JP3262807B2 - 耐湿潤炭酸ガス腐食性と耐海水腐食性に優れた油井管用鋼および継目無油井管 - Google Patents

耐湿潤炭酸ガス腐食性と耐海水腐食性に優れた油井管用鋼および継目無油井管

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、比較的安価で、しかも耐湿潤炭酸ガス腐食
性および耐海水腐食性に優れた油井管用鋼およびその鋼
で製造された継目無油井管に関する。
背景技術 近年、エネルギー需要の増大と入手容易な良質の石油
資源の減少に伴い、炭酸ガス（以下CO2と記す）の含有
量が多い、いわゆるスウイート油田が多く開発されるよ
うになった。しかも、原油の埋蔵量が比較的少なく、生
産寿命が10年以下というような小規模の油田の開発も増
えている。また、油の生産効率が低下した場合、油生産
用に使用していた油井管に脱気した海水を圧入し生産効
率を上げる方法も採用されることが多い。
上記の事情から、油井管用鋼として、CO2腐食に対す
る抵抗と、溶存酸素が500ppb程度と少ない海水中での耐
食性能との両方に優れた油井管が必要となっている。な
お、本明細書では、上記のような溶存酸素の少ない海水
を単に「海水」という。
従来、炭素鋼製の油井管を油の生産と海水圧入とに使
用する場合には、インヒビターを使用して腐食を防止し
ていた。しかし、インヒビターの使用は油生産のコスト
を増大させるだけでなく、環境汚染の問題も引き起こ
す。従って、インヒビターを使用する必要のない耐食性
に優れた油井管用鋼が望まれている。
鋼のCO2環境での腐食速度がCr含有量の増加に伴って
小さくなり、耐全面腐食性能が向上することは下記の文
献１、２によって既に知られている。そして、Crを12〜
13％（本明細書において合金成分の含有量に関する％
は、すべて質量％である）含有するJISのSUS410系の鋼
が油井管として実用化されている。
文献1:A.Ikeda,M.Ueda and S.Mukai;Corrosion/83,NA
CE Houston,Paper No.45,1983 文献2:Masaki Ueda and A.Ikeda;Corrosion/96,NACE
Houston,Paper No.13,1996 しかしながら、SUS410系の鋼は、Cr含有量が多いため
に高価である。また、このような高Cr鋼には、溶存酸素
の少ない海水中では局部腐食（孔食）を発生するという
欠点がある。
前記のように、生産寿命の短い油井用には、12〜13％
というような多量のCrを含む油井管よりもCr含有量の少
ない安価なものが望ましい。さらに、海水圧入を行うこ
とを考慮すれば、海水中での全面腐食と局部腐食の発生
しにくい耐海水性に優れた油井管が必要である。
特公昭53−38687号公報（文献３）には、1.0〜6.0％
のCrと0.1〜3.0％のAlを含む耐海水性低合金鋼が開示さ
れている。しかし、この鋼は油井管用のものではなく、
その耐CO2腐食性は全く不明である。
特開昭57−5846号公報（文献４）には、0.5〜５％のC
rを含有する耐スウイート腐食性に優れた鋼が開示され
ている。この鋼は、CO2を含む海水中での耐食性に優れ
るとされているが、その耐食性は腐食減量で測定された
耐全面腐食性だけである。しかも、その鋼の製造方法は
開示されておらず、従って、ミクロ組織がいかなるもの
かも不明である。
特公昭57−37667号公報（文献５）では、耐湿潤CO2性
のラインパイプ用鋼として3.0％を超えて12.0％までのC
rを含む鋼が提案されている。その鋼は、溶接部等の熱
履歴の異なる部分に発生する局部腐食に対する抵抗を改
善した鋼であるが、Ｃの含有量が低いためにミクロ組織
がマルテンサイト単相にならず、そのために強度が低
く、また管本体の耐局部腐食性も不十分である。
特開平５−112844号公報（文献６）には、耐CO2性に
優れ、油井管として使用される鋼管が開示されている。
しかし、その鋼管は、耐海水性の改善を意図して開発さ
れたものではなく、従って、Crの含有量は0.25〜1.0％
と低い。しかも、耐CO2性は、主に管の内表面に設けた1
00μｍ以上の厚さの脱炭層によって改善されるものであ
る。
前述のように、鋼のCO2環境での耐全面腐食性能を向
上させるためにはCr添加量を増加させればよいことは既
によく知られている。しかしながら、10年程度の寿命の
油井に10％を超えるような多量のCrを含む高価な鋼管を
用いるのは不経済である。しかも、上記のような多量の
Crを含む鋼には溶存酸素の少ない海水中で局部腐食（孔
食）が発生するという難点もある。油井管は、たとえ耐
全面腐食性能が改善されても、本体の肉厚を貫通するほ
どの局部腐食が生じると使用できなくなる。従って、油
井管用鋼では、耐全面腐食性能に加え耐局部腐食性能も
きわめて重要である。
発明の開示 本発明の第１の目的は、下記〜の特性の全てを備
えた油井管用鋼を提供することにある。
焼入れ−焼戻しまたは焼ならし−焼戻しのいずれかの
熱処理をされた状態で、552MPa以上の耐力（API規格の8
0グレード以上の耐力）を持つ。
湿潤CO2環境および溶存酸素の少ない海水環境での耐
局部腐食性に優れる。
溶存酸素の少ない海水環境での耐全面腐食性に優れ
る。
本発明のもう一つの目的は、上記の鋼で製造された比
較的安価な継目無油井管を提供することにある。
本発明者等は、油井管用鋼についてCO2環境下での耐
局部腐食抵抗と耐海水腐食抵抗に優れた性能をもたせる
ための手段について種々検討した。その結果、鋼の成分
を調節し、かつ、焼入れのまま、または焼ならしのまま
のミクロ組織を実質的にマルテンサイト単相の組織とす
れば、CO2環境下での耐局部腐食性能と耐海水腐食性能
の両方が著しく改善されることを見い出した。
Crを含有していない炭素鋼については、湿潤CO2環境
下での耐局部腐食性能は、鋼の組織と相関関係があり、
マルテンサイト単相の均一な組織よりもフエライトとパ
ーライトからなる２相組織の方が耐局部腐食性能が優れ
ていることが従来から知られていた。しかし、本発明者
等の研究によれば、Crが含有鋼においては、マルテンサ
イト単相の均一な組織の方が、湿潤CO2環境下での耐局
部腐食性能に優れている。
上記のような新しい知見に基づく本発明は、下記の
（ａ）から（ｃ）までの全てを特徴とする耐湿潤炭酸ガ
ス腐食性および耐海水腐食性に優れた油井管用鋼を提供
する。
（ａ）化学組成： 質量％で、0.10％を超えて0.30％までのＣ、0.10％か
ら1.0％までのSi、0.1％から3.0％までのMn、2.0％から
9.0％までのCrおよび0.01％から0.10％までのAlを含
み、残部Feおよび不可避の不純物からなり、不純物のＰ
が0.03％以下、Ｓが0.01％以下である。さらに合金成分
として0.05％から0.5％までのCuが含まれていてもよ
い。
（ｂ）ミクロ組織： 焼入れのまま、または焼ならしのままで実質的にマル
テンサイト単相の組織である。ここで「実質的にマルテ
ンサイト単相の組織」というのは、面積率で約95％以上
がマルテンサイトである組織を意味する。マルテンサイ
ト以外の組織として、合計で約５面積％以下のフェライ
ト、ベイナイト、パーライト等の混入が許容できる。
（ｃ）強度： 「焼入れ−焼戻し」または「焼きならし−焼戻し」の
熱処理を施したとき552MPa以上の耐力を有する。
本発明は、更に、上記の鋼で製造された耐湿潤炭酸ガ
ス腐食性および耐海水腐食性に優れた継目無油井管を提
供する。
図面の簡単な説明 図１は、実施例の試験に供した鋼の化学組成と試験結
果を示す表である。
図２は、Cr含有量およびマルテンサイト面積率と、湿
潤CO2環境下および人工海水中での耐局部腐食性能との
関係を示すグラフである。
図３は、Cr含有量が2.0〜9.0％の本発明鋼のCr含有量
と人工海水中の腐食速度との関係を示すグラフである。
発明を実施する最良の形態 本発明の油井管用鋼は、上記（ａ）から（ｃ）までの
全ての特徴を備えるものであるが、以下、これらの特徴
について順次説明する。
1.鋼の化学組成 まず、鋼の化学成分およびそれらの含有量を上述のよ
うに選んだ理由を説明する。
C: Ｃは鋼の焼入れ性を高め、焼入れのまま、または焼き
ならしのままでの組織を実質的にマルテンサイト単相と
し、耐食性と強度を確保するために必要な成分である。
0.10％以下では焼入れ性が不足して上記の組織が得られ
ず、十分な耐食性および強度が得られない。一方、0.30
％を超えると焼き割れが起こり易く継目無鋼管の製造が
困難になる。従って、Ｃの含有量は0.10％を超えて0.30
％までとした。一層好ましいのは0.10％を超えて0.25％
までである。
Si: Siは、鋼の脱酸剤として使用されるもので、含有量と
して0.10％以上が必要である。しかし、Si含有量が1.0
％を超えると加工性、靱性に悪影響を及ぼす。
Mn: 鋼の強度および靱性の改善に0.1％以上が必要である
が、3.0％を超えると、耐CO2腐食性能が低下する。従っ
て、Mnの適正含有量は0.1〜3.0％である。
Cr: Crは、鋼の焼入れ性を改善し、強度を向上させるとと
もに耐湿潤CO2腐食性および溶存酸素の少ない海水中で
の耐食性を向上させる。2.0％未満ではその効果が不十
分である。一方、Crの多量添加は鋼の価格を高騰させ、
しかもその含有量が9.0％を超える鋼では上記海水中で
の局部腐食が発生しやすく靱性も低下する。従って、Cr
含有量の適正範囲は2.0〜9.0％である。鋼のコストと性
能とのバランス上、最も望ましいのは、3.0〜7.0％であ
る。
Al: Alは鋼の脱酸剤として使用する。その含有量が0.01％
未満では脱酸不十分となるおそれがあり、一方、0.10％
を超えると靱性等の機械的性質を劣化させる。
Cu: Cuは、必須の成分ではないが、耐海水腐食性能を改善
するのに有効であるから、必要に応じて添加すればよ
い。含有量が0.05％未満では、その効果が十分得られ
ず、0.5％を超えると、熱間加工性を低下させる。従っ
て、Cuを添加する場合には、その含有量は0.05〜0.5％
とするべきである。
本発明鋼は、上記の成分の外、残部はFeおよび不可避
不純物からなる。その不純物の中で、特にＰとＳは下記
のように制限する必要がある。
P: Ｐは不純物として鋼中に不可避的に存在する元素であ
るが、0.03％を超えると粒界に偏析して靱性を低下させ
るので、0.03％以下に抑える。
S: Ｓも鋼中に不可避的に存在する元素で、Mnと結合して
MnSを生成し、鋼の靱性を劣化させる。従って、その含
有量は0.01％以下に抑える。
2.ミクロ組織 本発明鋼の大きな特徴の一つが、焼入れのまま、また
は焼ならしのままのミクロ組織が実質的にマルテンサイ
ト単相であることである。本発明鋼で製造された鋼管
は、焼入れまたは焼きならしの後に焼戻しを施して使用
される。従って、最終的なミクロ組織は、実質的に焼戻
しマルテンサイト単相となる。
前述の化学組成と上記のミクロ組織によって、本発明
鋼は湿潤CO2環境下での耐局部腐食性能および耐海水腐
食性能と所定の強度を持つに到る。なお、前記のとお
り、実質的にマルテンサイト単相というのは面積率（顕
微鏡観察によって測定される面積率）で、約95％以上が
マルテンサイトであることを意味するが、そのマルテン
サイト率は98％以上であることが望ましい。
ミクロ組織を実質的にマルテンサイト単相とすれば湿
潤CO2環境下および海水環境下での耐局部腐食性能が向
上する理由は未だ明らかではない。しかし、次のように
考えることができる。
腐食環境下で生成する腐食生成物が鋼の表面を均一に
覆う場合には局部腐食は進行しない。この腐食生成物の
構造は鋼の組織に依存する。従って、鋼の組織がマルテ
ンサイト単相であれば腐食生成物は均一に鋼の表面を覆
い、局部的な剥離も起こらない。マルテンサイト組織の
中に約５面積％を超える程の異相が存在すれば、その部
分の腐食生成物が残りの部分の腐食生成物と異なったも
のになり、或いはその部分で腐食生成物の剥離が生じ
て、局部腐食が発生する。
上記のミクロ組織は、前記の化学組成の鋼で製造され
た継目無鋼管をその化学組成にふさわしい条件で熱処理
することによって得られる。例えば、加熱温度を900〜1
100℃の範囲で選定し、水冷（焼入れ）または空冷（焼
きならし）するときの冷却速度を調整して実質的にマル
テンサイト単相とすることができる。なお、焼戻しの温
度は450〜700℃でよい。
3.鋼の強度 本発明の鋼は、上記のように焼入れ−焼戻し、または
焼ならし−焼もどしの熱処理が施された状態で552MPa以
上の耐力を有するものである。この耐力は、API（Ameri
can Petroleum Institute）の規格で、Grade 80（最小
耐力が80,000psi）以上のグレードの油井管の耐力に相
当する。即ち、本発明の鋼で製造した油井管は、Grade
80以上の高強度油井管として使用できるものである。
これまでに述べた本発明鋼は、溶接油井管として用い
てもよいが、継目無油井管として用いるのが望ましい。
これらの管は慣用の方法で製造できる。継目無管は、マ
ンネスマン法、熱間押出法等で製造できる。製管後には
前記の熱処理を施してミクロ組織を実質的に焼戻しマル
テンサイト単相とする。
実施例 図１に示す化学組成を有する鋼を真空炉で溶製し、そ
の後、直径550mmのインゴットを鋳造し、次いでこのイ
ンゴットに温度1200℃で熱間鍛造を施して直径150mmの
ビレツトにした。このビレツトからマンネスマン製管法
により外径188mm×肉厚12mmの継目無管を製造した。
上記の継目無管を900〜1100℃に加熱し、焼入れまた
は焼ならしを行いマルテンサイト率を83〜99％に変化さ
せた。マルテンサイト率は、各鋼の化学組成に応じて加
熱温度を上記の範囲内で、また冷却速度を５〜40℃/sec
の範囲内で調整して変化させた。
この焼入れまたは焼ならしのままの管から、マルテン
サイト率を調べる顕微鏡試験片を採取し、その後、500
〜650℃で焼戻しを行い、API規格のGrade 80（耐力:552
〜655MPa）以上の耐力を持つ供試管を製作した。
これらの管を用いて以下に示す硬度測定、引張試験、
および腐食試験を行った。
（Ａ）硬度測定 供試管（焼入れまたは焼ならしの後、焼もどしを施し
た管）の長手方向に垂直の断面を切り出し、HRC硬度を
測定した。
（Ｂ）引張り試験 供試管の長手方向に沿って直径4.0mmで平行部長さ20m
mの試験片を切り出し、常温で試験を行い、0.5％全伸び
での耐力と引張強さを測定した。なお、上記耐力と引張
強さの比（降伏比、YR）も算出した。
（Ｃ）マルテンサイト面積率 焼入れのまま、または焼ならしのままの管の長手方向
に垂直の断面を切り出し、100倍の光学顕微鏡で10視野
観察してマルテンサイト面積率を測定し、平均値を求め
た。
（Ｄ）湿潤CO2環境下での耐局部腐食試験 供試管から22mm幅×3mm厚×76mm長の試験片を切り出
し、600番エメリー紙にて研磨した後、脱脂、乾燥した
ものを用いた。この試験片を下記の試験液に720時間浸
漬した後、腐食生成物を除去し、腐食減量を測定すると
ともに目視により試験片の局部腐食発生の有無を観察し
た。
試験液:3バール（bar.）でCO2ガスを飽和させた５％N
aCl水溶液を流速2.5m/sで攪拌。液温80℃。
（Ｅ）耐海水腐食試験 供試管から22mm幅×3mm厚×76mm長の試験片を切り出
し、600番エメリー紙にて研磨した後、脱脂、乾燥した
ものを用いた。この試験片を、溶存酸素量500ppbに調整
した人工海水（ASTM D 1141−52の規格による）中に72
時間浸漬した。その後、試験片の腐食生成物を除去し、
減量を測定した。また、目視により試験片の局部腐食発
生の有無を観察した。
これらの試験結果を図１に示す。図１には、湿潤CO2
環境下および人工海水中で局部腐食を生じなかったもの
を“○”、生じたものを“×”で示した。
図２は、図１に示したCO2環境下および人工海水中で
の耐局部腐食性能と、Cr含有量およびマルテンサイト率
との関係を示すグラフである。
図３は、図１の本発明鋼のCr含有量と人工海水中の腐
食速度との関係を示すグラフである。なお、図２および
図３中に示した番号は図１のマークの番号である。
図１、図２および図３に示した結果から、本発明で定
める化学組成を持ち、かつ焼入れのまま、または焼なま
しのままでのマルテンサイト面積率が95％を超える本発
明鋼（マーク１〜10の鋼）は、CO2環境下および人工海
水中で局部腐食を生じないことが明らかである。これら
の鋼は、人工海水中での耐全面腐食性にも優れ、0.5％
全伸びでの耐力が552MPa以上と高強度である。
マーク６〜10の鋼は、Cuを含有する本発明鋼である。
これらは、海水中での腐食速度がさらに小さくなってい
る。
マーク11〜16の鋼は、比較鋼である。その中で、マー
ク11と12は、Cr含有量が少ないために耐海水全面腐食性
が劣り、局部腐食も発生している。マーク13〜16の鋼
は、化学組成は本発明で定める範囲にあるがマルテンサ
イト率が低い鋼である。これらの中には海水中の耐全面
腐食性に優れる鋼（マーク14〜16）もあるが、いずれに
も湿潤CO2環境および海水中で局部腐食が発生してい
る。この事実から、局部腐食の防止には適正な化学組成
を選ぶとともにミクロ組織を実質的にマルテンサイト単
相とすることが必須であることが分かる。
産業上の利用可能性 本発明の継目無油井管用鋼は、耐海水全面腐食性はも
とより湿潤CO2環境下および海水環境下での耐局部腐食
性能にも優れている。しかも、本発明鋼は、焼入れ−焼
戻し、または焼ならし−焼戻しの熱処理後に552MPa以上
の耐力を有する。
本発明鋼で製造した継目無鋼管は、比較的安価である
から、CO2および海水の共存する環境下で使用する油井
管として生産寿命の短い油田にも使用することができ
る。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−3642（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−163529（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−120337（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−236257（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−217444（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−128566（ＪＰ，Ａ) 特公 昭49−25527（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 38/00 301

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】質量％で、0.10％を超えて0.30％までの
    Ｃ、0.10％から1.0％までのSi、0.1％から3.0％までのM
    n、2.0％から9.0％までのCrおよび0.01％から0.10％ま
    でのAlを含み、残部Feおよび不可避の不純物からなり、
    不純物のＰが0.03％以下、Ｓが0.01％以下であって、焼
    入れのまま、または焼ならしのままでミクロ組織が実質
    的にマルテンサイト単相であり、更に、焼入れ−焼戻
    し、または焼きならし−焼戻しの熱処理を施したとき55
    2MPa以上の耐力を有することを特徴とする耐湿潤炭酸ガ
    ス腐食性および耐海水腐食性に優れた油井管用鋼。
  2. 【請求項２】質量％で、0.10％を超えて0.30％までの
    Ｃ、0.10％から1.0％までのSi、0.1％から3.0％までのM
    n、2.0％から9.0％までのCr、0.01％から0.10％までのA
    lおよび0.05％から0.5％までのCuを含み、残部Feおよび
    不可避の不純物からなり、不純物のＰが0.03％以下、Ｓ
    が0.01％以下であって、焼入れのまま、または焼ならし
    のままでミクロ組織が実質的にマルテンサイト単相であ
    り、更に、焼入れ−焼戻し、または焼きならし−焼戻し
    の熱処理を施したとき552MPa以上の耐力を有することを
    特徴とする耐湿潤炭酸ガス腐食性および耐海水腐食性に
    優れた油井管用鋼。
  3. 【請求項３】請求の範囲１または２の鋼から製造された
    継目無油井管。
JP51996799A 1997-09-29 1998-09-28 耐湿潤炭酸ガス腐食性と耐海水腐食性に優れた油井管用鋼および継目無油井管 Expired - Fee Related JP3262807B2 (ja)

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