JPS62253720A - 硫化物応力割れ抵抗性に優れた低合金高張力油井用鋼の製造方法 - 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） この発明は降伏強度５６Ｋｆ／−以上の高強度と優れた
硫化物応力割れ抵抗性（以下耐ＳＳＣ性という）を兼ね
備え１％に油井やガス井で使用される鋼管、例えば掘削
用のドリルバイブや生産用のチュービングおよびケーシ
ング、さらには油井用のバルブ類、輸送管、貯蔵設備な
どに適した油井用鋼の製造に関するものである。

（従来の技術） 近年エネルギー事情の急迫に伴ない、硫化水素を含む原
油の掘削、輸送、貯蔵用に鉄鋼材料が使用に供せられる
場合が増えてきている。特に原油掘削用として用いられ
る油井管に使用される鋼は。

深井戸化の傾向に伴い厳しい腐食環境にさらされること
になり、高い降伏強度と優れた耐ＳＳＣ性を兼ね備えた
鋼が必要とされている。まだ経済的な要求から、大部分
の要求に対しては低合金鋼で対処する必要がある。

（発明が解決しようとする問題点） 硫化水素による硫化物応力割れは、鋼材表面が腐食され
る際に発生する水素が、鋼材中に拡散することによって
引き起こされる水素脆化が原因とされている。低合金を
基本とする化学成分の鋼材において、鋼材強度が上昇す
るにつれて、との脆化感受性が高まるため、鋼材強度お
よび優れた耐ＳＳＣ性を同時に具備させることは困難′
Ｃあった。

従来耐ＳＳＣ特性に優れた鋼材の製造は、個々の合金元
素を規制することにより達成されてきた。

例えば特公昭５６−３３４５９号公報に示されている様
にＭｎ量を低減することや、粒界脆化に有害とされるＰ
などの不純物を低減すること、又はＭ。

を多量に添加することが行なわれてきたが、これらは結
果として、使用できる合金成分範囲をいたずらに狭め、
また製造コストを上昇させていた。

また耐ＳＳＣ特性は、材料強度が高まるにつれ劣下する
ため、比較的低強度の鋼を、高強度の鋼を製造できる化
学成分で製造することは、製造コストの大巾な上昇をま
ねくことがある。

しかし耐ＳＳＣ特性に対する合金元素の役割は、本質的
に相互作用を持つものであり、相互作用を考えることＫ
より、又は強度に対応した合金元素の役割を考えること
により、耐ＳＳＣ特性に優れた鋼の製造可能範囲が広が
り、より安価に耐ＳＳＣ特性に優れた鋼材が製造できる
可能性を与えることができるのである。

（問題点を解決するだめの手段） 本発明者は、上述の観点から研究を行った結果、耐ＳＳ
Ｃ特性の低下は、割れが進展する経路が、旧オーステナ
イト粒の粒界を通ること（即わち粒界破面が現われるこ
と）を明らかにし、予め実験で求めた同一化学成分の鋼
で、粒界破面が現われ始めるある降伏強度（これをσＣ
と書く）以上で、又降伏強度がσＣ以下ではＭｎ、Ｐ、
Ｍｏ　　の影響がほとんど見られないことを明らかにし
た。

本発明はこのような知見に基づき、しかも十分な厚さの
鋼材を製造できることを考慮に入れ構成要件を決定した
ものである。

即わち重量％にて、Ｃ：Ｏ，ｌＯ〜０．３５チ。

Ｓｉ：０．３５％以下、Ｓ：０．Ｏ０５チ以下、Ｎｂ：
０．０１〜０．１０％、　Ｃｒ　：　０．２〜１．５％
、Ｎ：ｏ、　ｏ　ｏ　ｓチ以下、Ｔｉ：０．０２８−以
下で、かつ−０，００５％≦Ｔｉ　−３，４Ｎ≦０．０
１俤、　Ａｉｌ　：　０．０１〜０１０％、Ｂ　：　０
．０００７〜０．００２０チさらに、ＭＯ：０．１％以
上で、かつ下記の計算式で求められた降伏強度σＣ σｃ＝−３，９（Ｍｎ＋４．３Ｐ＋１７．０ＭｎＸＰ）
＋５（Ｍｏ−０，１）＋８３．２が実際に求められる鋼
の降伏強度ＹＳと較べて、ＹＳ≦σＣとなるような組み
合わせで、Ｍｎ、Ｐ、Ｍ。

を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる鋼下の温
度で、オーステナイト化した後焼入れ処理を施して、９
０％以上のマルテンサイト組織とし、続いて５６０°Ｃ
以上Ａｃ１点以下の温度で焼戻す硫化物応力割れ抵抗性
に優れた低合金高張力油井用鋼の製造法である。

以下本発明について詳細に説明する。

本発明において鋼成分は、次のような理由からその含有
範囲を規定した。

Ｃ；低合金鋼材の強度を確保し、焼入性を増すために必
須な元素として、その含有量を０１％以上とした。しか
し０．３５１％を超える多量な含有は。

焼入れ時に割れを生じることがあるため、０．３５チを
上限とした。

Ｓｌ；　　粒界強度を低下させる元素であるため少量化
することが望ましく、最大その含有量を０．３５係とし
た。

Ｓ　：　製鋼上完全に除去できない不純物で、多量に含
むとＭｎＳを形成し、これが割れ起点となることがある
ので含有量の上限を０００５％とした。

Ｎｂ　：　Ｎｂは再加熱焼入れ鋼の粒度を細かくする効
果を有すが、ｏ、ｏ１％以下ではその効果は十分でなく
、多量に添加しても一層の細粒化効果を期待できないば
かりか、熱間加工時のキズを発生しやすくする恐れもあ
るので、含有量の上限を０．１チとした。

Ｃｒ　；　Ｃｒは焼入性を高め、さらに添加したＭＯの
多くを固溶状態にしておく作用があるため、０２チ以上
を添加する。Ｃｒは含有量が少ない時には゛、耐ＳＳＣ
特性を低下させないが、多量に添加すると、明らかに耐
ＳＳＣ特性を低下させるので上限を１．５％とした。

Ｍ；Ｍは製鋼工程で十分にキルド鋼とするために必要で
あり、ｏ、　Ｏｌ　４以上含有させる。しかし多量の添
加は、アルミナ系の介在物を増し、割れ起点となるおそ
れもあるため、含有量の上限を０．１チとした。

ＢＩＢは焼入性を著しく向上させる元素であるが、ｏ、
　ｏ　ｏ　Ｏ７％以下ではその効果は十分ではなく、多
量に添加してもその効果が飽和するのみならず、熱間加
工時の割れ、キズの発生が懸念されるため、上限をｏ、
　ｏ　Ｏ２０％とした。まだＢの含有はＭｎ、Ｃｒの含
有量を低減させて、耐ＳＳＣ性の低下傾向を抑制する作
用効果を奏する。

Ｔｉ　：　ＴｉはＮをＴｉＮとして固定し、Ｂの焼入性
向上機能を維持し、Ｂ含有鋼の鋳造時の表面割れを抑制
する効果を有する。しかしＴ１の過剰添加は、粗大なＴ
ｉＮの析出を助長し、耐ＳＳＣ性を低下させるので、Ｔ
ｉ　−３，４Ｎとなる関係において、−０，００５〜０
０１％とし、且つ総Ｔｌ量の上限を０．０２Ｂ％とした
。

Ｎｉ；Ｎ量は総Ｔｌ量を減少させる上で低い方が望まし
いが、製鋼上不可避的に含有されるため、上限をｏ、　
ｏ　ｏ　ｓ％とじた。

耐ＳＳＣ特性はＭｎ、Ｐ　含有量を低下させ、ＭＯ含有
量を高めることで改善されるが、これについて実験的に
詳細に検討した結果、Ｍｏ含有量０．１％以上で、かつ
、σＣ＝−３，９（Ｍｎ＋　４．３Ｐ＋　１７．ＱＭｎ
ＸＰ　）　＋ｓ　（ＭＯ−０，１）　＋８３．２が、実
際−に求め−られる鋼の降伏強度ＹＳと較べて、ＹＳ≦
σ。となるような組み合わせで、Ｍｎ　、　Ｐ　、　Ｍ
ｏを含有させれば粒界破面ば現われず、優れた耐ＳＳＣ
特性を持たせることができることを明らかにした。

即ちＹＳ≦σＣとなる条件においては、どのような：Ｍ
ｍ　、　Ｐ　、　Ｍｏの含有量であっても、はぼ等しい
耐ＳＳｃ特性を有する鋼材を設計することが可能であっ
て、最も製造しやすい組み合わせ、低コストとなる組み
合わせを選択できる。この点が本発明の主眼点となるわ
けである。

これらの関係を図示すると、Ｍｎ、Ｐ、Ｍｏ量と粒界破
面の現われる強度の範囲は第１図の通りであり、また−
例として０．２４　Ｍｏ　　の時、降伏強度７７Ｋｆ／
−以下τ、粒界割れの発生しないＭｎとＰの許される含
有量は、第２図のハツチングの範囲である。

上述の化学成分を有する鋼を転炉、電気炉等で溶製し鋳
造、通常の熱間加工工程を経て希望の形状を得る。

次に細粒でかつ整粒の均質なマルテンサイトを得るため
に、オーステナイト死後焼入れを行う必要がある。その
ために十分な溶体化を行うため、Ａｃ３点＋２０℃以上
の加熱温度とし、また１０２０℃以上では、Ｎｂによる
結晶粒抑制効果が失われるため、加熱温度の上限を１０
２０°Ｃとした。

またこのような焼入処理によって得られた鋼の組織が、
マルテンサイト組織で、９０条以上とした理由は次のよ
うな理由からである。

耐ＳＳＣ性は組織的に不均質な部分が存在すると、応力
集中や部分的な降伏現象が起き劣化するため、焼入れ時
のマルテンサイト組織の割合が高い方が望ましい。さら
にマルテンサイト組織以外の部分には、一般に粗大な炭
化物が形成されており、割れ発生の起点になり易い。従
ってマルテンサイト組織の割合は、高い方が望ましいが
、低合金鋼で工業的に安定して得られる水準も考慮して
９０％以上としだ。

さらに焼入れした鋼の耐ＳＳＣ性を増し、希望の強度を
得るため焼戻しを行なう必要がある。焼戻し温度につい
ては、５６０°Ｃ以下では粒界へのＰの偏析が著しく、
耐ＳＳＣ性を低下させ、またＡｃ、以上に加熱すると、
オーステナイト相が析出し冷却後フェライトに変態し、
不均一な組織になる為、耐ＳＳＣ性に対し好ましくない
。従って焼戻し温度は、５６０℃〜Ａｃ、点と定めた。

以上のような低合金鋼は、極めて優れた耐ＳＳＣ特性を
有する。

（実施例） 表１に示された化学成分と、熱処理条件で本発明鋼１〜
Ｂ及び比較鋼９〜１３をそれぞれ製造゛した。

耐ＳＳＣ性の評価は、定荷重型の応力腐食割れ評価試験
機を用い、平行部の直径６Ｉの丸棒引張り試験片に、１
気圧の硫化水素を飽和した０、　５％Ｃ）Ｔ、Ｃ０ＯＨ
＋　５チＮ、（Ｊ水溶液中で、降伏強度の７５俤の応力
を付加して、７２０　ｈｒ　　での破断の有無で行った
。

第１表の耐ＳＳＣ特性の欄において、パ○印のものは耐
ＳＳＣ特性が優れているもの、Ｘ印は劣っているもので
あり、本発明による鋼は、極めて優れた耐ＳＳＣ特性を
具備しており、本発明の範囲から外れると、特性が劣っ
たものになることが明らかである。

（発明の効果） 本発明によれば、油井用の鋼として求められる耐ＳＳＣ
特性などに優れた鋼が得られ、工業的効果は犬である。

【図面の簡単な説明】

第１図はＭｎ、Ｐ、Ｍｏの含有量と降伏強度との関係で
粒界破面生成範囲を示すグラフ、第２図はＭｎおよびＰ
　の含有量が優れた耐ＳＳＣ特性が得られる許容範囲を
示すグラフである。 代理人　弁理士　　茶野木　立　夫 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量％で Ｃ：０．１０〜０．３５％ Ｓｉ：０．３５％以下 Ｓ：０．００５％以下 Ｎｂ：０．０１〜０．１０％ Ｃｒ：０．２〜１．５％ Ｎ：０．００８％以下 Ｔｉ：０．０２８％以下でかつ−０．００５％≦Ｔｉ−
   ３．４Ｎ≦０．０１％ Ａｌ：０．０１〜０．１％ Ｂ：０．０００７〜０．００２０％ さらにＭｏ：０．１％以上で、かつ予め下記の計算で求
   められた降伏強度σ＿ｃ σ＿ｃ＝−３．９（Ｍｎ＋４．３Ｐ＋１７．０Ｍｎ×Ｐ
   ）＋５（Ｍｏ−０．１）＋８３．２ が実際に求められる鋼の降伏強度ＹＳと較べて、Ｙｓ≦
   σ＿ｃとなるような組み合わせで、Ｍｎ、Ｐ、Ｍｏを含
   有して残部鉄及び不可避的不純物からなる鋼を、熱間加
   工後Ａｃ＿３点＋２０℃以上１０２０℃以下の温度で、
   オーステナイト化した後焼入れ処理を施して、９０％以
   上のマルテンサイト組織とし、続いて５６０℃以上Ａｃ
   ＿１点以下の温度で焼戻すことを特徴とする硫化物応力
   割れ抵抗性に優れた低合金高張力油井用鋼の製造法。