JP6828557B2 - 低合金油井用継目無鋼管 - Google Patents
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Description
本発明は、低合金油井用継目無鋼管に関する。
油井用鋼管は、油井やガス井（以下、油井とガス井とを総じて油井と称する。）のケーシングやチュービングとして使用される。近年、石油資源エネルギーの枯渇への懸念から、油井の開発環境は過酷化している。採掘する油井の高深度化のため、７５８ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）級以上の降伏強度が求められており、さらに寒冷地での使用を考慮して、低温靱性への要求も高まりつつある。
油井用鋼管は、熱間製管後に焼入れ焼戻しによる熱処理を行って製造される。熱処理のパターンとして、オフライン熱処理とインライン熱処理とがある。オフライン熱処理は、熱間製管後に一度室温付近まで冷却した鋼管をオフラインの熱処理炉でＡｃ３変態点以上のオーステナイト温度域に再加熱して急冷する再加熱焼入れと、Ａｃ１変態点以下での焼戻しと含む。インライン熱処理は、熱間製管後に室温まで冷却せずに、熱間圧延後の鋼管の温度を利用してＡｒ３変態点以上の温度から急冷する直接焼入れと、Ａｃ１変態点以下での焼戻しと含む。
オフライン熱処理された油井用鋼管は、再加熱時の逆変態によってオーステナイト粒が微細化されるため、インライン熱処理された油井用鋼管と比較して、強度及び靱性の安定性、並びに耐食性に優れている。しかし、オフライン熱処理はリードタイムが長く生産性に問題があるため、インライン熱処理が採用されるケースも多い。特に、硫化水素を含まない環境で使用される油井用鋼管は、インライン熱処理で製造されるのが一般的である。
インライン熱処理では結晶粒の微細化が困難なため、高強度と高靱性とを両立させるためには、介在物の低減が有効である。具体的には、（１）脱硫処理による低Ｓ化、及び（２）ＣａＳｉ添加によるアルミナクラスターの生成抑制等が行われる。
（１）に関連した技術として、特許第３３８５９６６号公報には、組織を微細化処理することなく、強度と優れた靱性が得られる鋼材の製造方法が記載されている。同文献には、具体的には、ＭｎＳやＴｉＮ等の介在物を低減することが記載されている。
（２）に関連した技術として、特開２００４−５２０７６号公報には、Ａｌ脱酸又はＡｌ−Ｓｉ脱酸した溶鋼中に希土類元素（ＲＥＭ）を添加することによって、酸化物系介在物の形態を制御して、アルミナクラスターの生成を抑制できることが記載されている。
また、特許第５７６５４９７号公報には、介在物の形態を制御して、溶接部の品質を向上させた電縫鋼管が記載されている。具体的には、鋼板の製錬工程において、Ｃａを添加する前にＣｅ及びＬａの少なくとも一方を添加することが記載されている。これによって、介在物を硬質かつ微細なものにすることができ、アップセット時に介在物が延伸されることによる靱性の低下を抑制できると記載されている。
低硫化のための脱硫処理（例えば、Ｓ含有量を２０ｐｐｍ以下にするための脱硫処理）では、製錬工程で溶鋼にＣａＯを投入する。しかし、ＣａＯは高価であり、コスト増加や生産性低下の原因となる。そのため、Ｓ含有量の規制を緩和して脱硫工程を減らしても、必要な強度と靱性とを確保できることが好ましい。
本発明の目的は、Ｓ含有量の規制を緩和しても、必要な強度と靱性と有する低合金油井用継目無鋼管を提供することである。
本発明の一実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００２５〜０．００６０％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、Ｃｒ：０．１〜１．２％、Ｍｏ：０．２５〜１．０％、Ｔｉ：０．００２〜０．０５％、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ：０．００３０％以下、Ｃａ：０．００１０〜０．００３０％、ＲＥＭ：０．００１０〜０．００４０％、Ｖ：０〜０．３０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｃｕ：０〜１．０％、Ｎｉ：０〜１．０％、Ｂ：０〜０．００４０％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径が２．０μｍ以下、アスペクト比が２．０以下である。
本発明によれば、Ｓ含有量の規制を緩和しても、必要な強度と靱性と有する低合金油井用継目無鋼管が得られる。
本発明者らは、上記課題を解決するための手段を検討した。その結果、精錬工程において、溶鋼にＲＥＭを添加し、さらにＣａを添加することで、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の効果が得られることを知見した。
（Ａ）Ａｌ２Ｏ３は、ＦｅＯ、ＦｅＯ・Ａｌ２Ｏ３等の低融点の介在物がバインダーとして作用することで結合し、アルミナクラスターを形成する（図１を参照）。粗大なアルミナクラスターは、鋼の靱性を低下させる。ＲＥＭを添加することで、ＦｅＯが還元されて、アルミナクラスターはＡｌ２Ｏ３とＸ２Ｏ３及び／又はＸ２ＯＳ（ＸはＲＥＭ）とになる（図２を参照）。これによって、粗大なアルミナクラスターの生成を抑制することができる。
（Ｂ）このとき、ＭｎＳ等の硫化物は、生成した非延伸性のＸ２Ｏ３及び／又はＸ２ＯＳを核として晶出し、複合介在物となる（図３を参照）。Ｘ２Ｏ３及び／又はＸ２ＯＳは、硬質かつ微細な酸化物であり、複合するＭｎＳ等の軟質な硫化物系介在物の延伸も抑制する。これによって、硫化物系介在物を無害化することができる。
（Ｃ）ＲＥＭを単独で添加した場合、鋳造の際ノズルが閉塞しやすくなる。ＲＥＭ添加後、さらにＣａを添加することで、ノズルの閉塞を抑制することができる。Ｃａはまた、介在物を球状化する作用もある。そのため、ＭｎＳのさらなる改質にも寄与する。
ＲＥＭ及びＣａの添加量を適正に制御することで、特に上記（Ｂ）の効果により、Ｓ含有量の規制を緩和して脱硫工程を減らしても、鋼中Ｓの多くは複合介在物として生成されることで無害化される。そのため、靱性に影響する有害Ｓの量を低硫鋼と同等にすることができる。これによって、コストの削減や生産性の向上が図れる。
以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態による低合金油井用継目無鋼管を詳述する。
［化学組成］
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
Ｃ：０．２０〜０．５０％
炭素（Ｃ）は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Ｃ含有量が０．２０％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．５０％を超えると、鋼の焼割れ感受性が高くなる。したがって、Ｃ含有量は、０．２０〜０．５０％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．２２％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３０％である。
炭素（Ｃ）は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。Ｃ含有量が０．２０％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．５０％を超えると、鋼の焼割れ感受性が高くなる。したがって、Ｃ含有量は、０．２０〜０．５０％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．２２％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３０％である。
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉ含有量が０．０５％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が０．５０％を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５〜０．５０％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．２０％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉ含有量が０．０５％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が０．５０％を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５〜０．５０％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．２０％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。
Ｍｎ：０．０５〜１．０％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する。Ｍｎ含有量が０．０５％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．０％を超えると、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．０５〜１．０％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．２％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは０．８％であり、さらに好ましくは０．６％である。
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する。Ｍｎ含有量が０．０５％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．０％を超えると、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．０５〜１．０％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．２％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは０．８％であり、さらに好ましくは０．６％である。
Ｐ：０．０３０％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは粒界に偏析して、鋼の靱性を低下させる。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｐ含有量は、好ましくは０．０２０％以下である。
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは粒界に偏析して、鋼の靱性を低下させる。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｐ含有量は、好ましくは０．０２０％以下である。
Ｓ：０．００２５〜０．００６０％
硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは、Ｍｎ等と結合して軟質な硫化物系介在物や酸硫化物系介在物を形成し、鋼の靱性を低下させる。一方、生産性やコストの観点からは、脱硫工程を減らすことが好ましい。本実施形態では、Ｓ含有量を０．００２５〜０．００６０％とする。Ｓ含有量の下限は、好ましくは０．００３０％である。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．００５５％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。
硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは、Ｍｎ等と結合して軟質な硫化物系介在物や酸硫化物系介在物を形成し、鋼の靱性を低下させる。一方、生産性やコストの観点からは、脱硫工程を減らすことが好ましい。本実施形態では、Ｓ含有量を０．００２５〜０．００６０％とする。Ｓ含有量の下限は、好ましくは０．００３０％である。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．００５５％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。
Ａｌ：０．００５〜０．１０％
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌ含有量が０．００５％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が０．１０％を超えると、介在物が粗大化して鋼の靱性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５〜０．１０％である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．０１％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０６％である。本明細書におけるＡｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（いわゆるＳｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌ含有量が０．００５％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が０．１０％を超えると、介在物が粗大化して鋼の靱性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５〜０．１０％である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．０１％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０６％である。本明細書におけるＡｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（いわゆるＳｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。
Ｃｒ：０．１〜１．２％
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する。Ｃｒ含有量が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．２％を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．１〜１．２％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．２％であり、さらに好ましくは０．４％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは１．０％であり、さらに好ましくは０．８％である。
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する。Ｃｒ含有量が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．２％を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．１〜１．２％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．２％であり、さらに好ましくは０．４％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは１．０％であり、さらに好ましくは０．８％である。
Ｍｏ：０．２５〜１．０％
モリブデン（Ｍｏ）は、変態強化と固溶強化とによって鋼の強度を向上させる。Ｍｏ含有量が０．２５％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０．２５〜１．０％である。Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは０．２７％であり、さらに好ましくは０．３％である。Ｍｏ含有量の上限は、好ましくは０．８％であり、さらに好ましくは０．６％である。
モリブデン（Ｍｏ）は、変態強化と固溶強化とによって鋼の強度を向上させる。Ｍｏ含有量が０．２５％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０．２５〜１．０％である。Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは０．２７％であり、さらに好ましくは０．３％である。Ｍｏ含有量の上限は、好ましくは０．８％であり、さらに好ましくは０．６％である。
Ｔｉ：０．００２〜０．０５％
チタン（Ｔｉ）は、ビレットの割れを抑制する。Ｔｉ含有量が０．００２％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｔｉ含有量が０．０５％を超えると、炭化物（ＴｉＣ）を生成して鋼の靱性を低下させる。したがって、Ｔｉ含有量は０．００２〜０．０５％である。Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ｔｉ含有量の上限は、好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０２％である。
チタン（Ｔｉ）は、ビレットの割れを抑制する。Ｔｉ含有量が０．００２％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｔｉ含有量が０．０５％を超えると、炭化物（ＴｉＣ）を生成して鋼の靱性を低下させる。したがって、Ｔｉ含有量は０．００２〜０．０５％である。Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ｔｉ含有量の上限は、好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０２％である。
Ｎ：０．０１％以下
窒素（Ｎ）は不純物である。Ｎは窒化物系介在物を形成し、鋼の靱性を低下させる。したがって、Ｎ含有量は０．０１％以下である。Ｎ含有量はなるべく少ない方が好ましい。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．００６％である。コストの観点から、Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．００１％である。
窒素（Ｎ）は不純物である。Ｎは窒化物系介在物を形成し、鋼の靱性を低下させる。したがって、Ｎ含有量は０．０１％以下である。Ｎ含有量はなるべく少ない方が好ましい。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．００６％である。コストの観点から、Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．００１％である。
Ｏ：０．００３０％以下
酸素（Ｏ）は不純物である。Ｏは酸化物を形成して鋼の靱性を低下させる。したがって、Ｏ含有量は０．００３０％以下である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｏ含有量は、好ましくは０．００２５％以下であり、さらに好ましくは０．００２０％以下である。
酸素（Ｏ）は不純物である。Ｏは酸化物を形成して鋼の靱性を低下させる。したがって、Ｏ含有量は０．００３０％以下である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。Ｏ含有量は、好ましくは０．００２５％以下であり、さらに好ましくは０．００２０％以下である。
Ｃａ：０．００１０〜０．００３０％
カルシウム（Ｃａ）は、鋳造時のノズルの閉塞を抑制する。Ｃａはまた、介在物を球状化することで、靱性の向上にも寄与する。Ｃａ含有量が０．００１０％未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｃａ含有量が０．００３０％を超えると、粗大な酸化物系介在物が生成され、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０．００１０〜０．００３０％である。Ｃａ含有量の下限は、好ましくは０．００１５％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．００２８％である。
カルシウム（Ｃａ）は、鋳造時のノズルの閉塞を抑制する。Ｃａはまた、介在物を球状化することで、靱性の向上にも寄与する。Ｃａ含有量が０．００１０％未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｃａ含有量が０．００３０％を超えると、粗大な酸化物系介在物が生成され、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０．００１０〜０．００３０％である。Ｃａ含有量の下限は、好ましくは０．００１５％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．００２８％である。
ＲＥＭ：０．００１０〜０．００４０％
希土類元素（ＲＥＭ）は、ＦｅＯを還元して、アルミナクラスターの生成を抑制する。ＲＥＭはまた、非延伸性の酸化物及び／又は酸硫化物を形成し、有害Ｓをトラップして無害化する。ＲＥＭ含有量が０．００１０％未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、ＲＥＭ含有量が０．００４０％を超えると、粗大な酸化物系介在物が生成され、鋼の靱性が低下する。また、溶鋼の流動性が低下し、鋳造時にノズルが閉塞しやすくなる。したがって、ＲＥＭ含有量は０．００１０〜０．００４０％である。ＲＥＭ含有量の下限は、好ましくは０．００１２％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。ＲＥＭ含有量の上限は、好ましくは０．００３５％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。
希土類元素（ＲＥＭ）は、ＦｅＯを還元して、アルミナクラスターの生成を抑制する。ＲＥＭはまた、非延伸性の酸化物及び／又は酸硫化物を形成し、有害Ｓをトラップして無害化する。ＲＥＭ含有量が０．００１０％未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、ＲＥＭ含有量が０．００４０％を超えると、粗大な酸化物系介在物が生成され、鋼の靱性が低下する。また、溶鋼の流動性が低下し、鋳造時にノズルが閉塞しやすくなる。したがって、ＲＥＭ含有量は０．００１０〜０．００４０％である。ＲＥＭ含有量の下限は、好ましくは０．００１２％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。ＲＥＭ含有量の上限は、好ましくは０．００３５％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。
なお、ＲＥＭとは、ランタノイドの１５元素にＹ及びＳｃを合わせた１７元素の総称であり、これらの元素のうちの１種以上を含有させることができる。ＲＥＭ含有量はこれらの元素の含有量の合計を意味する。ＲＥＭのなかでも、Ｌａ及びＣｅが好ましい。
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入される元素、あるいは製造過程の環境等から混入される元素をいう。
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、以下に説明する元素を含有してもよい。以下に説明する元素は、すべて選択元素である。すなわち、本実施形態による低合金油井用継目無鋼管の化学組成は、以下の元素の一部又は全部を含有していなくてもよい。
Ｖ ：０〜０．３０％
Ｎｂ：０〜０．１０％
バナジウム（Ｖ）及びニオブ（Ｎｂ）は、炭化物を形成し、鋼の強度を高める。これらの元素が少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、これらの元素の含有量が過剰になると、靱性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．３０％であり、Ｎｂ含有量は０〜０．１０％である。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．０１％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．００２％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
Ｎｂ：０〜０．１０％
バナジウム（Ｖ）及びニオブ（Ｎｂ）は、炭化物を形成し、鋼の強度を高める。これらの元素が少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、これらの元素の含有量が過剰になると、靱性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．３０％であり、Ｎｂ含有量は０〜０．１０％である。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．０１％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．００２％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
Ｃｕ：０〜１．０％
Ｎｉ：０〜１．０％
Ｂ：０〜０．００４０％以下
銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びボロン（Ｂ）は、鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する。これらの元素が少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、これらの元素の含有量が過剰になると、靱性が低下する。したがって、Ｃｕ及びＮｉの各々の含有量は０〜１．０％であり、Ｂ含有量は０〜０．００４０％である。Ｃｕ及びＮｉの各々の含有量の下限は、好ましくは０．０１％である。Ｃｕ及びＮｉの各々の含有量の上限は、好ましくは０．５％であり、さらに好ましくは０．２％である。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００１％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。
Ｎｉ：０〜１．０％
Ｂ：０〜０．００４０％以下
銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びボロン（Ｂ）は、鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する。これらの元素が少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、これらの元素の含有量が過剰になると、靱性が低下する。したがって、Ｃｕ及びＮｉの各々の含有量は０〜１．０％であり、Ｂ含有量は０〜０．００４０％である。Ｃｕ及びＮｉの各々の含有量の下限は、好ましくは０．０１％である。Ｃｕ及びＮｉの各々の含有量の上限は、好ましくは０．５％であり、さらに好ましくは０．２％である。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００１％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管の化学組成は、好ましくは、下記の式（１）を満たす。
（Ｃａ／Ｏ＋Ｃａ／Ｓ＋０．２８５×ＲＥＭ／Ｏ＋０．２８５×ＲＥＭ／Ｓ）×（Ａｌ／Ｃａ）＞２０ 式（１）
式（１）のＣａ、Ｏ、Ｓ、ＲＥＭ、Ａｌには、各元素の含有量が質量％で代入される。
（Ｃａ／Ｏ＋Ｃａ／Ｓ＋０．２８５×ＲＥＭ／Ｏ＋０．２８５×ＲＥＭ／Ｓ）×（Ａｌ／Ｃａ）＞２０ 式（１）
式（１）のＣａ、Ｏ、Ｓ、ＲＥＭ、Ａｌには、各元素の含有量が質量％で代入される。
式（１）のうち、（Ｃａ／Ｏ＋Ｃａ／Ｓ＋０．２８５×ＲＥＭ／Ｏ＋０．２８５×ＲＥＭ／Ｓ）は、Ｃａ及びＲＥＭが、ＯやＳをトラップする能力の指標である。係数０．２８５は、ＣａとＬａとの原子量の比０．２８９、ＣａとＣｅとの原子量の比０．２８６に近い数値で、計算の便宜のために丸めたものである。また、（Ａｌ／Ｃａ）は、ＣａＯとＡｌ２Ｏ３の組成比であり、介在物の融点の指標である。式（１）の左辺（Ｃａ／Ｏ＋Ｃａ／Ｓ＋０．２８５×ＲＥＭ／Ｏ＋０．２８５×ＲＥＭ／Ｓ）×（Ａｌ／Ｃａ）が小さければ、介在物が延伸されやすくなる。
式（１）の左辺を２０よりも大きくすれば、介在物の延伸が抑制されやすくなり、介在物のアスペクト比をより安定して小さくすることができる。式（１）の左辺は、より好ましくは２５よりも大きく、さらに好ましくは３０よりも大きい。
［介在物］
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径が２．０μｍ以下、アスペクト比が２．０以下である。
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径が２．０μｍ以下、アスペクト比が２．０以下である。
硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径及びアスペクト比は、具体的には次のように測定する。低合金油井用継目無鋼管から、観察面が圧延方向と平行になるように観察用試験片を採取する。観察面を研磨し、粒子解析機能を有する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって、倍率５００倍、１視野の面積を０．２３６ｍｍ×０．１８４ｍｍとして１００視野（合計４．３５ｍｍ２）を観察する。測定の際の加速電圧は１５ｋＶとする。介在物の観察には、ショットキー電界放出形走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ、例えば、日本電子株式会社製「ＪＳＭ−７８００Ｆ」）を用いることができる。
１００視野で観察されたデータから、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物だけを抽出する。具体的には、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）によって組成分析を行い、Ｓ含有量が１０質量％以上のものを抽出する。抽出した介在物の大きさを、画像処理によって算出する。具体的は、楕円近似によって介在物の長径及び短径を測定し、長径及び短径から算出した面積に基づいて円相当径を求める。長径／短径をその介在物のアスペクト比とする。このとき、円相当径が０．５〜１００μｍのものを計算に使用し、この範囲外のものは無視する。データ収集及び解析には例えば、ＡＭＥＴＥＫ社製「ＧＥＮＥＳＩＳ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｖｅｒｓｉｏｎ ５．１０」を用いることができる。
これらの介在物の円相当径の平均値を、低合金油井用継目無鋼管の硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径とする。同様に、これらの介在物のアスペクト比の平均値を、低合金油井用継目無鋼管の硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物のアスペクト比とする。
硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径が２．０μｍよりも大きい場合、又は硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物のアスペクト比が２．０よりも大きい場合、優れた靱性を得ることができない。硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径は、好ましくは１．８μｍ以下であり、より好ましくは１．７μｍ以下である。硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物のアスペクト比は、好ましくは１．９５以下であり、さらに好ましくは１．９以下である。
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、好ましくは、焼戻しマルテンサイトを主相とする組織を有する。本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、より好ましくは、焼戻しマルテンサイトの体積分率が９５％以上である。
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、これに限定されないが、旧オーステナイト粒の大きさが、ＡＳＴＭ Ｅ１１２−１３に準拠した結晶粒度番号で５．５以下の場合に特に好適である。結晶粒度番号が５．５以下の粗粒の組織の場合、細粒化による靱性向上の効果が十分に得られず、介在物の制御による靱性の向上がより重要になるためである。結晶粒度番号が５．０以下の場合、さらに好適である。結晶粒度番号の下限は、好ましくは４．０である。
旧オーステナイト粒の結晶粒度番号は、圧延方向と垂直な断面が被検面になるように、各鋼管から試験片を切り出して樹脂に埋め込み、ピクリン酸飽和水溶液で腐食するＢｅｃｈｅｔ-Ｂｅａｕｊａｒｄ法によって旧オーステナイト粒界を現出させ、ＡＳＴＭ Ｅ１１２−１３に準じて測定する。
旧オーステナイト粒の結晶粒度番号は、焼入れ後、焼戻し前の鋼材（いわゆる焼入れまま材）を用いて測定してもよいし、焼戻しされた鋼材を用いて測定してもよい。いずれの鋼材を用いても、旧オーステナイト粒の結晶粒度番号はほとんど変わらない。
なお、焼戻し後の鋼材に対しては、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）等の方法を用いて、結晶の方位関係から旧オーステナイト結晶粒のＡＳＴＭ粒度番号を求めることもできる。この場合、焼戻し後の継目無鋼管の金属組織をＥＢＳＤによって、次のように測定する。焼戻し後の継目無鋼管の横断面（圧延方向と垂直な断面）の肉厚中央位置からサンプルを採取する。採取したサンプルを用いて５００×５００μｍ２の観察範囲でＥＢＳＤによって結晶方位解析を行い、Ｍｉｓｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ａｎｇｌｅが１５〜５１°の範囲にある粒同士の境界を旧オーステナイト粒界と定義して、線描画させ、その描画図を元に、ＡＳＴＭ Ｅ１１２−１３に準拠して結晶粒度番号を求める。
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、好ましくは７５８ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）以上の降伏強度を有する。低合金油井用継目無鋼管の降伏強度は、より好ましくは８２７ＭＰａ（１２０ｋｓｉ）以上であり、さらに好ましくは８９６ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）以上である。
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、優れた低温靱性を有する。本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、好ましくは、ＡＳＴＭ Ｅ２３に準拠した０℃でのシャルピー衝撃試験により得られる吸収エネルギーが５５Ｊ以上である。低合金油井用継目無鋼管の吸収エネルギーは、より好ましくは６５Ｊ以上であり、さらに好ましくは７５Ｊ以上である。
［製造方法］
以下、本実施形態による低合金油井用継目無鋼管の製造方法の一例を説明する。この製造方法はあくまでも一例であり、本実施形態による低合金油井用継目無鋼管の製造方法は、これに限定されない。
以下、本実施形態による低合金油井用継目無鋼管の製造方法の一例を説明する。この製造方法はあくまでも一例であり、本実施形態による低合金油井用継目無鋼管の製造方法は、これに限定されない。
精錬工程において、ＲＥＭ及びＣａを除く溶鋼の化学組成を、上述した範囲に調整する。その後、ＲＥＭの少なくとも一つの元素を添加し、その後、Ｃａを添加する。Ｃａを先に添加すると、介在物としてカルシウムアルミネート（ｍＣａＯ・ｎＡｌ２Ｏ３、ｍ及びｎは自然数）が形成され、ＲＥＭを含有する微細な介在物（ＸＣａＡｌＯＳ、ＸはＲＥＭ）として分散させることができなくなる。
溶鋼を鋳造してビレットにする。あるいは、スラブ、ブルーム、インゴット等を製造し、これらを熱間加工によってビレットにしてもよい。
製造したビレットを加熱して炭化物を十分に固溶させ、結晶粒の粗大化を防止する。加熱温度は例えば、１０００〜１３００℃である。
加熱したビレットを熱間加工して、所定の形状・寸法の素管にする。熱間加工は例えば、マンネスマン−マンドレルミル方式、マンネスマン−プラグミル方式である。熱間加工の最終仕上げ温度は、結晶粒の粗大化防止等を考慮して、９００〜１１００℃にすることが好ましい。
製造された素管に、焼入れ焼戻しの熱処理を行う。より具体的には、素管をオーステナイト温度域から急冷する焼入れと、Ａｃ１変態点以下の温度に加熱して所定時間保持する焼戻しとを行う。以上の工程によって、低合金油井用継目無鋼管が製造される。
本実施形態による低合金油井用継目無鋼管は、これに限定されないが、インライン熱処理で製造する場合に特に好適である。インライン熱処理では、オフライン熱処理と比較して、結晶粒が微細化されにくく、細粒化による靱性向上の効果が十分に得られない。そのため、インライン熱処理では、介在物の制御による靱性の向上がより重要になる。
以上、本実施形態による低合金油井用継目無鋼管を説明した。本実施形態によれば、Ｓ含有量の規制を緩和しても、必要な強度と靱性と有する低合金油井用継目無鋼管が得られる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されない。
表１に示す化学組成を有する鋼を真空溶解炉で溶解し、さらにＲＨ脱ガス処理を施した後、連続鋳造法によって径が３６０ｍｍのビレットを製造した。ＲＥＭを非添加とした鋼Ｄ１、鋼Ｄ２、及び鋼Ｄ５を除き、精錬工程においてＲＥＭ及びＣａをこの順番で投入した。なお、鋼Ｄ１は比較のための低硫鋼であり、ＣａＯを投入してＳ含有量を２０ｐｐｍ未満に低減したものである。
製造されたビレットを熱間圧延によって外径３４６．０８ｍｍ、肉厚１５．８８ｍｍの素管にした。その後、表２に示す温度で、熱間製管後に直ちに焼入れ焼戻し処理を行うインライン熱処理を行い、継目無鋼管を製造した。なお、表２において、Ｑは焼入れ温度であり、Ｔは焼戻し温度である。
［ノズル閉塞有無］
連続鋳造時、鋳型への流入量と鋳型からの流出量の差が所定の範囲内となるように、スライディングノズルの開口面積を自動制御した。スライディングノズルの開口面積の経時変化を調べ、開口面積がゼロになったときにノズル閉塞が発生したと判断した。結果を表２の「ノズル閉塞有無」の欄に示す。同欄の「○」はノズル閉塞が発生しなかったことを示し、「×」はノズル閉塞が発生したことを示す。
連続鋳造時、鋳型への流入量と鋳型からの流出量の差が所定の範囲内となるように、スライディングノズルの開口面積を自動制御した。スライディングノズルの開口面積の経時変化を調べ、開口面積がゼロになったときにノズル閉塞が発生したと判断した。結果を表２の「ノズル閉塞有無」の欄に示す。同欄の「○」はノズル閉塞が発生しなかったことを示し、「×」はノズル閉塞が発生したことを示す。
［結晶粒度番号］
焼入れ後、焼戻し前の各継目無鋼管に対して、実施形態で説明したＢｅｃｈｅｔ−Ｂｅａｕｊａｒｄ法を適用して旧オーステナイト粒を現出させ、ＡＳＴＭ Ｅ１１２−１３に準じて粒度番号を測定した。測定結果を表２の「旧γ粒度」の欄に示す。
焼入れ後、焼戻し前の各継目無鋼管に対して、実施形態で説明したＢｅｃｈｅｔ−Ｂｅａｕｊａｒｄ法を適用して旧オーステナイト粒を現出させ、ＡＳＴＭ Ｅ１１２−１３に準じて粒度番号を測定した。測定結果を表２の「旧γ粒度」の欄に示す。
［介在物測定］
焼戻し後の継目無鋼管を切断し、介在物を観察した。実施例で説明した方法によって、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径及びアスペクト比を測定した。介在物の観察にはショットキー電界放出形走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ、日本電子株式会社製「ＪＳＭ−７８００Ｆ」）を用い、データ収集及び解析にはＡＭＥＴＥＫ社製「ＧＥＮＥＳＩＳ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｖｅｒｓｉｏｎ ５．１０」を用いた。代表的介在物の種類、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径及びアスペクト比を、表２の該当する欄にそれぞれ示す。
焼戻し後の継目無鋼管を切断し、介在物を観察した。実施例で説明した方法によって、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径及びアスペクト比を測定した。介在物の観察にはショットキー電界放出形走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ、日本電子株式会社製「ＪＳＭ−７８００Ｆ」）を用い、データ収集及び解析にはＡＭＥＴＥＫ社製「ＧＥＮＥＳＩＳ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｖｅｒｓｉｏｎ ５．１０」を用いた。代表的介在物の種類、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径及びアスペクト比を、表２の該当する欄にそれぞれ示す。
［引張試験］
焼戻し後の継目無鋼管から、試験片の長手方向が継目無鋼管の圧延方向と平行になるように、ＡＳＴＭ Ｅ８に準拠した弧状引張試験（平行部幅３８．１ｍｍ、Ｇ．Ｌ．５０．８ｍｍ）を採取した。この試験片を用いて、常温（２５℃）、大気中で引張試験を実施した。引張試験で得られた０．６％伸び時の応力を、継目無鋼管の降伏強度とし、一様伸び中の最大応力を継目無鋼管の引張強度とした。測定した降伏強度及び引張強度を表２の「ＹＳ」及び「ＴＳ」の欄にそれぞれ示す。
焼戻し後の継目無鋼管から、試験片の長手方向が継目無鋼管の圧延方向と平行になるように、ＡＳＴＭ Ｅ８に準拠した弧状引張試験（平行部幅３８．１ｍｍ、Ｇ．Ｌ．５０．８ｍｍ）を採取した。この試験片を用いて、常温（２５℃）、大気中で引張試験を実施した。引張試験で得られた０．６％伸び時の応力を、継目無鋼管の降伏強度とし、一様伸び中の最大応力を継目無鋼管の引張強度とした。測定した降伏強度及び引張強度を表２の「ＹＳ」及び「ＴＳ」の欄にそれぞれ示す。
［シャルピー衝撃試験］
焼戻し後の継目無鋼管から、試験片の長さ方向が継目無鋼管の圧延方向と垂直になるようにＡＳＴＭ Ｅ２３に準拠したフルサイズ試験片（寸法：幅１０ｍｍ×高さ１０ｍｍ×長さ５５ｍｍ）を採取した。この試験片を用いて、０℃において３本／セットでシャルピー衝撃試験を実施して吸収エネルギーを測定した。結果を表２に示す。３本の試験片の平均吸収エネルギー（以下、単に「平均吸収エネルギー」と呼ぶ。）が５５Ｊ以上であれば、靱性に優れると評価した。
焼戻し後の継目無鋼管から、試験片の長さ方向が継目無鋼管の圧延方向と垂直になるようにＡＳＴＭ Ｅ２３に準拠したフルサイズ試験片（寸法：幅１０ｍｍ×高さ１０ｍｍ×長さ５５ｍｍ）を採取した。この試験片を用いて、０℃において３本／セットでシャルピー衝撃試験を実施して吸収エネルギーを測定した。結果を表２に示す。３本の試験片の平均吸収エネルギー（以下、単に「平均吸収エネルギー」と呼ぶ。）が５５Ｊ以上であれば、靱性に優れると評価した。
［試験結果］
表２に示すとおり、鋼Ａ１〜Ａ１０、鋼Ｂ１〜Ｂ１０、及び鋼Ｃ１〜Ｃ４から製造された継目無鋼管はいずれも、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径が２．０μｍ以下であり、アスペクト比が２．０以下であった。これらの継目無鋼管の平均吸収エネルギーは、いずれも５５Ｊ以上であり、低硫鋼（鋼Ｄ１）の平均吸収エネルギーと同程度の値の値が得られた。
表２に示すとおり、鋼Ａ１〜Ａ１０、鋼Ｂ１〜Ｂ１０、及び鋼Ｃ１〜Ｃ４から製造された継目無鋼管はいずれも、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径が２．０μｍ以下であり、アスペクト比が２．０以下であった。これらの継目無鋼管の平均吸収エネルギーは、いずれも５５Ｊ以上であり、低硫鋼（鋼Ｄ１）の平均吸収エネルギーと同程度の値の値が得られた。
鋼Ｄ２〜Ｄ５から製造された継目無鋼管は、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径が２．０μｍよりも大きく、また、アスペクト比も２．０よりも大きかった。これらの鋼から製造された継目無鋼管は、平均吸収エネルギーが５５Ｊ未満であった。
鋼Ｄ２は、ＲＥＭを含有せず、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物が改質されなかったと考えられる。鋼Ｄ３は、Ｃａ含有量が少なすぎ、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の改質が不十分であったと考えられる。鋼Ｄ４は、ＲＥＭ含有量が多すぎ、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物が粗大化したと考えられる。鋼Ｄ５は、Ｓ含有量が多すぎ、さらにＣａ含有量及びＲＥＭ含有量が少なすぎたため、延伸された硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の影響によって靱性が低下したと考えられる。
また、鋼Ｄ４では、ノズルの閉塞も観測された。これは、ＲＥＭ含有量が多すぎたため、ＲＥＭを含有する酸硫化物が粗大化し、溶鋼中の流動性が悪化したためと推察される。
鋼Ｄ６から製造された継目無鋼管は、硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物のアスペクト比が２．０よりも大きかった。鋼Ｄ６から製造された継目無鋼管は、平均吸収エネルギーが５５Ｊ未満であった。また、鋼Ｄ６では、ノズルの閉塞も観測された。これは、鋼Ｄ６のＯ含有量が多すぎたためと考えられる。
図４は、鋼Ａ１〜Ａ１０、鋼Ｂ１〜Ｂ１０、及び鋼Ｃ１〜Ｃ４で観測された、複合型介在物の顕微鏡写真の一例である。図４に示すように、Ｃｅ２ＯＳとＡｌ２Ｏ３の複合介在物に、Ｍｎ（Ｃａ，Ｓ）が付着している。
図５は、鋼Ｄ２〜Ｄ５で観測された、硫化物系介在物（ＭｎＳ）の顕微鏡写真の一例である。図５に示すように、この介在物は、圧延方向（図５の左右方向）に延伸された形状を有している。
図４と図５との比較から、硫化物系介在物を非延伸性のＸ２Ｏ３及び／又はＸ２ＯＳに付着させることで、硫化物系介在物の延伸を抑制できることがわかる。これによって、硫化物系介在物を無害化することができる。
以上、本発明の実施の形態を説明した。上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
Claims (3)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．２０〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、
Ｍｎ：０．０５〜１．０％、
Ｐ ：０．０３０％以下、
Ｓ ：０．００３８〜０．００６０％、
Ａｌ：０．００５〜０．１０％、
Ｃｒ：０．１〜１．２％、
Ｍｏ：０．２５〜１．０％、
Ｔｉ：０．００２〜０．０５％、
Ｎ ：０．０１％以下、
Ｏ ：０．００３０％以下、
Ｃａ：０．００１０〜０．００３０％、
ＲＥＭ：０．００１０〜０．００４０％、
Ｖ ：０〜０．３０％、
Ｎｂ：０〜０．１０％、
Ｃｕ：０〜１．０％、
Ｎｉ：０〜１．０％、
Ｂ ：０〜０．００４０％、
残部：Ｆｅ及び不純物であり、
硫化物系介在物及び酸硫化物系介在物の平均粒径が２．０μｍ以下、アスペクト比が２．０以下である、低合金油井用継目無鋼管。 - 請求項１に記載の低合金油井用継目無鋼管であって、
前記化学組成が、質量％で、
Ｖ ：０．０１〜０．３０％、及び
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、
からなる群から選択される１種又は２種を含有する、低合金油井用継目無鋼管。 - 請求項１又は２に記載の低合金油井用継目無鋼管であって、
前記化学組成が、質量％で、
Ｃｕ：０．０１〜１．０％、
Ｎｉ：０．０１〜１．０％、及び
Ｂ ：０．０００１〜０．００４０％、
からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、低合金油井用継目無鋼管。
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