JPH0741856A - 耐硫化物応力腐食割れ性に優れた高強度鋼管の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐応力腐食割れ性に優れ、かつ降伏強度が７
５ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の高強度を有する油井あるいはガ
ス井用鋼管を省エネルギー及び省コストを達成しながら
製造する方法を目的とする。 【構成】 所定の成分組成を有する低合金鋼のビレット
を用意する工程と、仕上がり温度が再結晶温度±50℃と
なるようにシームレス圧延する工程と、続いてベイナイ
ト組織となるように加速冷却する工程と、更にAc₃ 以上
＋100 ℃未満の温度に加熱し、該温度から焼入れする工
程と、その後Ac₁ 変態点以下の温度で焼戻す工程とを備
えた耐硫化物応力腐食割れ性に優れた高強度鋼管の製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に湿潤硫化水素と応
力の組み合わされた環境下で発生する硫化物応力腐食割
れ（以下ＳＳＣＣと略する) に対し高い抵抗性を有し、
降伏強度が７５ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の高強度を有する油
井あるいはガス井用シームレス鋼管を製造する方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年のエネルギー事情の逼迫に伴い、こ
れまで開発されていない深層部でかつ硫化水素を含む油
井，又はガス井も開発の対象となり、これらに使用する
油井管として高強度とＳＳＣＣに対する高い抵抗性を具
備したシームレス鋼管（継ぎ目なし鋼管）の製造が強く
望まれている。

【０００３】油井管として使用される鋼管は通常一回の
焼入れ焼戻しの熱処理が施されているが、これまでの経
験からＳＳＣＣを防止するには、鋼管の硬度をロックウ
ェルＣスケールで２０〜２２以下に規制することが有効
とされている。

【０００４】しかし、この硬度の規制に従うと降伏強度
は高々７０ｋｇｆ／ｍｍ² とせざるを得ず、それ以上の
高強度と耐ＳＳＣＣ性を兼ね備えた鋼管を製造すること
は困難であった。

【０００５】一方、耐ＳＳＣＣ性の評価方法としては米
国におけるＮＡＣＥの規格ＴＭ−０１−７７に定められ
ている硫化水素飽和５％ＮａＣｌ−０．５％酢酸水溶液
中での定荷重引張試験がよく知られている。この規格
は、ＳＳＣＣを発生しない最高応力と材料の公称降伏応
力との比を百分率で表した「割れ限界比（σｔｈ／Ｙ
Ｓ) 」が８５％以上の耐ＳＳＣＣ性と、降伏強度７５ｋ
ｇｆ／ｍｍ² 以上の高強度との双方を両立させる方法と
して、結晶粒を微細化することがが有効であることを示
している。

【０００６】これを具体化するための方策として、特開
昭５９−２３２２２０号公報に開示されているように、
製造された鋼管に対し、焼入れ、焼戻しの処理を２回以
上施すもの、あるいは特開昭５９−１１９３２４号公報
に開示されているように、焼入れ処理前の昇温温度を著
しく大とする方法が提案されている。

【０００７】一方、油井あるいはガス井に用いられるシ
ームレス鋼管は近年省エネルギー、省コストの観点か
ら、例えば特開昭５７−３９１２９号公報に開示されて
いる通り、熱間での鋼管圧延後その保有する温度を利用
してＡｃ₃ 点以上の温度から水焼入れし、しかる後に焼
戻しを行うことが行われている。

【０００８】この方法はいわゆる直接焼入れ法と呼ば
れ、最近では多く利用されている。ところが、鋼管圧延
後室温まで冷却し、再加熱によって所定の焼入れ温度ま
で昇温させ、続いて焼入れを行う従前の鋼管製造法に比
べ、直接焼入れにより製造された鋼管は、焼入れによる
オーステナイト→フェライト変態及びその逆方向の変態
過程が省略されるため結晶粒が微細化せず、そのため十
分な耐ＳＳＣＣ性が確保できなっかた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、省
エネルギーの観点から、一度の焼入れ焼き戻し熱処理に
よって、「割れ限界比（σｔｈ／ＹＳ) 」で８５％以上
の耐ＳＳＣＣ性と降伏強度７５ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の高
強度を両立させることができる細粒組織を有する高強度
シームレス鋼管を製造する方法を提供することを目的と
する。また、本発明は直接焼入れ設備が具備されていれ
ば、これを利用することにより省エネルギーが達成でき
る製造方法である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する方法
は、所定成分の低合金鋼を、従来のシームレス圧延を行
い、この際圧延仕上がり温度を該低合金鋼の再結晶温度
±５０℃とし、その後水冷と空冷を組み合わせてベイナ
イト組織を得て、しかる後に焼入れし細粒組織をえて、
適当な温度で焼き戻す方法である。

【００１１】（１）請求項１の発明は下記の工程を備え
た耐硫化物応力腐食割れ性に優れた高強度鋼管の製造方
法（成分組成はｗｔ％である）である。 （ａ）C:0.15〜0.4 % 、 Si:0.1〜1 % 、Mn:0.3〜
1 % 、 Cr:0.1〜1.5 % 、Mo:0.1〜1 % 、
P:0.015 % 以下、S:0.005%以下、 B:0.0005
〜0.003%、Al:0.01 〜0.1 % 、 N:0.003 〜0.01 %を
含有し、更に、Nb:0.01 〜0.05 %, V:0.01〜0.05 %
,及び Ti:0.01〜0.03 %の一種又は二種を含有し、残部
がFeと不可避不純物からなる成分組成のビレットを用意
する工程と、（ｂ) 前記ビレットをシームレス圧延の最
終仕上がり温度が、再結晶温度±５０℃となるようにシ
ームレス圧延して、鋼管に加工する工程と、（ｃ）シー
ムレス圧延された前記鋼管を加速冷却し、ベイナイト変
態を完了させる工程と、（ｄ）ベイナイト変態を完了さ
せた前記鋼管を、Ac₃ 変態点から該変態点＋１００℃未
満の温度範囲に加熱し、該温度から焼入れする工程と、
（ｅ) 焼入れした前記鋼管をAc₁ 変態点以下の温度で焼
戻す工程。

【００１２】（２）請求項２の発明は下記の工程を備え
た耐硫化物応力腐食割れ性に優れた高強度鋼管の製造方
法（成分組成はｗｔ％である）である。 （ａ）C:0.15〜0.4 % 、 Si:0.1〜1 % 、Mn:0.3〜
1 % 、 Cr:0.1〜1.5 % 、Mo:0.1〜1 % 、
P:0.015 % 以下、S:0.005%以下、 B:0.0005
〜0.003%、Al:0.01 〜0.1 % 、 N:0.003 〜0.01 %を
含有し、更に、Nb:0.01 〜0.05 %, V:0.01〜0.05 %
,及び Ti:0.01〜0.03 %の一種又は二種を含有し、残部
がFeと不可避不純物からなる成分組成のビレットを用意
する工程と、（ｂ) 前記ビレットをシームレス圧延の最
終仕上がり温度が、再結晶温度±５０℃となるようにシ
ームレス圧延して、鋼管に加工する工程と、（ｃ）シー
ムレス圧延された前記鋼管を加速冷却し、ベイナイト変
態を完了させる工程と、（ｄ) ベイナイト変態を完了さ
せた前記鋼管をAc₁ 変態点以下の温度で焼戻す工程と、
（ｅ）焼戻された前記鋼管を、Ac₃ 変態点から該変態点
＋１００℃未満の温度範囲に加熱し、該温度から焼入れ
する工程と、（ｆ) 焼入れした前記鋼管をAc₁ 変態点以
下の温度で焼戻す工程。

【００１３】

【作用】以下、まず本発明において鋼の成分組成（ｗｔ
％である）を上記のように限定した理由について述べ
る。

【００１４】Ｃ：０．１５〜０．４％とする。Ｃは低合
金鋼の強度を確保する作用のほか、焼入れ性や焼戻し抵
抗を向上させるための必須な元素として、その含有量を
０．１５％以上とした。しかし、０．４％を超えて含有
させると焼入れ時に割れを生じたり、靱性の劣化を招い
たりすることとなるので、Ｃ含有量を上記の範囲とす
る。

【００１５】Ｓ：０．１〜１％とする。Ｓｉは鋼の脱酸
剤としての作用のほか、鋼材の強度を向上させる作用が
あるので、０．１％以上の添加を必要とするが、１％を
超えて含有させると靱性の劣化をきたし、粒界強度も減
少させるのでその上限を１％とする。

【００１６】Ｍｎ：０．３〜１％とする。Ｍｎは鋼の脱
酸剤としての作用のほか、焼入れ性を向上させ、赤熱脆
性を防止するために有効な成分であり、０．３％以上を
添加する。他方、１％を超えて含有させると靱性を劣化
させ、粒界強度も劣化させるので上限を１％とする。

【００１７】Ｃｒ：０．１〜１．５％とする。Ｃｒは焼
入れ性の向上に著しく効果を示す元素で、鋼の強度も増
加せしめる作用があるが、その含有量が０．１％未満で
は前記作用に所望の効果を得ることができず、多量に添
加すると明らかに耐ＳＳＣＣ性を低下させるので、その
上限を１．５％とする。

【００１８】Ｍｏ：０．１〜１％とする。Ｍｏには鋼の
焼戻し軟化抵抗を高める作用があるが、０．１％以下で
はその効果が小さく、他方１％を超えて含有させると鋼
の脆化や靱性の劣化をきたすようになることからＭｏの
含有量は上記範囲とする。

【００１９】Ｐ：０．０１５％以下とする。Ｐは粒界強
度を低下させる有害な元素であり、特にその含有量が
０．０１５％を超えると耐ＳＳＣＣ性が劣化することか
ら、その含有量を０．０１５％以下とする。

【００２０】Ｓ：０．００５％以下とする。Ｓは鋼中の
不可避な不純物であり、多量に含むとＭｎＳを形成しこ
れが割れの起点となる。従って、Ｓの含有量は０．００
５％以下とする。

【００２１】Ｂ：０．０００５％〜０．００３％とす
る。Ｂを０．００５％以上含有させると鋼の焼入れ性を
向上させることができるが、多量に添加してもその効果
が飽和するのみならず、熱間加工時に割れを生じること
からＢの含有量は上記範囲とする。

【００２２】Ａｌ：０．０１〜０．１％とする。Ａｌは
鋼の脱酸剤として有用な元素であり、Ｔｉとならんで鋼
中のＮと結合して窒化物を形成し、Ｂの作用を顕在化さ
せる元素であり、その含有量を０．０１％以上とする。
また、０．１％を超える過剰な含有量はＡｌ₂ Ｏ₃ を増
加させ、耐ＳＳＣＣ性を低下させることからＡｌの含有
量は０．０１〜０．１％とする。

【００２３】Ｎ：０．００３〜０．０１％とする。Ｎは
ＴｉおよびＡｌと反応し窒化物を形成する。特にＴｉＮ
は鋼の粒成長を抑制し、微細化する作用がある。添加し
たＴｉを結晶粒微細化に有効に作用するＴｉＮとして鋼
中に析出させるためには、化学量論的考慮から、０．０
０３％以上とする。他方０．０１％を超えて含有させる
と、Ｂ添加の効果を減少させ、焼入れ性劣化を招くよう
になるので、Ｎ含有量を０．００３〜０．０１％とす
る。以上が請求項１の成分組成の作用である。

【００２４】ＮｂおよびＶ：共に０．０１％〜０．０５
％とする。ＮｂおよびＶは圧延中の再結晶粒を細かくす
る効果を有するため、より微細な結晶粒を所望する場合
添加する元素である。この効果は０．０１％未満では十
分でなく、０．０５％を超えてもその効果が飽和するば
かりか、靱性の低下を招くことから、両元素の含有量を
共に０．０１％〜０．０５％とする。

【００２５】Ｔｉ：０．０１〜０．０３％とする。Ｔｉ
はＡｌと同様にＮをＴｉＮとして固定し、間接的にＢの
焼入れ性向上を図る。また、ＴｉＮを微細に分散析出さ
せると、ビレット加熱時の結晶粒の粗大化を抑制する効
果がある。しかし、その含有量が０．０１％未満では前
記所望の効果を得ることができず、他方０．０３％を超
えて含有させると、ＴｉＮの凝集粗大化によって結晶粒
成長の抑制に効果がないばかりか靱性の劣化を招くこと
になるのでＴｉ含有量を０．０１〜０．０３％とする。

【００２６】次に熱処理方法について述べる。従来の製
造方法では、鋼管圧延後その鋼管を空冷し、しかる後に
焼入れ焼き戻しを行っていたが、この場合は結晶粒度は
高々ＡＳＴＭ Ｎｏ８で、σｔｈ／ＹＳが０．８５以上
となる降伏強度は６５ｋｇｆ／ｍｍ² に止まっていた。

【００２７】本発明においては、シームレス圧延後一回
の焼入れ焼き戻し処理によって微細な結晶組織を得て、
優れた耐ＳＳＣＣ性を有するシームレス鋼管を製造する
方法を種々検討した結果、焼き戻しマルテンサイト組織
の旧オーステナイト粒度と耐ＳＳＣＣ性との間に図１の
関係があることを見いだした。図１は鋼管圧延後、冷却
速度を種々変化させ、その後焼入れ焼き戻しを行い、σ
ｔｈ／ＹＳが０．８５以上となる焼入れ前の旧オーステ
ナイト粒度と降伏強度との関係を示す。

【００２８】図１から、旧オーステナイト粒度を細粒化
することにより降伏強度を高く出来ることが判明し、更
に、後に示す実施例でも明らかなとおり、旧オーステナ
イト粒度を細粒化するためには、鋼管圧延後の組織をマ
ルテンサイト組織又はフェライト−パーライト組織とす
るよりもベイナイト組織としておくことが必要であるこ
とが明らかとなった。また、限界降伏強度を７５ｋｇｆ
／ｍｍ² 以上とするには旧オーステナイト粒度番号を１
０番以上とすることが必要である。

【００２９】焼入れ前の組織をベイナイト組織とするた
めには、圧延終了温度を、再結晶温度±５０℃とする。
この温度が再結晶温度＋５０℃を超えると、冷却速度を
制御してベイナイト組織を得ても、焼入れ時のオーステ
ナイト粒度番号（焼入れ焼き戻し後に測定されるオース
テナイトの粒度番号である）は１０番より小さくなり、
所望の特性を達成できない。

【００３０】一方、この温度が再結晶温度−５０℃を下
回ると、焼入れ時のオーステナイト粒度番号（焼入れ焼
き戻し後に測定されるオーステナイトの粒度番号であ
る）は１０番、もしくはそれ以上の細粒組織は得られる
が、シームレス圧延時の熱間変形抵抗が増大するので、
圧延疵や割れが多発するので好ましくない。

【００３１】ベイナイト変態を起こさせるには、例えば
ミスト冷却により１〜５℃／ｓｅｃ程度で加速冷却し、
ベイナイト変態を完了させた後は、例えば空冷し、組織
の一部がマルテンサイト変態をしないように配慮する事
が必要である。

【００３２】次に、焼入れ条件について述べる。焼入れ
温度はAc₃ 変態点から該変態点＋１００℃未満の温度範
囲とするが、この理由は、Ac₃ 変態点未満の温度ではフ
ェライト相が一部発生し、１００％マルテンサイト組織
とすることが出来ず、従って焼き戻し後に所望の強度が
得られないてめであり、他方、該変態点＋１００℃以上
の温度とすると、オーステナイト粒が粗大化するからで
ある。なお、本発明鋼では、Ac₃ 変態点は７９０〜８３
０℃の範囲である。

【００３３】焼入れ後の焼き戻し温度はフェライトを析
出させないこと、および、結晶粒の粗大化を防止するた
め、Ac₁ 変態点以下とする。この際、焼き戻し温度は目
的とする鋼管の強度に応じて上下させればよい。この強
度を高くする場合は、低温で、この強度を低くする場合
は高温で焼き戻す。なお、Ac₁ 変態点は７３０〜７５０
℃の範囲である

【００３４】請求項２では圧延後にベイナイト組織を得
た後、一回目の焼き戻しを行うが、この目的は加速冷却
後の残留歪みの除去を目的としており、置き割れを防止
し、また、組織の均一化も得られ、耐ＳＳＣＣ性が向上
する。

【００３５】

【実施例】本発明の実施例について説明する。表１に示
す成分組成の鋼を用いて製造されたシームレス鋼管の特
性を、製造方法と合わせて表２に示す。本実施例におい
ては、連続鋳造法、または、鋼塊−造塊法により製造し
たビレットを素材としてシームレス鋼管の製造を行なっ
た。ビレットの直径は約170 〜300 mmである。また、シ
ームレス鋼管の外径は約114 〜244 mmであり、肉厚は約
10〜15mmである。シームレス鋼管の圧延方法は、マンネ
スマン穿孔法とマンドレル圧延法とを組み合わせた。

【００３６】本実施例では、圧延終了後の加速冷却速度
を連続冷却変態図に基づき、ベイナイト組織が得られる
速度に制御した。焼入れ焼き戻し後の結晶粒度はいずれ
もＡＳＴＭ Ｎｏ．１０以上の細粒化組織が得られてい
た。特に再結晶温度以下で圧延を終了したＡ鋼、Ｃ鋼に
おいては、ＡＳＴＭ Ｎｏ．１２以上の細粒化組織が得
られていた。

【００３７】また、加速冷却が終了した後に一回目の焼
き戻しを実施したＡ鋼、Ｃ鋼においては、この焼き戻し
を行わなかった場合に比較して、より微細な組織が得ら
れた。また、発明鋼は表２に示した温度で焼き戻しを行
うことによって、７５ｋｇｆ／ｍｍ² 以上の降伏強度を
示し、かつ、割れ限度比（σｔｈ／ＹＳ）は０．８５以
上の優れた耐ＳＳＣＣ性を示した。

【００３８】しかし、上記Ａ鋼、Ｃ鋼においても、加速
冷却速度が適正化されず、焼入れ前の組織がマルテンサ
イト組織又はフェライト−パーライト組織であった場合
には、焼入れ時のオーステナイト粒度番号（焼入れ焼き
戻し後に測定されるオーステナイトの粒度番号である）
はいずれもＡＳＴＭ Ｎｏ．１０以上の細粒組織を得る
ことが出来なかった。Ｄ鋼においては、加速冷却が終了
した後に一回目の焼き戻し処理をAc₁ 変態点温度以上で
実施したため、焼入れ時のオーステナイト粒度番号（焼
入れ焼き戻し後に測定されるオーステナイトの粒度番号
である）はいずれも場合もＡＳＴＭ Ｎｏ．１０以上の
細粒組織とすることが出来なかった。

【００３９】更に、Ｇ鋼、Ｈ鋼、Ｉ鋼は加速冷却速度を
最適化して、焼入れ前の組織をベイナイト組織としたに
もかかわらず、Ｇ鋼はＭｏを過剰に含有しているため、
Ｈ鋼はＣｒとＭｏを含有していないため、また、Ｉ鋼は
Ｔｉを過剰に含有しているため、結晶粒度はＡＳＴＭ
Ｎｏ．１０以上の細粒組織を有するが、いづれも割れ限
度比（σｔｈ／ＹＳ）は０．８５以上を達成することが
できなかった。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】

【発明の効果】このように本発明によるシームレス鋼管
の製造法によれば、高強度と耐硫化物応力腐食割れ性が
同時に高い水準であるシームレス鋼管が一回の焼入れ及
び焼戻し処理によって得られ、これにより省エネルギー
および省コストを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】割れ限度比（σｔｈ／ＹＳ）０．８５以上とな
る結晶粒度と降伏強度との関係を示す図である。

フロントページの続き (72)発明者 中島 勝己 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の工程を備えた耐硫化物応力腐食割
   れ性に優れた高強度鋼管の製造方法（成分組成はｗｔ％
   である）。 （ａ）C:0.15〜0.4 % 、 Si:0.1〜1 % 、 Mn:0.3〜1 % 、 Cr:0.1〜1.5 % 、 Mo:0.1〜1 % 、 P:0.015 % 以下、 S:0.005%以下、 B:0.0005〜0.003%、 Al:0.01 〜0.1 % 、 N:0.003 〜0.01 % を含有し、更に、 Nb:0.01 〜0.05 %, V:0.01〜0.05 % , 及び Ti:0.01〜0.03 %の一種又は二種を含有し、 残部がFeと不可避不純物からなる成分組成のビレットを
   用意する工程と、（ｂ) 前記ビレットをシームレス圧延
   の最終仕上がり温度が、再結晶温度±５０℃となるよう
   にシームレス圧延して、鋼管に加工する工程と、（ｃ）
   シームレス圧延された前記鋼管を加速冷却し、ベイナイ
   ト変態を完了させる工程と、（ｄ）ベイナイト変態を完
   了させた前記鋼管を、Ac₃ 変態点から該変態点＋１００
   ℃未満の温度範囲に加熱し、該温度から焼入れする工程
   と、（ｅ) 焼入れした前記鋼管をAc₁ 変態点以下の温度
   で焼戻す工程。
2. 【請求項２】 下記の工程を備えた耐硫化物応力腐食割
   れ性に優れた高強度鋼管の製造方法（成分組成はｗｔ％
   である）。 （ａ）C:0.15〜0.4 % 、 Si:0.1〜1 % 、 Mn:0.3〜1 % 、 Cr:0.1〜1.5 % 、 Mo:0.1〜1 % 、 P:0.015 % 以下、 S:0.005%以下、 B:0.0005〜0.003%、 Al:0.01 〜0.1 % 、 N:0.003 〜0.01 % を含有し、更に、 Nb:0.01 〜0.05 %, V:0.01〜0.05 % , 及び Ti:0.01〜0.03 %の一種又は二種を含有し、 残部がFeと不可避不純物からなる成分組成のビレットを
   用意する工程と、（ｂ) 前記ビレットをシームレス圧延
   の最終仕上がり温度が、再結晶温度±５０℃となるよう
   にシームレス圧延して、鋼管に加工する工程と、（ｃ）
   シームレス圧延された前記鋼管を加速冷却し、ベイナイ
   ト変態を完了させる工程と、（ｄ) ベイナイト変態を完
   了させた前記鋼管をAc₁ 変態点以下の温度で焼戻す工程
   と、（ｅ）焼戻された前記鋼管を、Ac₃ 変態点から該変
   態点＋１００℃未満の温度範囲に加熱し、該温度から焼
   入れする工程と、（ｆ) 焼入れした前記鋼管をAc₁ 変態
   点以下の温度で焼戻す工程。