JP5505100B2 - 炭酸ガスインジェクション用部材向けCr含有鋼管 - Google Patents
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Description
その結果、Cr含有鋼管の組成を、C含有量が0.05mass%以下となる低C系で、Cr含有量を14.0%以上と高めとし、かつMo、Ni、Cuを必須含有させ、さらにCr,Ni,Mo,Cu,C,NあるいはさらにWの含有量を、特定の関係式を満足するように、調整することにより、炭酸ガス分圧が5MPa以上で、かつ不純物として酸素、SOXおよびNOXを含む、あるいはさらに塩素イオンを含む、非常に苛酷な高圧炭酸ガス腐食雰囲気下においてもなお、優れた耐腐食性(耐高圧炭酸ガス腐食性)を有し、炭酸ガスインジェクション用部材向け素材として好適な鋼管となることを見出した。
(1)mass%で、C:0.05%以下、Si:0.50%以下、Mn:0.10〜1.80%、P:0.03%以下、S:0.005%以下、Cr:14.0〜18.0%、Cu:2.0%以下、Ni:2.5〜6.5%、Mo:0.5〜3.0%、Al:0.05%以下、N:0.15%以下を、次(1)式
Cr+3.2Mo+1.6W+0.5Ni+0.3Cu+3N−20C ≧ 22.5 ‥‥(1)
(ここで、Cr、Mo 、W、Ni、Cu、N、C:各合金元素の含有量(mass%))
を満足するように調整して含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、炭酸ガス分圧:5MPa以上の炭酸ガスと、mass%で0.2%以下の酸素、および、合計で0.2%以下のSOXおよびNOXを含む、高圧炭酸ガス環境下における耐高圧炭酸ガス腐食性に優れることを特徴とする炭酸ガスインジェクション用部材向けCr含有鋼管。
(2)(1)において、前記組成に加えてさらに、mass%で、Nb:0.20%以下、V:0.20%以下、Ti:0.20%以下、W:2.5%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する組成とすることを特徴とするCr含有鋼管。
(3)(1)または(2)において、前記組成に加えてさらに、mass%で、Ca:0.0005〜0.01%を含有する組成とすることを特徴とするCr含有鋼管。
(4)(1)ないし(3)のいずれかに記載のCr含有鋼管を使用してなる炭酸ガスインジェクション用部材。
C:0.05%以下
Cは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度を確保するために本発明では、0.005%以上含有することが望ましいが、0.05%を超える含有は、Cr、Mo等と炭化物を形成し耐食性を低下させる。とくに、高温の使用雰囲気ではこの傾向が強くなる。このため、本発明ではCは0.05%以下に限定した。なお、好ましくは、0.01〜0.04%である。
Siは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果を得るためには0.10%以上含有することが望ましいが、0.50%を超える含有は、耐炭酸ガス腐食性を低下させるとともに、熱間加工性をも低下させる。このため、Siは0.50%以下に限定した。なお、好ましくは0.35%以下である。
Mnは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度を確保するために本発明では、0.10%以上含有する。一方、1.80%を超える含有は、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Mnは0.10〜1.80%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.20〜1.0%である。
P:0.03%以下
Pは、耐食性、とくに耐炭酸ガス腐食性、耐炭酸ガス応力腐食割れ性、耐孔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、可能なかぎり低減することが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。このため、本発明では、工業的に実施可能な範囲でかつ安価で、しかも耐炭酸ガス腐食性、耐炭酸ガス応力腐食割れ性、耐孔食性、耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させない範囲である、0.03%をPの上限値とした。なお、好ましくは0.01%以下である。
Sは、熱間加工性を著しく低下させる元素であり、可能なかぎり低減することが望ましいが、0.005%以下に低減すれば通常工程での鋼管の製造が可能であることから、0.005%をSの上限値とした。なお、好ましくは0.003%以下である。
Cr:14.0〜18.0%
Crは、耐食性を向上させる作用を有する元素であり、とくに耐炭酸ガス腐食性、耐炭酸ガス応力腐食割れ性、耐孔食性を保持するために必要な元素である。このような効果を得るためには14.0%以上の含有を必要とする。一方、18.0%を超える含有は、熱間加工性を低下させる。このため、Crは14.0〜18.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは14.5〜17.5%である。
Cuは、保護皮膜を強固にして、鋼中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる元素である。上記した効果を確保するためには、0.05%以上含有することが望ましいが、2.0%を超えて含有すると、高温でCuSが結晶粒界に析出し、熱間加工性が低下する。このため、含有する場合には、Cuは2.0%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.5〜1.5%である。
Niは、保護皮膜を強固にして、耐食性、とくに耐炭酸ガス腐食性、耐炭酸ガス応力腐食割れ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる元素であり、このような効果を得るためには、2.5%以上含有する必要がある。一方、6.5%を超えて含有すると、オーステナイトが安定化し、強度が低下する。このため、Niは2.5〜6.5%の範囲に限定した。なお、好ましくは3.0〜6.5%である。
Moは、耐食性、とくに耐孔食性を向上させる元素であり、高温、高塩素イオン環境下での耐食性向上に大きく寄与する。このような効果を得るためには、0.5%以上の含有を必要とする。一方、3.0%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果を期待できなくなり経済的に不利となる。このため、Moは0.5〜3.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは1.0〜3.0%である。
Alは、強力な脱酸剤として作用する元素であり、このような効果を得るためには、Alを0.005%以上含有することが望ましいが、0.05%を超えて含有すると、靭性が低下する場合がある。このため、Alは0.05%以下に限定した。なお、好ましくは0.005〜0.03%である。
Nは、耐孔食性を著しく向上させる作用を有する元素であり、本発明では0.005%以上含有することが望ましい。一方、0.15%を超えて含有すると、種々の窒化物を形成し、靭性を低下させる。このため、Nは0.15%以下に限定した。なお、好ましくは0.02〜0.07%である。
Nb:0.20%以下、V:0.20%以下、Ti:0.20%以下、W:2.5%以下の1種または2種以上
Nb、V、Ti、Wはいずれも、鋼の強度を増加させる作用を有する元素であり、必要に応じ1種または2種以上選択して含有できる。
Vは、鋼の強度を増加させる作用を有するとともに、耐応力腐食割れ性を改善させる作用をも有する。このような効果を得るためには0.02%以上含有することが望ましいが、0.20%を超える含有は靭性を低下させる。このため、含有する場合には、Vは0.20%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.02〜0.12%である。
Wは、鋼の強度を増加させ、さらにMoと同様に、耐食性、とくに耐孔食性を改善する作用を有する元素であり、とくにMoと共存させることにより、高塩素イオンの環境下で耐食性向上に大きな効果がある。このような効果を得るためには0.3%以上含有することが望ましいが、2.5%を超える含有は熱間加工性、靭性を低下させる。このため、含有する場合には、Wは2.5%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.5〜2.0%である。
Caは、Sと結合して、SをCaSとして固定するとともに、硫化物系介在物の形態を球状化し、介在物の周辺のマトリックスの格子歪を減少させて、水素のトラップ能を低下させる作用を有する元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果を得るためには0.0005%以上の含有を必要とする。一方、0.01%を超えて含有すると、CaOの増加を招き、耐炭酸ガス腐食性、耐孔食性が低下する。このため、含有する場合には、Caは0.0005〜0.01%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.001〜0.005%である。
Cr+3.2Mo+1.6W+0.5Ni+0.3Cu+3N−20C ≧ 22.5 ‥‥(1)
(ここで、Cr、Mo 、W、Ni、Cu、N、C:各合金元素の含有量(mass%))
を満足するように調整する。なお、(1)式を計算するにあたり、選択元素であるWは、含有しない場合には(1)式中のW含有量を零として計算するものとする。
上記した組成を有するCr含有鋼管は、耐高圧炭酸ガス腐食性に優れることから、高圧の炭酸ガスを注入する炭酸ガスインジェクション用部材として好適であり、炭酸ガスインジェクション用圧入管等に適用しても、激しい炭酸ガス腐食を生じることなく使用が可能となり、炭酸ガスインジェクション用部材の耐久性を大幅に向上させることができる。
つぎに、本発明鋼管の好ましい製造方法について説明する。
まず、上記した組成を有する溶鋼を、転炉、電気炉、真空溶解炉等の常用の溶製方法で溶製し、連続鋳造法、造塊−分塊圧延等の常用の方法でスラブ、ビレット等の鋼素材とすることが好ましい。
得られた鋼管は、さらに焼戻処理、あるいは焼入れ−焼戻処理を施すことが好ましい。焼入れ処理は、800℃以上の温度に再加熱し、該温度に好ましくは5min以上保持したのち、空冷以上の冷却速度で、200℃以下、好ましくは室温まで冷却することが好ましい。焼入れ処理の加熱温度が800℃未満では、十分な焼入れ組織(マルテンサイト組織)とすることができないため、所望の強度を確保できない場合がある。
なお、本発明の鋼管は、S、Si、Al、さらにはOを著しく低減した組成としているため、通常の製造工程を変更することなく製造できるという利点もある。
以下、さらに実施例に基づいて本発明について説明する。
得られた鋼管から、試験用素材を切り出し、該試験用素材に、焼入れ焼戻処理を施した。なお、焼入れ処理は、900℃×20min加熱・保持した後、水冷(水焼入れ)する処理とし、焼戻処理は、600℃×30min加熱・保持したのち空冷する処理とした。
(1)腐食試験
得られた試験用素材から、腐食試験片(大きさ:板厚3mm×25mm×50mm)を採取し、腐食試験を実施した。腐食試験は、オートクレーブ中に保持された試験液:10%NaCl水溶液(液温:150℃、炭酸ガス分圧:20MPa、酸素濃度:0.2mass%、SOX:0.1mass%、NOX:0.1mass%のガス雰囲気) 中に、腐食試験片を浸漬し、浸漬期間を2週間として実施した。腐食試験後の試験片について、重量を測定し、腐食試験前後の重量減から計算した腐食速度を求めた。また、試験後の腐食試験片について倍率:10倍のルーペを用いて試験片表面の孔食発生の有無を観察した。なお、孔食が発生せず、腐食速度が0.127mm/y以下の場合を耐高圧炭酸ガス腐食性に優れるとした。
(2)引張試験
得られた試験用素材から、API 弧状引張試験片を採取し、引張試験を実施し引張特性(降伏強さYS、引張強さTS)を求めた。
Claims (4)
- mass%で、
C:0.05%以下、 Si:0.50%以下、
Mn:0.10〜1.80%、 P:0.03%以下、
S:0.005%以下、 Cr:14.0〜18.0%、
Cu:2.0%以下、 Ni:2.5〜6.5%、
Mo:0.5〜3.0%、 Al:0.05%以下、
N:0.15%以下
を、下記(1)式を満足するように調整して含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、炭酸ガス分圧:5MPa以上の炭酸ガスと、mass%で0.2%以下の酸素、および、合計で0.2%以下のSOXおよびNOXを含む、高圧炭酸ガス環境下における耐高圧炭酸ガス腐食性に優れることを特徴とする炭酸ガスインジェクション用部材向けCr含有鋼管。
記
Cr+3.2Mo+1.6W+0.5Ni+0.3Cu+3N−20C ≧ 22.5 ‥‥(1)
ここで、Cr、Mo 、W、Ni、Cu、N、C:各合金元素の含有量(mass%)、 - 前記組成に加えてさらに、mass%で、Nb:0.20%以下、V:0.20%以下、Ti:0.20%以下、W:2.5%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項1に記載のCr含有鋼管。
- 前記組成に加えてさらに、mass%で、Ca:0.0005〜0.01%を含有する組成とすることを特徴とする請求項1または2に記載のCr含有鋼管。
- 請求項1ないし3のいずれかに記載のCr含有鋼管を使用してなる炭酸ガスインジェクション用部材。
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