JPH09316611A - 耐食性および溶接性に優れたラインパイプ用マルテンサイト鋼 - Google Patents
耐食性および溶接性に優れたラインパイプ用マルテンサイト鋼Info
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- JPH09316611A JPH09316611A JP8286848A JP28684896A JPH09316611A JP H09316611 A JPH09316611 A JP H09316611A JP 8286848 A JP8286848 A JP 8286848A JP 28684896 A JP28684896 A JP 28684896A JP H09316611 A JPH09316611 A JP H09316611A
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- C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
Abstract
環境でも十分な耐食性を示し、また溶接性および溶接部
の靱性に優れ、さらには高温引張りにも優れたラインパ
イプ用のマルテンサイト鋼を提供する。 【解決手段】C:0.02wt%以下、 Si:0.5 wt%以
下、Mn:0.2 〜3.0 wt%、 Cr:10〜14wt%、Ni:0.
2 〜7.0 wt%、 Mo:0.2 〜5.0 wt%、Al:0.1 wt%
以下、 N:0.07wt%以下を、 (Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)−3(C%)≧12.2 (Cr%)+3.5(Mo%) + 10(N%)+0.2(Ni%)− 20(C%)≧14.
5 150(C%)+100(N%)−Ni−Mn≦4 を満足する範囲において含有し、残部は実質的にFeの組
成に調整する。
Description
ガスの輸送用鋼管としての用途に供して好適なラインパ
イプ用マルテンサイト鋼に関し、特にその耐食性および
溶接性の向上を図ったものである。
は、穏やかな環境のものは掘り尽くされ、腐食環境の厳
しい井戸や、寒冷地、深井戸、海底油田など、厳しい環
境の井戸に手を付けざるを得ない状況になりつつある。
そのため、油井管やラインパイプとして使用される鋼材
には、従来以上の高い性能が求められている。
増加しているが、かような環境では炭素鋼は著しく腐食
されるので、防食手段としてインヒビターの添加が行わ
れてきた。しかしながら、インヒビターの使用は、コス
ト高となるだけでなく、高温では十分な効果が得られな
いことがあるため、最近ではインヒビターを用いず、耐
食性材料を使用する傾向にある。
wt%含有するマルテンサイト系ステンレス鋼が広く知ら
れている。この鋼は、製造コストが安価なだけでなく、
耐炭酸ガス腐食性に優れているという利点はあるが、一
方で硫化物応力腐食割れ感受性が高いため、硫化水素を
含む環境下での使用には適さない。そこで、最近では、
少量の硫化水素を含む環境に適合させるために、13%Cr
鋼にMo, Ni等を添加した耐硫化物応力腐食割れ性(耐S
SC性)に優れた油井管が開発されている(例えば特開
昭60−174859号公報)。
規格に、C量を低減した12%Crマルテンサイト系ステン
レス鋼が規定されているが、円周溶接の際に予熱および
後熱が必要なためコストの上昇を招くだけでなく、溶接
部の靱性に劣ることから、一般にはほとんど採用されて
いない。また、上記したNi, Mo等を含む13%Cr鋼は、溶
接性に全く考慮が払われていないため、そのままライン
パイプとして使用した場合、予熱、後熱なしで溶接する
と、溶接割れを起こす危険性が高い。
ては、溶接性に優れ、かつ耐食性にも優れる二相ステン
レス鋼が用いられてきた。しかしながら、二相ステンレ
ス鋼は、井戸によっては過剰性能であったり、高コスト
になるという問題があった。
が流れる場合には、強度の低下が生じるため、その対策
として、従来は、パイプの常温強度を上げたり、板厚を
厚くするといった対策が講じられてきたが、前者は溶接
性を低下させる危険性があり、一方後者はコストアップ
を招くという問題があった。
の技術は、安定した防食作用や良好な溶接熱影響部の靱
性等が得難いだけでなく、高温強度が十分とはいい難
く、またいずれも高コストという共通した課題を抱えて
いた。この発明は、上記の問題を有利に解決するもの
で、炭酸ガス環境でも十分な耐全面腐食性および耐孔性
を示し、また少量の硫化水素を含む環境においても優れ
た耐硫化物応力腐食割れ性を示し、しかも溶接性および
溶接部の靱性のみならず高温での引張り特性にも優れ、
さらにはコストも安いラインパイプ用のマルテンサイト
鋼を提案することを目的とする。
の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、いわゆる13
%Cr鋼において、CおよびN量を所定レベルまで低減す
ると共に、Ni, Mo、さらには炭化物形成元素であるTi,
ZrおよびTa等を適量添加し、またさらにはNbやVを適量
添加することが、所期した目的の達成に関し、極めて有
効であることの知見を得た。この発明は、上記の知見に
立脚するものである。
りである。 1. C:0.02wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、M
n:0.2 〜3.0 wt%、 Cr:10〜14wt%、Ni:0.2 〜
7.0 wt%、 Mo:0.2 〜5.0 wt%、Al:0.1 wt%以
下、 N:0.07wt%以下を、 (Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)−3(C%)≧12.2 (Cr%)+3.5(Mo%) + 10(N%)+0.2(Ni%)− 20(C%)≧14.
5 150(C%)+100(N%)−Ni−Mn≦4 を満足する範囲において含有し、残部は実質的にFeの組
成になる耐食性および溶接性に優れたラインパイプ用マ
ルテンサイト鋼(第1発明)。
wt%以下、Mn:0.2 〜3.0 wt%、 Cr:10〜14wt%、
Ni:0.2 〜7.0 wt%、 Mo:0.2 〜5.0 wt%、Al:0.
1 wt%以下、 N:0.07wt%以下ならびにCu:2.0
wt%以下、 Ti:0.15wt%以下、Zr:0.15wt%以
下、 Ta:0.15wt%以下、Ca:0.006 wt%以下のう
ちから選んだ1種または2種以上を、 (Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)+3(Cu%)−3(C%)≧12.2 (Cr%)+3.5(Mo%) + 10(N%)+0.2(Ni%)− 20(C%)≧14.
5 150(C%)+100(N%)−Ni−Mn≦4 を満足する範囲において含有し、残部は実質的にFeの組
成になる耐食性および溶接性に優れたラインパイプ用マ
ルテンサイト鋼(第2発明)。
wt%以下、Mn:0.2 〜3.0 wt%、 Cr:10〜14wt%、
Ni:0.2 〜7.0 wt%、 Mo:0.2 〜5.0 wt%、Al:0.
1 wt%以下、 N:0.07wt%以下を、 (Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)−3(C%)≧12.2 (Cr%)+3.5(Mo%) + 10(N%)+0.2(Ni%)− 20(C%)≧14.
5 150(C%)+100(N%)−Ni−Mn≦4 を満足する範囲において含有し、かつNbおよびVの少な
くともいずれか1種を(0.8 Nb+V):0.02〜0.20wt%
の範囲で含有し、残部は実質的にFeの組成になる耐食性
および溶接性に優れたラインパイプ用マルテンサイト鋼
(第3発明)。
wt%以下、Mn:0.2 〜3.0 wt%、 Cr:10〜14wt%、
Ni:0.2 〜7.0 wt%、 Mo:0.2 〜5.0 wt%、Al:0.
1 wt%以下、 N:0.07wt%以下ならびにCu:2.0
wt%以下、 Ti:0.15wt%以下、Zr:0.15wt%以
下、 Ta:0.15wt%以下、Ca:0.006 wt%以下のう
ちから選んだ1種または2種以上を、 (Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)+3(Cu%)−3(C%)≧12.2 (Cr%)+3.5(Mo%) + 10(N%)+0.2(Ni%)− 20(C%)≧14.
5 150(C%)+100(N%)−Ni−Mn≦4 を満足する範囲において含有し、かつNbおよびVの少な
くともいずれか1種を(0.8 Nb+V):0.02〜0.20wt%
の範囲で含有し、残部は実質的にFeの組成になる耐食性
および溶接性に優れたラインパイプ用マルテンサイト鋼
(第4発明)。
組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。 C:0.02wt%以下 Cは、溶接割れの回避、溶接熱影響部の靱性向上、溶接
熱影響部の硬さ低減、さらには炭酸ガスに対する耐食
性、耐孔食性確保いずれの面でも、極力低減することが
望ましく、特に予熱なしでの溶接を可能とするためには
0.02wt%以下とする必要があることから、C量は0.02wt
%以下に限定した。
であるので、多量に含まれるとフェライトが生成し易く
なり、母材および溶接部の靱性を劣化させる。また、継
目無鋼管においてはフェライトが存在すると、製造に支
障をきたすおそれある。そこでSi量は、かようなおそれ
のない 0.5wt%以下に限定した。
オーステナイト生成元素であるため、フェライト生成を
抑制し、母材および溶接部の靱性を向上させる上でも有
用な元素である。しかしながら、含有量が 0.2wt%に満
たないとその添加効果に乏しく、一方 3.0wt%を超えて
添加してもその効果は飽和に達するので、Mn量は 0.2〜
3.0 wt%の範囲に限定した。
する耐食性および耐孔食性を付与するために必要な基本
元素であり、これらの効果を得るためには10wt%以上の
添加が必要である。しかしながら、14wt%を超えて含有
されるとフェライトが生成し易くなるため、マルテンサ
イト組成を安定して得るには多量のオーステナイト生成
元素の添加が必要となり、コスト高となるので、Cr量は
10〜14wt%の範囲に限定した。
る影響を補うと共に、炭酸ガス環境下における耐食性、
ならびに靱性を向上させる効果があり、そのためには
0.2wt%以上の添加が必要である。また、Mo添加鋼の場
合、熱間加工性を確保するために添加する必要がある。
しかしながら、7.0 wt%を超えて添加するとAc1点が下
がりすぎ、要求される特性を得るには長時間の焼戻しが
必要となる他、コストも高くなる。従って、Ni量は 0.2
〜7.0 wt%の範囲に限定した。
果を得るためには 0.2wt%以上の添加が必要である。一
方、5.0 wt%を超えて含有するとフェライトが生成し易
くなるだけでなく、耐SSC性向上に対してもあまり効
果がなくなるので、0.2 〜5.0 wt%の範囲に限定した。
を超える添加は靱性の低下を引き起こすので、含有量は
0.1wt%以下に制限した。
向上および溶接熱影響部の硬さ低減のためにはできるだ
け低いほうが望ましく、0.07wt%を超えるとこれらの効
果が十分に得られないので、N量は0.07wt%以下に限定
した。なお、好ましくは範囲は0.05wt%以下である。
発明ではさらに以下に述べる元素についても、必要に応
じて適宜添加することができる。 Cu:2.0 wt%以下 Cuは、Ni, Mnと共にオーステナイト生成元素としてC,
Nの低減による影響を補うだけでなく、溶接熱影響部の
靱性向上および耐全面腐食性の向上にも有効に寄与す
る。また、炭酸ガスおよび塩化物を含有する環境での耐
孔食性の向上にも効果がある。しかしながら、2.0 wt%
を超えて含有すると一部が固溶せず析出するようにな
り、溶接熱影響部の靱性に悪影響が出てくるので、Cuは
2.0wt%以下好ましくは 0.2〜0.7 wt%の範囲で含有さ
せるものとした。
a:0.15wt%以下 Ti, ZrおよびTaはそれぞれ、母材および溶接部の靱性向
上に有効に寄与する。また、Cr炭化物をTi, Zr, Taの炭
化物に置換することによって、耐孔食性に対する有効Cr
量の低下を防止し、耐孔食性を向上させる働きもある。
しかしながらいずれも、0.15wt%を超えて添加すると溶
接割れ感受性が高くなるだけでなく、逆に靱性を劣化さ
せることから、それぞれ0.15wt%以下の範囲で添加する
ものとした。
とによって、耐食性を向上させる有用元素である。しか
しながら、 0.006wt%を超えて添加されるとクラスター
状介在物の生成が増大し、かえって靱性の劣化を招くの
で、Caは 0.006wt%以下の範囲に限定した。
に有用な元素である。しかしながら、含有量が(0.8 Nb
+V)で0.02wt%に満たないと80〜150 ℃における高温
強度を確保する上で充分ではなく、一方0.20wt%を超え
る添加では靱性の劣化を招くので、(0.8 Nb+V)で0.
02〜0.20wt%好ましくは0.03〜0.12wt%の範囲で含有さ
せるものとした。
発明で所期した効果を得るには、各成分を上記の範囲に
単に制限するだけでは不十分で、以下の関係式も併せて
満足させることが肝要である。 (Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)−3(C%)≧12.2(第1, 3発
明)または(Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)+3(Cu%)−3(C%)
≧12.2(第2, 4発明) この発明の目的の一つとして、炭酸ガスおよび塩化物を
含有する環境下での耐食性(以下単に耐炭酸ガス腐食性
という)の向上がある。これには不動態皮膜を安定化さ
せることが有効で、そのためにはCrの増量と共に、Moの
添加が効果的である。しかしながら、Crが炭化物を形成
すると耐孔食性に対する有効Cr量が減少するため、耐食
性が低下する。従って、Cを減量することは耐食性の向
上につながる。またNi, Cuの添加は不動態皮膜を安定に
する効果がある。そこで、耐炭酸ガス腐食性に対するか
かる元素の効果を定量的に調べた結果、充分な耐炭酸ガ
ス腐食性を得るためには、上掲式の関係を満足する範囲
で各元素を含有させる必要があることが究明された。
20(C%)≧14.5 また、この発明の他の目的として、少量の硫化水素を含
有する環境下での耐応力腐食割れ性の向上があり、本鋼
材の耐SSC性を向上させるには、硫化水素を含有した
環境における耐孔食性の向上が有効である。そこで、耐
孔食性に及ぼす影響が大きいCr, Mo, N, Ni, Cについ
てその効果を定量的に調査したところ、所期した目的達
成のためには上掲式の関係を満足させる必要があること
が判明した。
的としているので、溶接性も重要である。特に海底ライ
ンパイプに使用される場合、予熱、後熱を省略できるこ
とが不可欠である。そこで、発明者らは、この点につい
ても鋭意検討を重ねた結果、予熱、後熱なしで十分な溶
接性を得るためには、上掲式の関係を満足させる必要が
あることが究明されたのである。
響が大きいので、以下の範囲に抑制することが好まし
い。 P:0.05wt%以下 Pは、粒界に析出して粒界強度を低下させ、耐SSC性
に悪影響を及ぼすので、0.05wt%以下にすることが好ま
しい。 S:0.005 wt%以下 Sは、MnS等の硫化物を析出させ、熱間加工性を劣化さ
せるので、0.005 wt%以下にすることが好ましい。
後、プラグミル方式やマンドレルミル方式などの一般に
行われる工程からなる継目無鋼管製造方法で造管する
か、または電縫鋼管、UOE鋼管、スパイラル鋼管など
の一般に行われる工程からなる溶接鋼管製造方法により
造管した後、適切な熱処理を実施して製品とされる。
み:15mmの熱延板とした。引き続き、焼き入れ、焼きも
どしの熱処理を施し、X80グレードの強度を調整した。
これらの鋼板に対して、 JIS−3158で規定されている斜
めY形溶接割れ試験を、予熱:30℃にて行い、溶接性を
調査した。また、全鋼板に対して、母材の炭酸ガス腐食
試験を実施し、耐孔食性と耐全面腐食性を調査した。炭
酸ガス腐食試験は、オートクレーブで 3.0 MPaの炭酸ガ
スを飽和させた20%NaCl中に、母材から採取した 3.0mm
×25mm×50mmの試験片を浸漬し、80℃で7日間保持する
ことにより行った。SSC試験はNACE−TM 0177 method
Aに準じた定荷重試験で評価した。試験は、5%NaCl+0.
5%CH3COOH 試験液のpHをCH3COONa添加によって 3.5に調
整した後、1%H2S+99%CO2の混合ガスを流しながら行っ
た。付加応力は85%SMYSで試験期間は 720時間である。
かくして得られた調査結果をまとめて表2に示す。な
お、溶接性については、溶接割れの発生しなかったもの
を○、発生したものを×で表わした。耐全面腐食性につ
いては腐食速度で表し、また耐孔食性については、孔食
の発生しなかったものを○、発生したものを×で表し
た。炭酸ガス腐食速度の優劣を判断する限界値としては
0.127mm/yrを採用した。さらにSSC試験については、
破断しなったものを○、破断したものを×で表わした。
得られた鋼はいずれも、予熱30℃の斜めY形溶接割れ試
験において断面割れは認められず、優れた溶接性を示し
た。また、腐食試験においても優れた耐炭酸ガス腐食
性、耐孔食性および耐SSC性を示した。
に処理してマルテンサイト鋼を製造した。得られた各鋼
材について、実施例1と同様の各種特性試験を行った。
得られた結果を表4に示す。なお、高温引張り特性は、
引張り試験片を 100℃, 150℃で引張り、常温強度との
比を求めることで評価した。
得られた鋼はいずれも、予熱30℃の斜めY形溶接割れ試
験において断面割れは認められず、優れた溶接性を示し
た。また、腐食試験においても優れた耐炭酸ガス腐食
性、耐孔食性および耐SSC性を示した。さらに、適量
のNb, Vを添加することによって高温強度も改善されて
いる。
境下で優れた耐孔食性および耐全面腐食性を示すだけで
なく、少量の硫化水素を含む環境下においても優れた耐
SSC性を示し、しかも予熱、後熱なしで円周溶接が可
能で、さらには高温での引張り特性にも優れたラインパ
イプ用マルテンサイト鋼を得ることができる。従って、
この発明によれば、石油・天然ガスなどを輸送するため
のラインパイプが安価に提供可能となり、産業の発展に
寄与するところ極めて大である。
Claims (4)
- 【請求項1】 C:0.02wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.2 〜3.0 wt%、 Cr:10〜14wt%、 Ni:0.2 〜7.0 wt%、 Mo:0.2 〜5.0 wt%、 Al:0.1 wt%以下、 N:0.07wt%以下を、 (Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)−3(C%)≧12.2 (Cr%)+3.5(Mo%) + 10(N%)+0.2(Ni%)− 20(C%)≧14.
5 150(C%)+100(N%)−Ni−Mn≦4 を満足する範囲において含有し、残部は実質的にFeの組
成になる耐食性および溶接性に優れたラインパイプ用マ
ルテンサイト鋼。 - 【請求項2】 C:0.02wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.2 〜3.0 wt%、 Cr:10〜14wt%、 Ni:0.2 〜7.0 wt%、 Mo:0.2 〜5.0 wt%、 Al:0.1 wt%以下、 N:0.07wt%以下 ならびに Cu:2.0 wt%以下、 Ti:0.15wt%以下、 Zr:0.15wt%以下、 Ta:0.15wt%以下、 Ca:0.006 wt%以下 のうちから選んだ1種または2種以上を、 (Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)+3(Cu%)−3(C%)≧12.2 (Cr%)+3.5(Mo%) + 10(N%)+0.2(Ni%)− 20(C%)≧14.
5 150(C%)+100(N%)−Ni−Mn≦4 を満足する範囲において含有し、残部は実質的にFeの組
成になる耐食性および溶接性に優れたラインパイプ用マ
ルテンサイト鋼。 - 【請求項3】 C:0.02wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.2 〜3.0 wt%、 Cr:10〜14wt%、 Ni:0.2 〜7.0 wt%、 Mo:0.2 〜5.0 wt%、 Al:0.1 wt%以下、 N:0.07wt%以下を、 (Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)−3(C%)≧12.2 (Cr%)+3.5(Mo%) + 10(N%)+0.2(Ni%)− 20(C%)≧14.
5 150(C%)+100(N%)−Ni−Mn≦4 を満足する範囲において含有し、かつNbおよびVの少な
くともいずれか1種を(0.8 Nb+V):0.02〜0.20wt%
の範囲で含有し、残部は実質的にFeの組成になる耐食性
および溶接性に優れたラインパイプ用マルテンサイト
鋼。 - 【請求項4】 C:0.02wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.2 〜3.0 wt%、 Cr:10〜14wt%、 Ni:0.2 〜7.0 wt%、 Mo:0.2 〜5.0 wt%、 Al:0.1 wt%以下、 N:0.07wt%以下 ならびに Cu:2.0 wt%以下、 Ti:0.15wt%以下、 Zr:0.15wt%以下、 Ta:0.15wt%以下、 Ca:0.006 wt%以下 のうちから選んだ1種または2種以上を、 (Cr%)+(Mo%) + 0.1(Ni%)+3(Cu%)−3(C%)≧12.2 (Cr%)+3.5(Mo%) + 10(N%)+0.2(Ni%)− 20(C%)≧14.
5 150(C%)+100(N%)−Ni−Mn≦4 を満足する範囲において含有し、かつNbおよびVの少な
くともいずれか1種を(0.8 Nb+V):0.02〜0.20wt%
の範囲で含有し、残部は実質的にFeの組成になる耐食性
および溶接性に優れたラインパイプ用マルテンサイト
鋼。
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