型的なパーライト/ベイナイトの長く脆い炭化物に比べると、小さく、そして分離されている(isolated)。結果として、本開示に従う化学組成および加工条件で製造したコイル管は、H2S含有環境でヒビ割れに対して改善された性能を与える。
規化学−工程により生産したコイル管グレード80サンプルを、NACE TM0177の方法C(C−リング)を使用して評価した。鋼化学組成を表F1に示す。両材料(各例3検体)をC−リングサンプルの中心でERWシームを用いて以下の条件を使用して試験した:
荷重:90%の80Ksi、溶液A、1バールのH2S、試験時間:720hs
Claims (22)
- 複数の溶接ストリップから形成されるコイル鋼管であって、管がベース金属領域、溶接継手およびそれらの熱影響部を含み:
約80ksiより高い降伏強度;
鉄および;
0.17−0.35重量%の炭素;
0.30−2.00重量%マンガン;
0.10−0.30重量%のケイ素;
0.010−0.040重量%のアルミニウム;
最高0.010重量%の硫黄;および
最高0.015重量%のリンを含んでなる組成:および
焼戻しマルテンサイトおよびベイナイトの混合物を含んでなる最終微細構造;
から構成され、
コイル管の最終微細構造が、ベース金属領域、溶接継手および熱影響部に90容積%より高い焼戻しマルテンサイトを含んでなり;
ベース金属領域、溶接継手および熱影響部のすべてにわたり最終微細構造が均質であり;そして
最終微細構造が、ベース金属領域、溶接継手および熱影響部にわたり微細な炭化物の均一な分布を含んでなる、上記のコイル鋼管。 - 組成に:
最高1.0重量%のクロム;
最高0.5重量%のモリブデン;
最高0.0030重量%のホウ素;
最高0.030重量%のチタン;
最高0.50重量%の銅;
最高0.50重量%のニッケル;
最高0.1重量%のニオブ;
最高0.15重量%のバナジウム;
最高0.0050重量%の酸素;および
最高0.05重量%のカルシウム;
がさらに含まれてなる請求項1に記載のコイル鋼管。 - 組成に:
0.17−0.30重量の%炭素;
0.30−1.60重量%のマンガン;
0.10−0.20重量%のケイ素;
最高0.7重量%のクロム;
最高0.5重量%のモリブデン;
0.0005−0.0025重量の%ホウ素;
0.010−0.025重量%のチタン;
0.25−0.35重量%の銅;
0.20−0.35重量の%ニッケル;
最高0.04重量%のニオブ;
最高0.10重量%のバナジウム;
最高0.0015重量%の酸素;
最高0.03重量%のカルシウム;
最高0.003重量%の硫黄;および
最高0.010重量%のリン;
がさらに含まれてなる請求項2に記載のコイル鋼管。 - 管が125ksiの最小降伏強度を有する請求項1に記載のコイル鋼管。
- 管が140ksiの最小降伏強度を有する請求項1に記載のコイル鋼管。
- 管が125ksiと140ksiとの間の最小降伏強度を有する請求項1に記載のコイル鋼管。
- 最終微細構造が、ベース金属領域、溶接継手および熱影響部に少なくとも95容積%の焼戻しマルテンサイトを含んでなる請求項1に記載のコイル鋼管。
- 管が、ベース金属領域、溶接継手および熱影響部に20μm未満の最終粒度を有する請求項1に記載のコイル鋼管。
- 管が、ベース金属領域、溶接継手および熱影響部に15μm未満の最終粒度を有する請求項8に記載のコイル鋼管。
- 溶接継手がバイアス溶接を含んでなる請求項1に記載のコイル鋼管。
- バイアス溶接での疲労寿命が、ベース金属領域の少なくとも約80%である請求項10に記載のコイル鋼管。
- 熱影響部を含む溶接継手のパーセント硬度が、ベース金属の硬度の110%以下である請求項1に記載のコイル鋼管。
- コイル鋼管の形成法であって:
鉄および:
0.17−0.35重量%の炭素;
0.30−2.00重量%マンガン;
0.10−0.30重量%のケイ素;
0.010−0.040重量%のアルミニウム;
最高0.010重量%の硫黄;および
最高0.015重量%のリンを含んでなる組成を有するストリップを準備し:そして
ストリップを一緒に溶接し;
溶接したストリップから管を形成し、ここで管がベース金属領域、溶接継手およびそれらの熱影響部を含んでなり;
管を900から1000℃の間でオーステナイト化し;
管を急冷して、マルテンサイトおよびベイナイトの急冷微細構造として最終物を形成し、ここで急冷した時、微細構造が少なくとも90%のマルテンサイトをベース金属領域、溶接継手および熱影響部に含んでなり;そして
急冷管を550から720℃の間の温度で焼戻し、ここで急冷管の焼戻しにより、約80ksiより高い降伏強度をもたらす;
ことを含んでなり、微細構造がベース金属領域、溶接継手および熱影響部のすべてにわたり均質であり;そして
微細構造が、ベース金属領域、溶接継手および熱影響部にわたり微細な炭化物の均一な分布を含んでなる、上記方法。 - ストリップの溶接がバイアス溶接を含んでなる請求項13に記載の方法。
- 管を形成することがライン継手を形成することを含んでなる請求項13に記載の方法。
- さらに焼戻した管をスプール上に巻き取ることを含んでなる請求項13に記載の方法。
- オーステナイト化が、ベース金属領域、溶接継手および熱影響部に20μm未満の粒度を形成する請求項13に記載の方法。
- 組成に:
最高1.0重量%のクロム;
最高0.5重量%のモリブデン;
最高0.0030重量%のホウ素;
最高0.030重量%のチタン;
最高0.50重量%の銅;
最高0.50重量%のニッケル;
最高0.1重量%のニオブ;
最高0.15重量%のバナジウム;
最高0.0050重量%の酸素;および
最高0.05重量%のカルシウム;
がさらに含まれてなる請求項13に記載の方法。 - 組成が:
0.17−0.30重量の%炭素;
0.30−1.60重量%のマンガン;
0.10−0.20重量%のケイ素;
最高0.7重量%のクロム;
最高0.5重量%のモリブデン;
0.0005−0.0025重量の%ホウ素;
0.010−0.025重量%のチタン;
0.25−0.35重量%の銅;
0.20−0.35重量の%ニッケル;
最高0.04重量%のニオブ;
最高0.10重量%のバナジウム;
最高0.00015重量%の酸素;
最高0.03重量%のカルシウム;
最高0.003重量%の硫黄;および
最高0.010重量%のリン;
を含んでなる請求項18に記載の方法。 - 焼戻し管が125ksi以上の降伏強度を有する請求項13に記載の方法。
- 焼戻し管が140ksiの最小降伏強度を有する請求項13に記載の方法。
- 焼戻し管が125から140ksiの間の最小降伏強度を有する請求項13に記載の方法。
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