JP3752857B2 - 油井用Ｃｒ含有継目無鋼管 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原油あるいは天然ガスの油井、ガス井に使用される油井管用の鋼材に関し、特に炭酸ガス（CO2 ）、塩素イオン（Cl- ）、硫化水素（H2S ）などを含む極めて腐食環境の厳しい油井、ガス井で使用するに適した、優れた耐食性と耐応力腐食割れ性を有するCr含有継目無鋼管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年に至り、原油価格の高騰や近い将来に予想される石油資源の枯渇化を目前にして、従来はかえりみられなかったような深層油田や、開発が一旦は放棄されていた腐食性の強いサワーガス田等に対する開発が、世界的規模で盛んになっている。このような油田、ガス田は一般に、CO2 、Cl- 、H2S 等を含む厳しい腐食環境となっている場合が多い。したがってこのような油田、ガス田の採掘に使用される油井鋼管としては耐食性、耐応力腐食割れ性を兼ね備えた材質が要求される。
【０００３】
一般にCO2 、Cl- を含む環境下では耐炭酸ガス腐食性、耐炭酸ガス応力腐食割れ性、耐孔食性の優れた13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管が使用されるのが普通である。しかし、さらにH2S が共存する環境では、13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼は耐硫化物応力腐食割れ性に劣ることから、高価な２相ステンレス鋼が用いられているのが実情である。このため、CO2 、Cl- とH2S との共存環境下での優れた耐炭酸ガス腐食性および耐応力腐食割れ性を兼ね備えた安価な油井管用Cr含有鋼管の開発が強く望まれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情を背景としてなされたもので、前述のようにCO2 、Cl- 、H2S 等を含む苛酷な腐食環境下において優れた耐炭酸ガス腐食性、耐硫化物応力腐食割れ性を有する安価な油井用Cr含有継目無鋼管を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の目的を達成するべく、油井用高強度マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管を対象として、サワー環境（H2S を含む環境）下での耐硫化物応力腐食割れ性に及ぼす種々の合金成分の影響について各種の実験・検討を重ねて鋭意考究し、その結果、耐炭酸ガス腐食性に効果のあるCrを適量添加し、さらにAl-less 化すること、あるいはさらに、Nb、Ｖ量を調整することによって、耐炭酸ガス腐食性に加えて、耐硫化物応力腐食割れ性が著しく改善されることを見出し、本発明をなすに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、
mass％で、
Ｃ：0.30％以下、 Si：0.60％以下、 Mn：0.30〜1.50％、
Ｐ：0.03％以下、 Ｓ：0.005 ％以下、 Cr：3.0 〜9.0 ％、
Al： 0.005％以下を含有し、
あるいはさらに、Nb：0.30％以下、Ｖ：0.50％以下を１種または２種あわせて0.01％以上含有し、
残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする油井用Cr含有継目無鋼管である。
【０００７】
本発明では、必要に応じて、前記残部Feの一部を下記のＡ群、Ｂ群、Ｃ群の１つまたは２つ以上の組合せで置換してもよい。
記
（Ａ群）Cu： 1.5％以下、Ni： 2.5％以下、Mo： 2.0％以下の１種または２種以上
（Ｂ群）Ca：0.01％以下
（Ｃ群）Ti：0.50％以下、Zr： 0.2％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：2.0 ％以下、の１種または２種以上
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明鋼管の鋼組成（化学成分）限定理由について説明する。
Ｃ：0.30％以下
Ｃは鋼の強度を高める重要な元素であるが、0.30％以上の添加は靱性の低下を引き起こし、かつCr炭化物を生成させて耐食性を低下させるので0.30％以下とした。
【０００９】
Si：0.60％以下
Siは通常の製鋼過程において脱酸剤として必要な元素であるが、0.60％を超えると耐炭酸ガス腐食性を低下させ、さらに熱間加工性も低下させることから、Siは0.60％以下とした。
Mn：0.30〜1.50％
Mnは油井管用継目無鋼管としての強度を確保するために0.30％以上必要であるが、1.50％を超えると靱性に悪影響を及ぼすことから、Mnは0.30〜1.50％とした。
【００１０】
Ｐ：0.03％以下
Ｐは耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性をともに劣化させる元素であり、その含有量は可及的に少ないことが望ましいが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。工業的に比較的安価に実現可能でかつ耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させない範囲でＰは0.03％以下とした。
【００１１】
Ｓ：0.005 ％以下
Ｓはパイプ製造過程においてその熱間加工性を著しく劣化させる元素であり、可及的に少ないことが望ましいが、0.005 ％以下に低減すれば通常の工程でのパイプ製造が可能となることから、Ｓはその上限を0.005 ％とした。
Cr： 3.0〜9.0 ％
Crは耐炭酸ガス腐食性を保持するために主要な元素であり、この面からは3.0 ％以上必要である。しかし、9.0 ％を超えると耐硫化物応力腐食割れ性が劣化することから、Crは3.0 〜9.0 ％とした。
【００１２】
Al： 0.005％以下
Alは脱酸材として通常添加されるが、酸化物を形成して耐硫化物応力腐食割れ性を低下させる原因となる。そのため本発明ではAlは積極的に添加しないが、不可避的不純物として0.005 ％以下の量が混入する場合があるので、Alは0.005 ％以下とした。なお、好ましくは0.003 ％以下である。
【００１３】
Nb： 0.30 ％以下、Ｖ：0.50％以下
Nb、Ｖは高温における強度を上昇させる効果、および耐硫化物応力腐食割れ性を改善する効果があり、その効果を顕現させるには単独または複合添加の合計量が0.01％以上必要である。また、Nbは0.30％、Ｖは0.50％を超えて添加すると靱性を劣化させるため、それぞれ0.30％以下、0.50％以下とした。
【００１４】
Cu： 1.5％以下、Ni： 2.5％以下、Mo： 2.0％以下
Cu、Ni、Moは保護皮膜を強固にする作用を通じて、いずれも鋼中への水素の侵入を抑制し、耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性の改善に寄与する。なお、Moには一般の耐食性、耐孔食性を改善する効果もある。しかし、Cuは、1.5 ％超の添加では高温でCuS が粒界析出して熱間加工性が低下することから1.5 ％以下とし、また、Niは2.5 ％超、Moは2.0 ％超の範囲で添加してもさらなる特性改善代がみられず且つ高コストとなることからNiは2.5 ％以下、Moは2.0 ％以下とした。
【００１５】
Ca：0.01％以下
CaはＳをCaS として固定しＳ系介在物を球状化することにより、介在物周囲のマトリックスの格子歪を小さくして、水素のトラップ能を下げる作用がある。そのため耐硫化物応力腐食割れ性改善に効果がある。しかし、0.01％を超えるとCaO の増加を招き、耐炭酸ガス腐食性が低下することから、Caは0.01％以下とした。
【００１６】
Ti：0.50％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：2.0 ％以下
Ti、Zr、Ｂ、Ｗは強度を上昇させる効果、および耐硫化物応力腐食割れ性を改善する効果があるが、Tiは0.50％を超えて、Zrは0.20％を超えて、Ｗは2.0 ％を超えて添加すると靱性を劣化させるため、また、Ｂは0.0005％未満では効果が無く、0.01％を超えた添加は靱性を劣化させるため、それぞれTi：0.50％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.0005％〜0.01％、Ｗ：2.0 ％以下とした。
【００１７】
上記組成になる本発明鋼管は、シームレス圧延により造管される継目無鋼管として有効である。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１にシームレス圧延により造管した本発明鋼組成範囲を満たす実施例および本発明鋼組成範囲を逸脱する比較例の試料記号とともにそれらの化学成分を示す。
【００１９】
シームレス圧延後のパイプに、980 ℃×30分加熱後急冷し次いで650 〜700 ℃に再加熱する焼入れ−焼戻し処理を施し、その降伏強度を80ksi 級（80〜95ksi ）に調整した。
耐食性は炭酸ガス腐食試験、および硫化物応力腐食割れ試験（ＳＳＣ試験）にて評価した。
【００２０】
炭酸ガス腐食試験はパイプから厚さ３mm、幅30mm、長さ40mmの腐食試験片を切り出し、これを５％NaCl水溶液を満たしたオートクレーブ中に２週間浸漬し、重量減から腐食速度を読み取った。試験の炭酸ガス分圧は1MPa、温度は100 ℃である。この炭酸ガス腐食試験による耐食性の基準は、腐食速度0.100mm/yrを限界とした。すなわち、腐食速度が0.100mm/yrを超えるものは耐炭酸ガス腐食性が十分でない。
【００２１】
耐硫化物応力腐食割れ性は同じパイプから切り出した試験片を用い、NACE-TM0177-96 method A に準拠した定荷重試験を行い、割れ発生有無にて評価した。試験液はSolution A（pH:2.7）を用い、付加応力は551MPa（80ksi 級の100 ％SMYS（Specified Minimum Yield Strength）とした。
これらの試験結果を表１に示す。同表に示されるように、実施例は耐炭酸ガス腐食性と耐硫化物応力腐食割れ性との両特性に優れることが明らかとなった。このように、本発明鋼組成を満たす継目無鋼管はCO2 、H2S 、Cl- を含む油井環境で油井鋼管として十分使用可能であることがわかる。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、Alを添加せず、適量のCrを添加した鋼組成とすることにより、CO2 、H2S 、Cl- を含む厳しい腐食環境下において十分な耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性を示す鋼が安価に得られ、該鋼を素材として製造した継目無鋼管は、上述のような苛酷な環境で使用される油井鋼管として好適に使用し得るという効果を奏する。
【発明の属する技術分野】
本発明は、原油あるいは天然ガスの油井、ガス井に使用される油井管用の鋼材に関し、特に炭酸ガス（CO2 ）、塩素イオン（Cl- ）、硫化水素（H2S ）などを含む極めて腐食環境の厳しい油井、ガス井で使用するに適した、優れた耐食性と耐応力腐食割れ性を有するCr含有継目無鋼管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年に至り、原油価格の高騰や近い将来に予想される石油資源の枯渇化を目前にして、従来はかえりみられなかったような深層油田や、開発が一旦は放棄されていた腐食性の強いサワーガス田等に対する開発が、世界的規模で盛んになっている。このような油田、ガス田は一般に、CO2 、Cl- 、H2S 等を含む厳しい腐食環境となっている場合が多い。したがってこのような油田、ガス田の採掘に使用される油井鋼管としては耐食性、耐応力腐食割れ性を兼ね備えた材質が要求される。
【０００３】
一般にCO2 、Cl- を含む環境下では耐炭酸ガス腐食性、耐炭酸ガス応力腐食割れ性、耐孔食性の優れた13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管が使用されるのが普通である。しかし、さらにH2S が共存する環境では、13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼は耐硫化物応力腐食割れ性に劣ることから、高価な２相ステンレス鋼が用いられているのが実情である。このため、CO2 、Cl- とH2S との共存環境下での優れた耐炭酸ガス腐食性および耐応力腐食割れ性を兼ね備えた安価な油井管用Cr含有鋼管の開発が強く望まれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情を背景としてなされたもので、前述のようにCO2 、Cl- 、H2S 等を含む苛酷な腐食環境下において優れた耐炭酸ガス腐食性、耐硫化物応力腐食割れ性を有する安価な油井用Cr含有継目無鋼管を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の目的を達成するべく、油井用高強度マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管を対象として、サワー環境（H2S を含む環境）下での耐硫化物応力腐食割れ性に及ぼす種々の合金成分の影響について各種の実験・検討を重ねて鋭意考究し、その結果、耐炭酸ガス腐食性に効果のあるCrを適量添加し、さらにAl-less 化すること、あるいはさらに、Nb、Ｖ量を調整することによって、耐炭酸ガス腐食性に加えて、耐硫化物応力腐食割れ性が著しく改善されることを見出し、本発明をなすに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、
mass％で、
Ｃ：0.30％以下、 Si：0.60％以下、 Mn：0.30〜1.50％、
Ｐ：0.03％以下、 Ｓ：0.005 ％以下、 Cr：3.0 〜9.0 ％、
Al： 0.005％以下を含有し、
あるいはさらに、Nb：0.30％以下、Ｖ：0.50％以下を１種または２種あわせて0.01％以上含有し、
残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする油井用Cr含有継目無鋼管である。
【０００７】
本発明では、必要に応じて、前記残部Feの一部を下記のＡ群、Ｂ群、Ｃ群の１つまたは２つ以上の組合せで置換してもよい。
記
（Ａ群）Cu： 1.5％以下、Ni： 2.5％以下、Mo： 2.0％以下の１種または２種以上
（Ｂ群）Ca：0.01％以下
（Ｃ群）Ti：0.50％以下、Zr： 0.2％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：2.0 ％以下、の１種または２種以上
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明鋼管の鋼組成（化学成分）限定理由について説明する。
Ｃ：0.30％以下
Ｃは鋼の強度を高める重要な元素であるが、0.30％以上の添加は靱性の低下を引き起こし、かつCr炭化物を生成させて耐食性を低下させるので0.30％以下とした。
【０００９】
Si：0.60％以下
Siは通常の製鋼過程において脱酸剤として必要な元素であるが、0.60％を超えると耐炭酸ガス腐食性を低下させ、さらに熱間加工性も低下させることから、Siは0.60％以下とした。
Mn：0.30〜1.50％
Mnは油井管用継目無鋼管としての強度を確保するために0.30％以上必要であるが、1.50％を超えると靱性に悪影響を及ぼすことから、Mnは0.30〜1.50％とした。
【００１０】
Ｐ：0.03％以下
Ｐは耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性をともに劣化させる元素であり、その含有量は可及的に少ないことが望ましいが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。工業的に比較的安価に実現可能でかつ耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させない範囲でＰは0.03％以下とした。
【００１１】
Ｓ：0.005 ％以下
Ｓはパイプ製造過程においてその熱間加工性を著しく劣化させる元素であり、可及的に少ないことが望ましいが、0.005 ％以下に低減すれば通常の工程でのパイプ製造が可能となることから、Ｓはその上限を0.005 ％とした。
Cr： 3.0〜9.0 ％
Crは耐炭酸ガス腐食性を保持するために主要な元素であり、この面からは3.0 ％以上必要である。しかし、9.0 ％を超えると耐硫化物応力腐食割れ性が劣化することから、Crは3.0 〜9.0 ％とした。
【００１２】
Al： 0.005％以下
Alは脱酸材として通常添加されるが、酸化物を形成して耐硫化物応力腐食割れ性を低下させる原因となる。そのため本発明ではAlは積極的に添加しないが、不可避的不純物として0.005 ％以下の量が混入する場合があるので、Alは0.005 ％以下とした。なお、好ましくは0.003 ％以下である。
【００１３】
Nb： 0.30 ％以下、Ｖ：0.50％以下
Nb、Ｖは高温における強度を上昇させる効果、および耐硫化物応力腐食割れ性を改善する効果があり、その効果を顕現させるには単独または複合添加の合計量が0.01％以上必要である。また、Nbは0.30％、Ｖは0.50％を超えて添加すると靱性を劣化させるため、それぞれ0.30％以下、0.50％以下とした。
【００１４】
Cu： 1.5％以下、Ni： 2.5％以下、Mo： 2.0％以下
Cu、Ni、Moは保護皮膜を強固にする作用を通じて、いずれも鋼中への水素の侵入を抑制し、耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性の改善に寄与する。なお、Moには一般の耐食性、耐孔食性を改善する効果もある。しかし、Cuは、1.5 ％超の添加では高温でCuS が粒界析出して熱間加工性が低下することから1.5 ％以下とし、また、Niは2.5 ％超、Moは2.0 ％超の範囲で添加してもさらなる特性改善代がみられず且つ高コストとなることからNiは2.5 ％以下、Moは2.0 ％以下とした。
【００１５】
Ca：0.01％以下
CaはＳをCaS として固定しＳ系介在物を球状化することにより、介在物周囲のマトリックスの格子歪を小さくして、水素のトラップ能を下げる作用がある。そのため耐硫化物応力腐食割れ性改善に効果がある。しかし、0.01％を超えるとCaO の増加を招き、耐炭酸ガス腐食性が低下することから、Caは0.01％以下とした。
【００１６】
Ti：0.50％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：2.0 ％以下
Ti、Zr、Ｂ、Ｗは強度を上昇させる効果、および耐硫化物応力腐食割れ性を改善する効果があるが、Tiは0.50％を超えて、Zrは0.20％を超えて、Ｗは2.0 ％を超えて添加すると靱性を劣化させるため、また、Ｂは0.0005％未満では効果が無く、0.01％を超えた添加は靱性を劣化させるため、それぞれTi：0.50％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.0005％〜0.01％、Ｗ：2.0 ％以下とした。
【００１７】
上記組成になる本発明鋼管は、シームレス圧延により造管される継目無鋼管として有効である。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１にシームレス圧延により造管した本発明鋼組成範囲を満たす実施例および本発明鋼組成範囲を逸脱する比較例の試料記号とともにそれらの化学成分を示す。
【００１９】
シームレス圧延後のパイプに、980 ℃×30分加熱後急冷し次いで650 〜700 ℃に再加熱する焼入れ−焼戻し処理を施し、その降伏強度を80ksi 級（80〜95ksi ）に調整した。
耐食性は炭酸ガス腐食試験、および硫化物応力腐食割れ試験（ＳＳＣ試験）にて評価した。
【００２０】
炭酸ガス腐食試験はパイプから厚さ３mm、幅30mm、長さ40mmの腐食試験片を切り出し、これを５％NaCl水溶液を満たしたオートクレーブ中に２週間浸漬し、重量減から腐食速度を読み取った。試験の炭酸ガス分圧は1MPa、温度は100 ℃である。この炭酸ガス腐食試験による耐食性の基準は、腐食速度0.100mm/yrを限界とした。すなわち、腐食速度が0.100mm/yrを超えるものは耐炭酸ガス腐食性が十分でない。
【００２１】
耐硫化物応力腐食割れ性は同じパイプから切り出した試験片を用い、NACE-TM0177-96 method A に準拠した定荷重試験を行い、割れ発生有無にて評価した。試験液はSolution A（pH:2.7）を用い、付加応力は551MPa（80ksi 級の100 ％SMYS（Specified Minimum Yield Strength）とした。
これらの試験結果を表１に示す。同表に示されるように、実施例は耐炭酸ガス腐食性と耐硫化物応力腐食割れ性との両特性に優れることが明らかとなった。このように、本発明鋼組成を満たす継目無鋼管はCO2 、H2S 、Cl- を含む油井環境で油井鋼管として十分使用可能であることがわかる。
【００２２】
【表１】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、Alを添加せず、適量のCrを添加した鋼組成とすることにより、CO2 、H2S 、Cl- を含む厳しい腐食環境下において十分な耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性を示す鋼が安価に得られ、該鋼を素材として製造した継目無鋼管は、上述のような苛酷な環境で使用される油井鋼管として好適に使用し得るという効果を奏する。
Claims (3)
- mass％で、
Ｃ：0.30％以下、 Si：0.60％以下、 Mn：0.30〜1.50％、
Ｐ：0.03％以下、 Ｓ：0.005 ％以下、 Cr：3.0 〜9.0 ％、
Al： 0.005％以下を含有し、
残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする油井用Cr含有継目無鋼管。 - mass％で、
Ｃ：0.30％以下、 Si：0.60％以下、 Mn：0.30〜1.50％、
Ｐ：0.03％以下、 Ｓ：0.005 ％以下、 Cr：3.0 〜9.0 ％、
Al： 0.005％以下を含有し、
さらに、Nb：0.30％以下、Ｖ：0.50％以下を１種または２種あわせて0.01％以上含有し、
残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする油井用Cr含有継目無鋼管。 - mass％で、
Ｃ：0.30％以下、 Si：0.60％以下、 Mn：0.30〜1.50％、
Ｐ：0.03％以下、 Ｓ：0.005 ％以下、 Cr：3.0 〜9.0 ％、
Al： 0.005％以下を含有し、
さらに、Nb：0.30％以下、Ｖ：0.50％以下を１種または２種あわせて0.01％以上含有し、
さらに、下記のＡ群、Ｂ群、Ｃ群の１つまたは２つ以上の組合せを含有し
残部Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする油井用Cr含有継目無鋼管。
記
（Ａ群）Cu： 1.5％以下、Ni： 2.5％以下、Mo： 2.0％以下の１種または２種以上
（Ｂ群）Ca：0.01％以下
（Ｃ群）Ti：0.50％以下、Zr： 0.2％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：2.0 ％以下、の１種または２種以上
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| JP23377098A JP3752857B2 (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 油井用Ｃｒ含有継目無鋼管 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP23377098A JP3752857B2 (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 油井用Ｃｒ含有継目無鋼管 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP2000063994A JP2000063994A (ja) | 2000-02-29 |
| JP3752857B2 true JP3752857B2 (ja) | 2006-03-08 |
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ID=16960311
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1998
- 1998-08-20 JP JP23377098A patent/JP3752857B2/ja not_active Expired - Fee Related
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