JP5837436B2 - 継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法に関し、特に降伏強度６５５ＭＰａ以上７５８ＭＰａ未満の強度と−２０℃における良好なシャルピー衝撃値を有する、高強度・高靱性のマルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法に関する。
発展途上国における産業、民生用エネルギー需要の拡大に伴い、原油価格は年々高騰している。そのため、天然ガスおよび石油の試掘、掘削が活発化する北海、東南アジア等の油井はますます高深度化してきている。
油井の高深度化は、高温高圧に加え、炭酸ガスを含むスウィート環境や炭酸ガスと硫化水素とを同時に含むサワー環境への遭遇を増加させる。この中で、硫化水素濃度の低いスウィート環境下では、いわゆる０．２％Ｃ−１３％Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼が広く使用され、その需要も増大している。
１３％Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＩＳＯ １３６９０、ＡＩＳＩ４２０、ＡＰＩ８０ksi〜９５ksiグレードとして規定されている。しかし近年、これらの規格で定められる鋼は、北海をはじめとした寒冷地の油井で使用されるケースも増えており、この場合は特に、−２０℃という低温においても靭性が良好なことが要求される。しかし、通常の１３％Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼では降伏強度が６５５ＭＰａ以上になると、低温靭性が著しく低下する問題がある。
そのため、降伏強度６５５ＭＰａ以上の高強度１３％Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼油井管が要求される場合には、低温靭性を確保するために、Ｃ含有量が０．０５％以下である低Ｃ−１３％Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼が使用されてきた。しかし、低Ｃ−１３％Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼は、高強度を確保するために高価なＮｉやＭｏを多量に添加する必要があり、０．２％Ｃ−１３％Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼と比べて素材コストが高くなるという問題がある。
０．２％Ｃ−１３％Ｃｒ鋼として、特許文献１では靭性に優れた油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼が提案されている。特許文献１では、重量基準でＡｌを０．０３％以下、Ｎを０．０１５％〜０．０３０％の範囲で添加し、かつΔＮ＝Ｔｏｔａｌ Ｎ％−（１４／２７）Ａｌ％≧０．００５０を満たす範囲に両元素を制御することにより、降伏強度が５５２ＭＰａ以上で、シャルピー遷移温度が−２０℃以下である、高強度でかつ靭性に優れた油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼が得られることが開示されている。しかし、特許文献１では降伏強度６６７ＭＰａのマルテンサイト系ステンレス鋼のシャルピー遷移温度が−２０℃であり、この温度におけるシャルピー衝撃吸収エネルギーのばらつきは大きくなる。そのため特許文献１に記載の発明の技術的思想では、当該思想に基づいて降伏強度６５５ＭＰａ以上７５８ＭＰａ未満のマルテンサイト系ステンレス鋼を製造した場合に、それについて−２０℃という低温における安定的に良好な靭性は期待できない。
さらに、特許文献２には、質量％で、Ｃ：０．１７〜０．２２％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．２５〜１．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：１２〜１４％、Ｎｉ：０．１４〜０．５％、Ｎ：０．０６％以下、Ｎｂ：０．０２〜０．０７％を含み、あるいはさらにＶ：０．２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつ降伏強さ：７５８ＭＰａ以上の高強度と−１０℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギーｖＥ−１０：５０Ｊ以上の高靱性とを有することを特徴とする強度−靱性バランスに優れた油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管が開示されている。
また、当該文献の実施例及び比較例においては、７５８ＭＰａ以上という非常に強度の高いグレードの鋼において、該文献で指定される範囲の量のＮｂを添加することによって、靭性が高まることが示されている。
しかしながら、前記実施例で達成された靭性は、最大でも−１０℃でのシャルピー吸収エネルギーｖＥ−１０として８０Ｊというものであり、−２０℃というさらなる低温においてはこの数値は下がる。そのため特許文献２に開示された技術では、−２０℃という低温における十分な靭性は期待できない。
本発明では上記した従来技術の問題を解決し、寒冷地にあり高深度でかつ湿潤炭酸ガスを含むスウィート環境下の油田・ガス田の油井管用鋼管として使用するのに好適かつ安価な、高強度・高靭性な継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは上記の従来技術の問題点を解決するために０．２％Ｃ−１３％Ｃｒ鋼の靭性に及ぼす添加元素の影響等を詳細に調査した。その結果、Ｔａを適正量含有させることで降伏強度６５５ＭＰａ以上７５８ＭＰａ未満のマルテンサイト系ステンレス鋼においても優れた低温靭性が得られることを見出した。本発明は上記した知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明は下記（１）に示す継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼ならびに（２）および（３）に示す継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法である。
（１）重量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５、Ｓｉ：１．０以下、Ｍｎ：０．２５〜１．０、Ｐ：０．０３以下、Ｓ：０．０１以下、Ｃｒ：１２．０〜１４．０、Ｔａ：０．００５〜０．０５、Ａｌ：０．１０以下、Ｎ：０．０１〜０．０６を含み、さらに、重量％で、Ｍｏ：０．１〜０．５、Ｎｂ：０．００５〜０．０６、Ｖ：０．０３〜０．２０、Ｎｉ：０．１〜０．７、およびＣｕ：０．１〜０．７からなる群より選ばれる少なくとも１種を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物である、継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼。
（２）（１）に記載の化学組成を有する鋼を熱間圧延後に常温まで冷却し、次に、８８０℃以上１０００℃以下の温度範囲で加熱した後に焼入れし、６００℃以上７５０℃以下の温度範囲で焼戻しを行う、継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
（３）前記焼入れの加熱温度範囲が、８８０℃以上９５０℃以下である、（２）に記載の継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
本発明によれば、降伏強度６５５ＭＰａ以上７５８ＭＰａ未満の高強度と−２０℃における良好なシャルピー衝撃値を有する、高強度・高靱性の継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法を提供することができる。
本発明に係る継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼は、特定の化学組成を有する鋼に、特定の温度範囲で焼き入れおよび焼戻し処理を施すことにより得ることができる。
以下、本発明に係る継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼の化学組成を上記のように限定した理由について説明する。なお、以下に示される各元素の数値範囲（％）は、特に断りのない限り鋼全体を１００％とする重量基準の値である。
＜Ｃ：０．１５〜０．２５％＞
Ｃは、オーステナイト安定化元素であり、マルテンサイト相を得るために有効な元素である。Ｃが０．１５％未満では、鋼の主たる熱間加工温度域でデルタフェライト相が生成しやすくなり、熱間加工性を損なうため、下限を０．１５％とする。
Ｃは、オーステナイト安定化元素であり、マルテンサイト相を得るために有効な元素である。Ｃが０．１５％未満では、鋼の主たる熱間加工温度域でデルタフェライト相が生成しやすくなり、熱間加工性を損なうため、下限を０．１５％とする。
また、Ｃが０．２５％を超えると、焼戻し時にＣｒ炭化物の析出量が増加し、靭性を低下させることから、上限を０．２５％とする。
＜Ｓｉ：１．０％以下＞
Ｓｉは製鋼工程において脱酸剤として必要であるが、強力なフェライト安定化元素であることから、上限を１．０％とする。
Ｓｉは製鋼工程において脱酸剤として必要であるが、強力なフェライト安定化元素であることから、上限を１．０％とする。
＜Ｍｎ：０．２５〜１．０％＞
Ｍｎは製鋼工程において脱酸、脱硫剤として有効な元素であるとともに、オーステナイト安定化元素であるが、０．２５％未満ではその効果は十分でないため、下限を０．２５％とする。また、１．０％を超えても前述の効果は飽和することから、上限を１．０％とする。
Ｍｎは製鋼工程において脱酸、脱硫剤として有効な元素であるとともに、オーステナイト安定化元素であるが、０．２５％未満ではその効果は十分でないため、下限を０．２５％とする。また、１．０％を超えても前述の効果は飽和することから、上限を１．０％とする。
＜Ｐ：０．０３％以下＞
Ｐは鋼に不可避的に混入される不純物元素であるが、熱間加工性を低下させるとともに、熱処理時に粒界に偏析して鋼の靭性を劣化させる。このため、極力含有量を低減させることが望ましいが、製造コストの点から０．０３％以下とする。
Ｐは鋼に不可避的に混入される不純物元素であるが、熱間加工性を低下させるとともに、熱処理時に粒界に偏析して鋼の靭性を劣化させる。このため、極力含有量を低減させることが望ましいが、製造コストの点から０．０３％以下とする。
＜Ｓ：０．０１％以下＞
Ｓは鋼に不可避的に混入される不純物元素であるが、継目無鋼管の製管時における割れや疵の発生防止と、シャルピー衝撃値向上のために０．０１％以下とする。
Ｓは鋼に不可避的に混入される不純物元素であるが、継目無鋼管の製管時における割れや疵の発生防止と、シャルピー衝撃値向上のために０．０１％以下とする。
＜Ｃｒ：１２．０〜１４．０％＞
Ｃｒは鋼の耐食性を向上させる基本元素であり、十分な耐食性を得るためには１２．０％以上の含有量が必要であるため、下限を１２．０％とする。また、含有量が多くなるとデルタフェライトが生成しやすくなることから、上限を１４．０％とする。
Ｃｒは鋼の耐食性を向上させる基本元素であり、十分な耐食性を得るためには１２．０％以上の含有量が必要であるため、下限を１２．０％とする。また、含有量が多くなるとデルタフェライトが生成しやすくなることから、上限を１４．０％とする。
＜Ｔａ：０．００５〜０．０５％＞
Ｔａは鋼の靭性を飛躍的に改善させる、本発明の必須元素である。Ｔａが０．００５％未満ではその効果は十分でないため、下限を０．００５％とする。また、０．０５％を超えると前述の効果は飽和するため、上限を０．０５％とする。Ｔａの効果の発揮の観点から、その化学組成は、好ましくは０．０１１〜０．０４６％である。
Ｔａは鋼の靭性を飛躍的に改善させる、本発明の必須元素である。Ｔａが０．００５％未満ではその効果は十分でないため、下限を０．００５％とする。また、０．０５％を超えると前述の効果は飽和するため、上限を０．０５％とする。Ｔａの効果の発揮の観点から、その化学組成は、好ましくは０．０１１〜０．０４６％である。
特に、降伏強度６５５ＭＰａ以上７５８ＭＰａ未満のマルテンサイト系ステンレス鋼というグレードにおいてＴａ添加の効果は顕著である。
＜Ａｌ：０．１０％以下＞
Ａｌは、製鋼工程において使用される強力な脱酸剤であるが、０．１０％を超えると、鋼の靭性を劣化させるため、上限を０．１０％とする。
Ａｌは、製鋼工程において使用される強力な脱酸剤であるが、０．１０％を超えると、鋼の靭性を劣化させるため、上限を０．１０％とする。
＜Ｎ：０．０１〜０．０６％＞
Ｎは強力なオーステナイト安定化元素であるが、０．０１％未満ではその効果は十分でないため、下限を０．０１％とする。また、０．０６％を超えると、鋼の熱間加工性および靭性を損なうため、上限を０．０６％とする。
Ｎは強力なオーステナイト安定化元素であるが、０．０１％未満ではその効果は十分でないため、下限を０．０１％とする。また、０．０６％を超えると、鋼の熱間加工性および靭性を損なうため、上限を０．０６％とする。
［その他の元素］
本発明では、上記した各元素に加えて、さらにＭｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕの１種または２種以上を鋼に含有させることができる。以下、これらの各元素について説明する。
本発明では、上記した各元素に加えて、さらにＭｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕの１種または２種以上を鋼に含有させることができる。以下、これらの各元素について説明する。
＜Ｍｏ：０．１〜０．５％＞
Ｍｏは鋼の耐食性、とりわけ耐孔食性向上に有効な元素であるが、０．１％未満ではその効果は十分でないため、下限を０．１％とする。また、０．５％を超えると、デルタフェライトが生成しやすくなるため、上限を０．５％とする。
Ｍｏは鋼の耐食性、とりわけ耐孔食性向上に有効な元素であるが、０．１％未満ではその効果は十分でないため、下限を０．１％とする。また、０．５％を超えると、デルタフェライトが生成しやすくなるため、上限を０．５％とする。
＜Ｎｂ：０．００５〜０．０６％およびＶ：０．０３〜０．２０％＞
Ｎｂ、Ｖは強力な炭化物、窒化物形成元素であり、再加熱時のオーステナイト結晶粒の微細化に有効であるが、Ｎｂは０．００５％未満、Ｖは０．０３％未満ではその効果は十分ではないため、下限をＮｂ：０．００５％、Ｖ：０．０３％とする。またＮｂは０．０６％を超えると、Ｖは０．２０％を超えるとそれらの効果が飽和してしまうため、上限をＮｂ：０．０６％、Ｖ：０．２０％とする。
Ｎｂ、Ｖは強力な炭化物、窒化物形成元素であり、再加熱時のオーステナイト結晶粒の微細化に有効であるが、Ｎｂは０．００５％未満、Ｖは０．０３％未満ではその効果は十分ではないため、下限をＮｂ：０．００５％、Ｖ：０．０３％とする。またＮｂは０．０６％を超えると、Ｖは０．２０％を超えるとそれらの効果が飽和してしまうため、上限をＮｂ：０．０６％、Ｖ：０．２０％とする。
＜Ｎｉ：０．１〜０．７％＞
Ｎｉはオーステナイト安定化元素であり、デルタフェライトの生成を抑制するのに有効であることに加え、鋼の耐食性および靭性向上に有効な元素であるが、０．１％未満ではその効果は十分ではないため、下限を０．１％とする。また、０．７％を超えて添加すると、製造コストの増加を招くほか、鋼のＡｃ１点を低下させ焼戻し温度の確保が難しくなるので、上限を０．７％とする。
Ｎｉはオーステナイト安定化元素であり、デルタフェライトの生成を抑制するのに有効であることに加え、鋼の耐食性および靭性向上に有効な元素であるが、０．１％未満ではその効果は十分ではないため、下限を０．１％とする。また、０．７％を超えて添加すると、製造コストの増加を招くほか、鋼のＡｃ１点を低下させ焼戻し温度の確保が難しくなるので、上限を０．７％とする。
＜Ｃｕ：０．１〜０．７％＞
ＣｕはＭｏと同様に鋼の耐食性を改善する元素であるが、０．１％未満ではその効果は十分ではないため、下限を０．１％とする。また、鋼の熱間加工性を勘案して上限は０．７％とする。
ＣｕはＭｏと同様に鋼の耐食性を改善する元素であるが、０．１％未満ではその効果は十分ではないため、下限を０．１％とする。また、鋼の熱間加工性を勘案して上限は０．７％とする。
＜残部＞
本発明において使用される鋼について、以上説明した元素以外の残部は、鉄Ｆｅおよび不可避的不純物、例えばＯ、Ｈ等のガス成分や、Ａｓ、Ｓｂ等の不純物から構成される。
本発明において使用される鋼について、以上説明した元素以外の残部は、鉄Ｆｅおよび不可避的不純物、例えばＯ、Ｈ等のガス成分や、Ａｓ、Ｓｂ等の不純物から構成される。
［継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法］
次に、本発明に係る継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法について説明する。
次に、本発明に係る継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法について説明する。
まず、上記化学組成を有する鋼を転炉や電気炉で溶製し、連続鋳造法等で凝固して得たビレットを熱間圧延し、必要に応じて継目無鋼管に成形した後常温まで冷却し、次に焼入れ焼戻し処理を行う。焼入れ時の再加熱温度は、均一なオーステナイト組織を得ることおよび結晶粒の粗大化を防止するために、８８０℃以上１０００℃以下とする。靭性向上の観点から焼入れ時の再加熱温度は、好ましくは８８０℃以上９５０℃以下である。また−２０℃における良好なシャルピー衝撃値を得るために、焼戻し温度は６００℃以上７５０℃以下とする。
下記表１の符号１に示す化学成分を有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を転炉で溶製し、連続鋳造ビレットから、外径が１７７．８ｍｍで肉厚が１０．３６ｍｍの継目無鋼管を熱間圧延・成形で製造した後、常温まで冷却し、表２に示す条件で熱処理を行い、得られたマルテンサイト系ステンレス鋼管の降伏強度および靭性を評価した。また、それぞれ下記表１の符号２〜２２に示す種々の化学成分を有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を真空溶解炉で溶製し、厚さ１５ｍｍの板を熱間圧延で製造した後、常温まで冷却し、下記表２に示す条件で熱処理を行い、得られたマルテンサイト系ステンレス鋼板の降伏強度および靭性を評価した。
降伏強度は、前記継目無鋼管および鋼板の板厚中央部からＪＩＳ１４Ａ号丸棒試験片（平行部直径６ｍｍ）を採取し、常温での引張試験を行うことにより求めた。
靭性は、前記継目無鋼管および鋼板の板厚中央部からフルサイズのＶノッチシャルピー衝撃試験片（１０ｍｍｘ１０ｍｍｘ５５ｍｍ）を採取し、−２０℃におけるシャルピー衝撃試験を行い、その吸収エネルギーから衝撃値を求めた。
表２に前記熱処理の条件とともに上記の試験結果を示す。降伏強度６５５ＭＰａ以上７５８ＭＰａ未満で、−２０℃におけるシャルピー衝撃値８０Ｊ／ｃｍ２以上を目標性能とする。なお、シャルピー衝撃値８０Ｊ／ｃｍ２以上は、最厳格のスペックである４１Ｊ／ｃｍ２の約２倍であるという理由から定めた数値である。
表２から明らかなように、本発明のマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管および鋼板は、いずれの試験においても優れた特性が得られている。一方、比較例のマルテンサイト系ステンレス鋼板は化学組成が本発明の範囲外となっているものであり、靭性が目標値よりも大きく劣っている。そのため寒冷地での使用には耐えられない。
また、比較鋼１８および２１は、Ｔａを含まないという点で本発明の鋼に該当せず、Ｎｂを含んでいるが、十分な靭性が得られていないことが分かる。
Claims (3)
- 重量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５、Ｓｉ：１．０以下、Ｍｎ：０．２５〜１．０、Ｐ：０．０３以下、Ｓ：０．０１以下、Ｃｒ：１２．０〜１４．０、Ｔａ：０．００５〜０．０５、Ａｌ：０．１０以下、Ｎ：０．０１〜０．０６を含み、さらに、重量％で、Ｍｏ：０．１〜０．５、Ｎｂ：０．００５〜０．０６、Ｖ：０．０３〜０．２０、Ｎｉ：０．１〜０．７、およびＣｕ：０．１〜０．７からなる群より選ばれる少なくとも１種を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物である、継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼。
- 請求項１に記載の化学組成を有する鋼を熱間圧延後に常温まで冷却し、次に、８８０℃以上１０００℃以下の温度範囲で加熱した後に焼入れし、６００℃以上７５０℃以下の温度範囲で焼戻しを行う、継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
- 前記焼入れの加熱温度範囲が、８８０℃以上９５０℃以下である、請求項２に記載の継目無油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
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