JP6229794B2 - 油井用継目無ステンレス鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(a)金属間化合物には高濃度のMoが存在している、
(b)金属間化合物の粒径が継目無ステンレス鋼管の靭性に多大な影響を及ぼす、
(c)単位面積(mm2)あたりの金属間化合物の個数(以下、密度という)は、少ないことが望ましく、この密度は、継目無ステンレス鋼管のMoの含有量[%Mo](質量%)と焼戻しの保持時間t(分)とを用いて算出されるパラメーターP(Mo,t)=[%Mo]×(t+550)に依存して変化するという知見を得た(図1参照)。
[%Cr]+0.65[%Ni]+0.6[%Mo]+0.3[%W]+0.55[%Cu]−20[%C]≧19.5・・・(1)
[%Cr]+[%Mo]+0.5[%W]+0.3[%Si]−43.5[%C]−0.4[%Mn]−[%Ni]
−0.3[%Cu]−9[%N]≧11.5・・・(2)
[%Mo]×(t+550)≦2100・・・(3)
[%C]、[%Si]、[%Mn]、[%Cr]、[%Mo]、[%Ni]、[%N]、[%W]、[%Cu]:それぞれの元素の含有量(質量%)であり、含有しない場合はゼロとする。
t:焼戻しの保持時間(分)
[%Cr]+0.65[%Ni]+0.6[%Mo]+0.3[%W]+0.55[%Cu]−20[%C]≧19.5・・・(1)
[%Cr]+[%Mo]+0.5[%W]+0.3[%Si]−43.5[%C]−0.4[%Mn]−[%Ni]
−0.3[%Cu]−9[%N]≧11.5・・・(2)
[%C]、[%Si]、[%Mn]、[%Cr]、[%Mo]、[%Ni]、[%N]、[%W]、[%Cu]:それぞれの元素の含有量(質量%)であり、含有しない場合はゼロとする。
Cは、油井用継目無ステンレス鋼管の強度を高める作用を有する元素であり、C含有量が0.005%未満ではその効果が得られない。一方、C含有量が0.06%を超えると、耐食性が著しく低下する。したがって、C含有量は0.005〜0.06%とする。好ましくは、C含有量は0.01〜0.04%である。
Siは、油井用継目無ステンレス鋼管の原材料の溶鋼を溶製する過程で脱酸剤として機能する元素であり、Si含有量が0.05%未満ではその効果が得られない。一方、Si含有量が0.5%を超えると、CO2に起因する腐食が進行し易くなるばかりでなく、油井用継目無ステンレス鋼管の製造過程における熱間加工性が低下する。したがって、Si含有量は0.05〜0.5%とする。好ましくは、Si含有量は0.1〜0.4%である。
Mnは、油井用継目無ステンレス鋼管の強度を高める作用を有する元素であり、Mn含有量が0.2%未満では所望の強度が得られない。一方、Mn含有量が1.8%を超えると、靭性が低下する。したがって、Mn含有量は0.2〜1.8%とする。好ましくは、Mn含有量は0.2〜0.8%である。より好ましくは、Mn含有量は0.2〜0.40%である。
Pは、油井用継目無ステンレス鋼管の耐食性を低下させる元素であり、P含有量が0.03%を超えると、耐食性が著しく低下する。したがって、P含有量は0.03%以下とする。ただし、P含有量を0.005%未満に低減するためには、溶鋼を溶製する過程で脱P処理に長時間を要し、油井用継目無ステンレス鋼管の製造コストの上昇を招く。したがって、P含有量は0.005%以上が好ましい。
Sは、油井用継目無ステンレス鋼管の製造過程における熱間加工性を低下させる元素であり、S含有量が0.005%を超えると、油井用継目無ステンレス鋼管の製造に支障を来す。したがって、S含有量は0.005%以下とする。ただし、S含有量を0.0005%未満に低減するためには、溶鋼を溶製する過程で脱S処理に長時間を要し、油井用継目無ステンレス鋼管の製造コストの上昇を招く。したがって、S含有量は0.0005%以上が好ましい。
Crは、油井用継目無ステンレス鋼管の耐食性を向上させる作用を有する元素であり、特に高温環境におけるCO2に起因する腐食の防止に寄与する。Cr含有量が15.5%未満では、その効果が得られない。一方、Cr含有量が18.0%を超えると、油井用継目無ステンレス鋼管の製造過程における熱間加工性が低下する。また、Cr含有量が18.0%を超えると、油井用継目無ステンレス鋼管の強度が低下する。したがって、Cr含有量は15.5〜18.0%とする。好ましくは、Cr含有量は16.0〜17.5%であり、より好ましくは、Cr含有量は16.5〜17.0%である。
Moは、油井用継目無ステンレス鋼管の耐食性を向上させる作用を有する元素であり、特にCl-に起因する孔食の防止に寄与する。Mo含有量が1.0%未満では、その効果が得られない。一方、Mo含有量が3.5%を超えると、強度が低下する。また、Mo含有量が3.5%を超えると、靭性が低下する。さらに、Mo含有量が3.5%を超えると、油井用継目無ステンレス鋼管の製造コストの上昇を招く。したがって、Mo含有量は1.0〜3.5%とする。好ましくは、Mo含有量は1.5〜3.0%である。より好ましくは、Mo含有量は2.0〜3.0%である。
[%Mo]×(t+550)≦2100・・・(3)
[%Mo]:Moの含有量(質量%)である。
t:焼戻しの保持時間(分)
Niは、油井用継目無ステンレス鋼管の耐食性を向上させ、かつ強度を高める作用を有する元素である。Ni含有量が1.5%未満では、その効果が得られない。一方、Ni含有量が5.0%を超えると、マルテンサイト相が生成され難くなり、油井用継目無ステンレス鋼管の強度が低下する。したがって、Ni含有量は1.5〜5.0%とする。好ましくは、Ni含有量は3.0〜4.5%である。より好ましくは、Ni含有量は3.0〜4.0%である。
Vは、油井用継目無ステンレス鋼管の耐食性を向上させ、かつ強度を高める作用を有する元素である。V含有量が0.02質量%未満では、その効果が得られない。一方、V含有量が0.2質量%を超えると、靭性が低下する。したがって、V含有量は0.02〜0.2%とする。好ましくは、V含有量は0.03〜0.08%である。
Alは、油井用継目無ステンレス鋼管の原材料の溶鋼を溶製する過程で脱酸剤として機能する元素であり、Al含有量が0.002%未満ではその効果が得られない。一方、Al含有量が0.05%を超えると、アルミナ系介在物が析出し易くなり、油井用継目無ステンレス鋼管の製造過程における熱間加工性が低下する。また、Al含有量が0.05%を超えると、靭性が低下する。したがって、Al含有量は0.002〜0.05%とする。好ましくは、Al含有量は0.01〜0.04%である。
Nは、油井用継目無ステンレス鋼管の耐食性を向上させる作用を有する元素であり、N含有量が0.01%未満ではその効果が得られない。一方、N含有量が0.15%を超えると、種々の元素と結合して窒化物を析出するので、油井用継目無ステンレス鋼管の靭性が低下する。したがって、N含有量は0.01〜0.15%とする。
O(酸素)は、油井用継目無ステンレス鋼管中に酸化物として存在し、熱間加工性のみならず靭性、耐食性に悪影響を及ぼす元素であり、O含有量が0.006%を超えると、熱間加工性の低下、靭性の劣化、耐食性の低下を引き起こす。したがって、O含有量は0.006%以下とする。好ましくは、O含有量は0.005%以下である。
Wは、Moと同様に、油井用継目無ステンレス鋼管の耐食性を向上させる作用を有する元素であり、特にCl-に起因する孔食の防止に寄与する。しかし、W含有量が3.0%を超えると、油井用継目無ステンレス鋼管の靭性が低下する。したがって、Wを含有する場合は、W含有量は3.0%以下とする。一方、Wを含有する場合に、W含有量が0.5%未満では、耐食性を向上させる効果が得られないので、0.5%以上とする。したがって、W含有量は0.5〜3.0%とし、0.5〜2.5%が好ましい。より好ましくは、W含有量は0.5〜1.0%である。
[%Cr]+0.65[%Ni]+0.6[%Mo]+0.3[%W]+0.55[%Cu]−20[%C]≧19.5・・・(1)
[%Cr]+[%Mo]+0.5[%W]+0.3[%Si]−43.5[%C]−0.4[%Mn]−[%Ni]
−0.3[%Cu]−9[%N]≧11.5・・・(2)
Cr、Ni、Mo、W、Cu、Cの含有量が(1)式を満足((1)式の左辺の値が19.5以上)すれば、CO2とCl-を含有する腐食環境において、しかも高温(ただし230℃まで)であっても、十分な耐食性を有する油井用継目無ステンレス鋼管を得ることができる。なお、耐食性のさらなる向上を図る観点から、上記の(1)式の左辺の値は、20.0以上であることが好ましい。
また、Cr、Mo、W、Si、C、Mn、Ni、Cu、Nの含有量が(2)式を満足((2)式の左辺の値が11.5以上)すれば、油井用継目無ステンレス鋼管の製造過程において、十分な熱間加工性を得ることができる。なお、熱間加工性のさらなる向上を図る観点から、上記の(2)式の左辺の値は、12.5以上であることが好ましい。
Caは、硫化物系介在物を球状化する作用を有する元素である。硫化物系介在物を球状化することによって、その周辺の格子歪が小さくなるので、Hのトラップを抑制し、油井用継目無ステンレス鋼管の耐食性の向上に寄与する。しかし、Ca含有量が0.01%を超えると、酸化物系介在物が増加し、耐食性が低下する。したがって、Ca含有量は0.01%以下が好ましい。一方、Ca含有量が0.0005%未満では、耐食性を向上する効果が得られないので、0.0005〜0.01%がより好ましい。
[%Mo]×(t+550)≦2100・・・(3)
[%Mo]:Moの含有量(質量%)である。
t:焼戻しの保持時間(分)
γ相の体積率(%)=100/<1+{(Iα×Rγ)/(Iγ×Rα)}>
Iα:α相の積分強度
Iγ:γ相の積分強度
Rα:α相の結晶学的理論計算値
Rγ:γ相の結晶学的理論計算値
また、M相の分率(体積率)は、α相とγ相以外の残部として算出する。
[%Cr]+0.65[%Ni]+0.6[%Mo]+0.3[%W]+0.55[%Cu]−20[%C]≧19.5・・・(1)
[%Cr]+[%Mo]+0.5[%W]+0.3[%Si]−43.5[%C]−0.4[%Mn]−[%Ni]
−0.3[%Cu]−9[%N]≧11.5・・・(2)
焼入れおよび焼戻しを施した継目無鋼管の肉厚中央部から組織観察用試験片を採取し、肉厚方向断面を研磨した後に、ビレラエッチング液で腐食して、光学顕微鏡(100〜1000倍)を用いて組織写真を撮影した。その組織写真からマルテンサイト相(以下、M相と記す)、フェライト相(以下、α相と記す)、オーステナイト相(以下、γ相と記す)を判定し、α相の分率(体積率)を画像解析で算出した。それらの結果を表4に示す。
γ相の体積率(%)=100/<1+{(Iα×Rγ)/(Iγ×Rα)}>
Iα:α相の積分強度
Iγ:γ相の積分強度
Rα:α相の結晶学的理論計算値
Rγ:γ相の結晶学的理論計算値
M相の分率(体積率)は、α相とγ相以外の残部として表4に示す。
焼入れおよび焼戻しを施した継目無鋼管の肉厚中央部から、API規格に準拠して引張方向が管軸方向となるようにAPI弧状引張試験片を採取し、さらにAPI規格に準拠して引張試験を行なって、引張特性として降伏強さYS(MPa)、引張強さTS(MPa)を測定した。その結果を表4に示す。降伏強さYSが758MPa以上のものを合格とし、758MPa未満のものを不合格とした。
焼入れおよび焼戻しを施した継目無鋼管の肉厚中央部から、ISO規格に準拠して、円周方向が試験片長さとなるようにVノッチ試験片(厚さ10mm)を採取し、さらに試験温度を−10℃としてシャルピー衝撃試験を行なって、吸収エネルギーvE-10(J)を測定した。その結果を表4に示す。なお、試験片は、それぞれ3本とし、それらの算術平均値を表4に示す。吸収エネルギーvE-10が40J以上を合格とし、40J未満を不合格とした。
焼入れおよび焼戻しを施した継目無鋼管の肉厚中央部から腐食試験片(厚さ3mm、幅25mm、長さ50mm)を採取し、その重量を測定した。さらに、その試験片をオートクレーブ中に保持された20質量%NaCl水溶液(液温230℃、3.0MPaのCO2ガスで飽和)中に14日間浸漬して腐食試験を行なった。腐食試験が終了した後、腐食試験片の重量を測定して、腐食試験の前後の重量減少量を厚さに換算して、腐食速度(mm/年)を求めた。その結果を表4に示す。腐食速度が0.127mm/年以下のものを合格とし、0.127mm/年超えのものを不合格とした。
Claims (6)
- 質量%で、C:0.005〜0.06%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.2〜1.8%、P:0.03%以下、S:0.005%以下、Cr:15.5〜18.0%、Mo:1.0〜3.5%、Ni:1.5〜5.0%、V:0.02〜0.2%、Al:0.002〜0.05%、N:0.01〜0.15%、O:0.006%以下を含有し、さらにW:0.5〜3.0%、Cu:0.5〜3.5%の中から選ばれた1種または2種を含有し、かつ前記C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、N、W、Cuの含有量が下記の(1)式および(2)式を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するビレットを加熱し、さらに熱間加工を施して継目無鋼管とし、該継目無鋼管を空冷以上の冷却速度で室温まで冷却した後に、前記継目無鋼管を850℃以上960℃以下に加熱し、引き続き40℃以下まで空冷以上の冷却速度で冷却して焼入れを行ない、次いで600℃以下かつ下記の(3)式を満足する保持時間で焼戻しを行なう、10〜60体積%のフェライト相、0〜20体積%のオーステナイト相、および残部がマルテンサイト相からなり、前記マルテンサイト相に存在する粒径が0.5μm以上の金属間化合物の密度が2×10 4 個/mm 2 以下である組織を有する油井用継目無ステンレス鋼管の製造方法。
[%Cr]+0.65[%Ni]+0.6[%Mo]+0.3[%W]+0.55[%Cu]−20[%C]≧19.5 ・・・(1)
[%Cr]+[%Mo]+0.5[%W]+0.3[%Si]−43.5[%C]−0.4[%Mn]−[%Ni]
−0.3[%Cu]−9[%N]≧11.5・・・(2)
[%Mo]×(t+550)≦2100・・・(3)
[%C]、[%Si]、[%Mn]、[%Cr]、[%Mo]、[%Ni]、[%N]、[%W]、[%Cu]:それぞれの元素の含有量(質量%)であり、含有しない場合はゼロとする。
t:焼戻しの保持時間(分) - 前記ビレットが、前記組成に加えて、質量%で、Nb:0.2%以下、Ti:0.3%以下、Zr:0.2%以下、B:0.01%以下の中から選ばれた1種または2種以上を含有する請求項1に記載の油井用継目無ステンレス鋼管の製造方法。
- 前記ビレットが、前記組成に加えて、質量%で、Ca:0.01%以下を含有する請求項1または2に記載の油井用継目無ステンレス鋼管の製造方法。
- 質量%で、C:0.005〜0.06%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.2〜1.8%、P:0.03%以下、S:0.005%以下、Cr:15.5〜18.0%、Mo:1.0〜3.5%、Ni:1.5〜5.0%、V:0.02〜0.2%、Al:0.002〜0.05%、N:0.01〜0.15%、O:0.006%以下を含有し、さらにW:0.5〜3.0%、Cu:0.5〜3.5%の中から選ばれた1種または2種を含有し、かつ前記C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、N、W、Cuの含有量が下記の(1)式および(2)式を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつ10〜60体積%のフェライト相、0〜20体積%のオーステナイト相、および残部がマルテンサイト相からなり、前記マルテンサイト相に存在する粒径が0.5μm以上の金属間化合物の密度が2×104個/mm2以下である組織を有する油井用継目無ステンレス鋼管。
[%Cr]+0.65[%Ni]+0.6[%Mo]+0.3[%W]+0.55[%Cu]−20[%C]≧19.5 ・・・(1)
[%Cr]+[%Mo]+0.5[%W]+0.3[%Si]−43.5[%C]−0.4[%Mn]−[%Ni]
−0.3[%Cu]−9[%N]≧11.5・・・(2)
[%C]、[%Si]、[%Mn]、[%Cr]、[%Mo]、[%Ni]、[%N]、[%W]、[%Cu]:それぞれの元素の含有量(質量%)であり、含有しない場合はゼロとする。 - 前記組成に加えて、質量%で、Nb:0.2%以下、Ti:0.3%以下、Zr:0.2%以下、B:0.01%以下の中から選ばれた1種または2種以上を含有する請求項4に記載の油井用継目無ステンレス鋼管。
- 前記組成に加えて、質量%で、Ca:0.01%以下を含有する請求項4または5に記載の油井用継目無ステンレス鋼管。
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