JP2021147642A - 油井用電縫鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記電縫鋼管の化学組成が、質量%で、
C:0.030〜0.100%、
Si:0.010〜0.50%、
Mn:1.30〜2.00%、
P:0.020%以下、
S:0.0040%以下、
Al:0.0010〜0.100%、
N:0.0010〜0.0100%、
Nb:0.010〜0.100%、
Ti:0.010〜0.100%、
Mo:0.010〜0.500%、
B:0.0015%以下、
Ca:0.0010〜0.0050%、
V:0.010〜0.100%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
Cr:0〜0.50%、
REM:0〜0.0100%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式を満足し、
前記母材の肉厚中央部における金属組織が、面積率で、
10〜50%のフェライト、および
7%以下の硬質相を含み、
残部がベイニティックフェライトであり、かつフェライトの平均結晶粒径が20μm以下であり、
前記シーム熱処理部の外表層における金属組織が、面積率で、
0%以上40%未満のフェライトと、
10%以下の焼戻し硬質相を含み、
残部が焼戻しベイナイトであり、
前記母材の引張強さは724MPa以上であり、
前記母材および前記シーム熱処理部の降伏強度は655〜758MPaであり、
前記母材のシャルピー破面遷移温度が−40℃以下で、−20℃におけるシャルピー衝撃値が125J/cm2以上であり、
前記シーム熱処理部の硬さが200〜260HV10の範囲であり、かつ
前記シーム熱処理部において、外表層の平均硬さと肉厚中央部の平均硬さとの関係が下記(ii)式を満足し、
前記シーム熱処理部における外表層の平均硬さと前記母材の平均硬さとの関係が下記(iii)式を満足する、油井用電縫鋼管。
Mo+V≧0.10 ・・・(i)
HVout−HVcenter≦60 ・・・(ii)
HVout−HVbs≦60 ・・・(iii)
但し、上記式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとし、上記式中の各記号は以下により定義される。
HVout:シーム熱処理部における外表層のHV10での平均硬さ
HVcenter:シーム熱処理部における肉厚中央部のHV10での平均硬さ
HVbs:母材のHV10での平均硬さ
Cu:0.05〜0.50%、
Ni:0.05〜0.50%、
Cr:0.05〜0.50%、および
REM:0.0001〜0.0100%、
から選択される一種以上を含有する、上記(1)に記載の油井用電縫鋼管。
(b)前記(a)の工程の後、前記熱延鋼板について冷却を開始し、冷却開始から600〜700℃における冷却停止までを平均冷却速度が20.0℃/s以上で冷却し、450〜600℃における冷却停止までを平均冷却速度が2.0〜10.0℃/sで冷却する工程と、
(c)前記熱延鋼板に成形および溶接を施し、電縫鋼管とする工程と、
(d)前記電縫鋼管におけるシーム部を900〜1050℃に加熱する工程と、
(e)前記加熱後に、水冷を開始し、400〜700℃の温度域で水冷を停止し、
水冷の開始から停止までの平均冷却速度を10.0〜50.0℃/sの範囲にする工程と、
(f)前記(e)の工程の後に、前記シーム部に対して350〜700℃の温度で焼戻し熱処理を行う工程と、を有する、油井用電縫鋼管の製造方法。
本発明に係る電縫鋼管は、母材とシーム熱処理部とを有する。ここで、母材とは、電縫鋼管において、シーム熱処理部以外の部分のことをいう。なお、後述する説明においては溶接により溶融、再凝固した部分をシーム部と記載して説明する。また、シーム熱処理部とは、溶接により、金属が溶融し、再凝固した部分、すなわちシーム部と、溶接熱、溶接後の再加熱およびその後の冷却(シーム熱処理)によって組織的に変化を生じた部分のことをいう。
電縫鋼管の化学組成についての各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、鋼の強度を高める効果を有する。このため、C含有量は0.030%以上とする。C含有量は0.040%以上とするのが好ましく、0.050%以上とするのがより好ましい。これより低い炭素量では、母材の強度が低下する。しかしながら、C含有量が0.100%を超えると、過剰に強度が高くなり、靭性が低下する。また、耐SSC性も低下する。このため、C含有量は0.100%以下とする。C含有量は、0.090%以下とするのが好ましく、0.080%以下とするのがより好ましい。
Siは、脱酸剤として使用され、母材に粗大な酸化物が生成することを抑制する。Siは、靭性を向上させる効果も有する。このため、Si含有量は、0.010%以上とする。Si含有量は0.050%以上とするのが好ましい。しかしながら、Si含有量が0.50%を超えると硬質相が生成し、靭性が低下する場合がある。また、耐SSC性が低下する場合もある。このため、Si含有量は0.50%以下とするのが好ましい。Si含有量は0.350%以下とするのが好ましい。
Mnは、鋼を固溶強化する効果を有する。Mn含有量が1.30%未満になると、固溶強化による強度向上が十分でなく、母材強度およびシーム熱処理部の強度が低下する。また、組織の粗大化により、靭性も低下する場合がある。このため、所望する強度を得るために、Mn含有量は、1.30%以上とする。Mn含有量は、1.40%以上とするのが好ましい。しかしながら、Mnを過剰に含有させると、硬質相が生成しやすくなるとともに、鋼管の肉厚中央部に粗大なMnSが生成し、母材靭性を損なう場合がある。また、耐SSC性が低下する場合がある。このため、Mn含有量は2.00%以下とする。Mn含有量は、1.80%以下とするのが好ましい。
Pは、不純物として含有される元素である。P含有量が0.020%を超えると、Pが粒界に偏析することで靭性を損なう。このため、P含有量は、0.020%以下とする。P含有量は、0.015%以下とするのが好ましく、0.010%以下とするのが好ましい。
Sは、不純物として含有される元素である。Sが過剰に含有されると鋼の靭性を低下させる。また、耐SSC性も低下させる場合がある。このため、S含有量は、0.0040%以下とする。S含有量は0.0020%以下とするのが好ましい。
Alは、Si同様、鋼に脱酸剤として使用される。十分に脱酸されないと、フリー酸素に起因する割れが発生しやすくなる。このため、Al含有量は、0.0010%以上とする。Al含有量は0.0050%以上とするのが好ましい。しかしながら、Al含有量が0.100%を超えると、Al系酸化物が形成し、靭性が低下する。このため、Al含有量は0.100%以下とする。Al含有量は0.040%以下とするのが好ましい。
Nは、鋼中に主にTiと窒化物を形成することで結晶粒の粗大化を抑制し、母材の靭性を向上させる。このため、N含有量は0.0010%以上とする。N含有量は0.0020%以上とするのが好ましい。しかしながら、Nを、0.0100%を超えて含有すると、窒化物の生成量が増加し、母材靭性が低下する。また、耐SSC性が低下する場合がある。このため、N含有量は0.0100%以下とする。N含有量は0.0060%以下とするのが好ましく、0.0040%以下とするのがより好ましい。
Nbは、靭性の向上および母材の強度向上に寄与する。Nbを含有させることで、未再結晶温度域での圧延により、靭性向上が期待できる。このため、Nb含有量は0.010%以上とする。Nb含有量は0.040%以上とするのが好ましい。Nb含有量が0.100%を超えると、粗大な炭化物が形成し、母材靭性が低下する。このため、Nb含有量は0.100%以下とする。Nb含有量は0.085%以下とするのが好ましい。
Tiは、鋼中に炭窒化物を形成し、母材の強度を向上させる元素であるとともに、結晶粒の微細化にも寄与する元素である。Tiを0.010%以上含有することで、鋼の組織を微細化させることが可能である。また固溶している窒素を補足し、その量を低減することにより、靱性及び耐SSC性を向上させる効果がある。このため、Ti含有量は、0.010%以上とする。Ti含有量は、0.012%以上とするのが好ましい。しかしながら、Ti含有量が0.100%を超えると、粗大な炭窒化物が生成し、母材靭性の低下を招く。また、耐SSC性が低下する場合がある。このため、Ti含有量は0.100%以下とする。Ti含有量は、0.020%以下とするのが好ましい。
Moは、析出強化により強度を向上させる効果を有する。このため、Mo含有量は、0.010%以上とする。Mo含有量は0.050%以上とするのが好ましい。しかしながら、Moを多量に含有させると、Mo炭窒化物または硬質相等が生成し、母材靭性を低下させる場合がある。また、耐SSC性が低下する場合がある。このため、Mo含有量は0.500%以下とする。Mo含有量は0.350%以下とするのが好ましい。
Bは、微量の添加でも、鋼の焼入れ性を高める効果を有する。しかしながら、Bが0.0015%を超えると、母材強度が過剰になるため、B含有量は0.0015%以下とする。B含有量は0.0008%以下であるのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、B含有量は、0.0001%以上とするのが好ましい。
Caは、硫化物系介在物の形態を制御し、鋼の低温靭性を向上させる効果を有する。また、耐SSC性を向上させる場合がある。このため、Ca含有量は、0.0010%以上とする。Ca含有量は0.0015%以上とするのが好ましい。しかしながら、Ca含有量が、0.0050%を超えると、Ca系の粗大な介在物またはクラスターが形成し、靭性に悪影響を及ぼす場合がある。このため、Ca含有量は0.0050%以下とする。Ca含有量は0.0040%以下とするのが好ましい。
Vは、鋼の圧延中に炭窒化物を形成し、ピン止め効果により金属組織を微細化する効果を有する。このため、V含有量は、0.010%以上とする。V含有量は0.030%以上とするのが好ましく、さらに0.045%以上が好ましい。しかしながら、Vを過剰に含有させると、V炭窒化物が粗大となり、母材靭性が低下する。このため、V含有量は0.100%以下とする。V含有量は0.080%以下とするのが好ましい。
Cuは、母材の強度の向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Cuを過剰に含有させると、微細なCu粒子を生成し、靭性を著しく低下させる場合がある。このため、Cu含有量は0.50%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Cu含有量を0.05%以上とするのが好ましい。
Niは、鋼の強度および靭性の向上に寄与する元素である。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Niを過剰に含有させると、強度が過剰に高くなる。このため、Ni含有量は0.50%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Ni含有量は、0.05%以上とするのが好ましい。
Crは、鋼を固溶強化させる効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Crは溶接性を低下させる元素でもある。このため、Crを過剰に含有させると、シーム熱処理部に形成したCr系介在物により溶接欠陥が発生する。このため、Cr含有量は0.50%以下とする。一方、上記効果を得るためには、Cr含有量は、0.05%以上とするのが好ましい。
REMは、脱酸および脱硫効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、REMを、0.0100%を超えて、含有させると、粗大な酸化物を生じて母材靭性を低下させる場合がある。このため、REM含有量は、0.0100%以下とする。一方、上記効果を得るためには、REM含有量は0.0001%以上とするのが好ましい。
Mo+V≧0.10 ・・・(i)
但し、上記式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
3−1.面積率
本発明に係る鋼管母材の肉厚中央部における金属組織は、面積率で、10〜50%のフェライトおよび7%以下の硬質相を含み、残部がベイニティックフェライトである。ここで、金属組織の面積率が上記割合を満足することで、鋼管母材の強度と靭性とを向上させることができる。母材の肉厚中央部において、フェライトが、面積率で、10%未満であると、鋼管の靭性が低下する。このため、母材の肉厚中央部において、フェライトは、面積率で、10%以上とし、30%以上とするのが好ましい。
鋼管母材の肉厚中央部における金属組織において、フェライトの平均結晶粒径は20μm以下とする。上記フェライトの平均結晶粒径が20μmを超えると、靭性が低下するからである。上記フェライトの平均結晶粒径は20μm以下とし、15μm以下とするのが好ましい。なお、上記フェライトの平均結晶粒径の下限は特に定めないが、通常、5μm以上となる。
フェライトの面積率は、鋼管のシーム部から周方向に90°ずれた位置の断面(詳細には、鋼管長手方向に対して垂直な断面)における肉厚中央部において、EBSD(Electron Back Scatter Difraction)法により得られたデータに基づいて画像解析により求める。上記位置であれば、シーム熱処理部から十分離れているため、確実に母材の金属組織を観察することができるからである。
本発明に係る鋼管のシーム熱処理部の外表層における金属組織は、面積率で、0%以上40%未満のフェライトを含む。ここで、上記外表層とは、電縫鋼管の長手方向に垂直な断面において、外面側つまり管外径側から1.5mm位置の領域のことをいう。
5−1.強度
本発明に係る鋼管母材の引張強さは724MPa以上とする。また、母材およびシーム熱処理部の降伏強度は655〜758MPaとする。上記範囲とする理由は、鋼管として所望する強度を得るためである。
本発明に係る鋼管母材のシャルピー破面遷移温度は−40℃以下とする。また、鋼管母材において、−20℃におけるシャルピー衝撃値が125J/cm2以上とする。上記範囲とする理由は、鋼管としての十分な靭性を得るためである。
本発明に係る鋼管のシーム熱処理部の硬さは200〜260HV10の範囲とする。シーム熱処理部の硬さが200HV10未満であると、鋼管として十分な強度を得ることができない。このため、シーム熱処理部の硬さは200HV10以上とする。シーム熱処理部の硬さは210HV10以上とするのが好ましく、220HV10以上とするのがより好ましい。
HVout−HVcenter≦60 ・・・(ii)
但し、上記式中の各記号は以下により定義される。
HVout:シーム熱処理部における外表層のHV10での平均硬さ
HVcenter:シーム熱処理部における肉厚中央部のHV10での平均硬さ
HVout−HVbs≦60 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号は以下により定義される。
HVout:シーム熱処理部における外表層のHV10での平均硬さ
HVbs:母材のHV10での平均硬さ
本発明に係る鋼管は、肉厚が10〜25mmの範囲であるのが好ましく、15〜22mmの範囲であるのがより好ましい。また、鋼管の外径は406.4〜607.2mmであるのが好ましい。
本発明に係る電縫鋼管の好ましい製造方法について説明する。下記記載の製造方法により、本発明に係る電縫鋼管を安定して得ることができる。本発明に係る電縫鋼管の製造方法は、
(a)上記の化学組成を有する鋳片を、950℃以下の温度域での累積圧下率が50%以上であり、かつ仕上圧延完了温度が850℃以下である条件で熱間圧延し、熱延鋼板とする工程と、
(b)上記(a)の工程の後、上記熱延鋼板について冷却を開始し、冷却開始から600〜700℃における冷却停止までを平均冷却速度が20.0℃/s以上で冷却し、450〜600℃における冷却停止までを平均冷却速度が2.0〜10.0℃/sで冷却する工程と、
(c)上記熱延鋼板に成形および溶接を施し、電縫鋼管とする工程と、
(d)電縫鋼管におけるシーム部を900〜1050℃に加熱する工程と、
(e)加熱後に、水冷を開始し、400〜700℃の温度域で水冷を停止し、
水冷の開始から停止までを平均冷却速度を10.0〜50.0℃/sの範囲にする工程と、
(f)(e)の工程の後に、前記シーム部に対して350〜700℃の温度で焼戻し熱処理を行う工程と、を有する。
上記の化学組成を有する鋼を溶製し、連続鋳造法などにより鋳片を得る。得られた鋳片を1100〜1350℃の範囲で加熱するのが好ましい。鋳片を加熱する温度(以下、「鋳片加熱温度」ともいう。)が1100℃未満であると、未固溶のNbがNb炭化物を生成し、強度および靭性が低下する。このため、鋳片加熱温度が1100℃以上とするのが好ましい。しかしながら、鋳片加熱温度が1350℃を超えると、結晶粒が粗大になり、却って靭性が低下する。このため、鋳片加熱温度は1350℃以下とするのが好ましい。
Ar3(℃)=910−310C−80Mn−55Ni−20Cu−15Cr−80Mo ・・・(1)
但し、上記式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
続いて、熱延鋼板に成形および溶接を施し、電縫鋼管とするのが好ましい。具体的には、熱延鋼板を連続的にロール成型し、オープンパイプとした後、突合せ部近傍を融点以上に加熱し、スクイズロールで圧接する電縫溶接を行い、シーム部を形成することで、電縫鋼管とする。溶接方法としては、高周波抵抗溶接法などが一般的である。必要に応じて、シーム部において鋼管の外表面および内表面からはみ出たビードを切削すればよい。
続いて、電縫鋼管におけるシーム部を900〜1050℃に加熱した後に冷却する熱処理(シーム熱処理)を行うのが好ましい。シーム部の加熱温度が900℃未満であると、溶接での入熱により形成した粗大な金属組織が残存し、機械的特性を損ねる。このため、シーム部の加熱温度は900℃以上とするのが好ましい。一方、シーム部の加熱温度が1050℃を超えると、結晶粒が粗大化する。このため、シーム部の加熱温度は1050℃以下とするのが好ましい。
平均冷却速度=(水冷開始温度−水冷停止温度)/水冷の開始から停止までの時間 ・・・(2)
鋼管母材のフェライトの面積率は、以下の手順で測定した。具体的には、鋼管のシーム部から周方向に90°ずれた位置の断面(詳細には、鋼管長手方向に対して垂直な断面)における肉厚中央部において、EBSD法により得られたデータに基づいて画像解析により求めた。
シーム熱処理部におけるフェライト面積率は、母材のフェライト面積率と同様の手順で測定した。また、他の組織についても、フェライトの面積率等を測定した断面を鏡面研磨後、ナイタールでエッチングし、光学顕微鏡を用いて400倍で観察することにより行った。
母材部の引張試験は、鋼管の長手方向の全厚試験片を引張試験片として上記電縫鋼管より採取し、引張試験を行い、降伏強度(YS:0.5%全伸び)および引張強さ(TS)を測定した。ここで、母材の引張試験片は、電縫鋼管のシーム部から周方向に90°の位置に対応する部分から採取した。
靭性については、シャルピー試験により評価した。周方向(鋼板の圧延垂直方向)のフルサイズVノッチシャルピー試験片を電縫鋼管の母材(電縫鋼管のシーム部から周方向に90°の位置に対応する部分)より採取した。この際、Vノッチの深さ方向は鋼管長手方向とした。試験温度0℃〜−100℃でVノッチシャルピー試験を行い、破面遷移温度を調査するとともに、−20℃の衝撃値を測定した。
シーム熱処理部の硬さとは、図1に示すように、鋼管長手方向に垂直な断面において、鋼管のシーム部での外表面から1.5mmの位置、肉厚中央部の2点に、上記各点から、シーム部での厚さ方向に垂直な方向に両側2mmずつ離れた位置の4点を加えた、計6点において硬さ測定を行った場合の平均硬さである。
シーム熱処理部の耐SSC性を調査するため、定荷重試験を行った。シーム部を含んだ周方向からシーム熱処理部の定荷重試験片(NACETM0177に準拠)を採取した。試験溶液は5%食塩と0.05Nの酢酸・酢酸ナトリウムの緩衝溶液を用いて、pHを5.5、硫化水素分圧を0.1MPaに調整した。負荷応力はいわゆる「95ksi」グレードのSMYS(Specified Minimun Yield Strength、655MPa)の80%、つまり524MPaである。その他の試験条件は全てNACETM0177に準拠した。そして、SSCが生じなかったものを合格(○)、SSCが生じたものを不合格(×)と判定した。
2 シーム部
Claims (4)
- 母材とシーム熱処理部とを有する電縫鋼管であって、
前記電縫鋼管の化学組成が、質量%で、
C:0.030〜0.100%、
Si:0.010〜0.50%、
Mn:1.30〜2.00%、
P:0.020%以下、
S:0.0040%以下、
Al:0.0010〜0.100%、
N:0.0010〜0.0100%、
Nb:0.010〜0.100%、
Ti:0.010〜0.100%、
Mo:0.010〜0.500%、
B:0.0015%以下、
Ca:0.0010〜0.0050%、
V:0.010〜0.100%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
Cr:0〜0.50%、
REM:0〜0.0100%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式を満足し、
前記母材の肉厚中央部における金属組織が、面積率で、
10〜50%のフェライト、および
7%以下の硬質相を含み、
残部がベイニティックフェライトであり、かつフェライトの平均結晶粒径が20μm以下であり、
前記シーム熱処理部の外表層における金属組織が、面積率で、
0%以上40%未満のフェライトと、
10%以下の焼戻し硬質相を含み、
残部が焼戻しベイナイトであり、
前記母材の引張強さは724MPa以上であり、
前記母材および前記シーム熱処理部の降伏強度は655〜758MPaであり、
前記母材のシャルピー破面遷移温度が−40℃以下で、−20℃におけるシャルピー衝撃値が125J/cm2以上であり、
前記シーム熱処理部の硬さが200〜260HV10の範囲であり、かつ
前記シーム熱処理部において、外表層の平均硬さと肉厚中央部の平均硬さとの関係が下記(ii)式を満足し、
前記シーム熱処理部における外表層の平均硬さと前記母材の平均硬さとの関係が下記(iii)式を満足する、油井用電縫鋼管。
Mo+V≧0.10 ・・・(i)
HVout−HVcenter≦60 ・・・(ii)
HVout−HVbs≦60 ・・・(iii)
但し、上記式中の各元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとし、上記式中の各記号は以下により定義される。
HVout:シーム熱処理部における外表層のHV10での平均硬さ
HVcenter:シーム熱処理部における肉厚中央部のHV10での平均硬さ
HVbs:母材のHV10での平均硬さ - 前記化学組成が、質量%で、
Cu:0.05〜0.50%、
Ni:0.05〜0.50%、
Cr:0.05〜0.50%、および
REM:0.0001〜0.0100%、
から選択される一種以上を含有する、請求項1に記載の油井用電縫鋼管。 - 前記肉厚が10〜25mmである、請求項1または2に記載の油井用電縫鋼管。
- (a)請求項1または2に記載の化学組成を有する鋳片を、950℃以下の温度域での累積圧下率が50%以上であり、かつ仕上圧延完了温度が850℃以下である条件で熱間圧延し、熱延鋼板とする工程と、
(b)前記(a)の工程の後、前記熱延鋼板について冷却を開始し、冷却開始から600〜700℃における冷却停止までを平均冷却速度が20.0℃/s以上で冷却し、450〜600℃における冷却停止までを平均冷却速度が2.0〜10.0℃/sで冷却する工程と、
(c)前記熱延鋼板に成形および溶接を施し、電縫鋼管とする工程と、
(d)前記電縫鋼管におけるシーム部を900〜1050℃に加熱する工程と、
(e)前記加熱後に、水冷を開始し、400〜700℃の温度域で水冷を停止し、
水冷の開始から停止までの平均冷却速度を10.0〜50.0℃/sの範囲にする工程と、
(f)前記(e)の工程の後に、前記シーム部に対して350〜700℃の温度で焼戻し熱処理を行う工程と、を有する、油井用電縫鋼管の製造方法。
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