JPH0713261B2 - 低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼油井管の
製造方法に係り、さらに詳しくは例えば石油・天然ガス
の掘削と生産に使われる油井管として、湿潤炭酸ガスや
湿潤硫化水素を含む環境中で高度に優れた耐食性を有す
る鋼管の製造方法に関する。

（従来の技術） 近年生産される石油・天然ガス中には、湿潤な炭酸ガス
を多く含有する場合が増加している。こうした環境中で
炭素鋼や低合金鋼は著しく腐食することがよく知られて
いる。このため、かかる石油・天然ガスの生産に使用さ
れる油井管の防食対策として、腐食抑制剤の添加が従来
より行なわれてきた。しかし、腐食抑制剤は高温ではそ
の効果が失われる場合が多いことに加えて、海洋油井・
ガス井では腐食抑制剤の添加・回収処理に要する費用は
膨大なものとなり、適用できない場合が多い。従って、
腐食抑制剤を添加する必要のない耐食材料に対するニー
ズが最近とみに高まっている。

炭酸ガスを多く含む石油・天然ガス用の耐食材料として
は、耐食性の良好なステンレス鋼の適用がまず検討さ
れ、例えばL.J.クライン、コロージョン（Corrosio
n）′84,ペーパーナンバー211にあるように、高強度で
比較的コストの安井鋼としてAISI420鋼に代表されるよ
うな、0.2％程度のＣと12〜13％程度のCrを含有するマ
ルテンサイト系ステンレス鋼が広く使用され始めてい
る。しかしながら、これらの鋼は高温、例えば120℃以
上では耐食性が著しく低下するために、高温あるいは深
い井戸では使用できない。AISI420鋼よりも耐食性に優
れ、かつ比較的安価な油井管に対するニーズも非常に大
きいものがある。

これに対して、マルテンサイト系ステンレス鋼中の炭素
含有量を低減すれば、耐食性を改善して実用上充分な特
性を有する鋼を得ることができる。しかし、この場合に
は従来のマルテンサイト系ステンレス鋼管が製造されて
きたプロセスである継目無鋼管圧延法では製造が困難で
ある。本発明者らの検討によれば、その原因は炭素量を
低減したために継目無鋼管の圧延前の加熱時にフェライ
ト組織が多量に生成されるためであることが分かった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明はこうした現状に鑑み、耐食性を改善するために
Ｃを低減したマルテンサイト系ステンレス鋼を油井管と
して製造する方法を提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、上記の目的を達成すべく、まずマルテン
サイト系ステンレス鋼の成分について検討した結果、耐
食性を改善するには炭素量を低減することが極めて有効
であること、炭素量を0.08％以下とするとその効果が特
に顕著であることを知見した。さらに本発明者らは製造
方法について検討をすすめ、炭素量を0.08％以下とした
マルテンサイト系ステンレス鋼を鋼管とする製造プロセ
スを種々検討してきた結果、通常の継目無鋼管圧延法に
よる製造は困難であること、それに対してマルテンサイ
ト系ステンレス鋼を、まず鋼帯とした後に電縫溶接によ
って鋼管として造管とするとともに特にその後の熱処理
条件を適正に選択すれば、油井管としての必要特性を満
足する低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼油井管が製
造できることを確認した。

ここに、本発明の要旨とするところは、炭素含有量が重
量％で0.08％以下のマルテンサイト系ステンレス鋼片を
下記の工程で順次鋼管とする低炭素マルテンサイト系ス
テンレス鋼油井管の製造方法にある。

鋼片を1050〜1300℃の温度に加熱した後に、板厚4.
0mm以上25.4mm以下に熱間圧延し、さらに600℃以上の温
度でホットコイルとして巻き取る工程、 上記ホットコイルを所定の幅に切断した後、連続的
に円筒状に成形しつつ鋼帯両端を電縫溶接して鋼管とし
て造管する工程、 上記電縫鋼管を950℃以上1100℃以下の温度範囲に1
min以上加熱した後に、少なくとも300℃以下までを空冷
以上の冷却速度で冷却して50容量％以上がマルテンサイ
トで占められる組織とする工程、 550℃以上A_C1変態点以下の温度に再加熱して1min以
上保持した後、少なくとも300℃以下までを空冷以上の
冷却速度で冷却する工程。

あるいはさらに、本発明の要旨とするところは、次の工
程で順次鋼管とする低炭素マルテンサイト系ステンレス
鋼油井管の製造方法にもある。

鋼片を1050〜1300℃の温度に加熱した後に、板厚4.
0mm以上25.4mm以下に熱間圧延し、さらに600℃以上の温
度でホットコイルとして巻き取る工程、 上記ホットコイルを所定の幅に切断した後、連続的
に円筒状に成形しつつ鋼帯両端を電縫溶接して鋼管とし
て造管し、その後直ちに、少なくとも電縫部の両側2mm
以内の部分を含んだ部分を500℃以上A_C1変態点以下の温
度に再加熱する工程、 上記電縫鋼管を950℃以上1100℃以下の温度範囲に1
min以上加熱した後に、少なくとも300℃以下までを空冷
以上の冷却速度で冷却して50容量％以上がマルテンサイ
トで占められる組織とする工程、 550℃以上A_C1変態点以下の温度に再加熱して1min以
上保持した後、少なくとも300℃以下までを空冷以上の
冷却速度で冷却する工程。

本発明の対象となるマルテンサイト系ステンレス鋼と
は、炭素量が0.08以下であって実質的に微細組織の50％
以上がマルテンサイト組織であるすべてのマルテンサイ
ト系ステンレス鋼である。以下、本発明の対象として望
ましいマルテンサイト系ステンレス鋼の標準的な成分を
例示し、含有量の選定理由を説明する。なお、元素の含
有量はすべて重量％である。

（作用） C:0.08％以下 Ｃは0.08％を超えて添加すると、耐食性を低下させるの
で、含有量は0.08％以下とすべきである。

Si:1％以下 Siは脱酸剤および強化元素として有効であるが、１％を
超えると靱性が低下するので、上限含有量は１％とす
る。

Mn:2％以下あるいは２％を超えて５％以下 Mnは脱酸剤および強化元素として有効であるが、５％を
超えて添加してもその効果は飽和するばかりか、逆に硫
化水素含有環境における応力腐食割れ抵抗を低下させる
ようになるので上限含有量は５％とする。

Cr:7.5〜14％ Crはマルテンサイト系ステンレス鋼を構成する最も基本
的な元素であって、炭酸ガス環境での耐食性を保持する
ためには7.5％以上を添加する必要があるが、14％を超
えて添加すると他の成分を如何に調整しても油井管とし
て必要な強度を確保することが難しくなるので、添加範
囲は7.5〜14％とすべきである。

Al;0.1％以下 Alは脱酸元素として非常に有用であるが、含有量が0.1
％を超えるとアルミナ系介在物が増加して靱性が低下す
るので、上限含有量は0.1％とする。

N:0.02％以下 ＮもＣと同様に多量に存在すると耐食性が低下するとと
もに電縫溶接性が低下するので、含有量は0.02％以下と
すべきである。

以上の成分の他に残部がFeおよび不可避不純物からなる
鋼が本発明が対象とする鋼としてもっとも基本的なもの
である。これに加えて、必要に応じて下記の元素を添加
あるいは低減した鋼を使用して油井管を製造することも
できる。

Ni;Niは湿潤炭酸ガス環境中での耐食性をさらに改善す
るのに効果があるが、４％を超えて添加してもその効果
は飽和するばかりか、逆に硫化水素含有環境における応
力腐食割れ抵抗を低下させるようになるので、上限含有
量は４％とする。

Cu:Cuも湿潤炭酸ガス環境におけるマルテンサイト系ス
テンレス鋼の腐食速度を減少させるととに、ＣおよびＮ
の含有量を調整した鋼に添加して耐食性を改善するのに
効果があるが、4.5％を超えて添加してもその効果は飽
和するばかりか熱間加工性を低下させるようになるの
で、上限含有量は4.5％とする。

Co:Coも湿潤炭酸ガス環境中での耐食性をさらに改善す
るのに効果があるが、４％を超えて添加してもその効果
は飽和するばかりか、いたずらにコストを上昇させるだ
けであるので、上限含有量は４％とする。

Mo:Moは湿潤炭酸ガス環境中での耐食性を改善するのに
効果があるが、２％を超えて添加してもその効果は飽和
するばかりか、靱性など他の特性を低下させるようにな
るので、上限含有量は２％、とする。

W:Wも湿潤炭酸ガス環境中での耐食性を改善するのに効
果があるが、４％を超えて添加してもその効果は飽和す
るばかりか、靱性など他の特性を低下させるようになる
ので、上限含有量は４％とする。

P:Pは熱間加工性を低下させる元素であるので少ないほ
うが好ましいが、あまりに少ないレベルにまで低減させ
ることはいたずらにコストを上昇させるのみで特性の改
善効果は飽和する。本発明の場合、目的とする油井管を
製造するのに必要な熱間加工性を確保するのに必要充分
なほど少ない含有量として0.02％以下に低減すると熱間
加工性が一段と改善される。

S:SはＰと同様に熱間加工性を劣化させる元素であるの
で少ないほうが好ましいが、あまりに少ないレベルにま
で低減させることはいたずらにコストを上昇させるのみ
で特性の改善効果は飽和する。本発明の場合、目的とす
る油井管を製造するのに必要な熱間加工性を確保するの
に必要充分なほど少ない含有量として0.003％以下に低
減すると耐応力腐食割れ性が一段と改善される。

V,Ti,Nb,Zr,Ta,Hf,B:V,Ti,Nb,Zr,Ta,Hf,Bは耐食性を一
段と向上させるのに有効な元素であるが、Ti,Zr,Ta,Hf
では0.2％、V,Nbでは0.5％、Ｂでは0.01％をそれぞれ超
えて添加すると粗大な析出物・介在物を生成して応力腐
食割れ抵抗を低下させるようになるので、上限含有量は
Ti,Zr,Hfでは0.2％、V,Nbでは0.5％、Ｂは0.01％とし
た。

Ca,希土類元素:Caおよび希土類元素（REM）は熱間加工
性の向上、耐食性の向上に効果のある元素であるが、Ca
では0.01％を超えて、希土類元素では0.02％を超えて添
加すると、それぞれ粗大な非金属介在物を生成して逆に
熱間加工性および耐食性を劣化させるので、上限含有量
はCaでは0.01％、希土類元素では0.02％とした。

なお、本発明において希土類元素とは原子番号が57〜71
番、89〜104番の元素およびＹを指す。

次に本発明の工程を説明する。

鋼片加熱温度： 鋼片をその中心部まで均一に加熱して熱間圧延における
熱間加工性を確保する必要がある。しかし、1300℃を超
えて加熱すると酸化スケール生成による材料ロスが著し
くなり歩留りが低下するため好ましくない。一方、加熱
温度が1050℃未満では熱間圧延における変形抵抗が大き
くなりすぎるので好ましくない。従って鋼片加熱温度は
1050〜1300℃とする。

熱間圧延： 熱間圧延は通常の板圧延が可能である。油井管としての
実用性から板厚としては4.0mm以上25.4mm以下とする。
後続の電縫溶接における生産性の観点から板の形状はホ
ットコイルとする。

巻き取り： 熱間圧延後ホットコイルとして巻き取るに際して、巻き
取り温度が600℃未満では巻き取り力が強大になって巻
き取りに困難を生ずるとともに、巻き取り後に強度が上
昇して後続の電縫溶接に支障をきたすので、600℃以上
の温度で巻き取ることが必要である。

成形および電縫溶接： 成形および電縫溶接には通常の電縫溶接鋼管製造プロセ
スが適用でき、油井管として必要な外径に応じて所定の
幅に切断してから成形および電縫溶接して鋼管として造
管すればよい。

熱処理： 第１段目の熱処理（焼き入れ）においては、加熱温度が
950℃より低い温度ではオーステナイト化が充分ではな
く、従って必要な強度を得ることが困難だからであり、
加熱温度が1100℃を超えると結晶粒が著しく粗大化して
応力腐食割れ抵抗が低下するようになるので、加熱温度
は950〜1100℃とすることが必要である。

オーステナイト化後の冷却における冷却速度を、少なく
とも300℃以下までを空冷以上の冷却速度としたのは、
空冷よりも遅い冷却速度ではマルテンサイトが充分生成
せず、所定の強度を確保することが困難になるからであ
り、鋼管の温度が300℃以下となるまでこの冷却速度を
確保しないと、やはり所定の強度を確保することが困難
になるからである。

第１段目の熱処理後に少なくとも50容量％以上がマルテ
ンサイトで占められていないと油井管として必要な強度
を得ることが難しい。

第２段目の熱処理（焼き戻し）において加熱温度を550
℃以上A_C1温度以下としたのは、加熱温度が550℃未満で
は充分な焼き戻しが行われず、加熱温度がA_C1温度を超
えると一部がオーステナイト化し、その後の冷却時にフ
レッシュ・マルテンサイトを生成し、いずれも充分に焼
き戻しされていないマルテンサイトが残留するために応
力腐食割れ感受性を増加させるためである。

焼き戻し後の冷却における冷却速度を空冷以上の冷却速
度としたのは、空冷よりも遅い冷却速度では靱性が低下
するためである。

必要に応じて上記の工程に加えて、ホットコイルを所定
の幅に切断した後直ちに円筒状に成形しつつ鋼帯両端を
電縫溶接して造管した後に、さらに、直ちに少なくとも
電縫部の両側2mm以内の部分を含んだ部分を500℃以上A
_C1温度以下の温度に再加熱する工程を付加してもよい
が、この工程の目的は電縫溶接によって生成した硬化組
織、特にマルテンサイトによって最終熱処理（焼き入れ
および焼き戻し）までの間に割れが発生するのを防止す
ることにある。この目的からは再加熱温度が500℃未満
では硬化組織を軟化する効果が顕著ではなく、再加熱温
度がA_C1温度を超えると一部がオーステナイト化し、そ
の後の冷却時にフレッシュ・マルテンサイトを生成して
充分に焼き戻しされていないマルテンサイトが残留する
ために、かえって最終熱処理までの間に割れが発生する
恐れが高まるため、再加熱温度としては500℃以上A_C1温
度以下の温度とする。またかかる硬化組織は電縫溶接部
の両側2mm以内の部分に最も顕著に生成するため、少な
くともこの部分を含んだ部分を再加熱する必要がある
が、この部分を含んで鋼管の一部のみを再加熱してもよ
く、あるいは鋼管の全体を再加熱してももちろんかまわ
ない。いずれにしても電縫溶接後可及的速やかに再加熱
処理するほど、電縫溶接部の割れを防止する効果が大き
い。

次に本発明の実施例について説明する。

（実施例） 第１表に示す成分のステンレス鋼を溶製し、熱間圧延に
よって厚さ9.0mmのホットコイルとした後、成形および
電縫溶接して鋼管として造管し、第１表に併せて示す条
件で熱処理を施していずれも降伏強度が56.2kgf/mm²以
上の油井管用鋼管とした。熱間圧延に際して加熱温度は
1180℃とし、巻き取り温度は640℃とした。また、No.3
およびNo.6の鋼管は高周波電縫溶接によって鋼管として
造管した直後に電縫部の両側8mm以上を650℃に再加熱し
た。焼き入れ時の冷却は室温まで水冷とし、焼き戻し後
の冷却は室温まで空冷とした。一方、比較例No.11はAIS
I420鋼であり、No.12は9Cr−1Mo鋼であって、いずれも
従来から湿潤炭酸ガス環境で使用されている従来鋼であ
る。比較例No.11、12はいずれも従来法であるシームレ
ス圧延法によって鋼管とし、第１表に併せて示す条件で
熱処理を施した。

次に母材から試験片を採取して湿潤炭酸ガス環境におけ
る腐食試験を行なった。湿潤炭酸ガス環境における腐食
試験としては、厚さ3mm、幅15mm、長さ50mmの試験片を
用い、試験温度150℃のオートクレーブ中で炭酸ガス分
圧40気圧の条件で５％NaCl水溶液中に30日間浸漬して、
試験前後の重量変化から腐食速度を算出した。腐食速度
の単位はmm/yで表示したが、一般的にある環境における
ある材料の腐食速度が0.1mm/y未満の場合、材料は充分
耐食的であり使用可能であると考えられている。

試験結果を第１表に併せて示した。第１表のうち、腐食
試験結果において◎は腐食速度が0.05mm/y未満、○は腐
食速度が0.05mm/y以上0.10mm/y未満、×は腐食速度が0.
1mm/y以上0.5mm/y未満、××は腐食速度が0.5mm/y以上
であったことをそれぞれ表わしている。

第１表から明らかなように、本発明例であるNo.1〜10
は、湿潤炭酸ガス環境において150℃という非常な高温
であっても実用的に充分な耐食性を有していることが分
かる。これに対して比較例であるNo.11、12は耐食性が
著しく劣っている。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明は油井管として極めて有用な
低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法を提
供することを可能としたのであり、産業の発展に貢献す
るところ極めて大である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭素含有量が重量％で0.08％以下のマルテ
   ンサイト系ステンレス鋼片を下記の工程で順次鋼管とす
   る低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方
   法。 鋼片を1050〜1300℃の温度に加熱した後に、板厚4.
   0mm以上25.4mm以下に熱間圧延し、さらに600℃以上の温
   度でホットコイルとして巻き取る工程、 上記ホットコイルを所定の幅に切断した後、連続的
   に円筒状に成形しつつ鋼帯両端を電縫溶接して鋼管とし
   て造管する工程、 上記電縫鋼管を950℃以上1100℃以下の温度範囲に1
   min以上加熱した後に、少なくとも300℃以下までを空冷
   以上の冷却速度で冷却して50容量％以上がマルテンサイ
   トで占められる組織とする工程、 550℃以上A_C1変態点以下の温度に再加熱して1min以
   上保持した後、少なくとも300℃以下までを空冷以上の
   冷却速度で冷却する工程。
2. 【請求項２】炭素含有量が重量％で0.08％以下のマルテ
   ンサイト系ステンレス鋼片を下記の工程で順次鋼管とす
   る低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方
   法。 鋼片を1050〜1300℃の温度に加熱した後に、板厚4.
   0mm以上25.4mm以下に熱間圧延し、さらに600℃以上の温
   度でホットコイルとして巻き取る工程、 上記ホットコイルを所定の幅に切断した後、連続的
   に円筒状に成形しつつ鋼帯両端を電縫溶接して鋼管とし
   て造管し、その後直ちに、少なくとも電縫部の両側2mm
   以内の部分を含んだ部分を500℃以上A_C1変態点以下の温
   度に再加熱する工程、 上記電縫鋼管を950℃以上1100℃以下の温度範囲に1
   min以上加熱した後に、少なくとも300℃以下までを空冷
   以上の冷却速度で冷却して50容量％以上がマルテンサイ
   トで占められる組織とする工程、 550℃以上A_C1変態点以下の温度に再加熱して1min以
   上保持した後、少なくとも300℃以下までを空冷以上の
   冷却速度で冷却する工程。
3. 【請求項３】低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼が下
   記第１群、第２群、第３群、第４群、第５群、第６群、
   第７群あるいは第８群のいずれかの成分からなる請求項
   １あるいは２に記載の低炭素マルテンサイト系ステンレ
   ス鋼油井管の製造方法。 第１群 重量％で、C0.08％以下、Si1％以下、Mn2％以下、Cr7.5
   〜14％、Al0.1％以下、N0.02％以下を含有し、残部Feお
   よび不可避不純物からなる低炭素マルテンサイト系ステ
   ンレス鋼。 第２群 重量％で、C0.08％以下、Si1％以下、Mn2％以下、Cr7.5
   〜14％、Al0.1％以下、N0.02％以下に加えて、 Ni4％以下、Cu4.5％以下、Co4％以下のうち１種または
   ２種以上を含有し、 残部Feおよび不可避不純物からなる低炭素マルテンサイ
   ト系ステンレス鋼。 第３群 重量％で、C0.08％以下、Si1％以下、Mn2％以下、Cr7.5
   〜14％、Al0.1％以下、N0.02％以下に加えて、 Mo2％以下、W4％以下のうち１種または２種を含有し、 残部Feおよび不可避不純物からなる低炭素マルテンサイ
   ト系ステンレス鋼。 第４群 重量％で、C0.08％以下、Si1％以下、Mn2％以下、Cr7.5
   〜14％、Al0.1％以下、N0.02％以下に加えて、 Ni4％以下、Cu4.5％以下、Co4％以下のうち１種または
   ２種以上を含有し、 さらに、Mo2％以下、W4％以下のうち１種または２種を
   含有し、 残部Feおよび不可避不純物からなる低炭素マルテンサイ
   ト系ステンレス鋼。 第５群 重量％で、C0.08％以下、Si1％以下、Mn2％を超えて５
   ％以下、Cr7.5〜14％、Al0.1％以下、N0.02％以下を含
   有し、残部Feおよび不可避不純物からなる低炭素マルテ
   ンサイト系ステンレス鋼。 第６群 重量％で、C0.08％以下、Si1％以下、Mn2％を超えて５
   ％以下、Cr7.5〜14％、Al0.1％以下、N0.02％以下に加
   えて、 Ni4％以下、Cu4.5％以下、Co4％以下のうち１種または
   ２種以上を含有し、 残部Feおよび不可避不純物からなる低炭素マルテンサイ
   ト系ステンレス鋼。 第７群 重量％で、C0.08％以下、Si1％以下、Mn2％を超えて５
   ％以下、Cr7.5〜14％、Al0.1％以下、N0.02％以下に加
   えて、 Mo2％以下、W4％以下のうち１種または２種を含有し、 残部Feおよび不可避不純物からなる低炭素マルテンサイ
   ト系ステンレス鋼。 第８群 重量％で、C0.08％以下、Si1％以下、Mn2％を超えて５
   ％以下、Cr7.5〜14％、Al0.1％以下、N0.02％以下に加
   えて、 Ni4％以下、Cu4.5％以下、Co4％以下のうち１種または
   ２種以上を含有し、 さらに、Mo2％以下、W4％以下、のうち１種または２種
   を含有し、 残部Feおよび不可避不純物からなる低炭素マルテンサイ
   ト系ステンレス鋼。
4. 【請求項４】低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼が、
   不純物元素のうちＰとＳの一方あるいは両方を下記の範
   囲にそれぞれ低減せられたものである請求項３に記載の
   低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方
   法。 P:0.02重量％以下、 S:0.003重量％以下
5. 【請求項５】低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼が、
   下記第９群、第10群のうち一方あるいは両方の群の元素
   を１種以上含有するものである請求項３あるいは４に記
   載の低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造
   方法。 第９群 重量％で、V0.5％以下、Ti0.2％以下、Nb0.5％以下、Zr
   0.2％以下、Ta0.2％以下、Hf0.2％以下、B0.01％以下 第10群 重量％で、Ca0.01％以下、希土類元素0.02％以下