JPH0748656A

JPH0748656A - 油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH0748656A
Application number: JP19488393A
Authority: JP
Inventors: Yukio Miyata; 由紀夫宮田; Yasuyoshi Yamane; 康義山根; Katsuomi Tamaoki; 克臣玉置
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1993-08-05
Filing date: 1993-08-05
Publication date: 1995-02-21

Abstract

(57)【要約】【目的】ＣＯ₂、Ｈ₂Ｓ、Ｃｌ^-を含む１００〜１５
０℃の油井環境下における耐食性、耐応力腐食割れ性に
優れ、かつ熱間加工性も十分なマルテンサイト系ステン
レス鋼を提供する。【構成】１３％Ｃｒ鋼に対し、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎ、Ｃａ
を添加し、さらにＣ、Ｓｉ、Ｓ、Ａｌ、Ｏを低減した組
成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原油あるいは天然ガス
を生産する油井、ガス井に使用される油井管用の鋼材に
係わり、とくに炭酸ガス(CO₂) 、硫化水素( H₂S)、塩素
イオン (Cl^-) などを含む極めて酷しい環境で使用する
のに適した、優れた耐食性と耐応力腐食割れ性を有する
油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年に至り、エネルギー需要の増加や近
い将来に予想される石油資源の枯渇化を目前にして、従
来省みられなかったような海洋油田や深層油田、あるい
は開発が一旦放棄されていた腐食性の酷しいサワーガス
田などに対する開発が、世界的規模で盛んになってい
る。このような油田、ガス田は一般に深度が極めて深
く、またその雰囲気は CO₂、H₂S 、Cl^-などを含む厳し
い腐食環境となっている。したがってこのような油田、
ガス田の採掘に使用される油井管としては、高強度でし
かも耐食性と耐応力腐食割れ性を兼ね備えた材質が要求
される。

【０００３】このような苛酷な環境下においては、一般
に100 ℃以下の比較的低温の環境では13Crマルテンサイ
ト系ステンレス鋼、それ以上の高温の環境では22Cr二相
ステンレス鋼が使用されてきた。しかし多くの油井が10
0 〜150 ℃の温度範囲にあり、その温度範囲での二相ス
テンレス鋼の使用は過剰防食であることから、100 〜15
0 ℃の油井環境に適合した経済的な、高強度油井管の開
発が強く望まれていた。そこで、このような厳しい腐
食環境に耐えうる材料を得るべく、代表的なマルテンサ
イト系ステンレス鋼である13Cr鋼をベースにして、CO
₂ 、H₂S 、Cl^-を含む環境下での耐食性、耐応力腐食割
れ性に及ぼす種々の合金成分の影響が調査、検討されて
きた。その結果の一例として、C を従来より著しく低減
した13Cr鋼において、Ni、Mo、N を添加し、さらにSi、
Al、O を低減することによって、良好な熱間加工性が確
保されるとともに、上述の環境下での耐食性、耐応力腐
食割れ性が著しく改善され、強度も十分に確保されるこ
とが、特開平4-224656号公報に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この成
分系において、傾斜圧延法によるシームレス鋼管の製造
に必要な熱間加工性は確保されているものの、Ni、Mo等
の合金元素の添加のため、熱間加工性が十分でなく、さ
らなる熱間加工性の向上が望まれている。本発明は、以
上の事情を背景としてなされたもので、前述のようにCO
₂、H₂S、Cl^-などを含み、100 〜150 ℃の苛酷な腐食
環境下において優れた耐食性、耐応力腐食割れ性を示
し、かつコスト的に有利で、しかも製造性に優れた高強
度油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼を提供するこ
とを目的とする。すなわち、マルテンサイト系ステンレ
ス鋼の高強度油井鋼管に対し、100 ℃以上の環境下にお
ける耐食性、耐応力腐食割れ性を改善させ、熱間加工性
をさらに向上させたマルテンサイト系ステンレス鋼を提
供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上述のよう
な目的を達成するべく、熱間加工性に及ぼす種々の成分
の影響を調査、検討した。その結果、Caを適量添加する
ことにより、耐食性、耐応力腐食割れ性を損なうことな
く、熱間加工性を向上できることを見出し、この発明を
なすに至ったのである。

【０００６】すなわち本発明は、重量％にて、C:0.02〜
0.05% 、Si:0.50%以下、Mn:0.30 〜1.20% 、P:0.025%以
下、S:0.005%以下、Cr:12.0 〜14.0% 、Ni:3.0〜5.0%、
Mo:0.5〜1.5%、Al:0.01 〜0.05% 、N:0.03〜0.08% 、C
a:0.0010 〜0.0100% 、O:0.005%以下を含有し、残部がF
eおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする油井
管用マルテンサイト系ステンレス鋼である。

【０００７】

【作用】先ず、本発明鋼の成分の限定理由について説明
する。C はマルテンサイト系ステンレス鋼の強度を左右
する重要な元素であるが、後述のNiの添加によって、Ac
₁点が下がり、C 固溶量が減少するため焼きもどし時、
鋭敏化が起こりやすくなる。その鋭敏化を起こさせない
ために0.05% 以下にする必要があり、また0.02% 未満に
するには製造コストが著しく上昇することから、C は0.
02〜0.05% とした。なおこの発明では後述するようにC
の低減による強度低下をNiの添加によって補うこととし
た。

【０００８】Siは通常の製鋼過程において脱酸剤として
必要な元素であるが、0.50% を越えるとδフェライトの
発生を招き、耐食性および熱間加工性を劣化することか
ら、Siは0.50% 以下とした。Mnは油井管用マルテンサイ
ト系ステンレス鋼としての強度を確保するために0.30%
以上必要であるが、1.20% を越えると靱性に悪影響を及
ぼすことから、Mnは0.30〜1.20% とした。

【０００９】P は耐食性、耐応力腐食割れ性を劣化させ
る元素でありその含有量は可及的に少ないことが望まし
いが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。工業的に
は比較的安価に実施可能でかつ耐食性、耐応力腐食割れ
性を劣化させない範囲でP は0.025%以下とした。S はパ
イプ製造過程においてその熱間加工性を著しく劣化させ
る元素であり、可及的に少ないことが望ましく、0.005%
を越えて含有すると通常の工程でのパイプ製造が困難に
なることから、S はその上限を0.005%とした。

【００１０】Crはステンレス鋼の耐食性を保持するため
に主要な元素であり、耐食性の観点からは12.0% 以上必
要であるが、14.0% を越えるとδフェライトの発生を招
き、熱間加工性が劣化することから、Crは12.0〜14.0%
とした。Niは耐食性のうち、とくに含CO₂環境による全
面腐食に対して抵抗性を与えるとともに、C を低減した
13Cr鋼の強度を上昇させるため添加されるが、3.0%未満
ではその効果は認められず、5.0%を越えるとマルテンサ
イト組織の安定性を損なうことから、Niは3.0 〜5.0%と
した。

【００１１】Moは耐食性のうち、特にCl^-による孔食に
対して抵抗性を与える元素であるが、0.5%未満では、そ
の効果は認められず、1.5%を越えるとδフェライトの発
生を招き耐食性および熱間加工性が劣化することから、
Moは0.5 〜1.5%とした。Alは強力な脱酸作用を有し、0.
01% 未満ではその効果が十分でなく、0.05% を越えると
靱性および熱間加工性に悪影響を及ぼすことから、Alは
0.01〜0.05% とした。

【００１２】N は耐食性、耐応力腐食割れ性を著しく向
上させる元素であるが、0.03% 未満ではその効果は十分
ではなく、0.08% を越えると種々の窒化物を形成して靱
性を劣化させることから、N は0.03〜0.08% とした。O
はその含有量が多いと各種の酸化物を形成して熱間加工
性、耐食性、耐応力腐食割れ性および靱性を著しく劣化
させるため、0.005%以下とした。

【００１３】Caは鋼中で硫化物を形成し固溶S を低減さ
せ、熱間加工性の改善に有効に寄与しその効果を得るに
は0.0010% 以上の添加が必要である。しかし、0.0100%
を越えて添加されると、酸化物を形成しやすくなり耐食
性が劣化する。また、熱間加工性を向上させる効果も飽
和するので、上限を0.0100% とした。この発明の鋼は以
上のような成分組成を有するものであるが、耐食性、耐
応力腐食割れ性以外に、とくに熱間加工性の観点からS
、Si、Al、O を著しく低減させ、かつCaを添加させた
ところに大きな特長がある。したがって、この鋼を用い
て油井管を製造するにあたっては、通常の製造工程に何
ら手を加えることなく製造できる。すなわち、主として
シームレスパイプに成形後、950 〜1050℃の温度範囲に
加熱して水冷または空冷により冷却し、その後、油井管
として必要な強度を得るべく550 〜700 ℃の温度範囲で
焼きもどすのが通常である。

【００１４】

【実施例】つぎにこの発明の実施例について説明する。
熱間加工性を調査するため、表１の試料記号A 〜N に示
す化学成分の鋼を厚さ15mmに熱間圧延した鋼板から採取
した丸棒引張り試験片を、1250℃で100 秒以上保持した
後、10℃/ 秒で1000℃まで冷却し、その温度で10秒間保
持した後、直ちに高速引張りを行った。そのときの直径
減少率で熱間加工性を評価した。熱間加工性の評価結果
を表に併せて示す。また、A 〜N の各鋼から試験片素材
を切り出し、ノルマ処理、引き続き焼きもどしを行い、
表に示す強度に調整した。これらの素材から厚さ3mm 、
幅30mm、長さ40mmの腐食試験片および厚さ2mm 、幅20m
m、長さ75mmのU 曲げ応力腐食割れ試験片を機械加工に
よって作製した。U 曲げ応力腐食割れ試験片は図１に示
すようにその試験片１を、曲げ治具２によって曲率半径
が8mm になるように板厚(t=2mm) に対して曲げ応力を付
与した状態として試験に供した。試験条件は次の条件と
した。

【００１５】腐食試験 … NaCl:20%、CO₂ 分圧:30 気
圧、温度:150℃、期間:1週間 U 曲げ応力腐食割れ試験 … NaCl: 5%、CO₂ 分圧:30
気圧、H ₂S分圧:0.007気圧、温度:150℃、期間:1週間

【００１６】

【表１】

【００１７】評価方法は腐食試験においてはそれらの重
量減少から計算した腐食速度、U 曲げ応力腐食割れ試験
においては肉眼観察および断面の光学顕微鏡観察による
割れ発生の有無とした。各鋼について繰り返し2 回の試
験を行った結果を表中に併せて示す。Ａ鋼、Ｂ鋼は、そ
れぞれＣ、Crが本発明限定範囲外であるため、腐食速度
が0.05g/mm2hとなり、耐食性が不十分である。Ｃ鋼は、
Moが本発明範囲外であるため、耐応力腐食割れ性が劣っ
ている。Ｄ鋼、Ｅ鋼、Ｆ鋼、Ｇ鋼は、それぞれSi、S、A
l、Ｏが本発明範囲外であるため、上述の高温引張試験
における直径減少率が55％に達せず、熱間加工性は劣っ
ている。また、耐食性、耐応力腐食割れ性も劣ってい
る。Ｈ鋼、Ｉ鋼は、耐食性、耐応力腐食割れ性ともに良
好で、直径減少率も55％以上であり、熱間加工性は比較
的良好である。しかし、これらの鋼は傾斜圧延法で造管
可能であるが、熱間加工性はやや不十分であり、改善の
余地がある。これに対し、Ｋ鋼〜Ｎ鋼のようにCaを添加
することにより、直径減少率は60％以上となり、また、
腐食速度が著しく小さく、応力腐食割れの発生も認めら
れないことから、油井管としての製造、使用とも十分可
能である。なお、Ｊ鋼は、Caが過剰に添加されたため、
耐食性、耐応力腐食割れ性が劣化している。

【００１８】

【発明の効果】以上のような本発明のマルテンサイト系
ステンレス鋼は、良好な熱間加工性およびCO₂ 、H₂S 、
Cl^-を含む厳しい環境下において十分な耐食性、耐応力
腐食割れ性を示し、しかも高強度を確保し得るものであ
る。したがって上述のような苛酷な環境で使用される油
井管として使用でき、経済的でもあり、産業への寄与は
大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】曲げ応力腐食割れ試験片の応力付与状態を示す
側面図である。

【符号の説明】

１試験片２曲げ治具

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％にて、C:0.02〜0.05% 、Si:0.50%
以下、Mn:0.30 〜1.20% 、P:0.025%以下、S:0.005%以
下、Cr:12.0 〜14.0% 、Ni:3.0〜5.0%、Mo:0.5〜1.5%、
Al:0.01 〜0.05% 、N:0.03〜0.08% 、Ca:0.0010 〜0.01
00% 、O:0.005%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的
不純物よりなることを特徴とする油井管用マルテンサイ
ト系ステンレス鋼。