JP5573325B2

JP5573325B2 - 鋼管の連続熱処理方法

Info

Publication number: JP5573325B2
Application number: JP2010097160A
Authority: JP
Inventors: 拓也浅野; 圭造河村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-04-20
Also published as: JP2010270394A

Description

本発明は鋼管の連続熱処理方法に関するものであり、特に油井管として用いられる拡管用の電縫鋼管のフルボディ熱処理に好適な、鋼管の連続熱処理方法に関するものである。

ラインパイプや油井管は使用時に内径を拡大する拡管が行われることがあり、特に油井管については地中に埋設された状態で拡管を行い、掘削コストの削減を図る技術が開発されている。拡管性を高めるためには、鋼管が加工性に優れた材料特性を持つことが必要である。しかし地中深くにまで油井管を下していくためには、鋼管が高い強度を持つことが必要である。鋼管の加工性を高めるためには軟質の組織が有利であり、強度を高めるためには硬質の組織が有利である。このため加工性と強度とは両立させることが容易ではないが、柔らかいフェライト中に硬いマルテンサイトを分散させた複合組織鋼（デュアルフェーズ鋼）とすれば、これらの両特性を両立させることが可能となる。

鋼管の組織をこのような複合組織とするためには、鋼管をＡｃ_１点以上、Ａｃ_３点以下の温度にまで加熱して保持してフェライトとオーステナイトとからなる組織としたうえ、急冷してフェライト中にマルテンサイトを析出させた組織とすることが必要である。このための熱処理は当然に鋼管全体（フルボディ）に対して行わねばならない。

そこで鋼管を上記の温度にまで昇温したうえ、水冷装置において冷却水を吹き付けて急冷する方法が開発されている。この方法では、生産性を高めるために先行する鋼管の後端面と後続する鋼管の先端面とをほぼ接触させた状態とし、途切れることなく熱処理装置に送り込んでいる。しかし鋼管に吹き付けられた冷却水の一部が鋼管の端面から鋼管内部に流入して加熱領域方向に逆流することがあり、それによって鋼管の内面が不規則に冷却されるために設定どおりの熱処理が行えず、鋼管の端部付近については安定した製品特性が得られないことがあった。

なお、電縫鋼管の溶接シーム部を熱処理することは周知であるが、これは鋼管のフルボディに対する熱処理ではない。また特許文献１には、シームレス鋼管の端部間をつき合わせて拡散接合したうえ、接合部分を焼き戻し処理することによって、接合部分の拡管性を向上させる方法が開示されている。しかしこれは鋼管の接合端部のみの熱処理であり、鋼管のフルボディに対する熱処理ではないうえに、冷却水による急冷を行うものでもない。

特開２００１−３００７４３号公報

上記したように、鋼管の全体を生産性よく、かつ内部に冷却水を浸入させることなく連続的に熱処理することができる技術は従来知られていない。従って本発明の目的は、拡管用の鋼管の全体に対して水冷を伴う熱処理を、鋼管内部への冷却水の浸入を防止しながら効率よく行うことができる鋼管の連続熱処理方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた請求項１に係る発明の鋼管の連続熱処理方法は、鋼管の端部どうしを、鋼管の一方の端部を拡径し、それに向かい合う鋼管または連結材の一端を縮管して連結した状態で鋼管を熱処理設備に連続的に送り込み、鋼管の全体に対して冷却水による急冷を伴う熱処理を行うことを特徴とするものである。なお鋼管は、油井管として用いられる拡管用鋼管とすることができる。
また、請求項４に係る発明の鋼管の連続熱処理方法は、鋼管の端部どうしを連結部材を介して連結する際に、鋼管の端が縮管−縮管の組み合わせの場合、それらの鋼管の端に向かい合う連結材の端部が拡管−拡管の組み合わせで連結した状態で鋼管を熱処理設備に連続的に送り込み、鋼管の全体に対して冷却水による急冷を伴う熱処理を行うことを特徴とするものである。

本発明においては、鋼管の一方の端部を拡径し、その内周面にメネジを切って他の鋼管とネジ結合することが好ましい。その他、鋼管の端部どうしを連結部材を介して連結する際に、鋼管の端が拡管−拡管の組み合わせの場合、それらの鋼管の端に向かい合う連結材の端部が縮管−縮管の組み合わせであるものとすることが好ましく、熱処理の後、鋼管相互間の連結を解除することが好ましい。熱処理設備は、加熱手段と、保温炉と、水冷手段とを備えたものであることが好ましく、熱処理により、フェライト中にマルテンサイトを分散させた複合組織を生じさせることが好ましい。また本発明の鋼管は油井管として用いられる拡管用鋼管に用いられることが好ましい。

本発明によれば、鋼管の端部どうしを連結した状態で、鋼管の全体に冷却水による急冷を伴う熱処理を行うので、従来のように急冷用の冷却水が鋼管端部から内部に浸入するおそれは皆無となる。このため鋼管の全体を均一に熱処理し、加工性と強度を両立させた拡管用鋼管を得ることができる。本発明では鋼管の端部どうしを連結するので熱処理後は容易に分離させることができ、その後の取り扱いも容易である。なお、ネジ結合した場合は管継手などの接続用部材は不要となる利点があり、また、鋼管の端部どうしを連結部材を介して連結する場合は、鋼管にネジ斬り加工が不要で簡単に連結できる利点がある。

なお、この熱処理によってフェライト中にマルテンサイトを分散させた複合組織とすれば、６００ＭＰａ以上の強度を維持しながら、拡管率を従来の１５％から２５〜３０％にまで大幅に高めることができるので、油井管として用いるに好適な鋼管を得ることができる。なお拡管率は、（拡管後の外径−拡管前の外径）/拡管前の外径を意味し、本明細書では割れることなく拡管可能な最大値で表わしている。

本発明の実施形態における熱処理装置の全体図である。熱処理条件を示すグラフである。ネジ結合した時の連結部の拡大図である。本発明の実施形態を示すブロック図である。その他の連結部材を示す拡大図である。その他の連結部材を示す拡大図である。その他の連結部材を示す斜視図である。（ａ）その他の連結部材を示す使用前の正面図、（ｂ）使用状態の正面図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。
以下の実施形態では、油井管として用いられる拡管用鋼管に対して連続的に熱処理を行い、フェライト中にマルテンサイトを分散させた複合組織を生じさせる。鋼管のサイズは様々であるが、１本の長さは１０〜１５ｍ、外径は１１４〜３４０ｍｍ、板厚は５．２〜１３ｍｍ程度である。この鋼管としてシームレス鋼管に較べて厚さのばらつきが小さい電縫鋼管を用いれば、拡管時の破裂をより確実に防止することができ、拡管率を大きくすることができる。

本発明においては拡管用鋼管の鋼組成を特に限定するものではないが、Ｃ：０．０３〜０．２０％（質量％、以下同じ）、Ｓｉ：０．０１〜１．２０％、Ｍｎ：０．３０〜２．５０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、ＡＬ：０．００１〜０．０１％、Ｎ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．００５％〜０．０５％、Ｃａ：１０〜４０ｐｐｍ、選択元素として、Ｎｂ：０．０１〜０．１％、Ｖ：０．０１〜０．１、を含み残部Ｆｅからなる組成であることが好ましく、特にＣａの添加が拡管率の増大に寄与することが確認されている。

このような組成の電縫鋼管をＡｃ_１点以上、Ａｃ_３点以下の温度にまで加熱して保持してフェライトとオーステナイトとからなる組織としたうえ、急冷してフェライト中にマルテンサイトを析出させる。具体的な加熱温度は７６０〜８４５℃であり、この温度域において１分以上保持したうえで、７００℃から３００℃までの温度域を２０℃／秒以上の冷却速度で急冷する。冷却速度がこれよりも遅いと鋼組織中のマルテンサイト分率が低くなり、強度が低下することとなる。

図１はこのような熱処理を行うための装置構成図であり、鋼管１は水平面に対して３〜６°程度の角度で傾斜配置された多数のローラ２によって図１の右方向に送られ、加熱手段３と保温炉４と水冷手段５とからなる熱処理装置を通過する間に連続的に熱処理される。しかし本発明においてはこのような傾斜を持たせることは必須ではなく、水平配置しても差し支えない。

加熱手段３として、この実施形態では高周波加熱装置が用いられている。この高周波加熱装置を通過する間に鋼管は７６０〜８４５℃まで加熱され、保温炉４において１分以上保持される。その後に水冷手段５において周囲から冷却水を噴射し、２０℃／秒以上の冷却速度で３００℃以下まで急冷することによって、フェライト中にマルテンサイトを分散させた複合組織とする。図２にこの熱処理条件を示した。

図１に示すように熱処理される鋼管１は先端が低い位置にあり、冷却水が内部に浸入して逆流しにくいように工夫されているが、それでも完全に冷却水の浸入を防止することは不可能である。そこで本発明では図３、図４に示すように、鋼管１の一端を拡開したうえその内周面にメネジを切り、また鋼管１の他端はテーパ状に縮径してその外周面に対応するオネジを切って、鋼管１の端部どうしを直接ネジ結合する。このようにして前工程において鋼管１を直列につないだうえで上記の熱処理装置に通せば、鋼管１の端部から冷却水が浸入して逆流する可能性はゼロとなり、冷却水の浸入による熱処理不良が解消される。なお、接続部分は二重になるため肉厚が厚くなるが、２０℃／秒以上の冷却速度を確保できれば支障はない。

このように、鋼管１どうしをネジ結合したうえでフルボディの熱処理を施すことは従来は全く知られていない。熱処理が終了したのち、ネジ結合を解除すれば再び１本ずつの鋼管として出荷することができる。このようにネジを利用すれば結合と分離とが容易に行えるため、溶接による接合に比較して作業性がよくなる。

鋼管１を連結する例として、上記のように鋼管１の端部どうしをネジ結合した場合について説明したが、その他、鋼管１の端部どうしを連結部材６を介して連結することもできる。連結部材６としては、以下のようなものがある。
図５のものは、円筒状の本体部７の両側部内周面に徐々に内径が小さくなるテーパ部７ａ、７ａが形成されており、このテーパ部７ａに鋼管１の端部を縮径させつつ圧入して連結する構造となっている。図６のものは、円柱状の本体部８の両側部外周面に徐々に外径が小さくなるテーパ部８ａ、８ａが形成されており、このテーパ部８ａに鋼管１の端部を拡径させつつ圧入して連結する構造となっている。図７のものは、円筒状の本体部９の両側部に複数個のスリット９ａ、９ａが設けられているとともに、リング９ｂ（図７では、片側のリングのみを表示してある）が装着されており、鋼管１の端部を本体部９内に挿入後、前記リング９ｂを端部側へスライド移動させることによりスリット部を縮径するように絞って鋼管１を固定し連結する構造となっている。
また図８のものは、２個リング１０、１０間にある角度でスプリングワイヤ１１を張ったもので、鋼管１が差し込まれるとスプリングワイヤ１１が引き延ばされて鋼管１を包み込むように接触し、鋼管１の端部どうしを連結する構造となっている。

これら図５〜８に示した連結部材６では、鋼管１の端部どうしを簡単に連結することができ、また後工程での分離も簡単に行うことができる。更に、図５〜６のものでは、鋼管１の端部が連結部材６と密着した状態となっており、また図７のものでは、鋼管１の端部が円筒状の本体部９で覆われた状態となっているので、鋼管１の端部から冷却水が浸入して逆流する可能性はゼロとなり、冷却水の浸入による熱処理不良が解消される。
また図８のものでは、連結部材６による防水効果はないが、鋼管１の端部どうしを密接した状態で連結しておけば冷却水の浸入を防止することができる。尚、連結部材６は以上の形状に限らず、着脱容易で高温に耐え、水の浸入を防ぐ能力があるものであれば、他の形状、構造でも構わない。

得られた鋼管は、全体がデュアルフェーズ鋼の鋼組織であり、加工性と強度とを両立させた拡管用鋼管である。なお加工性については２５〜３０％の拡管率を達成することができ、強度については６００ＭＰａ以上を達成することができた。しかもこの組織はフェライト中に固溶した炭素の効果で、再度加工すると強度が更に高くなるから、地中に埋設した状態で拡管を行えば、高い圧壊強度を持たせることが可能である。

Ｃ：０．０６％、Ｓｉ：０．２％、Ｍｎ：１．３％、Ｐ：０．００５％未満、Ｓ：０．００３％、Ｎｂ：０．０３％、Ｖ：０．０２％、ＡＬ：０．００３％、Ｎ：０．００３％、Ｔｉ：０．０２％、Ｃａ：２０ｐｐｍ、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、長さが１２ｍ、外径３００ｍｍ，板厚１１ｍｍの電縫鋼管を、図３に示したようにネジ結合した。接合部の長さは約３００ｍｍである。接合された鋼管を水平面に対して４°の傾斜を持たせたローラによって０．４ｍ／分の速度で熱処理装置に通し、出力８００ｋＷの高周波加熱装置によって８００℃に加熱し、保温炉で９０秒間にわたり温度保持したうえ、冷却水を毎分２ｍ^３の流量で周囲から吹き付けて３００℃以下まで急冷した。冷却速度は約２５℃/秒である。

熱処理された鋼管のネジ結合を解除し、引張強度及び最大拡管率を測定したところ、それぞれ７００ＭＰａ、２７％であり、管端部分についても中央部分と特性差は認められなかった。

実施例１と同じ電縫鋼管を、図５に示したような連結部材を介して連結した。連結した鋼管を実施例１と同様に高周波加熱装置によって加熱処理し、次いで保温炉で温度保持したうえ、冷却水を周囲から吹き付けて急冷した。
上記の熱処理後において鋼管から連結部材を外し、得られた鋼管の引張強度及び最大拡管率を測定した結果は、実施例１と同様の数値が得られたことが確認され、また管端部分についても中央部分と特性差は認められなかった。

１鋼管
２ローラ
３加熱手段
４保温炉
５水冷手段
６連結部材
７円筒状の本体部
８円柱状の本体部
９円筒状の本体部

Claims

鋼管の端部どうしを、鋼管の一方の端部を拡径し、それに向かい合う鋼管または連結材の一端を縮管して連結した状態で鋼管を熱処理設備に連続的に送り込み、鋼管の全体に対して冷却水による急冷を伴う熱処理を行うことを特徴とする鋼管の連続熱処理方法。
鋼管の一方の端部を拡径し、その内周面にメネジを切って他の鋼管とネジ結合して連結することを特徴とする請求項１記載の鋼管の連続熱処理方法。
鋼管の端部どうしを連結部材を介して連結する際に、鋼管の端が拡管−拡管の組み合わせの場合、それらの鋼管の端に向かい合う連結材の端部が縮管−縮管の組み合わせであることを特徴とする請求項１記載の鋼管の連続熱処理方法。
鋼管の端部どうしを連結部材を介して連結する際に、鋼管の端が縮管−縮管の組み合わせの場合、それらの鋼管の端に向かい合う連結材の端部が拡管−拡管の組み合わせで連結した状態で鋼管を熱処理設備に連続的に送り込み、鋼管の全体に対して冷却水による急冷を伴う熱処理を行うことを特徴とする鋼管の連続熱処理方法。
熱処理の後、鋼管相互間の連結を解除することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鋼管の連続熱処理方法。
熱処理設備が、加熱手段と、保温炉と、水冷手段とを備えたものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の鋼管の連続熱処理方法。
熱処理により、フェライト中にマルテンサイトを分散させた複合組織を生じさせることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の鋼管の連続熱処理方法。
鋼管が、油井管として用いられる拡管用鋼管であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の鋼管の連続熱処理方法。