JPH08120346A - 耐硫化物応力割れ性に優れる油井用溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＥＲＷ法と同等溶接速度でのレーザー溶接が可
能な、溶接部の耐ＳＳＣ性に優れるＬ８０キロ級以上の
油井用溶接鋼管の製法を提供すること。 【構成】所定の成分組成鋼からなる帯鋼を、成形ロール
群に通して連続的にオープンパイプ状に成形し、このオ
ープンパイプをスクイズロールで加圧して両エッジを突
合せ、その突合せ部にレーザービームを照射して衝合溶
接して溶接鋼管となすに当たり、下記の（１）および
（２）式を満たす条件でレーザービームを照射して溶接
した後、溶接シーム部または鋼管全体をＡ_C3点以上に加
熱してから焼入し、次いで６００℃〜Ａ_C1点以下で焼き
戻す処理する。Ｖ≧２・・・・・・（１）Ｐ≧０．４Ｖｔ／ｅ
^a(T-T0) ・・・・・・（２） ただし、ａ＝０．０００６ Ｐ ：レーザ出力（ｋＷ） Ｖ ：溶接速度（ｍ／ｍｉｎ） ｔ ：帯鋼肉厚（ｍｍ） Ｔ ：帯鋼両エッジ部の予熱温度（℃） Ｔ0 ：室温（℃）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、硫化水素を含む原油井
や天然ガス井を掘削するのに用いる油井管、より詳しく
はＡＰＩ規格（アメリカ石油協会規格）に規定されるＬ
８０級以上の高強度油井管に使用して好適な溶接部の耐
硫化物応力割れ性に優れた油井用溶接鋼管の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、油井掘削用鋼管としては、主とし
て継目無鋼管が用いられている。これは、油井掘削用鋼
管には自重量によって材料の降伏応力に近い応力が付加
され、この状態で厳しい腐食環境下に曝されるため、十
分な硫化物応力割れ（以下、単にＳＳＣという）に対す
る抵抗性および土圧によるコラプスに対する抵抗性を有
することが要求されるが、これらの性能についての信頼
性が継目無鋼管の方が溶接鋼管に比べて優れていること
による。

【０００３】しかし、継目無鋼管は溶接鋼管に比べると
生産性が低くコスト高で高価につく他、真円度および真
直度の点でも劣っており、流体流れの円滑化による採油
効率の向上あるいは多重装入管の相互接触によるガルバ
ニック腐食発生機会の低減等を図る観点から、安価でか
つ真円度および真直度に優れた信頼性の高い溶接鋼管が
強く望まれている。

【０００４】近年に至り、油井管用として用いて十分な
耐硫化物応力割れ性（以下、耐ＳＳＣ性という）を有す
る鋼材が研究開発されて溶接鋼管の製造に供されてお
り、その溶接鋼管は母材部に限る限りにおいて何等問題
ないものの、溶接部の信頼性に欠けるという問題が残さ
れている。すなわち、今までの溶接鋼管には溶接部に溶
接欠陥が不可避的に存在し、これが湿潤Ｈ₂ Ｓ環境に曝
されると、鋼表面の腐食によって発生した水素が鋼中に
侵入して溶接欠陥部にトラップされ、これがＳＳＣの起
点となって溶接部の耐ＳＳＣ性を著しく劣化させるとい
う欠点があった。

【０００５】溶接鋼管の製造に際して用いられる代表的
な溶接法には、サブマージアーク溶接法（以下、ＳＡＷ
法という）、電縫溶接法（以下、ＥＲＷ法という）およ
びレーザービーム溶接法（以下、レーザー溶接という）
等がある。

【０００６】上記各溶接法のうち、ＳＡＷ法は、溶接欠
陥が比較的発生しにくく、たとえ欠陥が発生したとして
も非破壊検査で発見して補修することが可能であるとい
う利点を有するが、Ｌ８０級以上のような高強度高Ｃ材
料の溶接においては溶接割れの問題があって適用するこ
とが困難である。ただし、溶接入熱を低減することによ
って高強度高Ｃ材料であってもＳＡＷ法を適用すること
は可能であるが、この場合には必然的に溶接速度を遅く
する必要あるため生産性が著しく損なわれ、コスト高に
なる。

【０００７】一方、ＥＲＷ法は、溶接速度が速く高能率
な製造が可能であるが、信頼性の点で問題がある。すな
わち、ＥＲＷ法では大気中あるいは不活性ガスシールド
中で溶接するのが一般的であり、不活性ガスシールド中
での溶接であってもシールドが不完全で酸素分圧が高い
と酸化スケール等の欠陥誘起物質が溶接接合部間に混入
して溶接欠陥が多発する。また、高周波投入電力が低い
と溶融不足による冷接欠陥が発生し、逆に高周波投入電
力が高いと強い電磁力による溶鋼の不安定現象が生じて
ペネトレーター欠陥が発生する。従って、その製品は溶
接部性能の信頼性に欠ける。

【０００８】また、レーザー溶接は、上記ＥＲＷ法とは
本質的に異なる溶融溶接であり、溶接欠陥を減少させる
のに極めて有効であるが、レーザー溶接単独ではその溶
接速度がＥＲＷ法の１／５〜１／１０程度と極めて遅
く、レーザー発振機やその他の付帯設備の費用を考慮す
ると、経済性の点で優位な方法ではない。

【０００９】ところで、上記ＳＳＣの発生原因は、大き
く分けて介在物と硬化組織である。

【００１０】一方、溶接鋼管の溶接欠陥は酸化物系の介
在物が主体であり、この介在物が溶接接合面におけるＳ
ＳＣの発生原因となる。従って、溶接鋼管の溶接部の耐
ＳＳＣ性を改善するためには上記酸化物系介在物のよう
な欠陥誘起物質の溶接接合面への混入、ペネトレーター
状欠陥や冷接欠陥の発生を防ぐことが必要である。

【００１１】このため、ペネトレータ欠陥等の溶接欠陥
を減少させて製品の信頼性を向上させるために種々の方
法およびその製品が提案されており、例えば、特開昭６
０−２１３３６６号公報には、溶接接合部およびその近
傍の熱影響部に存在する酸化物系介在物の大きさと個数
を制限して溶接部の耐食性、特に耐水素誘起割れ性（以
下、耐ＨＩＣ性という）を改善した溶接鋼管が、また特
開平３−２６８８７７号公報には、逆極性消耗電極ワイ
ヤーを用いて母材表面にイオンを衝突させ、両エッジ近
傍の表面酸化物を除去クリーニングするとともに、アプ
セット量をオープンパイプ肉厚の１／５以上にして溶接
接合面間から欠陥誘起物質を押し出し溶接することで、
溶接欠陥をほぼゼロに減少させて耐ＳＳＣ性を改善した
油井用溶接鋼管の製造方法が提案されている。しかし、
前者の溶接鋼管は、十〜数十ミクロン程度の酸化物であ
ってもその形状等によってはＳＳＣの発生起点となり
得、このような小さな欠陥を目視あるいは非破壊検査で
判別すること自体事実上不可能に近く、また光学顕微鏡
等によるミクロ検査を大量生産される全ての鋼管に実施
することも事実上不可能に近いので、実用的な手段では
ないという欠点を有している。また、後者の方法は、溶
接欠陥をほぼゼロに減少できるが、アプセットによって
溶接部にメタルフローと称される加工組織が形成され、
このメタルフローに沿ってＳＳＣが発生し易いという欠
点を有している。

【００１２】さらに、最近では、溶接速度のより一層の
高速化とともにＳＡＷ法と同等の溶接部性能を有する溶
接鋼管を得ることを目的として、上記したように溶接速
度がＥＲＷ法の１／５〜１／１０である炭酸ガスレーザ
ービーム溶接法を溶接熱源に併用使用することが検討さ
れており、例えば特開平２−７０３７９号公報には、Ｅ
ＲＷ法による帯鋼両エッジ部の高周波加熱に引き続いて
レーザービームによるレーザー溶接を行う製管溶接方法
が提案されている。しかし、この方法は、ＥＲＷ法とは
本質的に異なる溶融溶接であるレーザー溶接を併用する
ため、溶接部欠陥の発生を防止することはできるもの
の、その溶接速度はレーザー単独溶接製管法の高々２倍
程度でしかないという欠点を有している。

【００１３】また、特開平６−１１６６４５号公報に
は、図１に示すように、帯鋼１の両エッジの溶接直前の
突き合わせ横断面形状をオープンパイプの外面側に所定
寸法の幅ａ、深さｂを有するＶ溝２を形成したＹ形状と
し、前記Ｖ溝２の底部に焦点を合わせてレーザービーム
を照射することによって、耐ＳＳＣ性に優れるＥＲＷ法
での製造サイズ（外径：約１９〜６１０ｍｍ、肉厚：約
１〜１９ｍｍ）の油井用溶接鋼管を、レーザー溶接法単
独でＥＲＷ法にほぼ匹敵する溶接速度で製造する方法が
提案されている。しかし、この方法では、６〜８ｍｍ程
度までの薄肉管に適用できるに留まり、より一層の高速
化または８〜１３ｍｍを超える厚肉管に適用するには前
記のＶ溝２の深さｂを深くする必要があるが、この場合
にはＶ溝２が溶融金属で埋められるよりも速く溶接が進
行するため、図２に示すように、アンダーカット６やそ
の表面が母材帯鋼表面より窪んだアンダービードなどの
ビード形状不良の欠陥が多発する。このビード形状不良
の発生を避けるために溶接速度を遅くすると、溶融金属
部の溶接後の冷却速度が低下して溶接部の溶け込み形状
が、図３に示すように、ワインカップ状となる結果、溶
接部の結晶粒が粗大化して肉厚方向の柱状晶組織とな
り、耐ＳＳＣ性を評価するＣリング試験時に割れが多発
して耐ＳＳＣ性が劣るという欠点を有している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の実状に鑑みなされたもので、上記ＥＲＷ法での製造サ
イズで、且つ８〜１３ｍｍを超える厚肉管であってもＥ
ＲＷ法にほぼ匹敵する能率で、しかも上記特開平６−１
１６６４５号公報に開示のＶ溝を設ける単独レーザー溶
接法以上の溶接速度での溶接が可能であり、溶接部の耐
ＳＳＣ性に優れるレーザー溶接法を使用した油井用溶接
鋼管の製造方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の耐
硫化物応力割れ性に優れる油井用溶接鋼管の製造方法に
ある。

【００１６】重量％で、Ｃ：０．２０％超え、０．６０
％以下、Ｓｉ：０．１０〜０．８０％、Ｍｎ：０．１０
〜１．００％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．００２
％以下、ｓｏｌ−Ａｌ：０．０１〜０．１０％を含み、
さらにＣｕ：０〜０．５０％、Ｎｉ：０〜０．５０％、
Ｃｒ：０〜１．２０％、Ｍｏ：０〜１．００％、Ｎｂ：
０〜０．１５％、Ｖ：０〜０．１５％、Ｔｉ：０〜０．
１５％、Ｚｒ：０〜０．１５％およびＢ：０〜０．００
５０％のうちの１種または２種以上、並びにＣａ：０〜
０．００５０％およびＲＥＭ：０〜０．０１％の１種ま
たは２種を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からな
る帯鋼を、成形ロール群に通して連続的にオープンパイ
プ状に成形し、このオープンパイプをスクイズロールで
加圧して帯鋼両エッジを突合せ、その突合せ部にレーザ
ービームを照射して衝合溶接して溶接鋼管となすに際
し、下記の（１）および（２）式を満たす条件でレーザ
ービームを照射して溶接した後、溶接シーム部または鋼
管全体をＡ_C3点以上に加熱してから焼入し、次いで６０
０℃〜Ａ_C1点以下で焼き戻すことを特徴とする耐硫化物
応力割れ性に優れる油井用溶接鋼管の製造方法。

【００１７】Ｖ≧２ ・・・・・・（１） Ｐ≧０．４Ｖｔ／ｅ^a(T-T0) ・・・・・・（２） ただし、ａ＝０．０００６ Ｐ ：レーザ出力（ｋＷ） Ｖ ：溶接速度（ｍ／ｍｉｎ） ｔ ：帯鋼肉厚（ｍｍ） Ｔ ：帯鋼両エッジ部の予熱温度（℃） Ｔ0 ：室温（℃） 上記の本発明方法において、素材帯鋼のＣｕ、Ｎｉ、Ｃ
ｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、ＺｒおよびＢ、並びにＣａ
およびＲＥＭは無添加でもよい。これらを積極的に添加
する場合、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏについては０．
０５％以上、Ｎｂ、Ｖ、ＴｉおよびＺｒについては０．
０１％以上、Ｂ、ＣａおよびＲＥＭについては０．００
０５％以上を含有させるのが望ましい。

【００１８】本発明者らは、種々実験研究の結果、次の
〜の知見を得、この知見に基づいて本発明をなし
た。

【００１９】 レーザー溶接法を用いる場合、溶接速
度を２ｍ／ｍｉｎ以上、すなわち上記（１）式を満足さ
せると、上記特開平６−１１６６４５号公報に開示され
る方法が採用するＶ溝の有無、レーザー出力および帯鋼
肉厚等とは無関係に、溶接部の溶け込み形状がワインカ
ップ状になって溶接部の結晶粒が粗大化して肉厚方向の
柱状晶組織となるのを防止できること。

【００２０】 レーザー単独溶接において、特開平６
−１１６６４５号公報に開示の如くにＶ溝を設けるの
は、低出力のレーザービームでも肉厚方向への貫通ビー
ドを形成し得て高速溶接を可能とするためである。従っ
て、Ｖ溝を設けないと低出力のレーザービームでは貫通
ビードを得ることが不可能であり、この場合には高周波
加熱手段等によって帯鋼両エッジ部を予め予熱して後レ
ーザービームを照射して溶接することが有効となるが、
その予熱効果はレーザービームに比べてエネルギー密度
が低いという理由からほぼ上限温度である１２５０℃に
予熱したとしても、予熱しない場合に比べてレーザ出力
比換算で高々２倍の効果、すなわち、上記（２）式の右
項中の分母の効果しかなく、予熱を併用するとしてもそ
れだけでは効果が不十分であり、大出力のレーザー発振
機、例えば従来５ｋＷが一般的であったものを２５ｋＷ
というような大出力のレーザー発振機を用いる必要のあ
ること。

【００２１】 また、単に大出力のレーザーを用いる
のみでは不十分で、レーザー出力をＰ（Ｋｗ）、帯鋼肉
厚をｔ（ｍｍ）、溶接速度をＶ（ｍ／ｍｉｎ）および帯
鋼両エッジ部の予熱温度をＴ（℃）とした時、帯鋼肉厚
ｔに応じて上記（２）式の関係を満足させて溶接する
と、酸化物等が存在しない無欠陥溶接部が得られるこ
と。

【００２２】

【作用】以下、本発明の方法を上記のように限定した理
由について詳細に説明する。

【００２３】耐ＳＳＣ性に優れる油井用溶接鋼管を得る
ためには、当然のことながら優れた耐ＳＳＣ性を備えた
素材帯鋼（熱延鋼板）を用いる必要があるとともに、製
管後に少なくとも溶接シーム部、望ましくは管全体の焼
入れ−焼戻し処理を施して、素材帯鋼製造時の履歴に関
係なく耐ＳＳＣ性に優れた母材性能が得られるようにす
ることが欠かせない。このため、素材として用いる帯鋼
（熱延鋼板）の成分組成を指定したが、各成分の含有量
は次の理由によって特定範囲に限定した。

【００２４】Ｃ：０．２０％超え、０．６０％以下 Ｃは鋼管に所定の強度（Ｌ８０級以上の強度）を付与す
る作用があるが、その含有量が０．２０％以下であると
上記強度の保証が困難となり、一方、その含有量が０．
６０％を超えると靭性劣化を招く上、焼き割れにより製
管が困難となることから、Ｃ含有量は０．２０％超え、
０．６０％以下と定めた。望ましくは、０．２５〜０．
５０％に調整するのがよい。

【００２５】Ｓｉ：０．１０〜０．８０％ Ｓｉは鋼の脱酸のために０．１０％以上の含有量を確保
する必要があり、一方、その含有量が０．８０％を超え
ると靭性劣化を招く上、焼き戻し脆化防止のためにもこ
の値以下に抑える必要があることから、Ｓｉ含有量は
０．１０〜０．８０％と定めた。好ましくは、０．１０
〜０．３０％である。

【００２６】Ｍｎ：０．１０〜１．００％ Ｍｎは鋼管に所定の強度を確保する作用があるが、その
含有量が０．１０％未満では所望とする強度の確保がで
きず、一方、１．００％を超えて含有させると耐ＳＳＣ
性の低下を招くことから、Ｍｎ含有量は０．１０〜１．
００％と定めた。好ましくは、０．２０〜０．６０％で
ある。

【００２７】Ｐ：０．０２５％以下 Ｐは不可避不純物であり、その含有量は低い方が望まし
い。特に、０．０２５％を超えてＰが含有されると母材
偏析部の合金元素濃度が高くなり、母材の耐ＳＳＣ性低
下が顕著となる上、焼き戻し脆化の点でも悪影響が現れ
ることから、Ｐ含有量は０．０２５％以下と定めた。好
ましくは０．０１５％以下である。

【００２８】Ｓ：０．００２％以下 Ｓは不可避不純物であり、その含有量は低い方が望まし
い。特に、０．００２％を超えてＳが含有されると硫化
物系介在物（ＭｎＳ）が生成し、耐ＳＳＣ性の低下が著
しくなることから、Ｓ含有量は０．００２％以下と定め
た。好ましくは、０．００１％以下である。

【００２９】ｓｏｌ−Ａｌ：０．０１〜０．１０％ Ａｌは鋼の脱酸のために０．０１％以上のｓｏｌ−Ａｌ
含有量を確保する必要があるが、その含有量が０．１０
％を超えると鋼の清浄度確保が困難となることから、ｓ
ｏｌ−Ａｌ含有量は０．０１〜０．１０％と定めた。好
ましくは、０．０２〜０．０５％である。

【００３０】本発明の素材帯鋼は、上記成分に加えて、
次のＣａおよびＲＥＭ（希土類元素）の１種または２
種、並びにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、
ＺｒおよびＢのうちの１種または２種以上を含有する鋼
からなるものであってもよい。

【００３１】ＣａおよびＲＥＭ（希土類元素）：上限
は、それぞれ０．００５０％、０．０１％ これらの成分は、硫化物系介在物の形態制御を通じて耐
ＳＳＣ性の向上作用を発揮するので、これらの効果を得
たい場合には、必要に応じてＣａおよびＲＥＭのうちの
１種または２種を含有させることができるが、いずれの
元素もその含有量が０．０００５％未満では前記作用に
よる所望の効果が充分に得られず、一方、Ｃａの場合に
は０．００５％を超えて含有されるとＣａ系介在物の増
加により耐ＨＩＣ性および耐ＳＳＣ性の劣化を招き、ま
た、ＲＥＭの場合には０．０１％を超えて含有されると
酸化物系介在物の増加により耐ＨＩＣ性および耐ＳＳＣ
性の劣化を招くことから、含有させる場合のＣａ含有量
は０．０００５〜０．００５０％、ＲＥＭ含有量は０．
０００５〜０．０１％とそれぞれ定めた。

【００３２】Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔ
ｉ、ＺｒおよびＢ これらの成分は、いずれも鋼管の強度および靭性を改善
する作用があるので、これらの効果を得たい場合には、
必要に応じてＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔ
ｉ、ＺｒおよびＢのうちから１種または２種以上を選ん
で含有させることができるが、各成分は次の理由から含
有させる場合の含有量を次のように定めた。

【００３３】Ｃｕ、Ｎｉ：上限は、いずれも０．５０％ いずれの元素も、その含有量が０．０５％未満であると
強度及び靭性の改善効果が不十分であり、一方、０．５
０％を超えて含有させると熱間加工性が低下して素材と
なる熱延コイルの製造が困難となるので、含有させる場
合の含有量は、いずれの元素も０．０５〜０．５０％と
定めた。

【００３４】Ｃｒ：上限は、１．２０％ Ｃｒ含有量が０．０５％未満であると強度及び靭性の改
善効果が不十分であり、一方、１．２０％を超えて含有
させると靭性の低下、耐ＳＳＣ性の低下を招くので、含
有させる場合の含有量は０．０５〜１．２０％と定め
た。

【００３５】Ｍｏ：上限は、１．００％ Ｍｏ含有量が０．０５％未満であると強度及び靭性の改
善効果が不十分であり、一方、１．００％を超えて含有
させると、靭性の低下、耐ＳＳＣ性の低下を招くので、
含有させる場合の含有量は０．０５〜１．００％と定め
た。

【００３６】Ｎｂ、Ｖ、ＴｉおよびＺｒ：上限は、いず
れも０．１５％ いずれの元素も、その含有量が０．０１％未満であると
強度及び靭性の改善効果が不十分であり、一方、０．１
５％を超えて含有させると靭性の低下を招くので、含有
させる場合の含有量は、いずれの元素も０．０１〜０．
１５％と定めた。

【００３７】Ｂ：上限は、０．００５０％、 Ｂ含有量が０．０００５％未満であると強度及び靭性の
改善効果が不十分であり、一方、０．００５０％を超え
て含有されると靭性の低下を招くので、含有させる場合
の含有量は０．０００５〜０．００５０％と定めた。

【００３８】本発明においては、先ず上記成分組成の素
材帯鋼を常法通りに成形ロール群に通して連続的にロー
ル成形してオープンパイプ状となし、成形ロール群の末
尾に設けられた左右一対のスクイズロールの作用によっ
てオープンパイプを突き合わせ、その突き合わせ部、す
なわち帯鋼両エッジ端面相互が当接する接合点にレーザ
ービームを上方から垂直に照射して衝合溶接を行うが、
この際、そのレーザー出力Ｐ（ｋＷ）、溶接速度Ｖ（ｍ
／ｍｉｎ）、帯鋼肉厚ｔ（ｍｍ）、帯鋼両エッジ部の予
熱温度Ｔ（℃）、室温Ｔ0 （℃）とした時、下記の
（１）および（２）式を満足する条件で衝合溶接を行
う。

【００３９】Ｖ≧２ ・・・・・・（１） Ｐ≧０．４Ｖｔ／ｅ^a(T-T0) ・・・・・・（２） ただし、ａ＝０．０００６ すなわち、上記（１）および（２）式は、本発明者らが
種々実験研究の結果見い出した関係式であり、前述した
ように、（１）式は、オープンパイプの突き合わせ部に
おけるＶ溝形成の有無、レーザー出力Ｐおよび帯鋼肉厚
ｔ等とは無関係に、溶接速度Ｖが２ｍ／ｍｉｎ未満で
は、溶融金属部の溶接後の冷却速度の低下に起因して溶
接部のとけ込み形状がワインカップ状となって溶接部の
結晶粒が粗大化して肉厚方向の柱状晶組織となって耐Ｓ
ＳＣ性が低下するが、溶接速度Ｖを２ｍ／ｍｉｎ以上に
設定して溶接すると、溶接部のとけ込み形状がワインカ
ップ状とならず、溶接部の組織が結晶粒の粗大化した肉
厚方向への柱状晶組織になるのを防止でき、これによっ
て溶接部の結晶粒の粗大柱状晶組織化に起因する耐ＳＳ
Ｃ性の低下を防止できる。このことは、後述の実施例の
結果からも明かである。

【００４０】また、上記（２）式は、溶接部に酸化物等
が存在しない無欠陥溶接を行うための条件を示してお
り、帯鋼肉厚ｔに応じて、溶接速度Ｖおよび帯鋼両エッ
ジ部の予熱温度Ｔを調整設定することによってレーザー
出力Ｐが（２）式の右辺で求められる値以上となるよう
に設定して溶接することによって、溶接部の酸化物等の
異物内在起因による耐ＳＳＣ性の低下を防止できる。す
なわち、（２）式の右辺で求められる値未満のレーザー
出力Ｐでは、溶接速度が２ｍ／ｍｉｎ以上であって溶接
部の組織が結晶粒の粗大化した肉厚方向への柱状晶組織
でなくても、溶接部に酸化物等の異物内在の溶接欠陥が
生じて耐ＳＳＣ性が低下することを意味している。

【００４１】図４は、帯鋼肉厚ｔ、溶接速度Ｖ、帯鋼両
エッジ部の予熱温度Ｔおよびレーザー出力ＰがＳＳＣ発
生に及ぼす影響を示した図であり、横軸に上記（２）式
中の右辺「０．４Ｖｔ／ｅ^a(T-T0) 」で求められる値と
レーザー出力Ｐとの差を、縦軸にＳＳＣ発生率を採って
示した図である。

【００４２】図４から明らかなように、レーザー出力Ｐ
が「０．４Ｖｔ／ｅ^a(T-T0) 」で求められる値未満の場
合にはＳＳＣが発生し、レーザー出力Ｐが「０．４Ｖｔ
／ｅ^a(T-T0) 」で求められる値以上の場合にはＳＳＣが
発生しておらず、このことから上記（２）式を満足させ
る必要のあることがわかる。

【００４３】なお、上記（１）および（２）式を同時に
満足させるためには、前述したように、従来一般的に用
いられている５ｋＷ程度の低出力のレーザー発振機では
不十分で、例えば２５ｋＷあるいはこれ以上の高出力の
レーザー発振機を用いる必要がある。

【００４４】また、大出力レーザーによる本発明の方法
においては、前記特開平６−１１６６４５号公報に記載
されると同様の図１に示すＶ溝２をオープンパイプの突
き合わせ部に形成させて溶接することもでき、この場合
にはより一層の高速化溶接が可能となる。すなわち、帯
鋼肉厚をｔ、集光前のレーザービーム径をＤ、集光光学
系の焦点距離をｆ、溶接速度をＶ、レーザー出力をＰと
した時、幅ａと深さｂとが下記（３）〜（６）式を満足
するＶ溝を形成して溶接するのが望ましい。

【００４５】ａ／ｂ＞Ｄ／ｆ ・・・・・・・ （３） ａ×ｂ≦２×（Ｐ／Ｖ） ・・・・・・・ （４） ｔ−ｂ≦４×（Ｐ／Ｖ） ・・・・・・・ （５） ａ≦２×（Ｐ／Ｖ） ・・・・・・・ （６） なお、上記（３）〜（６）式の意味するところは、以下
の通りである。

【００４６】（３）式：溶け込み深さを減少させないよ
うにするための条件。すなわち、集光前のビーム径がＤ
のレーザービーム３の光軸心を素材帯鋼１の両エッジ端
の突き合わせ部に一致させるとともに、その焦点位置を
Ｖ溝２の底部５に合わせた場合、ａ／ｂ値がＤ／ｆ未満
の時には、図５（ａ）に示すように、レーザービーム３
がＶ溝２の肩部４に当たり、肩部４で金属プラズマが発
生してこの金属プラズマにレーザービーム３が吸収され
てレーザーエネルギーが低下し、溶け込み深さが減少す
るが、ａ／ｂ値がＤ／ｆ値を超えると時には、図５
（ｂ）に示すように、レーザビーム３が前記肩部４に当
たることがないので、エネルギー低下のないレーザービ
ーム３をＶ溝２の底部５に集中照射できて深い溶け込み
深さを効率良く得ることができる。

【００４７】（４）式：溶接部の外面側にアンダービー
ドを発生させないようにするための条件。すなわち、図
２に示したようなアンダービード６を発生させないため
にはＶ溝が溶融金属で十分に埋められることが必要であ
り、これに必要な溶融金属量はＶ溝の断面積と供給され
る溶融金属量とで決定される。そして、Ｖ溝の断面積は
１／２（ａ×ｂ）で表され、一方、溶融金属量は、レー
ザー出力Ｐ、溶接速度Ｖの時、その入熱量（Ｐ／Ｖ）に
比例するから、アンダービード６の防止条件は［ａ×ｂ
≦ｋ×（Ｐ／Ｖ）］になる。なお、ｋは比例定数であ
り、多数の実験結果から「２」とするのが適切であるこ
とがわかった。

【００４８】（５）式：Ｖ溝の底部に連続して存在する
帯鋼両エッジ端が完全に突き合わされた部分の肉厚（ｔ
−ｂ）を貫通溶融させるための条件。すなわち、突き合
わせ部にＶ溝を形成してレーザーで溶かし込む必要のあ
る肉厚を減少させて溶接速度の高速化を図るためには、
前記Ｖ溝の底部に存在する肉厚（ｔ−ｂ）部分を完全に
溶かし込むに足りるレーザーエネルギーを供給する必要
があるが、レーザーの溶け込み深さはその入熱（Ｐ／
Ｖ）と比例関係にあることから、前記肉厚（ｔ−ｂ）部
分を完全に溶かし込む条件は［（ｔ−ｂ）≦ｐ×（Ｐ／
Ｖ）］となる。なお、ｐは比例定数であり、多数の実験
結果から「４」とするのが適切であることがわかった。

【００４９】（６）式：溶接部にアンダーカット６を発
生させないための条件。すなわち、図２に示したよう
に、Ｖ溝の幅ａがビード幅Ｂａより過剰に大きい場合に
はアンダーカット６が発生する。従って、溶接部にアン
ダーカット６を発生させないためには、Ｖ溝の幅ａをビ
ード幅Ｂａより小さくなるようにする必要がある。今、
溶接速度Ｖを一定とするとビード幅Ｂａはレーザーによ
る入熱量に比例するから、［ａ≦ｑ×（Ｐ／Ｖ）］の関
係が成立する。なお、ｑは比例定数であり、多数の実験
結果から「２」とするのが適切であることがわかった。

【００５０】このようにしてオープンパイプの突合せ部
を溶接した後は、少なくとも溶接シーム部に、また素材
帯鋼の耐ＳＳＣ性が充分でない場合には鋼管全体に熱処
理（焼入れ−焼戻し）を施すが、その熱処理条件は次の
理由によって規定された。

【００５１】［焼入れ温度］焼入に先だって少なくとも
溶接シーム部をＡ_C3変態点以上の温度域へ加熱するの
は、加熱時にオーステナイト単相として細粒鋼を得るた
めに必要な処理であり、加熱温度がこの温度未満である
と混粒となって耐ＳＳＣ性が劣化する。なお、加熱温度
は望ましくは１１００℃以下とするのがよく、これを越
えると粗粒となって耐ＳＳＣ性が低下する傾向を見せる
ので注意を要する。

【００５２】［焼戻し温度］焼戻し温度が６００℃未満
であると材料が軟化せず、高硬度のために耐ＳＳＣ性が
劣化する。一方、Ａ_C1変態点を越えると一部オーステナ
イト変態が生じて所定の強度が得られないばかりか、残
留オーステナイトや焼戻されないマルテンサイト相が生
じて耐ＳＳＣ性が低下する。

【００５３】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき、より詳細に
説明する。

【００５４】製管用母材として、焼入れ−焼戻し処理に
よって優れた耐ＳＳＣ性と高強度が得られる、表１に示
す化学成分を有する１３種類の素材帯鋼を準備した。な
お、表１には熱処理後の母材の強度（耐力＝Ｙ．Ｓと抗
張力＝Ｔ．Ｓ）および耐ＳＳＣ性（Ｌ方向＝管軸長方
向）を調査した結果も併記した。

【００５５】

【表１】

【００５６】上記素材帯鋼（熱延鋼板）を常法に基づき
成形ロール群に通してオープンパイプに成形し、スクイ
ズロールでその両エッジ部相互を突き合わせ、この突き
合わせ部分に上方よりシールドガスとしてプラズマ除去
効果の高いヘリウムガスを用いてレーザービームを垂直
に照射して衝合溶接を行うに当たり、表２および表３に
示す各条件で溶接を行った。なお、レーザー源として
は、出力が５ｋＷと２５ｋＷの２種類の炭酸ガスレーザ
ー発振機を使用した。また、出力２５ｋＷのレーザービ
ームの集光前のビーム径Ｄは５１ｍｍ、ミラー（放物面
鏡）の焦点距離ｆは３８１ｍｍであり、出力５ｋＷのレ
ーザービームの集光前のビーム径Ｄは３０ｍｍ、ミラー
（放物面鏡）の焦点距離ｆは１５０ｍｍであり、焦点は
いずれも突合せ部のオープンパイプ外表面に設定した
が、突き合わせ部にＶ溝を形成した一部のものについて
はＶ溝底部に焦点を合わせた。また、比較のため同様素
材帯鋼を用いた従来のＥＲＷ法によって溶接した溶接鋼
管も用意した。

【００５７】

【表２】

【００５８】

【表３】

【００５９】得られた溶接鋼管に、表２および表３に示
す条件の熱処理を施した後、母材および溶接部の耐ＳＳ
Ｃ性を評価した。

【００６０】ＳＣＣ試験片は、図６に示したように、母
材部については溶接シーム部と１８０°位相する位置の
Ｌ方向（管軸長方向）から図７に示す形状、寸法の試験
片を切り出し、溶接部についてはＮＡＣＥ（米国腐食協
会規格）−ＴＭ０１７７−９０のＭＥＴＨＯＤ−Ｃに規
定される図８に示す形状、寸法のＣリング試験片を溶接
シーム部が円弧方向の中央に位置するようにＴ方向（円
周方向）から切り出した。

【００６１】これら試験片のうち、母材部の試験片は、
図９に示すＳＣＣ試験装置を用い、ＮＡＣＥ浴（０．５
％酢酸、５％食塩水、２５℃、１気圧Ｈ₂ Ｓ飽和）中
で、ＳＭＹＳ（規格最小降伏応力）の８０％、８５％、
９０％および９５％の４条件の単軸の引張応力を付与し
て７２０時間の試験期間中での破断の有無を調査し、破
断しなかったときの付加最大応力（σｔｈ）で評価し
た。

【００６２】溶接部のＣリング試験片は、ＮＡＣＥ−Ｔ
Ｍ０１７７−９０のＭＥＴＨＯＤ−Ｃの規定に則り、Ｎ
ＡＣＥ浴（０．５％酢酸、５％食塩水、２５℃、１気圧
Ｈ₂Ｓ飽和）中で、ＳＭＹＳの１００％の引張応力を付
与し、２００時間の試験期間中における破断の有無を調
査して評価した。なお、引張応力は、ストック寸法Ｈを
下記（７）式に基づいて求め、貫通孔７にボルトを挿通
して締め付けることによって付与した。

【００６３】 Ｈ＝πｄ（ｄ−ｔ）ｓ／４ｔＥ ・・・・（７） ここで、ｄ：外径（溶接まま表面） ｔ：肉厚 ｓ：応力 Ｅ：ヤング率 試験個数は、母材部については各４個づつ（上記の４条
件）、溶接部については各２個づつとした。

【００６４】これらの試験結果を、母材部については表
１に、溶接部については表２および表３に併記した。な
お、表２および表３中、試番１、１７および３４は従来
のＥＲＷ法による従来例、試番２、３、４、１８、１９
および２０がＶ溝を形成した従来のレーザー単独溶接に
よる従来例、その他が本発明例と比較例である。

【００６５】試番１、１７および３４から明らかなよう
に、従来例のＥＲＷ法では、溶接部の耐ＳＳＣ性がいず
れも劣っている。

【００６６】また、試番４、７、１１、１２、２０、２
４、２９、３３および３９から明らかなように、溶接速
度が２ｍ／ｍｉｎ未満の場合には、素材帯鋼肉厚の大
小、レーザー出力の大小、Ｖ溝形成の有無および帯鋼両
エッジ部の予熱の有無に関係なく、いずれの場合も溶接
部の溶け込み形状がワインカップ状となって溶接部の耐
ＳＳＣ性が劣っている。すなわち、上記（１）式がＳＳ
Ｃ発生を防止するための必要条件であることがわかる。

【００６７】肉厚が１２．７ｍｍのＡ鋼では、レーザー
出力が５ｋＷの場合、試番２と試番３の対比から明かな
ように、Ｖ溝を形成した従来方法でも耐ＳＳＣ性の良好
な製品が得られる最高溶接速度は高々２ｍ／ｍｉｎであ
り、試番５から明らかなように、Ｖ溝を形成せず、かつ
帯鋼両エッジ部を予熱しない時には溶接速度が２ｍ／ｍ
ｉｎでも溶け込み不足が生じ、溶接不能であった。さら
に、試番６から明らかなように、帯鋼両エッジ部の高温
予熱時には溶接速度２ｍ／ｍｉｎでの溶接自体は可能と
なるが、０．４Ｖｔ／ｅ^a(T-T0) 値が本発明で規定する
（２）式の範囲を外れているため、溶接欠陥が生じ、耐
ＳＳＣ性が劣っている。

【００６８】これに対し、レーザー出力が２５ｋＷで
は、試番８〜１２の対比から明らかなように、帯鋼両エ
ッジ部を予熱せず、かつＶ溝を形成しない場合にあって
も、耐ＳＳＣ性の良好な製品の得られる最高溶接速度が
４．５ｍ／ｍｉｎ（試番９）となり、Ｖ溝を形成したレ
ーザー出力５ｋＷのもの（試番３）に比べて２倍以上と
いう速い溶接速度での溶接が可能であった。また、試番
１３と試番１４の対比から明らかなように、帯鋼両エッ
ジ部を１２５０℃の高温に予熱すると、耐ＳＳＣ性の良
好な最高溶接速度は１０ｍ／ｍｉｎにまでの高速での溶
接が可能である。

【００６９】さらに、試番１５と試番１６の対比から明
らかなように、出力２５ｋＷの大出力レーザーとＶ溝形
成とを組み合わせた場合には、帯鋼両エッジ部を予熱し
なくても、同一寸法のＶ溝を形成したレーザー出力５ｋ
Ｗのもの（試番３）に比べて３．５倍の７ｍ／ｍｉｎと
いう速い溶接速度でも耐ＳＳＣ性の良好な製品が得られ
ている。

【００７０】また、肉厚が８．６mmとＡ鋼に比べて薄い
Ｂ鋼では、レーザー出力が５ｋＷの場合には、耐ＳＳＣ
性の良好な製品の得られる最高溶接速度は、帯鋼両エッ
ジ部を予熱せずにＶ溝を形成した時で３ｍ／ｍｉｎ（試
番１８〜２０参照）であり、Ｖ溝を形成せずに帯鋼両エ
ッジ部を１２００℃に予熱した時で２．５ｍ／ｍｉｎ
（試番２１〜２４参照）であるが、レーザー出力が２５
ｋＷの場合の耐ＳＳＣ性の良好な製品得られる最高溶接
速度は、Ｖ溝を形成しなくても、帯鋼両エッジ部を９０
０℃に予熱した時で１２ｍ／ｍｉｎ（試番３０〜３３参
照）に、１２００℃に予熱した時で１４ｍ／ｍｉｎ（試
番２５〜２９参照）にまで上がっている。

【００７１】さらに、肉厚が１４．３ｍｍと厚いＣ鋼で
は、レーザー出力が５ｋＷの場合には、Ｖ溝を形成しな
いで帯鋼両エッジ部を１２５０℃の高温に予熱して時、
溶接速度２ｍ／ｍｉｎでも溶け込み不足が発生するとと
もに、溶接部の耐ＳＳＣ性の良好な溶接は不可能である
（試番３５参照）が、レーザー出力が２５ｋＷの場合に
は、同様条件で溶接速度９ｍ／ｍｉｎでも耐ＳＳＣ性の
良好な製品が得られている（３６〜３９参照）。

【００７２】このことは、肉厚が１１．１ｍｍの他の各
成分系のＤ〜Ｍ鋼を対象ににした試番４２〜４９の本発
明例からも明かである。

【００７３】なお、ＥＲＷ法での平均的な溶接速度は、
肉厚８．６ｍｍのＢ鋼で１０ｍ／ｍｉｎ、肉厚１２．７
ｍｍのＡ鋼で８ｍ／ｍｉｎ、肉厚１４．３ｍｍのＣ鋼で
６ｍ／ｍｉｎ程度であり、本発明例の大出力レーザーを
用いた場合の溶接速度は、ＥＲＷ法での溶接速度に相当
し、またＶ溝を形成した低出力レーザー単独溶接の従来
法の約２倍の溶接速度である。

【００７４】

【発明の効果】本発明の方法によれば、実管の耐ＳＳＣ
性を評価するのに最も適当とされる過酷なＣリング試験
でも溶接部の優れた耐ＳＳＣ性を示し、Ｈ₂ Ｓ環境にお
いて油井掘削用鋼管として用いて十分に満足できるＥＲ
Ｗ法での製造サイズの高強度溶接鋼管を能率よく安定し
て製造することが可能で、産業上極めて有用な効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接前のＶ溝形状の一例を示す図である。

【図２】Ｖ溝幅が過大時に生じる溶接ビード形状を示す
図である。

【図３】溶接速度が遅い場合に生じる溶接部の溶け込み
形状を示す図である。

【図４】オープンパイプ肉厚、溶接速度、帯鋼両エッジ
部の予熱温度およびレーザー出力がＳＳＣ発生に及ぼす
影響を示す図である。

【図５】Ｖ溝寸法とレーザービーム経路の関係を示す説
明図である。

【図６】ＳＳＣ調査用試験片の採取部位を示す図であ
る。

【図７】母材部のＳＳＣ試験片の形状、寸法を示す図で
ある。

【図８】溶接部のＳＳＣ試験片の形状、寸法を示す図で
ある。

【図９】母材部試験片のＳＳＣ試験に用いた装置の概念
図である。

【符号の説明】

１ ：帯鋼 ２ ：Ｖ溝 ３ ：レーザービーム ４ ：Ｖ溝の肩部 ５ ：Ｖ溝の底部 ６ ：アンダーカット ７ ：貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２２Ｃ 38/54

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．２０％超え、０．６０
   ％以下、Ｓｉ：０．１０〜０．８０％、Ｍｎ：０．１０
   〜１．００％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．００２
   ％以下、ｓｏｌ−Ａｌ：０．０１〜０．１０％を含み、
   さらにＣｕ：０〜０．５０％、Ｎｉ：０〜０．５０％、
   Ｃｒ：０〜１．２０％、Ｍｏ：０〜１．００％、Ｎｂ：
   ０〜０．１５％、Ｖ：０〜０．１５％、Ｔｉ：０〜０．
   １５％、Ｚｒ：０〜０．１５％およびＢ：０〜０．００
   ５０％のうちの１種または２種以上、並びにＣａ：０〜
   ０．００５０％およびＲＥＭ：０〜０．０１％の１種ま
   たは２種を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からな
   る帯鋼を、成形ロール群に通して連続的にオープンパイ
   プ状に成形し、このオープンパイプをスクイズロールで
   加圧して帯鋼両エッジを突合せ、その突合せ部にレーザ
   ービームを照射して衝合溶接して溶接鋼管となすに際
   し、下記の（１）および（２）式を満たす条件でレーザ
   ービームを照射して溶接した後、溶接シーム部または鋼
   管全体をＡ_C3点以上に加熱してから焼入し、次いで６０
   ０℃〜Ａ_C1点以下で焼き戻すことを特徴とする耐硫化物
   応力割れ性に優れる油井用溶接鋼管の製造方法。 Ｖ≧２ ・・・・・・（１） Ｐ≧０．４Ｖｔ／ｅ^a(T-T0) ・・・・・・（２） ただし、ａ＝０．０００６ Ｐ ：レーザ出力（ｋＷ） Ｖ ：溶接速度（ｍ／ｍｉｎ） ｔ ：帯鋼肉厚（ｍｍ） Ｔ ：帯鋼両エッジ部の予熱温度（℃） Ｔ0 ：室温（℃）