JPS6039150A - 応力腐食割れ抵抗の優れた油井管用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は応力腐食割れ抵抗の優れた油井管用鋼に関する
ものである。

（従来技術） 近年石油、ガスの採掘に使用される油井管素材は資源の
枯渇から、不純物の多い石油、ガスが採掘され、さらに
深井戸化が余儀なくされている。

採掘する石油、ガス中の不純物として問題々のはＨ２Ｓ
がスで、とのＨ２Ｓがスによって油井管が腐食され腐食
によって発生した水素が鋼中に侵入し、油井管に作用し
ている広力と関係した割れが起る。

この割れは応力腐食割れと定義され良く知られていると
ころである。この応力腐食割れは鋼の強度が高くなれば
感受性が上がり、深井戸化による高強度材の使用により
応力腐食割れ感受性が高くなってくる。

このような割れに対する抵抗の強い鋼は従来の油井管用
鋼と区別して、応力腐食割れ抵抗の優れた油井管用鋼と
いうことが出来る―しからば従来の油井管の応力腐食割
れに対する対策について述べると、まず従来鋼は焼入れ
、焼戻しによって強度を得ているため組織が焼戻しマル
テンサイトであり、割れは旧オーステナイト粒界で起る
ことがら粒界の不純物元素の低減対策がとられ例°えば
Ｐの低減対策としてはＭｏの添加が行なわれており、ま
た侵入水素の低減を図るため、鋼の腐食低減による発生
水素量の低減対策としてＣｕ等の添加等積々の手段が取
られている。しかし々から、従来の手段では焼入焼戻し
鋼の場合、粒界の不純物元素の低減によって、粒界を強
化しても、次に弱い粒内のサブブレーンで割れが起る。

またサブブレーンを強化しても次に弱い部分で割れが起
こり、最後には体心立方晶の性質上、結晶構造からくる
結晶学的な弱い面で応力腐食割れが起ることをさけられ
ない。

またさらに最近の油井、ガス井は少々の侵入水素対策の
だめの成分添加では効力の生じないほど苛酷な使用環境
であることから対策も限界になっている。

一方水素脆化による応力腐食割れ抵抗向上の付与手段と
して例えばステンレス鋼ノようＫＣｒ、Ｎｉ元素の添加
によって鋼組織をオーステナイト化することは従来良く
知られている。

しかしながらＣｒ　ＩＮｉ元素が高価なため、油井管用
鋼としては非常に高価となる。そこで本発明者らは非磁
性鋼として知られているオーステナイト組織が安価に得
られる高Ｍｎ鋼に着目し、高Ｍｎ化したときの応力腐食
割れ特性の評価を行なった。

供試材成分及びその強度特性さらに応力腐食割れ特性を
第１表に示す。応力腐食割れ特性の評価方法については
一般的に行なわれている３点曲げ試験によって実施した
。すなわち第１図に示す寸法形状の試片を圧延方向に平
行に採取し、第２図に示す標点間隔Ｌ　””　５８　ｔ
ｔｍの曲げ治具を用いた。

即ち第２図において、１は板厚ｔの試片であり、治具本
体２は標点間隔りを有し、該試片１はガラス棒３により
両端を支持されると共に、その中央部は止めナツトを介
して進退自在に設けられたネジ棒先端のガラス玉４によ
り押圧され、曲げ応力σが与えられるように構成されて
いる。なお各支点にはガラス棒３或いはガラス玉４を使
用したのは治具２と試片１との材質の違いにより後に述
べる浸漬液中で生ずる電位により試片の腐食が増大する
ことを防ぐための絶縁を目的としたものである。以上の
ようにして試片に種々のレベルの応力を負荷し治具ごと
腐食液に浸漬する方法で実施した・曲げ応力とねじ棒の
押込み量δの関係式は第１表の注に示した。なお腐食液
は最もきびしい５係塩化ナトリウム−〇、５係酢酸酢酸
液化水素を飽和させた液を使用した。浸漬期間は１４日
間で行ない、１４日後に取り出し試片が割れない最大負
荷応力レベルをめ、臨界負荷応力とした。第１表のＡ欄
に示すようにＭｎ　添加を行なって組織をオーステナイ
ト化した場合に応力腐食割れ特性の評価基準としての臨
界負荷応力値は１７１．４ＫＳＩ以上と良好である。し
かしながら当然のこととしてオーステナイト組織の場合
低降伏点となる。そこで低降伏点対策としてＣｒ１ＶＩ
Ｎｂの添加を行なった結果を第１表のＢ欄に示した。こ
の場合３種の（５） 元素を各単独に添加した場合と、３元素を同時に添加し
た場合についての臨界負荷応力値の比較を行なうと３元
素の同時添加の場合の方が、各元素の単独添加の場合に
比べて臨界負荷応力値が高い。

この理由としては添加元素は炭化物形成元素であること
から、単一元素添加の場合と３元素同時添加の場合と比
較すると鋼が冷却中に析出される炭化物の大きさ及び分
散については３元素同時添加の場合の方が微細で分散さ
れた炭化物の析出が起こっているものと推定される。な
お炭化物の種類としてはＣｒ、Ｃ３，ＶＣ，ＮｂＣ等が
考えられる。

以上の結果から、炭化物の析出状態で臨界負荷応力値は
異なるが応力腐食割れは起らすオーステナイト化により
、水素脆化抵抗が著しく向上していることが明らかにな
った。

ところでオーステナイト組織にした場合で高降伏点にし
たときの問題はＭｎ　添加量によって水素脆化とは異な
った、局部腐食による割れとして知ら、れているＡｅｔ
ｌｖａ　Ｐａｔｈ　Ｃｏｒｒｏｉ＋ｉｏｎ　（以下ＡＪ
’ＩＣ，と略す）と言われている割れが起る。この割れ
が起（６） る範囲について調べてみるとＭｎ　添加量と関係するこ
とが解り、Ｍｎ　添加量の規制が重要な意味を持つもの
であることが明らかになった。

Ｍｎ　添ｈＩＩ量の検討結果を第３図に示す。第１表Ｂ
欄の鋼５についてＭｎ　添加量と臨界負荷応力の関係を
見ると、Ｍｎ　が３５係超になると応力腐食・割れ抵抗
が急激に低下する。この理由はＭｎ　添加量が増えると
オーステナイトｍ織中のＣ固醪量が増え、冷却中に起る
微細炭化物の析出が起らなくなるためと考えられる。

Ａ、Ｐ、Ｃ，の機構としては応力によってすべりが生じ
、すべり森にそって優先的に腐食ガ起ると考えられてお
り、このすべりを起しに＜＜シているのが微細炭化物の
析出であると考えら名る。

（発明の構成） 本発明は以上の新規な知見に基いてなされたものであっ
て、Ｍｎ　添加によってオーステナイト組織を祷て、水
素脆化を防ぎ、炭化物形成元素の同時添加によって、微
細炭化物の析出を起させ、これらによってＡ、Ｐ、Ｃ，
を防いだ高降伏点鋼が得られるようにしたものであり応
力腐食割れ抵抗のきわめて優れた油井管用鋼の提供を初
めて可能としたものである。

即ち本発明は重量でＣ０４３〜１．６係、ＳｉＱ、１〜
０、７　％　、　Ｍｎ　４〜３５　％　、　Ｐ　０．０
３　％以下、　Ｓ　Ｏ，０３係以下、　Ｃｒ　０．５〜
２０　％　、　Ｖ　０．２〜４　％　、Ｎｂ　Ｏ，２〜
４４．ＮＯ，０５〜１係、Ｎｊｏ、２〜２係を含み、又
はこれにさらにＭｏ　０．２〜２ｑ６．　Ｃｕ　Ｏ，０
１〜２ｉ　、ｗｏ、０１〜２％、Ｚｒ０．０１〜２４．
ＴａＯ，０１〜２９６．Ｔｉ０，０５〜１係を１種又は
２種以上含み、残部鉄及び不純物からなることを特徴と
する応力腐食割れ抵抗の優れた油井管用鋼である。

次に本発明鋼における成分限定の理由について述べる。

先ずＣはＡ、Ｐ、Ｃ，を防ぐ微細炭化物の析出を起させ
るには多いほど良いが１．６係超ではＦ　１１！３　Ｃ
が生成し、オーステナイト組織単−相にならずにＦｅ　
ｓ　Ｃ＋オーステナイト２相組織となり圧延中にＦ　ｅ
　ｓ　Ｃ組織の延性が低いために、圧延割れを起す。

したがってＣの上限はＦｅ　３Ｃ組織を生じない１．６
係が上限になる。一方０．３１未満ではＡＰ、Ｃ０を防
ぐための微細炭化物の形成亦少なくなる。したがってＣ
は０．３係〜１，６係必要である。

次にＳｔは０４７係超では鋼を脆化させる。０１係未満
では脱酸効果がないのでＳｉは０．１％〜０．７係とす
る必要がある。

またＭｎ　は先にも詳述した通り鋼組織をオーステナイ
トにするために添加するが、オーステナイト組織の場合
にはＡ、Ｐ、Ｃ，を防ぐためにオーステナイト組織中に
微細炭化物の形成を起こさせることが必要である。この
炭化物が形成されるだめのＭｎ　添加量の範囲は３５ｑ
ｂまでであり３５係超ではＡ　、Ｐ　、Ｃ，が生じやす
くなる。一方添加量が４係未満では鋼組織が水素脆化の
原因とがるフェライト相を含むために４係以上のＭｎ　
添加が必要である。

したがってＭｎ　添加量は４係〜３５係必要である。

Ｐは容易に脱Ｐ出来る０、０３４以下で十分である。従
来の焼入れ焼戻し処理型の油井管用鋼ではＰが粒界に偏
析し、鉄とリン化物をつくり水素脆化の原因となるので
低Ｐにする必要があったが、（９） 本発明鋼では組織をオーステナイト化しているのでＰが
オーステナイト組織中に固溶し、偏析して鋼を脆化させ
ることはない。したがって、Ｐは０．０３％以下とした
。

Ｓは容易に脱Ｓ出来る０、０３係以下で十分である。従
来鋼の場合でも応力腐食割れにＳ含有量は影響しないの
で本発明鋼の場合でも同様である。

ただし０．０３１を超えた場合機械的性質を劣化させる
ためＳは０．０３％以下とした。

またＣｒは強度を得るためと、微細炭化物の形成のため
に添加するが、２０係未満の添加で十分な強度が得られ
るので２０φ以下の使用とする。一方、０．５％未満で
は、微細炭化物の形成が少なくなる。したがってＣｒ　
添加量は０．５係〜２０悌が必要である。

さらにＶは４係超では炭化物の粗大化が起り強度一応力
腐食割れ特性のバランスが悪く々るので４係以下でなけ
ればならない。一方０．２　ｑ６未満ではＶの微細析出
物形成が少ないために強度上昇効果が少なくなる。した
がってＶ添加量は０．２１〜（１０） ４憾とする必要がある。

またＮｂけ４係超では炭化物の粗大化が起り、強度一応
力腐食割れ特性のバランスが悪くなるので４憾以下とす
る。一方０．２　ｑ６未満ではＮｂの微細析出物形成が
少ないために強度上昇効果が少なくなる。したがってＮ
ｂ　添加量は０．２４〜４係でなければならない。

さらにＮは格子間に侵入して強度を上昇させる元素とし
て添加する。上限を１幅とするのはこの基本成分系で歩
留る最高値が１係だからであり、下限を０．０５４とす
るのは強度を上昇させるのに効果があるのは０．０５１
が最低値だからである。

したがってＮ含有量は０．０５％〜１係の範囲とすべき
である。

さらにＮｉ　は耐食性に有効であるため添加するが、２
チ超では平均的な耐食性は向上するものの局部腐食を増
大させるために局部腐食を起こさずに、耐食性を増す２
優以下とする。一方０．２１未満では耐食性に効果が少
なくなる。したがってＮｉ　添加量は０．２１〜２％で
なければならない。

以上が本発明の基本成分系であるが、本発明においては
さらに強度を得る目的で炭窒化物形成能力を持つ、Ｍｏ
　＋Ｃｔ１．Ｗ＋Ｚｒ　＋Ｔａ　＋ＴＩ’７）　１種又
は２種以上を含有することが出来る。

先ずＭｏ　は２係超では炭窒化物の粗大化が起り、０．
２係未満では炭窒化物の形成が少ないために強度上昇効
果が少なくなる。したがってＭｏの添加範囲は０．２４
〜２４とする。Ｃｕ　＋Ｗ＋Ｚｒ　＋及びＴａについて
もそれぞれの添加量が２優を超えると炭窒化物の粗大化
が起り、一方、０．０１’１未満の添加では強度上昇効
果が少ない。よってこれらの元素はそれぞれ０，０１〜
２係の添加が必要である。

Ｔｉ　添加についてもＴｉ　の炭窒化物の析出で強度を
得るために添加する元素であり、１係を超える添加は強
度上昇に有効々析出物サイズを超える。

一方０１０５優未満の添加では強度上昇に有効な析出物
の量が少なく々るので０．０５４以上の添加が必要であ
る・したがってＴｉ　添加量は０．０５ｑ６〜１係の添
加が必要である。

次に本発明の実施例を示し本発明の詳細な説明する。

実施例 第２表に示す種々の強度レベルを持つ鋼材を用いて圧延
を行なった。

圧延粂件は１２００℃×１時間加熱後普通圧延を行ない
板厚１８　ｍ　ｔに仕上げた。仕上げ温度は９７５℃で
行なった。従来鋼については田延後焼入れ焼戻し処理を
実施して、強度を得るようにした。本発明鋼に於ては熱
処理は実施しなかった。

応力腐食割れ抵抗は先に述べた３点曲げ試験による臨界
負荷応力値によって評価した。

（発明の効果） 試験の結果は第２表に示す通りであるが、本発明鋼は臨
界負荷応力が従来鋼に比べ著しく高く、油井管用鋼とし
て応力腐食割れ抵抗が優れていることが解る。

（１３）

【図面の簡単な説明】

第１図は応力腐食割れ抵抗の評価のために使用した３点
曲げ試片の寸法、形状を示す図、第２図は第１図の３点
曲げ試片の曲げ治具の模式図、第３図は臨界負荷応力と
Ｍｎ　添加量の関係を示す図である。 １・・・試験片、２・・・治具、３・・・ガラス棒、４
・・・ガラス玉、５・・・ネジ棒、６・・・止めナツト
。 （１６） 第７図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量係でＣ０，３〜１．６係、ＳｉＯ，１〜０．
   ７憾。 Ｍｎ　４〜３５　％　、　Ｐ　０．０３　係以下、８０
   ．０３１以下。 Ｃｒ　０．５〜２０　％　、　Ｖｏ、２〜４’ｆｉ　、
   　Ｎｂ　Ｏ，２〜４％。 Ｎ　Ｏ，０５〜１係、　Ｎｉ　Ｏ，２〜２チ、を含み、
   残部鉄及び不純物からなることを特徴とする応力腐食割
   れ抵抗の優れた油井管用鋼。
2. （２）重量係でＣ０１３〜１６％、Ｓｉ０．１〜０．７
   係。 Ｍｎ　４〜３５　％　、　Ｐ　０．０３９１ｓ以下、８
   ０．０３１以下。 Ｃｒ０．５〜２０％ＩＶ０．２　〜４％、ＮｂＯ，２〜
   ４係、ＮＯ，０５〜１チ＊　Ｎｉｏ、　２〜２俤を含み
   、さらにＮｏ　０．２〜２％　、　Ｃｕ　Ｏ，０１〜２
   ９６　、Ｗｏ、０１〜２ｑｂ、　Ｚｒ　０．０１〜２９
   ＆　、　Ｔｉ　Ｏ，０１〜２％　。 Ｔｉ０．０５〜１ｑｂを１種又は２種以上含み残部鉄及
   び不純物からなることを特徴とする応力腐食割れ抵抗の
   擾れた油井管用鋼。