JPS61130464A - 高耐食性高強度ドリルカラ−用非磁性鋼 - Google Patents

高耐食性高強度ドリルカラ−用非磁性鋼

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JPS61130464A
JPS61130464A JP59251908A JP25190884A JPS61130464A JP S61130464 A JPS61130464 A JP S61130464A JP 59251908 A JP59251908 A JP 59251908A JP 25190884 A JP25190884 A JP 25190884A JP S61130464 A JPS61130464 A JP S61130464A
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亨 鈴木
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勇 山内
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    • E21B17/16Drill collars
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    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
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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〕 本発明は耐応力腐食割れ性にすぐれたドリルカラー用非
磁性鋼に関するものである。
〔従来の技術〕
近年、石油資源の枯渇化にともない、石油探査はさらに
深部あるいは海底油田等の厳しい環境条件下に移行しつ
つある。かかる石油探査のために高強度非磁性鋼製のド
リルカラーが使用される。
このドリルカラーとはピット(油井機さく用のき  −
)に相当する部品)の直上に取り付けられビットに荷重
を加え掘進効率を高めるための厚肉鋼管で、その寸法の
一例は外径250■、肉厚70 +w 、長さ10mと
いったもので、しかもかなシの強度・靭性が要求され、
一般的なドリルカラー用鋼材として機械的性質は耐力は
ぼ60kcll f /m2〜80klilf/m2程
度、伸びほぼ25憾以上程度が要求されるものであるが
、探査環境の苛酷化にともない塩素イオンによる応力腐
食割れ等の問題が生じている。即ち、深井戸になると地
層中の塩化物量も増し、また温度も高くなることから高
温塩素イオン環境にさらされることになシ、前記の問題
を考慮する必要がある。
所で、これまで高強度非磁性鋼として高Mn鋼及びN1
−Cr鋼が、たとえばDIN規格のX50 MnCr’
V2014(1,3819)等により知られている。こ
れらの内、まず高Mn鋼は、その耐食性がCrを添加す
ることにより改善されるが、Ni−Cr鋼に比べると耐
食性はかなり劣る。とくにMnは塩素イオン環境下での
耐応力腐食刷れ性を劣化させることから標記用途には適
しない。さらに高Mn鋼は主に炭化物による析出強化を
利用しているため、ドリルカラー素材となる丸鋼(直径
約200 wg )の溶体化処理に際しては丸鋼内部は
冷却速度が遅くなることから冷却中に炭化物が析出する
。したがってその後の時効処理による強化が半径方向で
変化することKなシ、材質の均質性の点に問題がある。
一方高強度NトCrオーステナイト鋼としては古くから
析出強化型オーステナイトステンレス鋼が知られている
。例えば金属間化合物r’:[Ni、(A4TI)]の
析析出化を利用したA 286 (AISI660)が
ある。
しかしCr量が15係程度であるため十分な耐食性が得
られない。さらにこの鋼はC量を0.051程度含有し
ているため、T1の炭化物が生成し易く、とくにドリル
カラー素材の丸鋼(直径約200 wa )サイズでは
鋼塊あるいは鋳片凝固段階で粗大なTI炭化物として存
在し、これらはその後の加熱及び圧延工程でも完全に消
滅させることはできない。
これらの粗大TI炭化物は破壊の起点となり、またクラ
ックの伝播を助長することから、材料の延性及び靭性を
購うことになる。さらに材料特性に悪影響を及ぼす粗大
で1炭化物の分布は丸鋼の半径方向あるいは長手方向に
も変化することから、十分に均質な素材丸鋼を得ること
が困難になる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
以上のように従来の高強度非磁性鋼では耐食性とくに耐
応力腐食割れ性あるいは延性、靭性が十分でなく、また
材質の均質性の点でも不十分であり、ドリルカラーの寿
命及び信頼性の点に問題があった。
〔問題点を解決するための手段〕
以上のように従来鋼は耐食性とくに耐応力腐食割れ性が
十分でなく、また延性・靭性も不足しておシ、さらに丸
鋼材質の均質性にも問題がある。
そこで本発明者らはこれらの点につき種々検討を行なっ
た結果、耐応力腐食割れ性についてはCr及びNi量を
十分確保することにより解決できることが明らかになっ
た。つぎに延性、靭性の改善及び材質の均質化について
は、Tt、Cr、Mo+Nb+’V+等の炭化物あるい
は窒化物形成元素と化合物を作り易いCとNを極めて低
く制限することにより、延性・靭性及び均質性を大巾に
改善することができるという新たな知見を得た・ 本発明は以上のような知見に基いてなされたものであっ
てその要旨とする所は、重量係でSi≦2.0’4 、
 Mn≦2.0 To 、 Ni 25〜40 % 、
Cr18〜30%。
kA O,1〜1.51 、 Tl 1.5〜3. O
% 、 Ca 0.0005〜0.020%を含有し、
C≦0.015俤、N≦0.0101に制限し、又はこ
れにさらにMo≦a、os+zr≦0.51゜Nb≦3
.5チ、■≦0.5俤の1種又は2種以上を含有し、残
部がFe及び不可避不純物からなることを特徴とする高
耐食性高強度ドリルカラー用非磁性鋼にある。
以下に本発明の詳細な説明する。
先ず本発明の成分系において、St及びMnはいずれも
脱酸剤として必要であるが、Stは過剰に存在すると熱
間加工性を損うこと、またMnは2.0チを超えると耐
応力腐食割れ性を劣化させることから、これらの元素は
いずれも2.0%以下にする。
次にNi及びCrは本発明の基本となる元素である。ま
ずNiは後述のCrと共存して非磁性の前提となる安定
オーステナイト相を確保するための主要成分である0本
発明鋼は時効処理により金属間化合物r′相: Nt、
(Al、Tt)を析出させ高強度化した、いわゆる析出
硬化鋼であるため、 Niは強化元素としての作用を有
する。さらには深井戸用のドリルカラーで問題となる塩
素イオン環境下での耐応力腐食割れ性を確保するため2
51以上を必要とする。しかし耐応力腐食割れ性の改善
効果は40%で飽和することから上限を40%とした。
又Crは耐食性を確保するため18チ以上必要である。
しかし、30%を超えると熱間加工性を損い、またオー
ステナイト相を不安定にすることから上限を30チとし
た。
これらNi及びOrの適正範囲は次のような実験に基い
て決められた。即ち、第1図は応力腐食破断時間に及ぼ
すCr量及びNi量の影響を示す図であって、これらは
C010101,810,5%、Mn 1.2%。
ht 0.5 tlr 、 TI 2.0係、 Ca 
0.0010係、NO,O05俤を基本成分とし、Ni
を30チとしてCr量を種々変化させたもの、及びCr
を201としてNi量を種種変化させたものについて、
平野部直径6箇の試験片を用い飽和食塩水・沸騰条件下
で応力8C#!f/llI2で定荷重型応力腐食割れ試
験を行なった結果を示すものである。同図から明らかな
ようにCr1896以上及びNi25%以上でいずれも
応力腐食破断時間が飛躍的に向上することが判る。なお
この効果はNI Icおいては40mですでに飽和する
ことが明らかである。一方Crについては30チを超え
てもその効果はなお増大するが、前述の通シ熱間加工性
を損うのでOrの上限は30%と定められた。
次に、Alは本発明鋼を強化する析出物、即ち金属間化
合物r’ : Ni3(AA、’ri)  を形成する
元素である。また延性及び靭性に有害な作用を有する粒
界反応型析出物であるη相の析出を抑制する効果をもつ
。しかし過剰に添加するとオーステナイト相とγ′との
整合歪を減少させるため析出硬化作用を弱めることにな
る。したがってktの含有量を0.1憾から1.51と
した。また、T口裏金属間化合物r’ : Ni、(A
l、Ti)  を形成する主要元素であfi’Ti量と
ともに強度は上昇する。ドリルカラーは地圧に耐える必
要があり、そのため高強度であることが要件であるが、
その高強度を確保するためにはTIは最低1.5%必要
である。しかし3慢を超えて添加すると著しく熱間加工
性を損うことから、その含有量を1.5 %から3憾と
した。
さらにCaは熱間加工性を向上させる元素として0.0
005%以上を必要とするが、0.020%を超えると
逆に熱間加工性を劣化させる。したがってCaの含有量
をo、ooos〜0.020mとした。
次に本発明においてはC及びNの量を制限することによ
って、TI 、Cr、Mo、Nb、Zr、V等の炭化物
あるいは窒化物の発生を抑制し、これKよって)I リ
ルカラー用鋼材として必要な、延性・靭性及び均質性を
確保するものである。fずCは鋼の凝固過程でTIと化
合し粗大なT1炭化物を形成する。この粗大炭化物はそ
の後の加熱・圧延あるいは溶体化熱処理工程での固溶が
困難である。一方ドリルカラーは掘さく中にトルクの変
化あるいは地層の変化にともなう衝撃力を受けるので、
これらによるrflaを防ぐため延性・靭性及び材質の
均質性が必要となるが、前述した未固溶の粗大炭化物は
延性・靭性を損うのみならず材質を不均質化する。この
ような粗大炭化物の残留を防止するためにはCtを0.
0151以下に制限する必要がある。
NはCよυもさらにTiと結合して粗大なTi窒化物を
形成し易い元素であることから、上、記のCの場合と同
様ドリルカラー用としての必要特性である延性、靭性及
び均質性を損うため制限する必要がある。NはCよりT
Iと化合物を形成し易いことがらCよシ低く上限を0.
0101としなければならない。これらC及びNの適正
範囲は次のような効果に基いて定められたものである。
即ち第2図は機械的性質に及ぼすCとNの影響を示す図
であって、これらは810.5 % 、 Mn 1.2
 % 、Cr2O% 。
Ni 34% 、 AAo、s* 、’rt 2% 、
 Ca O,0010%を基本成分としN″f:0.0
061としC量を変化させたもの、及びCを0.010
1としN量を変化させたものについて、夫々溶解後圧延
あるいは鍛造により150φ■の丸鋼に成形後、溶体化
処理及び時効処理を行ない、しかるのち第2図中に記入
した図に示す試験片採取位置から、JIS A号引張試
験片を採取し、JISZ2241により引張試験を行な
い耐力及び伸びを測定した結果を示すものである。同図
から明らかな如く、Cが0.015%以下、Nが0.0
101以下においていずれも高い耐力と十分な伸びを示
し、かついずれの採取位置もほぼ同じ耐力及び伸び値を
有し材質も均質であり、さらにこれらの機械的性質は耐
カフ 0 kgt/rm以上、及び伸び25%以上とい
ずれも充分満足なものであることが明らかである。これ
はC及びNが夫々上記の値を超えると、前述の通シTi
等との炭窒化物を形成し、延性、靭性を損うためである
。このようにして、C及びNの上限値を前述の如く制限
した。
以上が本発明における基本成分系であるが、本発明にお
いては、さらに高強度のドリルカラー用として耐力の向
上をはかるために、 Mo、Zr 、Nb、Vの1種ま
たは2種以上を所定の範囲内で含有せしめることが有効
である。
まずMoは固溶強化作用のある元素であり、耐力を高め
るために有効な元素であるが、3%以上添加すると熱間
変形抵抗を著しく高めるため圧延あるいは鍛造が困難に
なる。したがって含有量は3、0チ以下とした。
さらにZr、Nb及びVは析出強化をもたらす金属間化
合物r′の中に固溶するため、これら元素の添加はr′
の析出量を増加させることになり、結果として耐力を高
めることになる。しかし過剰の添加は延性、fA性を損
うことから上限をそれぞれ0.5チとした。
以上の如き成分組成を有する本発明鋼は、各種電気炉等
による製鋼を行なりた後、造塊 分塊圧延あるいは連続
鋳造により鋼片とした後、圧延あるいは鍛造により丸鋼
とし、しかる後溶体化処理及び時効処理を施しドリルカ
ラー素材とすることが出来る。
以下に本発明の効果を実施例に基いてさらに具体的に示
す。
〔実施例〕
第1表に本発明鋼と比較鋼の化学成分及び形状を示す、
第2表は第1表の鋼について、丸鋼表層から20m及び
60■下の位置での材料特性を示したものである。これ
ら特性調査緒果から明らかなように、本発明鋼は比較鋼
に比べ耐応力腐食割れ性及び材質の均質性においてすぐ
れたものである。
〔発明の効果〕
以上述べたごとく、本発明鋼は耐食性とくに耐応力腐食
割れ性に優れ、しかも材質の均質性を確保した材料とな
っておシ、環境条件の厳しい油井用の高性能ドリルカラ
ー用素材として工業的にきわめて有効なものであるe
【図面の簡単な説明】
第1図は応力腐食破断時間に及ぼすCr量及びNi量の
影響を示す図、第2図は機械的性質に及ぼすCとNの影
響を示す図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)重量%でSi≦2.0%、Mn≦2.0%、Ni
    25〜40%、Cr18〜30%、Al0.1〜1.5
    %、Ti1.5〜3.0%、Ca0.0005〜0.0
    20%を含有しC≦0.015%、N≦0.010%に
    制限し、残部がFe及び不可避不純物からなることを特
    徴とする高耐食性高強度ドリルカラー用非磁性鋼。
  2. (2)重量%でSi≦2.0%、Mn≦2.0%、Ni
    25〜40%、Cr18〜30%、Al0.1〜1.5
    %、Ti1.5〜3.0%、Ca0.0005〜0.0
    20%を含有し、C≦0.015%、N≦0.010%
    に制限し、さらにMo≦3.0%、Zr≦0.5%、N
    b≦0.5%、V≦0.5%の1種または2種以上を含
    有し、残部がFe及び不可避不純物からなることを特徴
    とする高耐食性高強度ドリルカラー用非磁性鋼。
JP59251908A 1984-11-30 1984-11-30 高耐食性高強度ドリルカラ−用非磁性鋼 Granted JPS61130464A (ja)

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