JP3534032B2

JP3534032B2 - ２相ステンレス鋼製鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP3534032B2
Application number: JP2000026616A
Authority: JP
Inventors: 秀樹高部; 昌克植田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2004-06-07
Anticipated expiration: 2020-02-03
Also published as: JP2001220652A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、硫化水素や炭酸ガ
スを含有する石油、天然ガス等の流体生産品を生産・輸
送する際に使用できるシームレス鋼管、電縫管、レーザ
溶接鋼管等の配管用の２相ステンレス鋼とその鋼管の製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】原油の採掘現場（フィールド）での油井
の敷設に伴う経費は、油井の掘削からケーシング(C/S)
、チュービング(T/B) の敷設までのフィールド現地で
の作業時間に依存している。そこで、経費削減のため
に、掘削時間やケーシング、チュービングの敷設時間の
低減が望まれている。

【０００３】掘削時間の低減については、コイル状に巻
いた管を連続的に油井内に挿入するコイルドチュービン
グという技術が採用され始めている。

【０００４】一方、近年、石油または天然ガスを採取す
るための井戸の環境がますます過酷なものになってお
り、これらの流体を生産・輸送する配管、ケーシング、
およびチュービングの腐食が大きな問題となっている。

【０００５】これらの耐食性を必要とするケーシング、
チュービングにコイルドチュービング技術を用いて敷設
時間の低減を図ることは、有望であると考えられている
が、下記理由によりまだ実現されていない。

【０００６】すなわち、コイルドチュービングというの
は、工場でパイプを周溶接で繋ぐことにより、パイプの
長さを予め使用長さにしておき、それを外径４ｍ程度の
リールで巻き取り、現地でリール巻きされたパイプをの
ばして使用するチュービングのことである。このリール
による巻き取り、巻き戻しのときに曲げと曲げ戻しとい
う塑性変形を受け、繰り返しの疲労を受けるのである。

【０００７】従って、コイルドチュービングに用いるパ
イプには、曲げと曲げ戻しという塑性変形を受け、加工
硬化する。このため、耐食性が低下し、従来のコイルド
チュービングでは、石油または天然ガスの流体を生産や
輸送する配管として十分な耐食性、主に耐硫化物応力腐
食割れ性能が得られないという問題があった。

【０００８】コイルドチュービングの製造方法は、特開
平７−214143号公報にCr−Ni合金鋼と炭素鋼の二重管の
製造方法が開示されているが、耐食性と疲労特性につい
て具体的に説明されていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、石油
または天然ガス等の流体を生産・輸送する配管用のコイ
ルドチュービングとして使用できるように耐疲労特性と
疲労が加わったときの耐硫化物応力腐食割れ性能とに優
れた２相ステンレス鋼およびそれからの製管法を提供す
ることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上述の課
題を解決すべく、種々検討を重ね、耐食性の良好な２相
ステンレス鋼について、疲労が加わったときの耐食性能
(耐硫化物応力腐食割れ性能) を調査した。

【００１１】その結果、Ｃ：0.03％以下とするとともに
Cr，Ni，Mo，Ｗ，Ｎ等の各添加量を調整することによ
り、３サイクル以上の疲労を加えても、疲労が加わった
箇所の耐食性能の低下を阻止できることを新たに見出
し、本発明に至った。なお、１サイクルの疲労とは、１
回の曲げと１回の曲げ戻しのことをいう。ここに、本発
明は次の通りである。 (1) 質量％で、Ｃ：0.03％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：1.5 ％以下、Ｐ：0.04％以下、Ｓ：0.008 ％以下、sol.Al：0.040 ％
以下、 Ni：5.0 〜9.0 ％、Cr：23.0〜27.0％、Mo：2.0 〜4.0
％、Ｗ：1.5 〜5.0 ％、Ｎ：0.24〜0.32％残部:Fe および不可避不純物から成る鋼組成を有する鋼材から製管後、得られた鋼管
に繰り返し疲労を３サイクル以上加えることを特徴とす
る、コイルドチュービング用の２相ステンレス鋼製鋼管
の製造方法。 (2) 前記鋼組成が、質量％で、さらにCu：0.2 〜2.0 ％
を含むことを特徴とする上記(1) 記載の２相ステンレス
鋼製鋼管の製造方法。 (3) 前記鋼組成が、質量％で、さらにＶ：0.05〜1.5 ％
を含むことを特徴とする上記(1) または(2) 記載の２相
ステンレス鋼製鋼管の製造方法。 (4) 前記鋼組成が、質量％で、さらにCa：0.02％以下、
Mg：0.02％以下、Ｂ：0.02％以下、および希土類元素0.
2 ％以下の１種または２種以上を含むことを特徴とす
る、上記(1) ないし(3) のいずれかに記載の２相ステン
レス鋼製鋼管の製造方法。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明において成分組成を前述の
ように数値限定した理由は以下の通りである。なお、本
明細書において特にことわりがない限り、「％」は「質
量％」である。

【００１３】Ｃ：Ｃは、後述するＮと同様にオーステナ
イト相を安定化するのに有効であるが、その含有量が0.
03％を超えると炭化物が析出しやすくなり、疲労前およ
び疲労後で耐食性が大きく劣化するため0.03％以下とし
た。

【００１４】Si：Siは脱酸剤として必要である。しか
し、金属間化合物の生成を促進し、熱間加工性を低下さ
せるから、本発明では、その上限を1.0 ％とした。好ま
しくは0.6％以下である。

【００１５】Mn：Mnは、２相ステンレス鋼の溶製時の脱
硫および脱酸効果によって熱間加工性を改善する。ま
た、Ｎの固溶度を大きくする作用もある。しかし、1.5
％を超えると耐食性を劣化させるために1.5 ％以下とし
た。

【００１６】Ｐ：Ｐは、0.04％を超えると硫化物応力腐
食割れ性が著しく低下するため、0.04％以下とする。

【００１７】Ｓ：Ｓは鋼中に不可避的に混入する不純物
元素で、熱間加工性を劣化させる。また、硫化物は孔食
の発生起点となり耐孔食性を損なう。これらの悪影響を
避けるため、その含有量を0.008 ％以下とした。好まし
くは、0.005 ％以下である。

【００１８】sol.Al：sol.Alは脱酸剤として有効である
が、鋼中のＮが多い場合は、AlN(窒化アルミニウム) と
して析出し、靱性および耐食性を劣化させる。従って、
0.040 ％以下とした。

【００１９】Ni：Niはオーステナイト安定化元素として
必須であるが、9.0 ％を超えて添加するとフェライト量
の減少により２相ステンレス鋼の基本的な性質が確保し
難くなり、またσ相等の析出が容易になる。一方、Niの
添加量が5.0 ％より少ないとフェライト量が多くなりす
ぎて同じ２相ステンレス鋼の特徴が失われる。また、フ
ェライト中へのＮの固溶度が小さいため窒化物が析出し
て耐食性が劣化する。従ってNiの添加範囲を5.0 〜9.0
％とした。好ましくは、6.0 〜8.0 ％である。

【００２０】Cr：Crは耐食性を向上させる成分である。
その含有量が23.0％未満では、いわゆるスーパー２相ス
テンレスと言えるだけの耐食性が得られない。一方、2
7.0％を超えると金属間化合物の析出が顕著になり、熱
間加工性および溶接性の劣化を招く。従って、Cr含量は
23.0〜27.0％とした。

【００２１】Mo：Moは耐孔食性、耐隙間腐食性を高め
る。その効果は2.0 ％未満では得られない。また、4.0
％を超えて添加すると製造中の素材の脆化を招く。従っ
て、Mo添加量は2.0 〜4.0 ％とした。

【００２２】Ｗ：Ｗは、Moと同様耐孔食性、耐隙間腐食
性を高める。その効果は1.5 ％未満では得られない。ま
た、5.0 ％を超えて添加すると製造中の素材の脆化を招
く。従って、Ｗ添加量は1.5 〜5.0 ％とした。

【００２３】Ｎ：Ｎはオーステナイト生成元素で、２相
ステンレス鋼の熱的安定性と耐食性の向上に有効であ
る。本発明の対象鋼種のように、フェライト生成元素で
あるCr、Moが多量に添加された場合には、フェライトと
オーステナイトの２相のバランスを適正なものにするた
めにもＮの含有を0.24％以上とする。しかし、0.32％を
超えて添加すると、ブローホールの発生による欠陥、あ
るいは溶接時の熱影響部に窒化物が生成し、鋼の靱性、
耐食性を劣化させる。

【００２４】Cu：Cuは、必要に応じて添加する耐食性の
向上に有効な元素で、その効果を得るためには0.2 ％以
上の含有量とする。しかし、2.0 ％超の添加は、熱間加
工性を劣化させる。従って、Cuの添加量は、0.2 〜2.0
％とした。

【００２５】Ｖ：Ｖは、必要に応じて添加され、0.05％
以上添加すると耐隙間腐食性を向上させる。しかし、1.
5 ％を超えると靱性および耐食性が劣化する。従って、
Ｖの添加量は、0.05〜1.5 ％とした。

【００２６】Ca、Mg、Ｂおよび希土類元素：これらの元
素は、いずれも鋼の熱間加工性を向上させるのに有効な
元素である。その効果を得たい場合には、これらのうち
１種または２種以上を選んで添加してもよい。

【００２７】しかし、いずれの元素も少量の添加では上
記効果が得られない。一方、過多に添加すると、それら
の酸化物、硫化物の非金属介在物が増加し、孔食の起点
となり耐食性の劣化を招く。よって、Ca、Mg、Ｂは、そ
れぞれ0.02％以下、希土類 (主にLa、Ce) は合計量で0.
2 ％以下とした。

【００２８】本発明によれば、上記の成分系で製造した
鋼管に３サイクル以上の繰り返し疲労を加えることによ
って、繰り返し疲労を受けた部分の耐食性能、特に硫化
物応力腐食性能が低下せず、安定した性能を得ることが
できる。

【００２９】ここで、繰り返し疲労とは、管に曲げ・曲
げ戻しの塑性変形を加えた時に、管に付加される疲労の
ことであり、低サイクルでYS以上の応力を付加したとき
のそれである。具体的にはコイルドチュービングの製造
の後に行われるリールへの巻き付け、巻き戻しによって
付加される塑性変形による繰り返し疲労を云う。

【００３０】また、３サイクル以上の繰り返し疲労を加
えても安定した耐硫化物応力腐食割れ性能が得られる原
因・機構は、未だ明らかではない。

【００３１】しかし、繰り返し疲労回数が少ない場合
は、転位が材料に蓄積されて、その蓄積された転位が水
素のトラップサイトとなり、耐硫化物応力腐食割れ性能
が低下するが、本発明におけるように、成分を適切な範
囲に規定することにより、繰り返し疲労回数が３サイク
ル以上となると、材料に蓄積されていた転位が、解放さ
れ、転位密度が少なくなるため、水素のトラップサイト
が少なくなり、疲労を受ける前と同等の耐硫化物応力腐
食割れ性能が得られると考えられる。

【００３２】本発明にかかる２相ステンレス鋼は、すで
に述べたように、石油または天然ガスの採取・生産・輸
送用の配管、ケーシング、およびチュービング材料とし
て用いることができるが、炭酸ガスを含有する他の産業
分野、例えば、脱炭酸ガス設備の配管、地熱発電用の配
管および炭酸ガス含有液のタンクを構成する材料にも使
用できる。

【００３３】本発明において、管を製造する方法として
シームレス製管ばかりでなく、例えばコイルをパイプ状
に成型して、シーム溶接する方法があるが、この溶接管
にも本発明にかかる材料は適用可能である。

【００３４】本発明による製管に際しては、まず、圧
延、押出、電気抵抗溶接、レーザ溶接等の通常手段によ
って製管を行ってから、前述のような繰り返し疲労を加
えるのであるが、その具体的態様としては、製管後にリ
ールへの巻き取り、巻き戻しを繰り返して疲労を付加す
る。次に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具
体的に説明する。

【００３５】

【実施例】表１に示される成分組成をもった溶湯を通常
の電気炉、ならびに脱硫の目的でAr−酸素脱炭炉(AOD
炉) を使用して溶製した後、直径500 mm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191 mmのビレットを成形し、引き続いてこ
のビレットよりシームレス製管の１つであるマンネスマ
ン製管法により直径60.3mm×肉厚4.63mmの管とした。

【００３６】それぞれの管体について、1100℃×30分の
溶体化熱処理を実施して供試材として、以下に示す試験
片を採取し、下記要領で、それぞれ引張試験、実体疲労
試験、および硫化物応力腐食割れ性能を評価するために
微量硫化水素環境での低歪速度試験をそれぞれ行った。

【００３７】(1) 実体疲労試験後の微量硫化水素環境下
での低歪速度試験直径60.3mm×厚さ4.83mm×長さ2000mmの管を曲げ半径12
20mm(48") 、内圧10.3MPa(1500psi)の条件で、疲労を受
けた部分の耐硫化物応力腐食割れ性能が低下しない条件
を示すために、本発明鋼について、１、２、３、５、10
サイクルの繰り返し疲労を加えた。その後、下記の条件
で低歪速度試験を行った。試験ガス：大気と0.1atmH₂S(CO₂bal.) 試験溶液：5%NaCl+0.84g/lCH₃COONa+0.31g/lNaHCO₃、pH
＝4.7 試験温度：25℃ 歪み速度：４×10^-6s^-1 試験片：２mm幅×４mm厚×平行部20mm長 (弧状試験片)
。試験片は管の疲労を受けた部分から切り出した。これら
の試験結果を、表１に示す。

【００３８】耐硫化物応力腐食割れ性能は、低歪速度試
験の大気中と試験環境中での塑性伸びの比より評価し、
塑性伸び (試験環境中) ／塑性伸び (大気中) 95％超え
のものを“◎”、90〜95％のものを“○”、90％より小
さいものを“×”でそれぞれ示した。

【００３９】図１は本例における実体疲労試験の要領の
説明図であり、図中、供試管10は、一端がクランプ止め
12され、他端はローラ14によって挟持されている。ロー
ラ14は適宜駆動体16に取り付けられていて、供給管10を
移動自在に支持する。直線部18と曲げ部20とによって拘
束される領域に沿って供試管10の曲げ・曲げ戻しが繰り
返されて疲労が与えられるのである。

【００４０】(2) 引張り試験試験温度：常温試験片：疲労を受けていない母材から19mm幅で平行部
長さ50.8mmの弧状試験片を採取表１には、本発明にかかる２相ステンレス鋼について、
１、２、３、５、10サイクル、と破断に至るまでの繰り
返し疲労を加えた後の、耐硫化物応力腐食割れ性能を示
した。

【００４１】これらの結果からも分かるように、疲労を
受けた部分の耐硫化物応力腐食割れ性能が低下しないた
めには [塑性伸び (試験環境中) ／塑性伸び (大気中)
90％超えのもの] ３サイクル以上繰り返し疲労を加える
必要があることが明らかである。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【発明の効果】以上に説明したごとく、本発明によれ
ば、疲労後の耐食性に優れた550 MPa 以上の耐力を有す
る２相ステンレス鋼が製造できるのであって、これによ
りコイルドチュービングの製造がより効果的に行うこと
ができ、本発明の実際上の意義が大きいことが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における実体疲労試験の要領の
説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 38/54 Ｃ２２Ｃ 38/54 (56)参考文献特開平９−267184（ＪＰ，Ａ) 特開平９−257168（ＪＰ，Ａ) 特開平７−214143（ＪＰ，Ａ) 特開平５−132741（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21B 23/00 B21C 37/30 C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：0.03％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：1.5 ％以下、Ｐ：0.04％以下、Ｓ：0.008 ％以下、sol.Al：0.040 ％
以下、 Ni：5.0 〜9.0 ％、Cr：23.0〜27.0％、Mo：2.0 〜4.0
％、Ｗ：1.5 〜5.0 ％、Ｎ：0.24〜0.32％残部:Fe および不可避不純物から成る鋼組成を有する鋼材から製管後、得られた鋼管
に繰り返し疲労を３サイクル以上加えることを特徴とす
る、コイルドチュービング用の２相ステンレス鋼製鋼管
の製造方法。
【請求項２】前記鋼組成が、質量％で、さらにCu：0.
2 〜2.0 ％を含むことを特徴とする請求項１記載の２相
ステンレス鋼製鋼管の製造方法。
【請求項３】前記鋼組成が、質量％で、さらにＶ：0.
05〜1.5 ％を含むことを特徴とする請求項１または２記
載の２相ステンレス鋼製鋼管の製造方法。
【請求項４】前記鋼組成が、質量％で、さらにCa：0.
02％以下、Mg：0.02％以下、Ｂ：0.02％以下、および希
土類元素0.2 ％以下の１種または２種以上を含むことを
特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の２相
ステンレス鋼製鋼管の製造方法。