JPS63210259A

JPS63210259A - 耐硫化物割れ性にすぐれた油井用高強度鋼

Info

Publication number: JPS63210259A
Application number: JP4143587A
Authority: JP
Inventors: Terutaka Tsumura; 津村　輝隆; Fukukazu Nakazato; 中里　福和
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-02-26
Filing date: 1987-02-26
Publication date: 1988-08-31

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】（利用分野）本発明は湿潤硫化水素環境において、すぐれた耐硫化物
割れ性を発揮し、油井やガス井で使用される構造部材、
例えば油井管やラインパイプ、サッカーロッド、さらに
油井、ガス井の周囲に使用される装置用部材として用い
るのに好適な油井用高強度鋼に関するものである。

（発明の背景及び先行技術）近年、新油田あるいは新ガス田開発に目立つ特徴として
、従来は放置されていたような深層にしてかつ油やガス
が硫化水素（Ｈ，８）で汚染された、所謂サワー環境下
にあるものにまで開発の目が向けられるようになってき
た１ことをあげることができる。

従って、石油及び天然ガスの生産分野においては、近年
、土圧（地層の圧力）やガス圧あるいは鋼材の自重によ
る引張シ荷重に耐えるとともにサワー環境で使用しても
十分に所望性能を発揮するところの高強度にして硫化物
割れ（以下、５ｓｃａと称す）にも強い抵抗力を有する
鋼に対する要望が一段と大きくなってきている。

鋼の耐５ｓａａ性を向上させる手段については１９５０
年来、種々の検討が加えられてきているが、現在ではｌ
ＮＡｃ！Ｋ　８ｔａｎｄａｒｄ　ＭＲ−０１−７５０．
９７７、Ｒｅｖｉｓｉｏｎ　）　　に示された硬度（強
度）の上限以下に鋼の強度２抑えることが５ｓｃａ防止
−に最も有効であるとされておシ、このためにＬ−８０
（降伏強さの下限が８０．　ＯＱ　Ｏｐｓｉ［５＆　２
　ｋｌｉｆ／■２〕）がＡＰＩ規格に加えられてユーザ
ーの要望に応えてきていた。

ところが上述のようなサワー深井戸においては、油井管
として強度を抑えたものを用いると、必然的にその必要
肉厚を厚くせざるを得す、経済性及び作業性の点で著し
い不利を招くようになるという問題があったのである。

このようなことから、前述のＬ−８０よシもさらに強度
が高く、かつ耐５ｓａｃ性にすぐれた鋼材が切望される
ようになってきておシ、特に最近では、降伏強さの下限
が９　０．１，Ｑ　ＯＱ　ｐｓｉ（６五３ゆｆ／■りを
超す高強度油井管に対する要望も大きくなっている。

従来、このような高強度、高耐５ｓａｃ性に対する要求
に対しては焼入れ、焼戻し処理によって形成された均一
な焼戻しマルテンサイト組織を有するＡＩＳ工　４１３
０系鋼を用いたシ、あるいは鋼の水素吸収を防止するた
めにＣＯを添加することが試みられてきたが、それでも
Ａ工Ｓ工　４１３０系鋼では依然として十分に満足でき
る耐食性を実現することができない。

その上、Ｃｏ　　添加鋼ではＣＯの水素吸収防止効果を
発揮させるためにはＭＯとの複合添加を避ける必要があ
漫、従って０．Ｏｒ　又はＶなどの強化元素を多量に添
加して鋼の強化を図らねばならず、靭性劣化を招くこと
となるほか、十分添加する必要があるので、鋼材製造コ
ストが大幅に上昇するという問題を避けることができな
かった。

一方、耐５ｓａｃ性のすぐれた鋼の製造方法として、特
開昭５７−８９４３６号、５８−２２４１１６号及び５
９−２２２５２６号記載の方法が開示されている。しか
しながら上記特開昭５７−８９４３６号及び５８−２２
４１１６号記載の方法では後述するように焼入性の向上
を図るためにｃＬｏ　００５％以上のＢを添加しており
、また炭化物析出に対するＯｒ　＋２　Ｍｎの含有量の
範囲について考慮することなく、Ｓｌ　　含有量も少量
であシ、また特開昭５９−２２２５２６号に記載の鋼も
Ｏｒ　＋　２　Ｍｎの含有量範囲について考慮せず、専
ら粒界偏析の防止と硫化物形態の制御の効果を追求する
のみで−１，Ｓｉ含有量も少量である。

ところで、耐５ｓａａ性の確認方法としてはＨ！Ｓを飽
和させた０、５％酢酸水溶液から成る腐食液中で行なう
シェルタイブ試験法が多数の現場実績との対比による研
究の積み重ねの結果開発されておル、この試験によって
測定される５ｓａｃ限界応力値（Ｓｃ値）が下記の弐〇
ｃ　　′≧（ＳＭＹＳ　　／（Ｌ７５　）Ｘｌ　０−４
　［但しＢＭ’ｌＢは「規格最小降伏強さ」を意味し、
単位はｐｓｉで表示される〕全満足すれば割れの発生が
ないとされているけれども、従来、％に低合金鋼にはこ
のような厳しい基準を満足するものがなかったのである
。

なお、上記シェルタイブ試験法は第１図に示すような長
さ方向の中央部にキリ孔を設けた試験片０．）に、第２
図に示すような３点支持曲げにてその中央部に応力を付
加しながら腐食液中に浸漬し、割れ率が５０係となる見
掛けの応力を測定して、これをＳｃ　値とするものであ
る。

第２図において符号（２）で示されるものはガラス丸棒
、符号（３）は荷重（応力）を付加するためのボルトで
ある。

また、このよｄ）な材料自身の改良のほかに鋼材をコー
ティングしたシ、腐食環境中にインヒビターを注入する
などの方法も試みられているが、いずれも十分な効果を
期待できるものではなかった。

（発明の概要）本発明者らは上述のような観点から、特に降伏強さが６
５　ｋｇｆｌｖａ雪　以上でＳａ　　値が式８Ｃ≧（Ｓ
ＭＹ８　／　０．７５　）　Ｘ　１０−’を満足する耐
５ｓｃｃ性のすぐれた油井用鋼を得るべく研究を行なっ
た結果、下記に示すような知見を得るに至ったのである
。

（ａ）　　前述のような所定の８Ｃ値を満たし、かつ降
伏強さが６５ｋｌ？ｆ／ｍ”以上の高強度を実現するに
はｔＯ％を超えるＳｉ　　を添加して鋼中水素の拡散能
を低下させかつ組織としては焼戻しマルテンサイト組織
とするのが有効であること（ｂ）　　鋼中の炭化物は水素の集積場所となり、従っ
てこの炭化物が針状、棒状など切欠欠陥形状を呈した漫
、粗大に凝集したシする場合にはそこが起点となってｓ
ｓ　ｃｃが発生しやすいが鋼中にＺｒ　を含有せしめる
と炭化物が球状微細に分散されて耐ｓｓ　Ｓｃ性が著し
く改善されること記Ｚｒ　の炭化物微細分散効果が小さくなし、耐５ｓａ
ｃ性の劣化を生ずること（ｄ）　　鋼中のＢはオーステナイト粒界に炭化物を析
出しやすくするが、とのＢｉが０．０００５憾未満では
粒界炭化物は生じても極めて微細で５ｓａａの発生が抑
制されること（ｅ）　　鋼中のＮ１　　は湿潤Ｈ，Ｓｉ境下で孔食の
発生を促し、そこが起点となってｓｓ　ａｃが起るが、
Ｎ１　含有量を０．０５％以下に抑えると孔食の発生が
抑制され、従って耐５ｓａｃ性が改善されること本発明は以上の知見に基づいてなされたものであり、重
量でＯＯ，１５〜ａ４５％、Ｓｉｔ　ｏ　超〜　２−０
９６　、　　Ｍｎ　　　　Ｏｌ　３　〜　ＬＤｌ　　、
　　Ｏｒｏ、１〜ｔ　５　％、　ＭＯ１１〜１１Ｂ　　
憾、　Ｍｂ（ＬＤｌ　　〜１１０　％、　Ｚｒ　　ｃＬ
ｏ　　１〜０．　１　５９６　ｓ　　ＡＺ　　ＣＩ　Ｏ
１〜Ｑ、１０％を含有するとともに式２×Ｍｎ（至））
＋〇ｒ鍾）＜７−１％　を満足し、必要に応じさらに０
．）　　　　　Ｖ　　　　　　ａ　　　Ｏ１〜　ａ　　
　１　　　ロ　　係　、　　　’Ｉ’１（ＬＯｌ　　　
〜　（ＬＩＤ憾の１種以上（２）　　Ｏａ　　（Ｌ　Ｄ　０１〜０．　Ｏ１０％、
ＲＢＭ　　０．００１〜α０１０％の１種以上の一方又は両方を含み、残部がＦθ及び不可避的不純物
から成る成分組成を有し、かつ不純物中のＰ、日、Ｎｉ
、Ｈの含有量が夫々Ｐ（ＬＯ１５係以下、ｓ　　ａｏ口
５係以下、Ｎ１　　α０３％以下、Ｂ　　０．ＯＯＯ５
％未満であシ、而も焼戻しマルテンサイトを主体とする
組織を有する耐５ｓｃｏ性にすぐれた油井用高強度鋼を
提供する点に特徴を有するものである。

（詳細な説明）本発明は上記のような成分組成と組織とを有するもので
あるがこのように限定した理由について説明する。

０．）　　成分組成０：　Ｃは鋼の焼入性増加、強度増加に加えて細粒化の
ためにも有効な成分であるが、０．１５係未満では強度
低下及び焼入性劣化をきたし、所望の強度に対して低温
での焼戻しを余儀なくされるため５ｓａｃ感受性が大き
くなるが、一方０４５％を超えてＣを含有すると焼入れ
時の焼割れ感受性が増加し、また靭性劣化をも招くこと
がらＣ含有量を０．１５〜０．４５優と定めた。

Ｓｉ：Ｓｉ　　は鋼中の水素の拡散能を低下させて耐５
ｓｃａ性の向上に有効であるとともにＡｃｌ変態点をあ
げて高温焼戻しが安定して行えるようにするためにも有
効であシ、また焼入性や強度を高めるのにも有効である
。しかしながら、１．０％以下では鋼中水素の拡散能の
低下に対して所望の効果が得難く、また２係を超えると
熱間加工性が劣化して歩留多低下をきたすので、Ｓｌ　
含有量を１．０％超〜２．０％とする。

Ｍｎ：Ｍｎ　　は焼入性と強度を向上させ、かつ脱酸を
よくするために０．３％以上を必要とするが、ｔｏ係を
超えると偏析が大とな）耐５ｓｃａ性に悪影響を及ぼす
のでＭｎ！′はＩＩＬ３〜ｔ。

憾とする。

Ｏｒ　：　　Ｏｒ　　ｕ鋼の焼入性、強度及び焼戻し軟
化抵抗性を増大させる作用がｓｂ、高強度とするのに極
めて有効であるほか、ＳＳ○０抵抗性改善作用も有する
が、その含有量がα１優未満では前記作用に所望の効果
を得ることができず、一方ｔ５％を超えて含有させると
靭性の劣化及び焼割れ感受性の増大をきたすことからＯ
ｒ　量は［ｌＬ１〜ｔ５％とする。

なお２×Ｍｎ（４）＋Ｏｒ（支））の値が２．１％を超
えると炭化物が粗大に凝集して耐５ｓｃａ性の劣化を生
ずるため２．１係以下なる制限を設けた。

Ｍｏ：ＭＱ　　は鋼の焼入性、強度及び焼戻し軟化抵抗
性を増大させ、又靭性を改善する作用を有しさらに耐５
ｓａａ性の向上にも有効であるが、α１％未満ではその
効果が十分でなく、一方α８係を超えて含有させても前
記効果が飽和してしまう上、ＭＯは非常に高価であるの
で、α１〜０．Ｌ８ｑｂとした。

Ｎｂ：Ｎｂ　　は鋼の強度、靭性の向上音焼戻し軟化抵
抗の付与、細粒化に対して効果を有し、耐５ｓｃａ性の
向上に対しても効果があるが、α０１％未満ではその効
果が十分でなく、一方（Ｌｌ　０％を超えて含有させて
も前記効果が飽和してしまい、また靭性の劣化を招くこ
ととなるのでα０１〜Ｑ、１０％とした。

有するが、ａ０１９６未満ではその効果が小さく、一方
ａ１５％を超えると靭性を劣化するので、［Ｌ０１〜０
．Ｌ１５壬とした。

Ａｔ：　　ムｔは鋼の脱酸の安定化、均質化及び細粒化
を図るのに有効であるが、Ｑ、０１ｑｂ未満では所望の
効果を得ることができず、一方０．Ｌ１０％を超えて含
有させてもその効果を飽和してしまい、また靭性の劣化
をきたすので［Ｌ０１〜（Ｌ１Ｇ係とした。

Ｐ及びＳ：　降伏強さが特に６５　ｋ１７ｆ／１Ｉ１１
”　　を超える高強度鋼においては鋼の靭性向上を図シ
、又耐５ｓａａ性向上のためには不純物であるＰ及びＳ
の含有量を可及的に少なくするのが望ましいが、鋼の製
造コストとのバランスを考慮してＰ及び日の含有量上限
を夫々α０１５憾、ｌ１００５係とした。

Ｎｉ：Ｎｉ　　は湿潤ａ、Ｓ環境下での孔食の発生を促
し、そこが起点となって５ＳＯＣを発生させるので耐５
ｓａｃ性改善のため不純物としてのＮ１　　をα０３優
以下と定めた。

Ｂ　：鋼中のＢが１０００５４未満ではオーステナイト
粒界に炭化物を析出しても極めて微細でｅｓｃｃの発生
が抑制されるため、不純物としてのＢをα０００５％未
満とした。

Ｖ、Ｔｉ：Ｖ及びＴｉ　　は鋼の強度上昇と細粒化に有
効な元素であるが、いずれもその含有量が１０１％未満
では前記効果が得られず、一方０．１０％を超えて添加
すると靭性の劣化を招くこととなるので夫々０．０１〜
０．１０％の範囲とした。

Ｃａ　、　ＲＦｉＭ　：　　Ｏａ　及びＲＩＭはいずれ
も鋼中介在物を球状化して圧延方向と直角方向の靭性を
向上させるのに有効であるが、０．００１％未満ではそ
の効果が得られず、他方０．０１１１１１９ｇを超える
とその添加効果が飽和するのみならず、それらの非金属
介在物が増加して鋼の清浄性が低下し８Ｂ　Ｃｏ感受性
が高くなるの−で夫々の含有量をα００１〜α０１０％
とした。

（２）組織上記組成を有する鋼であっても、その組織が焼戻しマル
テンサイトを主体とする組織でないと、耐５ｓａｃ性が
極端に悪化することから鋼の組織を焼戻しマルテンサイ
トを主体とする組織に規定した。即ち、本発明者らはＯ
，Ｓｉ。

Ｍｎ、（ｊｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ａｔ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ
。

Ｂが本発明の範囲内にある種々の鋼を用い、９２０〜１
０００℃の温度から焼入れし、６５０〜７５０℃の温度
で焼戻しした焼戻しマルテンサイトを主体とする組織の
ものと、焼ならし材、焼ならし焼戻し材、圧延のままの
もの及び圧延材を焼戻ししたものといった高温での変態
生成物である高温ベイナイト、フェライト、パーライト
を主体とする組織のものについて引張試験を、前述した
シェルタイブ試験を行ないその結果を第３図に示した。

第３図において○は焼入れ焼戻し材で焼戻しマルテンサ
イトを８０係以上とする組織を有し、一方Δは焼ならし
材など高温での変態生成物を主体とする組織を有するも
のである。

なお、降伏強さで６５　ｋｇｆ／ｗ＋”以上の高強度鋼
の場合、焼戻しマルテンサイト組織の割合が低下するこ
とは強度の低い高温での変態生成物の焼戻し組織の占め
る割合が多くなシ、従って全体としての強度を上げるた
めには焼戻しの温度を下げて焼戻しマルテンサイトの強
度を高くすることが必要となるが、この焼戻しマルテン
サイトの極端な強度アップは耐５ｓｃａ性の劣化を招く
こととなるので、焼戻しマルテンサイトの割合は８０％
以上、好ましくは９０係以上でおることが必要である。

一般に焼入れはＡｃ１点以上の温度から行なわれること
が多いが、本発明では焼戻し後の組織において焼戻しマ
ルテンサイトの割合か８０係以上、好ましくは９０％以
上あればよいから、Ａｃ１点とＡｃ１点の間の温度から
焼入れしてもよ−い。一方焼戻しは一般に行なわれるよ
う１ｃＡｃ１点以下の温度で行えばよい。

次に本発明を実施例により比較例と対比しながら説明す
る。なお、これらの実施例は本発明の効果を示す単なる
例示であって、本発明の技術的範囲を何等制限するもの
でないことは勿論である。

実施例まず、通常の方法によって第１表に示すような成分組成
の鋼Ａ　−Ｕ　ｆｆ：溶製した。表中、鋼Ａ〜Ｌは本発
明の範囲内の組成を有しているものであ勺、鋼Ｍ　−Ｕ
は第１表中の脣印を付した点において本発明の範囲から
外れた組成のものである。

次にこれを９２０〜１０２０℃の温度に加熱圧延後直接
焼入れあるいは再加熱焼入れし、６６０〜７４０℃の温
度で焼戻ししてその組織が焼戻しマルテンサイトを主体
とし、その降伏強さがは’ｉ　７７　ｋｇｆ／ｗ＋”　
　となるように調整して耐食性を測定し、その結果を第
２表に示した。

なお、耐食性については各鋼から第１図に示したような
試験片を切シ出し、第２図に示すような試験片支持具に
て該試験片を支持し腐食液組成：ｃＬ５％ＯＨｇＣＯＯ
Ｈ＋２２００〜３２００　ｐｐｍＨ，８、温度＝２０℃
、浸漬時間＝２００時間の条件での試験にて上記Ｓｃ　
値を測定し、その値で示した。

第２表よ）明らかなように本発明鋼は高いＢｅ値を有し
、すぐれた耐５ｓｃａ性を有することを示している。

上述のように本発明鋼は高い強度で、式Ｓｃ≧（ＳＭＹ
Ｓ　／α７５　）　Ｘ　１０−４を満足するので、強度
と耐５ｓａｃ性の要求されるサワー環境下の油井やガス
井に使用される油井用鋼として好適なものであることが
明らかである。

第　　２　　表

【図面の簡単な説明】

第１図はシェルタイブ試験片を例示するもので、（ａ）
はその正面図、（ｂ）はその側面図であ）、第２図は試
験片を試験片支持具に支持した状態を示す概略図、第３
図は本発明鋼の耐５ｓｃａ性に及ぼす組織を示す図面で
ある。図面において１・・・試験片２・・・ガラス丸棒３・・・応力付加ボルト

Claims

【特許請求の範囲】１、重量で、Ｃ０．１５〜０．４５％、Ｓｉ１．０％超
〜２．０％、Ｍｎ０．３〜１．０％、Ｃｒ０．１〜１．
５％、Ｍｏ０．１〜０．８％、Ｎｂ０．０１〜０．１％
、Ｚｒ０．０１〜０．１５％、Ａｌ０．０１〜０．１０
％を含有するとともに、式２×Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）
≦２．１％を満足し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よ
り成り、かつ前記不可避的不純物の中、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、
Ｂの含有量が夫々Ｐ０．０１５％以下、Ｓ０．００５％
以下、Ｎｉ０．０３％以下、Ｂ０．０００５％未満であ
る組成を有し、而も焼戻しマルテンサイトを主体とする
組織を有することを特徴とする耐硫化物割れ性にすぐれ
た油井用高強度鋼。２、重量で、Ｃ０．１５〜０．４５％、Ｓｉ１．０％超
〜２．０％、Ｍｎ０．３〜１．０％、Ｃｒ０．１〜１．
５％、Ｍｏ０．１〜０．８％、Ｎｂ０．０１〜０．１０
％、Ｚｒ０．０１〜０．１５％、Ａｌ０．０１〜０．１
０％、及びＶ０．０１〜０．１０％、Ｔｉ０．０１〜０
．１０％の一方又は両方を含有するとともに、式２×Ｍ
ｎ（％）＋Ｃｒ（％）≦２．１％を満足し、残部がＦｅ
及び不可避的不純物より成り、かつ前記不可避的不純物
の中、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｂの含有量が夫々Ｐ０．０１５％
以下、Ｓ０．００５％以下、Ｎｉ０．０３％以下、Ｂ０
．０００５％未満である組成を有し、而も焼戻しマルテ
ンサイトを主体とする組織を有することを特徴とする耐
硫化物割れ性にすぐれた油井用高強度鋼。３、重量で、Ｃ０．１５〜０．４５％、Ｓｉ１．０％超
〜２．０％、Ｍｎ０．３〜１．０％、Ｃｒ０．１〜１．
５％、Ｍｏ０．１〜０．８％、Ｎｂ０．０１〜０．１０
％、Ｚｒ０．０１〜０．１５％、Ａｌ０．０１〜０．１
０％、及びＣａ０．００１〜０．０１％、ＲＥＭ０．０
０１〜０．０１０％の一方又は両方を含有するとともに
、式２×Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）≦２．１％を満足し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物より成り、かつ前記不可
避的不純物の中、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｂの含有量が夫々Ｐ０
．０１５％以下、Ｓ０．００５％以下、Ｎｉ０．０３％
以下、Ｂ０．０００５％未満である組成を有し、而も焼
戻しマルテンサイトを主体とする組織を有することを特
徴とする耐硫化物割れ性にすぐれた油井用高強度鋼。（４）重量で、Ｃ０．１５〜０．４５％、Ｓｉ１．０％
超〜２．０％、Ｍｎ０．３〜１．０％、Ｃｒ０．１〜１
．５％、Ｍｏ０．１〜０．８％、Ｎｂ０．０１〜０．１
０％、Ｚｒ０．０１〜０．１５％、Ａｌ０．０１〜０．
１０％、及びＶ０．０１〜０．１０％、Ｔｉ０．０１〜
０．１０％の一方又は両方とＣａ０．００１〜０．０１
％、ＲＥＭ０．００１〜０．０１０％の一方又は両方と
を含有するとともに、式２×Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）≦
２．１％を満足し、残部がＦｅ及び不可避的不純物より
成り、かつ前記不可避的不純物の中、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｂ
の含有量が夫々Ｐ０．０１５％以下、Ｓ０．００５％以
下、Ｎｉ０．０３％以下、Ｂ０．０００５％未満である
組成を有し、而も焼戻しマルテンサイトを主体とする組
織を有することを特徴とする耐硫化物割れ性にすぐれた
油井用高強度鋼。