JPWO2016093161A1 - 油井管用低合金鋼及び低合金鋼油井管の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態による油井管用低合金鋼は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
炭素(C)は、炭化物を鋼中に析出させ、鋼の強度を高める。炭化物は例えば、セメンタイト、合金炭化物(Mo炭化物、V炭化物、Nb炭化物、Ti炭化物等)である。さらに、サブ組織を微細化させ、耐SSC性を高める。C含有量が少なすぎれば、上記効果が得られない。一方、C含有量が過剰になると、鋼の靭性が低下し、割れ感受性が高まる。したがって、C含有量は0.45%を超え0.65%以下である。C含有量の好ましい下限は0.47%であり、より好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.55%である。C含有量の好ましい上限は0.62%であり、さらに好ましくは0.60%である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Si含有量が少なすぎれば、この効果が得られない。一方、Si含有量が過剰になると、耐SSC性が低下する。したがって、Si含有量は、0.05〜0.50%である。好ましいSi含有量の下限は、0.10%であり、さらに好ましくは、0.20%である。好ましいSi含有量の上限は、0.40%であり、さらに好ましくは、0.35%である。
マンガン(Mn)は、鋼を脱酸する。Mn含有量が少なすぎれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が過剰になると、燐(P)及び硫黄(S)等の不純物元素とともに粒界に偏析し、鋼の耐SSC性が低下する。したがって、Mn含有量は、0.10〜1.00%である。好ましいMn含有量の下限は、0.20%であり、さらに好ましくは0.28%である。好ましいMn含有量の上限は、0.80%であり、さらに好ましくは0.50%である。
燐(P)は、不純物である。Pは、粒界に偏析して鋼の耐SSC性を低下する。そのため、P含有量は少ない方が好ましい。したがって、P含有量は、0.020%以下である。好ましいP含有量は、0.015%以下であり、さらに好ましくは、0.012%以下である。
硫黄(S)は、不純物である。Sは、粒界に偏析して鋼の耐SSC性を低下する。そのため、S含有量は少ない方が好ましい。したがって、S含有量は、0.0020%以下である。好ましいS含有量は、0.0015%以下であり、さらに好ましくは、0.0010%以下である。
クロム(Cr)は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。一方、Cr含有量が過剰になると、鋼の靱性が低下し、鋼の耐SSC性が低下する。したがって、Cr含有量は0.40〜1.50%である。Cr含有量の好ましい下限は0.45%である。Cr含有量の好ましい上限は1.30%であり、さらに好ましくは1.00%である。
モリブデン(Mo)は、炭化物を形成し、焼戻し軟化抵抗を高める。Mo含有量が少なすぎれば、この効果が得られない。一方、Mo含有量が過剰になると、上記効果が飽和する。したがって、Mo含有量は0.50〜2.50%である。Mo含有量の好ましい下限は0.60%であり、さらに好ましくは0.65%である。Mo含有量の好ましい上限は2.0%であり、さらに好ましくは1.6%である。
バナジウム(V)は、炭化物を形成し、焼戻し軟化抵抗性を高める。V含有量が少なすぎれば、この効果が得られない。一方、V含有量が過剰になると、鋼の靱性が低下する。したがって、V含有量は0.05〜0.25%である。V含有量の好ましい下限は0.07%である。V含有量の好ましい上限は0.15%であり、さらに好ましくは0.12%である。
チタン(Ti)は、不純物である。Tiは炭窒化物系介在物を形成し、鋼の耐SSC性を不安定にする。そのため、Ti含有量は少ない方が好ましい。したがって、Ti含有量は0.01%以下である。好ましいTi含有量の上限は0.008%であり、さらに好ましくは0.006%である。
ニオブ(Nb)は、炭化物、窒化物、又は炭窒化物を形成する。これらの析出物は、ピンニング(pinning)効果により鋼のサブ組織を細粒化し、鋼の耐SSC性を高める。Nb含有量が少なすぎれば、この効果が得られない。一方、Nb含有量が過剰になると、炭窒化物系介在物が過剰に生成し、鋼の耐SSC性を不安定にする。したがって、Nb含有量は0.005〜0.20%である。Nb含有量の好ましい下限は0.010%であり、さらに好ましくは0.012%である。Nb含有量の好ましい上限は0.10%であり、さらに好ましくは0.050%である。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。Al含有量が少なすぎれば、鋼の脱酸が不足し、鋼の耐SSC性が低下する。一方、Al含有量が過剰になると、酸化物が生成し、鋼の耐SSC性が低下する。したがって、Al含有量は0.010〜0.100%である。Al含有量の好ましい下限は0.015%であり、さらに好ましくは0.020%である。Al含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.050%である。本明細書でいう「Al」の含有量は、「酸可溶Al」、つまり、「sol.Al」の含有量を意味する。
ボロン(B)は、不純物である。Bは、粒界にM23CB6を形成し、鋼の耐SSC性を低下させる。そのため、B含有量は少ない方が好ましい。したがって、B含有量は0.0005%以下である。好ましいB含有量の上限は0.0003%であり、さらに好ましくは0.0002%である。
酸素(O)は、不純物である。Oは粗大な酸化物、又は酸化物のクラスタを形成して鋼の靱性を低下させる。そのため、O含有量は少ない方が好ましい。したがって、O含有量は0.01%以下である。好ましいO含有量は0.005%以下であり、さらに好ましくは0.003%以下である。
窒素(N)は、不純物である。Nは窒化物を形成し、鋼の耐SSC性を不安定にする。そのため、N含有量は少ない方が好ましい。したがって、N含有量は0.007%以下である。好ましいN含有量は0.005%以下であり、さらに好ましくは0.004%以下である。
銅(Cu)は、本発明においては不純物である。Cuは、鋼の焼入れ性を高めて鋼を強化する作用があるものの、含有量が0.1%を上回ると、局部的に硬化組織が発生したり、鋼表面の不均一な腐食の原因となったりする。したがって、Cu含有量は0.1%以下である。好ましいCu含有量は0.05%以下であり、さらに好ましくは0.03%以下である。
ニッケル(Ni)は、本発明においては不純物である。Niも、鋼の焼入れ性を高めて鋼を強化する作用があるものの、含有量が0.1%を上回ると、耐SSC性が低下する。したがって、Ni含有量は0.1%以下である。好ましいNi含有量は0.05%以下であり、さらに好ましくは0.03%以下である。
本実施形態による油井管用低合金鋼は、上記Feの一部に代えて、Caを含有しても良い。
カルシウム(Ca)は選択元素である。Caは、鋼中のSと結合して硫化物を形成し、介在物の形状を改善して鋼の靱性を高める。Caが少しでも含有されれば、上記の効果が得られる。一方、Ca含有量が過剰になると、その効果が飽和する。したがって、Ca含有量は、0〜0.003%である。好ましいCa含有量の下限は0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%である。好ましいCa含有量の上限は0.0025%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
本実施形態による油井管用低合金鋼の組織は、主として焼戻しマルテンサイトである。具体的には、組織中の母相は、焼戻しマルテンサイトと、体積分率で2%未満の残留オーステナイトとからなる。
本実施形態による油井管用低合金鋼の旧オーステナイト粒の結晶粒度番号は9.0以上である。旧オーステナイト粒の結晶粒度番号は、ASTM E112に準拠して測定される。旧オーステナイト粒の結晶粒度番号が9.0以上である場合、965MPa以上の降伏強度を有する鋼であっても、優れた耐SSC性が得られる。旧オーステナイト粒の好ましい結晶粒度番号は9.0よりも大きく、さらに好ましくは10.0以上である。
本実施形態による油井管用低合金鋼ではさらに、50μm以上の粒径を有する炭窒化物系介在物の数密度が10個/100mm2以下である。既述のとおり、亀裂の伝播している前方に形成された塑性域に粗大な炭窒化物系介在物が存在すると、それを起点に割れが発生し、亀裂の伝播が容易になる。したがって、粗大介在物の数密度は低い方が好ましい。50μm以上の粒径を有する炭窒化物系介在物の個数が10個/100mm2以下であれば、優れた破壊靱性が得られる。
N=TN/観察領域の総面積×100・・・(A)
本実施形態による油井管用低合金鋼は、好ましくは、焼戻しマルテンサイトにおける、パケット、ブロック及びラスの境界のうち、結晶方位差が15°以上の境界で囲まれたサブ組織の円相当径が3μm以下である。
以下、本発明の一実施形態による低合金鋼油井管の製造方法を説明する。
各番号の低合金鋼油井管から、弧状引張試験片を採取した。弧状引張試験片の横断面は孤状であり、弧状引張試験片の長手方向は、鋼管の長手方向と平行であった。弧状引張試験片を利用して、API(American Petroleum Institute)規格の5CTの規定に準拠して、常温にて引張試験を実施した。試験結果に基づいて、各鋼管の降伏強度YS(MPa)、引張強度TS(MPa)、及び降伏比YR(%)を求めた。
各番号の低合金鋼油井管から厚さ9.53±0.05mm、幅25.4±0.05mm、長さ101.6±1.59mmのDCB試験片を採取した。採取したDCB試験片を用いて、NACE(National Association of Corrosion Engineers)TM0177−2005Method Dに準拠して、DCB試験を実施した。試験浴には0.03atmの硫化水素ガスを飽和させた常温の50g/L NaCl+4g/L CH3COONa水溶液を使用した。試験液のpHは、塩酸を用いてpH3.5に調節した。試験浴にDCB試験片を720時間浸漬し、DCB試験を実施した。試験片は、DCB試験片の2つのアームに0.51mm(+0.03/−0.05mm)の変位を与えるくさびを用いて開口応力下に置かれ、30日間試験液中にさらされた。試験後、DCB試験片に発生した亀裂進展長さaを測定した。測定した亀裂進展長さaと楔開放応力Pとから、式(B)に基づいて応力拡大係数KISSC(ksi√inch)を求めた。式(B)において、hはDCB試験片の各アームの高さであり、BはDCB試験片の厚さであり、BnはDCB試験片のウェブ厚さである。これらは、NACE TM0177−2005MethodDに規定されている。
各番号の低合金鋼油井管の肉厚中央部からサンプルを採取し、X線回折法によって残留オーステナイトの体積分率を測定した。
各低合金鋼油井管から、研磨面が圧延方向と平行で、鋼管の肉厚中心部を含むように介在物定量用試験片を採取した。採取した試験片を倍率200倍で観察した。クラスタ状になっているものは、200〜1000倍で測定して、クラスタかどうかを判定した。50μm以上の粒径を有する炭窒化物系介在物の数、及び5μm以上の粒径を有する炭窒化物系介在物の数を、それぞれ2視野で計数した。計数した数を視野の面積で割って数密度を求め、2視野で求めた数密度の大きい方を、各低合金鋼油井管の炭窒化物系介在物の数密度とした。
各番号の低合金鋼油井管から、軸方向に直交する表面(以下、観察面という)を有する試験片を採取した。各試験片の観察面を機械研磨した。研磨後、ピクラール(Picral)腐食液を用いて、観察面内の旧オーステナイト結晶粒界を現出させた。その後、ASTM E112に準拠して、観察面の旧オーステナイト粒の結晶粒度番号を求めた。
各番号の低合金鋼油井管の横断面からサンプルを採取し、EBSPによる結晶方位解析を実施して、サブ組織の円相当径を求めた。
Claims (6)
- 化学組成が、質量%で、
C :0.45%を超え0.65%以下、
Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.10〜1.00%、
P :0.020%以下、
S :0.0020%以下、
Cu:0.1%以下、
Cr:0.40〜1.50%、
Ni:0.1%以下、
Mo:0.50〜2.50%、
Ti:0.01%以下、
V :0.05〜0.25%、
Nb:0.005〜0.20%、
Al:0.010〜0.100%、
B :0.0005%以下、
Ca:0〜0.003%、
O :0.01%以下、
N :0.007%以下、
残部:Fe及び不純物であり、
組織が、焼戻しマルテンサイトと、体積分率で2%未満の残留オーステナイトとからなり、
前記組織における旧オーステナイト粒の結晶粒度番号が9.0以上であり、
50μm以上の粒径を有する炭窒化物系介在物の数密度が10個/100mm2以下であり、
降伏強度が965MPa以上である、油井管用低合金鋼。 - 請求項1に記載の油井管用低合金鋼であって、
5μm以上の粒径を有する炭窒化物系介在物の数密度が600個/100mm2以下である、油井管用低合金鋼。 - 請求項1又は2に記載の油井管用低合金鋼であって、
前記焼戻しマルテンサイトにおける、パケット、ブロック、及びラスの境界のうち、結晶方位差が15°以上の境界で囲まれたサブ組織の円相当径が3μm以下である、油井管用低合金鋼。 - 化学組成が、質量%で、C:0.45%を超え0.65%以下、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.10〜1.00%、P:0.020%以下、S:0.0020%以下、Cu:0.1%以下、Cr:0.40〜1.50%、Ni:0.1%以下、Mo:0.50〜2.50%、Ti:0.01%以下、V:0.05〜0.25%、Nb:0.005〜0.20%、Al:0.010〜0.100%、B:0.0005%以下、Ca:0〜0.003%、O:0.01%以下、N:0.007%以下、残部:Fe及び不純物である原料を準備する工程と、
前記原料を鋳造して鋳造材を製造する工程と、
前記鋳造材を熱間加工して素管を製造する工程と、
前記素管を焼入れする工程と、
前記焼入れした素管を焼戻しする工程とを備え、
前記鋳造工程において、前記鋳造材の肉厚1/4位置の1500〜1000℃の温度域の冷却速度が10℃/分以上である、低合金鋼油井管の製造方法。 - 請求項4に記載の低合金鋼油井管の製造方法であって、
前記鋳造工程において、前記鋳造材の肉厚1/4位置の1500〜1000℃の温度域の冷却速度が30℃/分以下である、低合金鋼油井管の製造方法。 - 請求項4又は5に記載の低合金鋼油井管の製造方法であって、
前記焼入れする工程は、
前記素管をAc3点以上の温度に加熱する工程と、
前記加熱した素管を100℃以下まで冷却する工程とを備え、
前記冷却する工程において、500℃から100℃の温度域の冷却速度が1℃/秒以上15℃/秒未満である、低合金鋼油井管の製造方法。
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