JPS6138789A - 坑口構造物およびその製造方法 - 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】 本発明は深い酸性坑井の坑口での使用に適した改善され
たクラッド構造物およびその製造方法に関する。

深い酸性坑井の掘さく用の坑口装備品は１５，０００ｐ
ｓｉ、（１，Ｏ５５ｋｇｆ／ｃｍ２）　　より大きい圧
力、３００’Ｆ　（１４９℃）よりも高い温度および硫
化水素、二酸化炭素、および塩化物の１つまだはそれ以
上を含む成分をもつ敵性有害環境に耐え得るものでなけ
ればならない。米国石油協会（ＡＰＩ）は安全でかつ交
換可能な坑口装備部品を設計するだめの強度指針を制定
している。１５，０ＯＯｐｓｉ（ｌ’　Ｏ５５ｋｇｆ／
ｃ＋ｍ２）　　またはそれ以上の圧力割合に対する装備
における部品構造についてのＡＰＩの要求に適合させる
ためには、使用される材料は、常温引張り試験による測
定で、７５，０００ｐＳ１（５２７ｋｇｆ／ｗｎ２）の
耐力、１００，０ＯＯｐｓｉ（７０，３ｋｇｆ　／＠ｎ
２）　　の引張り強さ、１７％の伸びおよび３５％の断
面縮小率よりも大きくなければならない。

このような腐食環境に耐えるＩｎｃｏｎｅｌ６２５、Ｈ
ａｓｔｅｌｌｏｙ　Ｃ−２７６およびＭＰ３５Ｎのよう
な合金は通常７５、ＯＯＯｐｓｉ　（５２，７ｋｇｆ／
ｍｍ２）という必要な耐力を有しないし、管用途で高い
強度を得るには冷間加工される。これらの合金はまた非
常に高価で、大きな坑口装備品に加工するのはほとんど
不可能である。

強度計算をするとき、複合構造の荷重を支える部分と考
えてもよい母材と耐食材料とで構成させ、高強度母材と
組み合わせだ耐食材料を提供することにより、高度に腐
食性で、高圧高温の環境に抵抗性のある複合材料を有す
る構造物を提供しようとする多くの努力がなされてきた
。本発明以前においては、高圧高温で高腐食性環境に適
合するよう十分に加工されたクラット８構造物は、クラ
ットゝ材をして設計計算において母材の１部として考慮
し得るほどの十分な強度と延性をもった界面を有しなか
った。従来のクラッド構造物の界面部分が弱いことの理
由は界面における炭化物析出の結果であると考えられる
。

Ｄ、に、　Ｇｕｐｔａらの米国特許第４．１４５．４８
１号は超合金を用いての熱間均圧成形法によってつく開 られる耐食性金属部材を屑示している。母材として用い
られた超合金はｌＮ７９２にＨｆを加えたものであり、
これはＣｏ　−Ｃｒ　−Ａｌ−Ｙの肉盛りでプラズマ噴
霧被覆され、次いで熱間均圧成形に供されるに先立ち箱
詰浸透法でアルミナイジングされる。この様な肉盛シは
ＡＰＩタイプ１１１のもとで母材と共に強度計算に用い
るには適当ではない。

Ｔ、Ｏｄａ　　らの米国特許第４．１７８．４．１７号
は、低炭素鋼の母材が圧延または爆発圧接法によってオ
ーステナイト不銹鋼、ニッケルまたはニッケル合金に接
合されてつくられるクラッド鋼材料を開示している。

本発明は深い酸性坑井上の坑口で使用するのに適した改
善されたクラッド構造物に関する。改善されたクラッド
構造物には２℃％クロム、１％モリブデンおよびクラッ
ドしようとする表面で０．０８ないし０．１５％の炭素
を有する合金鋼の母材およびＷｅｓｔ　Ｖｉｒｇｉｎｉ
ａ州ＨｕｎｔｉｎｇｔｏｎのＩｎｔｅｒｎａｔｉ　−０
ｎａｌ　Ｎ１ｃｋｅｌ　Ｃｏ、、　Ｉｎｃ、　　によっ
て製造されるＩｎｃｏｎｅｌ　６２５　　のような耐食
性クラット９合金が含まれる。この場合、母材金属、ク
ラッド金属および母材金属とクラッド金属との界面を横
切る方向での耐力および延性がすべて７５，０００ｐｓ
ｉ（５７，３ｋｇｆ／＠ｎ２）　　の耐力および１０％
の延性を上部るものである。このようなりラット９構造
物を製造するだめの改善された方法には、母材がクラッ
ドされる表面上で０．１５％以下の炭素を有し、そして
クラッド材は耐食性合金としクラッドさせようとする母
材の表面に隣接させて粉末状のクラッド材層を設けるこ
と、母材とクラッド材に約１５、　ＯＯＯｐｓｉ　（１
，０５５ｋｇｆ／Ｃｍ２）　　と２，０００２）”（１
０９３℃）の圧力と温度を与えること、およびこれらの
材料をこのような温度に２時間の間保持し次いで材料を
冷却し、そして与えた圧力を減少させることが含まれる
。

本発明の目的は、母材およびクラットゝ材の双方および
その界面が閤じ耐力および延性を有し、それぞれ少なく
とも７５，０ＯＯｐｅｉ（５２，７ｋｇｆ／霜２）の耐
力および１０％の延性をもつところの、耐食性クラッド
材を有する改善されたクラツディング構造物を提供する
ことにある。

他の目的は、腐食性の流体を通すのに使用する際、類似
のしかし腐食性ではない流体を通す場合のクラッド材間
てない合金鋼構造物よりも大きくはない改善されたクラ
ッド鋼構造物を提供することにある。

さらに他の目的は、高度に腐食性の環境用の高強度クラ
ッド鋼構造物をつくるだめの改善された方法を提供する
ことにある。

なお今一つの目的は、マルテンサイトの強化された合金
母材に析出硬化した耐食性クラツディンダ合金を組み合
わせ、クラッド材、母体およびそれら２つの材料間の界
面を横切る方向で必要な強度と延性を有せしめるだめの
改善された方法を提供することにある。

本発明のこれらおよび他の目的そして利点については以
下に述べまた添付図面を参照して説明する。

第１図は２Ｌ％Ｏｒ　−１％Ｍｏ−合金鋼すなわちＡｌ
５Ｉ／＋　１３０鋼の母材およびＩｎｃｏｎｅｌ　６２
５のクラッド材との間の界面におけるクラッド鋼の顕微
鏡組織（倍率５００倍）を示しだものである。

母材とクラッド材間の界面は図では底部に近い。

また界面上部の黒い粒子は析出炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）
であって界面を脆弱にする原因である。第１図に示され
たような構造では強度計算をする際にクラッド材を考慮
することはできない。従って、クラッド材がこの様な強
度計算では考慮されず、腐食環境に対する防御のための
ライニングとしてしか考慮されないならば、得られる構
造物はその構造物が腐食環境にない時に必要とされるよ
りも実質的に大きなものになるであろう。このことはＡ
ＰＩフランジその他の組み合わせ器具の再設計を必要と
することになる。

本発明の改善されたクラットゝ鋼（倍率５００倍）を第
２図に示した。界面には析出炭化物の大きい粒子がなく
、第１図に示されたクラットゝ鋼にみられる大きい炭化
物粒子とは対照的であることに注意されるべきである。

本発明の改善されたクラッド構造物において推奨される
母体は００８から０．１５％までの炭素をもつ２Ｌ％ク
ロムー１％モリブデンーニッケル合金鋼で、すべて第１
表に示されるものである。

第　　１　　表 炭素　　　　　　　Ｏ，ＯＳ〜０．１５マンガン　　　
　　０．４０〜０６０ リン　　　　　　　　　００３０以下 硫黄　　　　　　　　００３０以下 ケイ素　　　　　　０．１５〜０．５０クロム　　　　
　２００〜２５０ ニッケル　　　　　　０．５０以下 モリブデン　　　　０．９０〜１１０ アルミニウム　　　　０．０５以下（内部）推奨される
クラッド材は工ｎｃｏｎｅ１６２５　　タイプのニッケ
ル基合金である。本発明におけるクラットＳ材の化学組
成として用いられる６２５タイプの化学組成範囲は第２
表に示されるとおりである。

第２表 Ｇ　　　Ｍｎ　　　Ｆｅ　　　Ｓ　　　　　Ｓｉ　　　
Ｃｒ　　　ｋｅ　Ｔｉ　　Ｃｂ＋ＴａＭｏ　　Ｎｉ最小
　　　　　　　　　　　　　２０．０　　　　　３４０
　８．０残最大０．１０　０，５０５．００．０１５０
．５０２３．００．４００．４０伺０１００残Ｉｎｃｏ
ｎｅｌ　６２５　　の化学組成のある特定部分は析出硬
化を起し得、この用途で用いられる。強度を得るために
坑口装備品を冷間加工することはできないからである。

これにより合金は第４図に示されるように析出硬化する
（第４図は、２種類のＩｎｃｏｎｅｌ　６２５　　の耐
力および引張り強さにおよほす焼き戻し温度の影響を示
す図）。６２５の化学組成範囲は３１ないし４．１％Ｃ
ｂ　　（コロンビウム）であるが、３５ないし４１％Ｃ
ｂのみが十分な効果を与える。第４図にも示されたよう
に銅の二つの熱処理を可能とするような時間と温度の組
み合わせでもこの合金におけるＣｂ含量が低いと合金は
析出硬化しない。

硬化のために、より低い炭素のものの使用も認め得られ
るが、有用な母材鋼は厚肉においてＡＰＩタイプｌ　１
．　Ｉの強度に見合う必要な硬化能をもつ２Ａ％０ｒ−
１％Ｍｏのようなマルテンサイト硬化物である。これら
の合金は鍛造により容易に坑口装備品の形状に加工され
る。このタイプの鋼の焼戻し挙動を第５図に示した。（
第５図は焼戻し温度の引張り強さおよび耐力におよぼす
影響を示す図） 上記合金の典型的な組み合わせを熱処理したときの各種
特性の挙動を第６図、第７図および第８図に示した。こ
＼で重要なことはそれらがＡＰＩタイプＩＴＩの性質に
見合うようにするのに複数の熱処理が可能だということ
である。

本方法に対するもう１つの重要な点はクラッド材と母材
間の界面に形成される脆弱なりロム炭化物の量を最低に
することである。

第９図は接合層を横切る形で行なわれた試験での２種類
の引張り破壊を示したものである。第９Ａ図は１０％の
最小伸びを満足していない接合層近くの脆弱破壊を示し
ている。破壊は実際にクロム炭化物の線に沿って６２５
に生じるものでこのクロム炭化物はＨＩＰ（熱間均圧成
形）処理と熱処理時に６２５内に鍋から炭素が移動する
結果として形成されるものである。

６２５におけるこの脆弱相の形成におよぼす母材での炭
素量の影響については第１図および第２図に示されてい
る。炭素が４１３０タイプ合金におけるような０．２５
％（第１図）から望ましい母材の０．０９％（第２図）
の程度に低下するにつれ、この相の析出が最小になるこ
とが示されている。

クラッド材はＣｂ　　（コロンビウム）含量が３．５な
いし４１％の範囲にあって時効硬化を与えるところのＩ
ｎｃｏｎｅｌ　合金６２５である。上に述べたように改
善されたクラットゝ鋼の母材内、クラットゝ材内および
界面横方向における引張強度を試験した。次のものは代
表的な試験結果の要約である。

耐　　　力　　最高引張り強さ　　伸びＫＳｉ（ｋｇｆ
／＋＋＋ｍ２）　ＫＳｉ（ｋｇｆ／ｍ＋＋＋２）　　％
母材　　　　　　　９１（６４）　　１０５（７４）２
４界而　　　　　　　９４．（６６）　　１０５（７４
）１．７クラツトゝ材　　　　９２（６５）　　１５７
（１１０）　　４３これらの結果から、改善されたクラ
ッド鋼はその全構造物を通して１０％を上まわる延性と
共に７５　ＫＳｉ　（５２，７ｋｇ、ｆ／謹２）以上の
耐力を有していることがわかる。このような性質は米国
石油協会ＡＰＩタイプＩＩＩに完、全に適合するもので
あシ、従って硫化水素、二酸化硫黄または二酸化炭素あ
るいはそれらの組み合わせのような腐食流体を含む坑井
上で用いられるバルブおよびその他の油やガス圧保持構
造物は本発明の改善されたクラットゝ構造物でつくるこ
とができる。この方法でよす小サイバルブや他の坑口装
備品構造物がＡＰＩの規格に従って使用でき、各装置の
価格や重量は材料的に低減されるものである。

本発明の改善されたクラッド鋼を製造する方法を説明す
る。第３図に示されたバルブ本体１０には耐食性ライニ
ングを施されだ流路１２とバルブ室１４がある。金属粉
の添加のだめに薄い管１８を有する缶１６、平らな底２
０および管１８の中間部を通して伸びている薄いスリー
ブ２２がパル。

ブ室１４に挿入されている。底２０は溶接などで管１８
の端に接着されスリーブ２２も溶接などで管１８に接着
されている。薄い管２４は示されているように流路１２
とスリーブ２２内を通して挿入されている。リング２６
は管１６の外側と本体１０の外側に溶接され、リング２
８と３０は管２４の端の捷わりと本体１０の外側に溶接
されている。充填管３２はリング２６内を通して伸び、
充填管３４はリング３０内を通して伸びている。

缶１６、管２４およびそれらの封鎖リング２６．２８お
よび３０の構造によって流路１２および室１４の壁内に
スｇ−ス３６がつくられる。この構造は、下記に明らか
にされるように、圧力伝達付与モールドまたは薄板金属
封鎖構造として働くものである。缶１６、スリーブ２２
および管２４の構造におけるすべての溶接は気密であり
、固化工程においても気密が保持され、加熱金属粉から
の空気を排除できることが重要である。

第３図で示されたバルブ構造物における本体構造物１０
は母材合金鋼で好ましくは前記した特定合金であり、そ
して限定的にはクラツディングまたはライニングされる
すべてのその表面において０．１５％よりも少ない炭素
を有するものである。

すでに述べたように合金鋼は０１０から０．１５％まで
の炭素を有しているが、より多量の炭素を有する合金鋼
も、クラツディングまたはライニングをうけるすべての
表面に還元または脱炭処理を行ってそれら表面の炭素量
を上に述べた範囲に低減させるならば、使用することが
できる。この方法で炭化物析出は最小化され界面の強度
は著しく改善される。

スに一ス３６を満そうとする場合、充填管３２および３
４の何れかまたは双方に対する真空ポンプ（図示せず）
のような適当な手段の結合で真空吸引される。スに一ス
３６に存在するガス量が必要な固化金属ライニングの形
成を妨げない様に十分な真空に引かれなければならない
。

次に本体のキャビティ１２および１４内のスに一ス３６
は充填管３２および３４を通して上記したような耐食性
クラッド材の粉末金属でもって満される。次の段階に進
む前に金属粉で完全に満されるようにスに一ス３６の充
填中本体を振動させることが推奨される。缶１６、管２
４およびリング２６．２８および３０の材料はクラッド
体と同じ材料であることが望ましい。またスペース３６
は十分に厚い固化金属のライニングがなされる位に十分
に大きなものであり、機械加工で仕上ったライニングに
くぼみや未加工部分をつくるこ゛となしに最終の内部形
状にできるようなものであると粉末が満されたのち、充
填管３２および３４はとが推奨される。

閉じられ封鎖される。もし必要ならば適当なバルブ（図
示せず）で、真空吸引段階が終了した。ときに閉じられ
るように保証させることもできる。このような弁は成形
条件に供したときに洩れがないことが望まれる。

そのあと、本体１０はオートクレーブ（図示せず）また
は他の適当な装置内におかれ、成形温度（約２ｏｏｏ°
Ｆ　（］、、　０９３℃））および成形圧力（約］　５
．０００　ｐｓｉ　（１，０５５ｋｇ／ｃｍ２））に供
される。本体１０はこのような温度および圧力に２時間
保持されてから冷却される。本体がオートクレーブ内に
成形条件で保持されている時間は限定されるべきである
こと、および冷却と加熱の段階は不必要に延長されるべ
きではないことは重要なことであると考えられる。

Ｈｌ、Ｆ’プサイルの長さと温度は２２００°Ｆ（１２
ｊ０４℃）より低い温度に、まだ４時間の加熱時間より
短い時間に制御するととが孟ましい。

ＨＩＰ′サイクルに対するこのような制御はクロム炭化
物の生成を制限する役目を果すものである。

−オートクレーブ内で成形条件にさらさり７ている間、
曲がり得る缶１６と管２４は流路１２およＯ・パル□ブ
室１４の壁に粉末金属′を圧縮するよう膨張させられる
。熱と圧力により粉末金属は固化して本体内で固体ライ
ニングとなり、該ライニングは本体□に完全に接合し、
適当な物理的性質をもつ界面を有し、もってクラット材
またはライニング（スを考慮に入れて特別な構造物にす
るだめにてＴｉ制御する仕様に適合する必要のある材料
の設計計算をすることができるようになる。

このように本発明の改善された方法は強度および耐食性
を与えるマルテンサイトおよびオーステナイト合金の組
み合わせを提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術のＨＩＰクラッド冷へ・の界面を通
る断面についての倍率５００倍の顕微鏡写真、第２図は
、本発明の改善されだＨＩＰクラツｌ−’鋼の界面を通
る断面についての倍率５００倍の顕微鏡写真、 第３図は、耐食材が母材内に接合される方法を説明する
ノくルズ構造物の断面図、 第４図は、２つの種類のＩｎｃｏｎｅｌ　６２５　　の
耐力および引張シ強さにおよぼす焼き戻し温度の影響を
示す図、 第５図は、２ＬＣｒ−ＩＭｏ合金鋼の焼き戻し温度の引
張り強さおよび耐力におよぼす影響を示す図、 第６図〜第８図は、熱処理に対する合金の挙動を示す図
で、 第９図および第９Ａ図は、引張り試験片の２つのタイプ
の破壊についての写真である。 １０・・・パルプ本体 】２・・・流路 １７Ｉ・・・バルブ室 １６・・・缶 Ｉ８・・・管 ２２・・・スリーブ ２４・・・管 ２６、２８．３０・・・封鎖リング ３２．３７１・・・充填管 ３６・・・スｇ−ス （外５名） （１７００″Ｆで大−ズテナイト化したのちンＦｌ（ｉ
、　４ 力１度・シ二二及　　（９時間） （／７ｏｏ”Ｆて゛システナイＹイヒしたのち９Ｆｌ（
、、５ １（Ｘ）０　　　　　１１００　　　　　　１’２００
　　　　　１已００　　　（”ｌ：）３．免於し／時効
　温慶（ｔｏ時駒 遂）（シ／時効　温Ｊ　　　　（１０峙藺ン文か、於し
／時効　　タ１１証１てブ才する４ヒ金全９カ（λ−又
テナイＹ准シイ名１本化タ店チ耳　−／　７０ｏ”／／
］晴用い−フ）；、二すＦＩＣ，、９ Ｆｌ（ｌｉ、　　９Ａ 手続補正書（方式） 昭和６０年Ｗ月Ａ日 特許庁長官　　志　賀　　　学　　殿 ３、補正をする者 事件との関係　　　出　願　人 住所 名　称　　カメロン・アイアン・ワークス・インコーホ
レーテッド ４、代理人 ５、補正命令の日付　　昭和６０年５月２８日（発送日
）６、補正の対象 明細書の〔図面の簡単な説明〕の欄 図面（第９図及び第９Ａ図） ２補正の内容 （１）明細書箱１９頁１行目の記＠　ｒ断面についての
倍率５００倍の顕微鏡写真」とあるを「断面妬おける金
属組織の倍率５００倍の顕微鏡写真」に訂正する。 （２）明細書筒１９頁６行目の記載「断面についての倍
率５００倍の顕微鏡写真」とあるを「断面における金属
組織の倍率５００倍の顕微鏡写真」に訂正する。 （３）明細書第１９頁下から６行〜５行の記載「第９図
および第９Ａ図は、引張り試験片の２つのタイプ破壊に
ついての写真である。」を削除す以　　上

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）中に開口部を有するマルテンサイト合金の本体、
   および前記本体の開口部をライニングするオーステナイ
   トのクラッド材からなり、前記本体、前記クラッド材お
   よび前記本体と前記クラッド材との界面を横切る方向の
   強度と延性がすべて強度で７５，０００ｐｓｉ（５２．
   ７ｋｇｆ／ｍｍ＾２）そして延性で１０％より大である
   ことを特徴とする坑口構造物。
2. （２）前記マルテンサイト合金が２１／４％Ｃｒ−１％
   Ｍｏ鋼で、前記オーステナイトのクラッド材が析出硬化
   した耐食合金である、特許請求の範囲第１項に記載の坑
   口構造物。
3. （３）前記マルテンサイト合金が前記開口部の表面に０
   ．１５％より少ない炭素を含む、特許請求の範囲第２項
   に記載の坑口構造物。
4. （４）前記オーステナイトのクラッド材がＩｎｃｏｎｅ
   ｌ６２５タイプ合金である、特許請求の範囲第２項また
   は第３項に記載の坑口構造物。
5. （５）前記Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５タイプ合金のコロンビ
   ウム含有量が３４ないし４．１％である、特許請求の範
   囲第４項に記載の坑口構造物。
6. （６）炭素含有量が０．１５％より少ないマルテンサイ
   ト合金鋼の母材および前記母材に接合された耐食性合金
   のクラッド材からなり、材料が母材、クラッド材および
   母材とクラッド材間の界面を横切る方向で７５，０００
   ｐｓｉ（５２．７ｋｇｆ／ｍｍ＾２）よりも大きい常温
   引張り耐力および１０％よりも大きい延性を有している
   ことを特徴とするクラッド構造物。
7. （７）０．１５％よりも少ない炭素を有するマルテンサ
   イト合金鋼の母材構造物に対しそのクラッドしようとす
   る表面から間隔をおいた壁で構造用壁を確保してその間
   に空間をつくる工程、前記空間から気体を抜く工程、前
   記空間に耐食性の粉末金属を充填する工程、母材構造物
   、構造用壁および粉末金属を１３／４ないし２１／４時
   間の間約１５，０００ｐｓｉ（１，０５５ｋｇｆ／ｃｍ
   ＾２）の圧力および２，０００°Ｆ（１，０９３℃）の
   温度にする工程、および出来たクラッド構造物を冷却す
   る工程を含むことを特徴とする強度的に構造物の１部と
   して機能する耐食性クラッド材を有する改善された構造
   物を製造する方法。
8. （８）その中にクラッド材でライニングした開口部を有
   するマルテンサイト合金構造物を製造する方法であつて
   、 ライニング、構造物およびその間の界面のすべてが少な
   くとも７５，０００ｐｓｉ（５２．７ｋｇｆ／ｍｍ＾２
   ）の引張り耐力および少なくとも１０％の延性を有する
   ように熱間均圧成形法により構造物の開口部を耐食性オ
   ーステナイト合金でライニングする工程を含むことを特
   徴とする方法。