JPS61163215A - 耐サワ−性の優れた極厚肉高強度継目無鋼管の製造方法 - 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 この発明はサワーガス井、サワー油井などのガス井管、
油井管あるいはラインパイプ、さらには硫化物応力腐食
割れ発生の危険がある化学装置用配管などに使用される
継目無鋼管（シームレス鋼管）の製造方法に関し、特に
耐サワー性すなわち耐硫化物応力腐食割れ性の漬れた、
降伏強さもしくは０．５％耐力が６５〜８５　ｋｇｆＡ
４の筒強度を有する極厚肉高強度継目無鋼管を製造する
方法に関するものである。

従来の技術 近年に至り、原油価格の高騰や近い将来に予想される石
油資源の枯渇化を目前にして、従来は顧みられなかった
ような深層油田や、開発が〜旦は放棄されていたサワー
ガス田などに対する開発意欲が高まりつつある。特にサ
ワーな環境にある油井、すなわち硫化水素等の硫化物を
多量に含む環境下にある油井の開発にあたっては、耐硫
化物応力腐食割れ性の優れた油井管が不可欠であり、ま
た深層油田の場合必然的に高強度かつ厚肉の油井管が要
求される。

ところで、従来一般に油井管に使用されている低合金鋼
においては、耐硫化物応力腐食割れ性は強度の上昇とと
もに劣化するのが通常であり、そのため両者の兼合いか
ら、Ｃｒ−Ｍｏ系鋼を降伏強さ６４〜７４ｋｌｉ’ｆ／
−級に焼入れ焼戻ししたものが実用化されている油井管
のうちで最も優れたものとされている。このような油井
管として最近ＡＰＩ（米国石油協会）においてＣ−９０
が規格化されたが、このＡＰＩ規格Ｃ−９０においても
管の肉厚は最大２２．３５２＋ｎｍまでしか規格化され
ていない。

しかるに最近の油井の深井戸化に伴なって油井管に対す
る厚肉化の要請はます壕す高まっており、特にカップリ
ング（継手）用累管としては肉厚４５ｗｎ以上の極厚の
ものが要求されることすらある。

発明が解決すべき問題点 一般に焼入れ焼戻し材の耐硫化物応力腐食割れ性は、完
全に焼入れし、充分に焼戻しだものが良いことが知られ
ている。このように完全焼入れし、充分に焼戻すことに
よって耐硫化物応力腐食割れ性の優れた鋼管を得ること
は、薄肉の管では比較的容易であるが、肉厚が１２謔以
上の厚肉管、特に肉厚２０關程度以上の極厚鋼管におい
ては、肉厚中心部まで完全に焼入れし、充分に焼もどす
ことが困難であるため、耐硫化物応力腐食割れ性が優れ
た管を製造することが困難であった。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、肉
厚１２■程度以上、さらには肉厚２０闘以上の極厚肉の
継目無鋼管においても厚さ中央部まで充分に焼きが入る
ようになし、しかも充分かつ均一に焼戻しが行なわれる
ようにして、上述のような極厚肉の場合も優れた耐応力
腐食割れ性を示すと同時に高強度を示す継目無鋼管を製
造する方法を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 本発明者等は極厚肉の高強度鋼管において耐硫化物応力
腐食割れ性を向上させるべくその肉厚中心部まで完全焼
入れしかつ充分に焼戻すための方策について検討を加え
た結果、極厚肉鋼管の焼入れ性を向上させるためには肉
厚に応じて成分元素含有量を適切に調整する必要がある
こと、また耐硫化物応力腐食割れ性を向上させるべく充
分かつ均一に焼戻すためには、焼戻し温度を６５０℃以
上とする必要があり、しかも肉厚に応じた適切な保持時
間の焼戻しを行なう必要があることが判明し、この発明
をなすに至ったのである。

すなわちこの発明の極厚肉高強度継目無鋼管の製造方法
は、Ｃ０．２０〜０．５０’％　、Ｍｎ　　０．５〜１
゜５チ、Ｓｉ０．２０〜０．３５チ、Ｐ０．０１５％以
下、Ｓｏ、００５％以下、Ｃｒ　０．８〜２．０％、Ｃ
ｕ０．２％以丁、Ｎｉ１．０％以下、Ｍｏ　　０．５〜
１．５％、Ｎｂ０．０１〜０．１チ、Ａｔ０．００５〜
０．係を含有し、しかも下記（１）式で定義されるＤＩ
値が製品鋼管の肉厚ｔ（ｍｍ）に応じて下記（２）式を
満足するように成分元素含有量を調整した鋼を素材とし
、その鋼索材に熱間加工を施して継目無鋼管とした後、
管内外面同時焼入れ法によって焼入れし、次いで６５０
℃以上Ａｃ＋変態点未満の温度域において製品鋼管の肉
厚ｔ（ｗ＋１）に応じて保持時間Ｔ（分）が下記（３）
式を満足するように保持して焼戻すことを特徴とするも
のである。

Ｄ　＝　７．９５訛窪丁ｘ　’（１＋４．　Ｉ　ＸＭｎ
　（％））ｘ（ｘ＋ｏ、６４ｘｓｔ（％））Ｘ（１＋２
．８３ＸＰ（チ）　）Ｘ　（１〜０．６２ＸＳ（チ））
ｘ　（１＋２．３３ｘｃｒ（％）　）Ｘ　（１＋ｏ、５
２ＸＮＩ　（％）　）ｘ（ｔ＋３．ｔ４ｘＭｏ（％））
ｘ（ｔ＋ｏ、２７ｘｃｕ（％））　・・・・・・　（１
）Ｄ　〉６Ｘｔ　　　　　　　　　　　　・・・・・・
　（２）■　＝ Ｔ≧２．５　Ｘ　ｔ　　　　　　　　　　　　・・・・
・・　（３、発明の詳細な説明 先ずこの発明の基礎となった本発明者等の知見について
説明する。

鋼の耐硫化物応力腐食割れ性は、高強度材はど劣化する
が、同一強度の鋼で比較すれば、完全焼入れしかつ充分
に焼戻しだ鋼の方が優れることが知られており、そのた
めＡＰＩ規格のＣ−９０においては焼もどし温度を６２
１０Ｃ以上と規定している。しかしながら本発明者等の
研究によれば、肉厚が２０珊以上でかつ降伏強さもしく
は０．５％耐力が５５　ｋｇｆ／ｙｕ！以上の高強度極
厚継目無鋼管の場合、優れた耐硫化物応力腐食割れ性を
得るためには、単に焼もどし温度を６２１　℃とするだ
けでは充分ではなく、焼入れ後の鋼組織中におけるマル
テンサイト比率を肉厚中心部においても９９％以上とし
、かつ６５０℃以上の温度で焼もどすことが必要であり
、しかも厚肉管はど長時間、所定の焼もどし温度に保持
することが優れた耐硫化物応力腐食割れ性を得るだめに
必要であることが判明した。

上述のように焼入れした鋼組織中のマルテンサイト比率
が肉厚中心部においても９９チ以上となるようにするた
めには、管肉厚中心部まで充分に焼入れる必要があるが
、そのためには鋼成分元素の含有量によって定まる前記
（１）式のＤ０値と、管肉厚ｔ（＝＝ｍ）との間に、前
記（２）式を満足する関係が必要である。このような事
実は、本発明者等の次のような実験によって見出された
のである。すなわち本発明者等は、種々のＤ１値の０．
４１　Ｃ鋼を用いて厚さ５０岨の継目無鋼管を製管し、
管内外面同時焼入れ法によって焼入れし、厚さ方向の硬
度分布を調べた。その結果を第１図に示す。０．４１　
Ｃ鋼においてはロックウェル硬さＣスケール（ＨＲＣ）
で５５以上の硬さが９９チ以上のマルテンサイト比率に
相当するが、第１図から、０．４１Ｃ鋼ではマルテンサ
イト比率が９９％以上となる領域すなわちＨＲｃが５５
以上となる領域は、内外両表面からＤ１／１２（ｗｎ）
の深さまでの領域に限られることが判る。このことから
、厚さｉｍＯ管を内外面より焼入れて厚さ中心部（すな
わちｔ／２・の位置）までマルテンサイト比率９９チ以
上の組織とするだめには、Ｄ１≧６ｔとする必要がある
ことが判明したのである。

このように焼入れした後には焼もどし処理を施、すので
あるが、本発明者等が焼もどし条件と強度および耐硫化
物応力腐食割れ性の向上との関係を詳細に検討した結果
、降伏強度または０．５　％耐力が６５　ｋｇｆ／ｍ４
以上の厚肉鋼管で優れた耐硫化物応力腐食割れ性を得る
ためには、管の肉厚中心部まで充分かつ均一に焼もどし
て、微細な粒状炭化物を均一に分散させた組織とする必
要があること、そしてそのためには、６５０℃以上の焼
もどし温度とし、かつ管の肉厚ｔ（ｍｍ）に応じて２．
５Ｘｔ（＋ｍ）以上の保持時間が必要であることを見出
しだ。

すなわち、６５０℃未満の焼もどし温度では炭化物が充
分に粒状化せず、また６５０℃以上の焼もどし温度でも
、保持時間が２．５　Ｘ　を分未満では肉厚中心部まで
微細な粒状炭化物が均一に分散した組織とすることがで
きず、したがって耐硫化物応力腐食割れ性が劣るのであ
る。

次にこの発明の方法に用いられる鋼素材の成分限定理由
について説明する。

Ｃ：　Ｃは強度と焼入れ性向上のために必要な元素であ
るが、この発明で主な対象とする厚さ１２ｍｍ以上の厚
肉鋼管においては、Ｃが０．２０％未満では焼入れ性が
損なわれ、一方０，５チを越えれば焼割れ発生のおそれ
があるから、０２０〜０．５０チの範囲内とした。

Ｓｉ：Ｓｉは通常の製鋼過程において脱酸のために必要
な元素であシ、また強度向上に有効であり、そのために
０２０％以上必要であるが、０、３５　％を越えれば靭
性を損なうから、０．２０〜０．３５％の範囲内とした
。

Ｍｎ：　　Ｍｎは、前記（１）式で明らかなようにＣを
除けばＤ１値増加に最も寄与して焼入れ性を向上させ、
９９％以上の焼入れマルテンサイトを得るのに最も有効
な元素であり、この発明において主な対象とする厚さ１
２ｍ以上の厚肉鋼管においては０．５％以上添加するこ
とが必要である。一方Ｍｎが１．５％を越えれば偏析部
が生じ易くなり、その偏析部の存在が均一な焼もどし組
織の生成を妨げ、耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させる
から、Ｍｎは０．５〜１．５　ｑ６の範囲内に限定した
。

Ｐ：　Ｐも前記（１）式から明らかなようにＤ１値を増
加させて焼入れ性の向上に寄与する元素であるが、０．
０１５％を越えれば靭性を劣化させ、かつ偏析部を生じ
て耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させるから、０．０１
５％以下に限定した。

Ｓ：　Ｓは前記（１）式から明らかなようにＤ１値を低
下させて焼入れ性を低下させ、かつＭｎと結合してＭｎ
の続入れ性を向上させる作用を妨げ、鋼の耐硫化物応力
腐食割れ性を劣化させるから、可及的にＳ量を少なくす
ることが望ましく、特にこの発明の如く厚さ１２ｔ＋ａ
程度以上の厚肉鋼管を対象とする場合、許容できる限界
は０．００５％であり、したがってＳは０．００５％以
下としだ。

Ｃｒ　：　　Ｃｒは前記（１）式に示されるように、Ｃ
２Ｍｎ　、　Ｍｏ　、　Ｐに次いでり、値増加に寄与し
、厚肉管において９９％以上の焼入れマルテンサイトヲ
得るために重要な元素であシ、かつ鋼の強度と耐食性を
高めるために０８チ以上の添加が必要であるが、２．０
％を越えれば靭性を劣化させるから、０８〜２．０チの
範囲内とした。

Ｍｏ　：　　Ｍｏは前記（１）式に示されるようにＣ，
Ｍｎに次いでＤＸ値増加に寄与し、強度、耐食性を向上
させるとともに、焼もどし抵抗性を高める重要な元素で
あり、特に６５０℃以上の高温で焼もどしても６５　ｋ
！９／ｍ＋＋！以上の降伏強度あるいは０５チ耐力を得
るためには０．５チ以上の添加が必要であるが、１．５
チを越えれば鋼の靭性を劣化させる。したがってＭｏは
０．５〜１５％の範囲内とした。

Ｎｂ：ＮｂはＣｒ−Ｍｏ鋼に添加すれば焼もどし後の鋼
の組織において炭化物を微細とし、かつ均一に分散させ
て、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させるに有効な元素
であり、そのためにはｏ、ｏｔ％以上の添加が必要であ
るが、０．１％を越えれば靭性を劣化させ、かつ鋼素材
製造時の割れを招き易くなるから、０．０．〜０．１　
％の範囲に限定した。

Ｃｕ　、　Ｎｉ　：　　これらは前記（１）式に示され
るようにＤ１値を高めるためにある程度は寄与するが、
Ｎｉは１．０％を越えれば油井環境中のＨ，Ｓとの特殊
な反応によシ耐硫化物応力腐食割れ性を著しく劣化させ
、またＣｕは０．２％を越えれば鋼の熱間加工性を著し
く阻害し、継目無鋼管の造管のだめの熱間圧延に支障を
きたす。したがってＮｉは１，０係以下、Ｃｕは０２％
以下に限定した。

Ａｔ：Ａｔは通常の製鋼過程において脱酸のために必要
であり、また鋼組織の細粒化のために有効であるが、０
．００５％以下ではその効果がなく、一方０．１　％を
越えれば靭性の劣化と焼入れ性の低下を招く。したがっ
てＡｔは０．００５〜０．１％の範囲内とした。

以上のような成分のほか、この発明の製造方法における
素材鋼成分としては、Ｖｏ、００５〜０．１％　、　Ｔ
ｉ　　０．００５〜０．１％、　Ｚｒ　０．００５〜０
．１　％　。

Ｂｏ、０００１〜０．００５チの１種まだは２種以上が
含有されていても良い。すなわちＶは鋼の強度、焼入れ
性を高めるために添加することができ、特に管の肉厚が
大きい場合にはＶの添加によってこの発明の効果をより
一層顕著にすることができる。

但しＶがｏ：ｏｏ５％未満ではその効果が得られず、一
方Ｖが０．１　％を越えれば靭性を劣化させ、かつ素材
製造時における割れの発生原因となるから、■を添加す
る場合のＶ量は０．００５〜０．％の範囲内とすること
が好ましい。またＢも焼入れ性を向上させる元素である
から、特に管の肉厚が大きい場合にはＢの添加によって
この発明の効果を助長することができる。但しＢが０．
０００１％未満ではその効果が小さく、−万Ｂが０．０
０５％を越えればその効果が飽和し、しかも靭性を劣化
させるから、Ｂを添加する場合の添加量はｏ、ｏｏｏｔ
〜０．００５チの範囲内とすることが好ましい。さらに
Ｔｉ　。

Ｚｒは、いずれもＮを固定してＢの作用を助け、かつ鋼
組織を細粒化することによって耐硫化物応力腐食割れ性
を向上させる元素であるが、いずれも０．００５％未満
ではこれらの効果が得られず、一方０、１　％を越えれ
ば靭性を劣化させるから、Ｔｉ　。

Ｚｒを添加する場合の各添加量はそれぞれ０．００５〜
０．１　％の範囲内が好ましい。

この発明の製造方法においては、以上のような成分を組
合せ、前記（１）式で算出されるＤ０値が最終製品の鋼
管の厚さｔ（ｓｌｌ）に対して前記（２）式を満足する
ように各成分量を調整した鋼を素材とし、常法に従って
継目無鋼管に熱間加工し、次いで調質処理としての焼入
れ焼もどし処理を施すのであるが、この際の焼入れ方法
としては、管肉厚中心部まで完全に焼入れるためには、
管内外面を同時に水冷または油冷する内外面同時焼入れ
法を適用する必要がある。なおこの場合熱間加工直後の
鋼管を室温まで徐冷した後、再加熱して焼入れる方法を
適用しても良いが、熱間加工後に直ちにその温度から焼
入れる所謂直接焼入れ法を適用することが好ましい。

焼入れ後には、６５０℃以上、ＡｃＩ変態点未満の温度
で焼もどし処理を行なうが、この焼もどしにおいては、
耐硫化物応力腐食割れ性を良好にするために、管肉厚中
心部まで充分に焼もどし、微細な粒状炭化物を均一に分
散させた組織とする必要があ一す、そのためには前記（
３）式で示されるように管の肉厚１　（−）に応じて前
記範囲内の焼−もどじ温度に２．５Ｘ、を分以上保持す
ることが重要である。

焼もどし温度が６５０℃未満では炭化物が充分に細粒化
しないために優れた耐硫化物応力腐食割れ性を得ること
ができず、一方Ａｃ１変態点以上の温度ではオーステナ
イトが生じ、常温まで冷却した時にこれが焼もどしを受
けないマルテンサイトとなって耐硫化物応力腐食割れ性
を著しく劣化させる。また焼もどし温度における保持時
間が２．５×を分未満では、管肉厚中心部まで均一に焼
もどすことができず、耐硫化物応力腐食割れ性を劣化さ
せる。

なおこの発明の製造方法は、管肉厚が１２簡以上の厚肉
の継目無鋼管の製造に対して特に有効である。すなわち
、１２簡よシ薄肉の鋼管の製造に・当っては、この発明
で規定する如く成分を肉厚に応じて厳密に調整しなくて
も、通常使用されるＡＰＩ−Ｃ９０の如きＣｒ−Ｍｏ系
鋼管であれば肉厚中心まで充分に焼入れ可能であり、ま
た焼もどし保持時間も３０分程度の通常の時間で充分で
ある。

またこの発明の製造方法は・、降伏強さもしくは０、５
チ耐力が６５〜８５　ｋｇｆＡ４の範囲内にある鋼管を
製造する場合に最も効果的である。すなわち、６５ｋｇ
ｆ／−よりも低強度の鋼管を製造する場合には、この発
明で規定する成分範囲外、あるいは６５０℃未満の焼も
どし温度、肉厚１（−）に対し２．５を分収下の短時間
の焼もどしでも、優れた耐硫化物応力腐食割れ性を有す
る鋼管を製造するととができ、−゛方８５　ｋｇｆ１ｍ
１！を越える高強度とした場合には、この発明で規定す
る条件範囲内でも耐硫化物応力腐食割れ性が著しく低下
することがあるからである。

実　　施　　例 以下にこの発明の実施例を比較例とともに記す。

第１表の試料記号１〜１６に示す成分の鋼を溶製して丸
ビレットに連続鋳造し、常法に従って熱間加工して種々
の厚みの継目無伊管に造管した。

続いて各鋼管に対して９００℃から焼入れし、さらに焼
もどした。第１表中に前記（１）式に従って算出した６
鋼のＤ０値と、鋼管の肉厚、焼入れ法、焼もどし温度、
焼もどし温度での保持時間を示す。

また焼もどし後の各鋼管について降伏強度と耐硫化物応
力腐食割れ性を調べた結果を、第１ｆｆ中に併せて示す
。なお耐硫化物応力腐食割れ性は、丸棒引張型の試験片
を用いてＮＡＣＥ液（０，５％酢酸、５チ食塩添加飽和
硫化水素水）中で降伏強度の９０チの応力を負荷して試
験した。耐硫化物応力腐食割れ性の評価についての第１
表中の○印は、上記の試験で３０日間破断しなかったも
のを示し、またＸ印は３０日の期間内で破断したものを
示す。

第１表の試料記号１，７，１４．．１５．１６はこの発
明の方法による鋼管であり、いずれも良好な耐硫化物応
力腐食割れ性を示している。一方、試料記号２〜５のも
のはいずれも試料記号７の鋼管と同一成分の鋼素材を用
いて製造した鋼管であるが、記号２のものは焼入れ法が
、記号３のものは焼もどし温度での保持時間が、記号４
のものは焼もどし品度が、記号５のものはＤ１値と肉厚
ｔとの関係が、それぞれこの発明の条件から外れている
ため、いずれも耐硫化物応力腐食割れ性が劣っている。

また記号６のものはＮｂ量が、記号８のものはＭｎ量が
、記号９のものはＭｏ量が、記号ｌＯのものはＣ量が、
記号１１のものはＣｒ量が、記号１２のものはＰ量が、
記号１３のものはＳ量が、それぞれこの発明の成分範囲
から外れ、そのためいずれもＤ１値と肉厚との関係、焼
入れ法、焼もどし温度および保持時間はこの発明の条件
を満たしているものの、耐硫化物応力腐食割れ性が劣っ
ている。したがって以上の各側から、優れた耐硫化物応
力腐食割れ性を得るためには、この発明で規定する全て
の条件が満足されていなければならないことが判る。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、この発明の方法によれば
、降伏強さもしくは０．５チ耐力で６５〜Ｂ　５　ｋｇ
ｔ／ｍｙｌの強度を有しかつ肉厚が１２叫以上、さらに
は２０謳以上という極厚肉の継目無鋼管を製造するにあ
たって、管肉厚の中心部に診いても鋼組織中のマルテン
サイト比率が９９チ以上となるように充分に焼入れしか
つ充分に焼もどしを行なって、耐硫化物応力腐食割れ性
が著しく優れた鋼管を得ることができる。したがってこ
の発明の方法は、サワーでしかも深い油井、ガス井に使
用される油井管、ガス井管やラインパイプ、あるいは硫
化物雰囲気に曝される化学装置用配管などの製造に最適
なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は０．４１　Ｃを含みかつＤ１値が異なる種々の
成分系の肉厚５（Ｈ＋ｌＩＩ＋の継目無鋼管を内外面同
時焼入れした場合の厚さ方向のロックウェルＣスケール
硬度（ＨＲＣ）の分布を、各Ｄ１値に対応して示す相関
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｃ　０．２０〜０．５０％（重量％、以下同じ）、Ｍｎ
   　０．５〜１．５％、Ｓｉ　０．２０〜０．３５％、Ｐ
   　０．０１５％以下、Ｓ　０．００５％以下、Ｃｒ　０
   ．８〜２．０％、Ｃｕ　０．２％以下、Ｎｉ　１．０％
   以下、Ｍｏ　０．５〜１．５％、Ｎｂ　０．０１〜０．
   １％、Ａｌ　０．００５〜０．１％を含有し、かつ下記
   （１）式で定義されるＤ＿Ｉ値が製品鋼管の肉厚ｔ（ｍ
   ｍ）に応じて下記（２）式を満足するように成分元素含
   有量を調整した鋼を素材とし、その鋼素材に熱間加工を
   施して継目無鋼管とした後、管内外面同時焼入れ法によ
   って焼入れし、次いで６５０℃以上、Ａｃ＿１変態点未
   満の温度範囲内において製品鋼管の肉厚ｔ（ｍｍ）に応
   じて保持時間Ｔ（ｍｍ）が下記（３）式を満足するよう
   に保持して焼戻すことを特徴とする耐サワー性の優れた
   極厚肉高強度継目無鋼管の製造方法。 Ｄ＿Ｉ＝７．９５√［Ｃ（％）］×｛１＋４．１×Ｍｎ
   （％）｝｛１＋０．６４×Ｓｉ（％）｝×｛１＋２．８
   ３×Ｐ（％）｝×（１−０．６２×Ｓ（％）｝×｛１＋
   ２．３３×Ｃｒ（％）｝×｛１＋０．５２×Ｎｉ（％）
   ｝×｛１＋３．１４×Ｍｏ（％）｝×｛１＋０．２７×
   Ｃｕ（％）｝・・・・・・（１） Ｄ＿Ｉ≧６×ｔ・・・・・・（２） Ｔ≧２．５×ｔ・・・・・・（３）