JPH08109444A - 圧潰圧力に優れた油井用継目無マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法 - Google Patents

圧潰圧力に優れた油井用継目無マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法

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JPH08109444A
JPH08109444A JP24444394A JP24444394A JPH08109444A JP H08109444 A JPH08109444 A JP H08109444A JP 24444394 A JP24444394 A JP 24444394A JP 24444394 A JP24444394 A JP 24444394A JP H08109444 A JPH08109444 A JP H08109444A
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Akihiko Takahashi
明彦 高橋
Kazushi Maruyama
和士 丸山
Satoru Kawakami
哲 川上
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は油井管用の13%Cr鋼管の製造に
おいて、高い圧潰圧力を得るための、成分、熱処理方法
を提供する。 【構成】 13%Cr油井管の製造に際して、C添加量
を低く抑えること、Ni,Cu,Nを適当量添加して熱
処理(焼ならし)時の加熱においてオーステナイト単相
組織を得ること、また必要量のAlを添加するとともに
焼ならし温度を規制して当該加熱時のオーステナイト粒
径を小さくすること、焼戻し過程で新たにマルテンサイ
トが生成するのを防止することにより、弾完全塑性体に
近い引張特性を有する鋼管を製造し、高い圧潰圧力を得
る。 【効果】 本発明により、炭酸ガス環境または炭酸ガス
に微量の硫化水素が入った環境における耐食性と高い圧
潰強度を兼備した13%Cr油井管を製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、油井における代表的な
腐食環境である、炭酸ガス環境または、炭酸ガスに微量
の硫化水素が入った環境において優れた耐食性を示す約
13%のCrを含むマルテンサイト系ステンレス鋼(以
下、13%Cr鋼と略称する)油井用継目無鋼管(以
下、油井管という)に関するものであり、特に優れた圧
潰強度を得る、高圧潰型13%Cr油井管の製造方法に
係るものである。
【0002】
【従来の技術】近年、原油、天然ガスを採取するための
油井管用鋼として、炭酸ガス環境、いわゆるスウィート
環境で優れた耐食性を有する鋼が求められるようにな
り、AISI420タイプの13%Cr鋼の需要が増大
している。13%Cr鋼はその優れた耐食性により油井
管の中でも直接生産流体が通過するチュービングに適用
されている。さらに、炭酸ガス腐食は油井内のチュービ
ングだけでなく、その回りに同心円上に設置されるケー
シングについても問題となるので、13%Cr鋼はケー
シングにも適用されている。ケーシングでは土圧により
鋼管が破壊する現象、すなわち、圧潰が生じることがあ
る。13%Cr鋼の使用は今後ますます腐食環境の厳し
い深井戸で行われる傾向にある。深井戸では土圧が通常
の井戸よりも大きくなり、圧潰によるケーシングの破壊
が起こり得る。
【0003】圧潰現象は、弾性圧潰と塑性圧潰に大別さ
れ、材料要因として弾性圧潰強度は材料の弾性係数だけ
に依存するが、塑性圧潰強度は材料の応力−歪曲線の形
状に依存し、弾完全塑性型に近いほど高くなることが明
らかにされている。炭素鋼に関しては、塑性圧潰強度を
高めることにより通常の油井管よりも圧潰圧力を高めた
高圧潰圧力型の油井管が実用化されている(例えば、特
開昭56−93852号公報)。この骨子とするところ
は、完全焼入れ後焼戻しを行った炭素鋼鋼管について、
熱処理後の冷間加工により鋼管内表面に圧縮残留応力が
生じることを抑制し、かつ結晶粒を細粒化して、塑性圧
潰強度を高めるというものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】13%Cr鋼の場合、
焼入れ性が高いためオーステナイト化後、空冷する(焼
ならし)だけで十分な焼入れ組織が得られる。しかし、
これを上記炭素鋼のように焼戻ししただけでは、熱処理
後の冷間加工により鋼管内表面に圧縮残留応力が生じる
ことを抑制し、かつ細粒化を図っても、上記の炭素鋼の
場合のようには高圧潰を得ることができない。すなわ
ち、13%Cr鋼では、上記炭素鋼に関する知見を適用
しただけでは、高圧潰を得ることができないという問題
があった。
【0005】この原因は、13%Cr鋼では、一般に焼
ならし、焼戻し後の降伏応力の引張応力に対する比、す
なわち降伏比が炭素鋼に比べて小さくなり、高圧潰強度
を得るほどの弾完全塑性型に近い応力−歪曲線が炭素鋼
のように得られないことによる。本発明の課題とすると
ころは、13%Cr鋼において、炭素鋼と同様な弾完全
塑性型に近い応力−歪曲線を得ることにより、高い圧潰
圧力を有する油井管の製造方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
有利に解決するもので、C添加量を低く抑えること、熱
処理(焼ならし)時の加熱においてオーステナイト単相
組織を得ること、また必要量のAlを添加するとともに
焼ならし温度を規制して当該加熱時のオーステナイト粒
径を小さくすること、焼戻し過程で新たにマルテンサイ
トが生成するのを防止することにより、高い圧潰圧力を
得るというものである。
【0007】すなわち、本発明の要旨とするところは、
重量%で、C :0.01〜0.06%、 Si:
0.5%以下、Mn:1.0%以下、 P
:0.020%以下、S :0.010%以下、
Cr:12.0〜14.0%、Al:0.05〜
0.1%、 N :0.02〜0.1%を含有し、
Ni:0.5〜5.0%、 Cu:0.5〜3.
0%の1種または2種を、さらに必要に応じてMo:
0.5〜3.0%を含有し、残部が鉄及び不可避不純物
からなる鋼をAc3 点以上900℃以下に加熱後、空冷
した後、Ac1 点未満の温度で焼戻すことを特徴とする
圧潰圧力に優れた油井用継目無マルテンサイト系ステン
レス鋼管の製造方法にある。
【0008】
【作用】本発明者らは、成分の異なる種々の13%Cr
鋼について、弾完全塑性型の応力−歪曲線を得るための
金属学的な要因を検討し、以下の知見を得るに至った。
C添加量は焼ならし時に完全焼入れ組織が得られる範囲
でできるだけ低い方が望ましい。油井管用13%Cr鋼
は通常Cを0.2%程度含有する。このC添加量を低く
すると降伏比が大きくなり、応力−歪曲線の形状は弾完
全塑性体に近づく。この効果は0.06%以下のC量で
顕著になる。
【0009】前述のように、焼ならし、焼戻しを行い、
焼戻しマルテンサイト組織を得ることが弾完全塑性体に
近い応力−歪曲線を得る前提であるが、C添加量を低減
すると、焼ならし時の加熱においてフェライトが残留し
オーステナイト単相とならないため、焼ならしで完全焼
入れ組織が得られない。そのため、オーステナイト形成
元素であるN及び必要に応じてNi,Cuの1種または
2種の添加が必要である。
【0010】しかし、焼戻しマルテンサイト組織を得た
だけでは通常の13%Cr鋼の圧潰圧力からの顕著な向
上は得られない。本発明者らは、この原因は焼ならし時
のオーステナイト粒径の細粒化に限界があり、粒度番号
で高々7番であることが原因であるとの見解に立ち、種
々の検討の結果、Alを通常の脱酸に必要な量以上の適
当量添加すると、AlNの析出により焼ならしの加熱時
にオーステナイトが粒度番号で約9番まで細粒化する、
その結果図1に示すように、より弾完全塑性体に近い応
力−歪曲線が得られ、図2に示すように圧潰圧力が向上
することを知見するに至った。
【0011】図1は、Al添加量が0.07%、0.0
2%と異なる13%Cr鋼を、焼ならし、焼戻しして、
引張試験を行った時の応力−歪曲線を比較したものであ
る。Al添加量を0.02%から0.07%に増やすこ
とにより、焼ならし時のオーステナイト粒が細粒化され
(図に示すように結晶粒度Nγが7.0より9.0にな
っている)、その結果応力−歪曲線の形状が0.02%
Al添加のなで肩から降伏比の大きい形状に変わり、よ
り弾完全塑性体に近い形状となることがわかる。また、
図2は、Al添加により図1のように、より弾完全塑性
体に近い応力−歪曲線を得れば、外径/肉厚比が異なっ
ても、圧潰に至る圧力が大きくなる、すなわち高圧潰に
なることを示す。
【0012】次に本発明における成分限定理由を述べ
る。Cは、添加量が多くなると降伏比が大きくなる。本
発明では降伏比を小さくして、応力−歪曲線の形状を弾
完全塑性体に近づけるため、Cの上限を0.06%とす
る。しかし、Cを少なくしすぎると、焼ならしの加熱時
にフェライトが残留しやすくなり、かえって圧潰圧力を
低下する原因となるので、Cは0.01%以上添加す
る。
【0013】Siは、製鋼時の脱酸剤が残存したもので
多すぎると清浄度が低下し延性などの機械的性質を劣化
するので上限を0.5%とする。Mnは、製鋼時の脱酸
剤が残存したもので多すぎると清浄度が低下し延性など
の機械的性質を劣化するので上限を1.0%とする。
【0014】Pは、優れた耐食性を確保するため及び良
好な熱間加工性を得るために0.020%以下とする。
Sは、熱間加工性を低下するため少ないことが望ましい
ので、Sは、0.010%以下とする。
【0015】Crは、炭酸ガス環境で優れた耐食性を得
るために12.0%以上の添加が必要である。しかし、
過度に添加すると熱間加工温度においてフェライトが生
成し、圧延時の疵発生の原因となったり、また、製品の
最終熱処理において均一な焼戻しマルテンサイトが得ら
れなくなるので、Crは14.0%以下とする。
【0016】Alは、AlNの析出を利用して焼ならし
時のオーステナイト粒を細粒化して圧潰圧力を高めるた
めに、0.05%以上添加する。しかし、必要以上添加
すると余剰の介在物を生成して延性などの機械的性質を
劣化するので、0.1%を上限とする。Nは、強化に有
効で、また、オーステナイトを安定にする元素であるの
で0.02%以上添加する。過度の添加は余剰の析出物
が析出する原因となり、靭性低下を招くため0.1%以
下とする。
【0017】本発明では、上記成分に加えてNi,Cu
の1種または2種を添加する。これらの元素は焼ならし
の加熱時においてオーステナイトを安定化する目的でそ
れぞれ0.5%以上添加する。しかし、多量に添加する
とAc1 点が低下して焼戻しても油井管として必要以上
の強度となり、調整が困難になる。またCuは多量に添
加すると熱間加工時の割れの原因となる場合がある。従
って、Niの上限を5.0%、Cuの上限を3.0%と
する。
【0018】さらに、本発明では必要に応じて耐食性を
向上するためMoを0.5%以上添加する。しかし、M
oはフェライト形成元素であるため多量に添加すると焼
ならし時にフェライトが残留するので3.0%を上限と
する。
【0019】次に、熱処理の限定理由について述べる。
本発明では焼ならし時のAlN析出による細粒化の効果
を得るが、加熱温度が900℃を超えると、たとえAl
Nが析出していてもオーステナイト粒が粗大化し始め、
応力−歪曲線の形状が弾完全塑性体の形状からなで肩形
状に変わり始め、圧潰強度が低下する。従って、AlN
析出による細粒化の効果を十分に得るため、加熱温度を
900℃以下とする。加熱温度の下限は、オーステナイ
ト単相を得るためにAc3 点とする。焼戻しに際して
は、焼戻し温度がAc1 点以上になるとオーステナイト
が生成しこれが冷却過程で生成ままのマルテンサイトと
なり、降伏比を著しく低下させる。従って、焼戻しはA
1 点未満の温度で行う。
【0020】
【実施例】表1に化学成分を示す鋼を溶製し、熱間圧延
工程で継目無鋼管を造管した。鋼管のサイズは、外径が
7インチ(177.8mm)、管厚が11.1mmである。
各鋼管を同表に記載した温度で焼ならし、焼戻しを行っ
た。強度は比較例5を除き95〜100ksi(654〜6
89MPa)の範囲で比較例5は90ksi(620MPa)となっ
た。
【0021】
【表1】
【0022】圧潰試験は、管端部の拘束により生じる軸
力の影響を除くため、外径シール方式の試験装置を用い
て、管長50インチ(1270mm)以上で行い、塑性圧
潰圧力を測定した。圧潰強度の判断条件は、炭素鋼の判
断条件に基づき12000psi(82.7MPa)以上の圧潰
強度が得られた場合をもって、圧潰強度が高いと判断し
た。
【0023】表1に記載したように本発明に従う条件の
場合、優れた圧潰圧力が得られる。しかし、比較例1で
はNi添加量が少なく、焼ならし時にオーステナイト単
相とならず、完全焼入れ組織が得られないために、比較
例2ではC量が多く焼ならし焼戻し後の降伏比が小さい
ために、比較例3ではAl添加量が少なく焼ならし時に
細粒オーステナイトが得られないため、比較例4では焼
ならし温度が高く、Al添加の効果が損なわれるため、
比較例5では焼戻し温度が高く新たにマルテンサイトが
出るためそれぞれ、圧潰圧力は本発明の場合に比べて低
下する。
【0024】
【発明の効果】本発明により、炭酸ガス環境において優
れた耐食性を示し、かつ、優れた圧潰強度を有する13
%Cr油井管が得られるため、工業的効果は著しく大き
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】Al添加量を0.02%から0.07%とする
ことによりオーステナイト粒度が7.0番から9.0番
に細粒化し、応力−歪曲線の形状が弾完全塑性体に近づ
くことを示す図。
【図2】Al添加量を0.02%から0.07%にする
ことにより圧潰圧力が増大することを示す図。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、 C :0.01〜0.06%、 Si:0.5%以下、 Mn:1.0%以下、 P :0.020%以下、 S :0.010%以下、 Cr:12.0〜14.0%、 Al:0.05〜0.1%、 N :0.02〜0.1% を含有し、さらに Ni:0.5〜5.0%、 Cu:0.5〜3.0% の1種または2種を含有し、残部が鉄及び不可避不純物
    からなる鋼をAc3 点以上900℃以下に加熱後、空冷
    した後、Ac1 点未満の温度で焼戻すことを特徴とする
    圧潰圧力に優れた油井用継目無マルテンサイト系ステン
    レス鋼管の製造方法。
  2. 【請求項2】 重量%で、 C :0.01〜0.06%、 Si:0.5%以下、 Mn:1.0%以下、 P :0.020%以下、 S :0.010%以下、 Cr:12.0〜14.0%、 Al:0.05〜0.1%、 N :0.02〜0.1%、 Mo:0.5〜3.0% を含有し、さらに Ni:0.5〜5.0%、 Cu:0.5〜3.0% の1種または2種を含有し、残部が鉄及び不可避不純物
    からなる鋼をAc3 点以上900℃以下に加熱後、空冷
    した後、Ac1 点未満の温度で焼戻すことを特徴とする
    圧潰圧力に優れた油井用継目無マルテンサイト系ステン
    レス鋼管の製造方法。
JP24444394A 1994-10-07 1994-10-07 圧潰圧力に優れた油井用継目無マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法 Withdrawn JPH08109444A (ja)

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