JPWO2018079111A1 - 油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
高強度で、かつ、優れた耐硫化物応力腐食割れ性を有する油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管およびその製造方法の提供。
質量％で、C：0.035％以下、Si：0.5％以下、Mn：0.05〜0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Cu：2.6％以下、Ni：5.3〜7.3％、Cr：11.8〜14.5％、Al：0.1％以下、Mo：1.8〜3.0％、V：0.2％以下、N：0.1％以下を含有し、かつC、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、Tiが所定の関係式を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管。
質量％で、C：0.035％以下、Si：0.5％以下、Mn：0.05〜0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Cu：2.6％以下、Ni：5.3〜7.3％、Cr：11.8〜14.5％、Al：0.1％以下、Mo：1.8〜3.0％、V：0.2％以下、N：0.1％以下を含有し、かつC、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、Tiが所定の関係式を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管。
Description
本発明は、原油あるいは天然ガスの油井、ガス井（以下、単に油井と称する）に使用される油井管用(oil country tubular goods)マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管およびその製造方法に係り、とくに炭酸ガス（CO2）、塩素イオン（Cl−）などを含む、極めて厳しい腐食環境下における耐食性と、硫化水素（H2S）を含む環境における耐硫化物応力腐食割れ性（耐SSC性）の改善に関する。
近年、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という観点から、従来、省みられなかったような高深度の油田や、炭酸ガス、塩素イオンや硫化水素を含む厳しい腐食環境の油田やガス油田等の開発が盛んになっている。このような環境下で使用される油井管用鋼管(oil country tubular goods)には、高強度で、かつ優れた耐食性を兼ね備えた材質を有することが要求される。
従来、炭酸ガス、および塩素イオン等を含む環境の油田および、ガス田では、採掘に使用する油井管(oil country tubular goods)として13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管が多く使用されている。最近では、硫化水素を含む極めて厳しい腐食環境での油田等の開発が世界規模で行われているため、耐SSC性の要求が高まりつつあり、Cを低減させ、NiやMoを増加させた成分系の改良型13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管の使用も拡大している。
特許文献１では、13％Cr系鋼を基本組成として、Cを従来よりも著しく低減し、さらにNi、Moおよび、Cuを含有させ、Cr＋2Ni＋1.1Mo＋0.7Cu≦32.5を満足し、また、さらにNb：0.20％以下、V：0.20％以下のうち１種または2種をNb＋V≧0.05％の条件を満足するように、それぞれ含有した組成とすることで、降伏強度：965MPa以上の高強度と、−40℃におけるシャルピー吸収エネルギーが50J以上の高靱性を兼備し、かつ良好な耐食性が確保できるとしている。
特許文献１では、13％Cr系鋼を基本組成として、Cを従来よりも著しく低減し、さらにNi、Moおよび、Cuを含有させ、Cr＋2Ni＋1.1Mo＋0.7Cu≦32.5を満足し、また、さらにNb：0.20％以下、V：0.20％以下のうち１種または2種をNb＋V≧0.05％の条件を満足するように、それぞれ含有した組成とすることで、降伏強度：965MPa以上の高強度と、−40℃におけるシャルピー吸収エネルギーが50J以上の高靱性を兼備し、かつ良好な耐食性が確保できるとしている。
特許文献２では、0.015％以下の極低C量、および0.03％以上のTiを含有する成分系の13％Cr系マルテンサイト系ステンレス鋼管が記載されており、降伏応力95ksi級（６５５−７５８ＭＰa）の高強度と、ロックウエル硬さHRCで27未満という低硬さを兼備し、優れた耐SSC性を有するとしている。また、特許文献３では、引張応力から降伏応力を差し引いた値と相関関係を有するTi/Cが、6.0≦Ti/C≦10.1を満たすマルテンサイト系ステンレス鋼が記載されている。記載された技術によって、引張応力から降伏応力を引いた値が20.7MPa以上であり、かつ、耐SSC性を低下させる硬度のばらつきを抑えることができるとしている。
また、特許文献４では、鋼中のMo量をMo≧2.3−0.89Si＋32.2Cで規定し、かつ、金属組織を主として焼戻しマルテンサイト、焼き戻し時に析出した炭化物および焼き戻し時に微細析出したラーベス相やδ相等の金属間化合物から構成されるマルテンサイト系ステンレス鋼が記載されている。記載された技術により、0.2％耐力が860MPa以上の高強度を達成し、優れた耐炭酸ガス腐食性（carbon dioxide-corrosion resistance）および耐硫化物応力腐食割れ性を有することができるとされている。
近年の油田やガス田は、CO2、Cl−および、H2Sを含む厳しい腐食環境で開発されている。更に、経年変化によるH2S濃度の増加が懸念されており、使用される油井用鋼管(oil country tubular goods)には、耐炭酸ガス腐食性に加えて、優れた耐硫化物応力腐食割れ性（耐SSC性）が要求されるようになっている。特許文献１に記載された技術では、優れた耐炭酸ガス腐食性を有するとしている。しかしながら、耐硫化物応力腐食割れ性に対する検討は行われておらず、厳しい腐食環境に耐え得る耐食性を有しているとは言えない。
また、特許文献２では、5％NaCl水溶液（H2S：0.10bar）をpH：3.5に調整した雰囲気下において、655MPaの応力を負荷するという条件で耐硫化物応力腐食割れ性が保持できるとされている。特許文献３では、20％NaCl水溶液（H2S：0.03atm、CO2bal.）をpH：4.5に調整した雰囲気下で、耐硫化物応力腐食割れ性を有するとされている。また、特許文献４では、25％NaCl水溶液（H2S：0.003MPa、CO2bal.）をpH：4.0に調整した雰囲気下において、耐硫化物応力腐食割れ性を有するとされている。しかしながら、上記以外の雰囲気下での耐硫化物応力腐食割れ性は検討されておらず、昨今のより厳しい腐食環境に耐え得る、耐硫化物応力腐食割れ性を具備するとは言い難い。
本発明は、高強度で、かつ、優れた耐硫化物応力腐食割れ性を有する油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管およびその製造方法を提供することを目的とする。
なお、ここでいう「高強度」とは、降伏応力：758MPa（110ksi）以上であるものとする。好ましくは、降伏応力は、896MPa以下である。
また、ここでいう「優れた耐硫化物応力腐食割れ性」とは、試験液：0.165質量％NaCl水溶液（液温：25℃、H2S：1bar、CO2bal）に、酢酸Na＋塩酸を加えてpH：3.5に調整した水溶液中に、試験片を浸漬させ、浸漬時間を720時間として、降伏応力の90％を負荷応力として付加して試験を行い、試験後の試験片に割れが発生しない場合をいうものとする。
なお、ここでいう「高強度」とは、降伏応力：758MPa（110ksi）以上であるものとする。好ましくは、降伏応力は、896MPa以下である。
また、ここでいう「優れた耐硫化物応力腐食割れ性」とは、試験液：0.165質量％NaCl水溶液（液温：25℃、H2S：1bar、CO2bal）に、酢酸Na＋塩酸を加えてpH：3.5に調整した水溶液中に、試験片を浸漬させ、浸漬時間を720時間として、降伏応力の90％を負荷応力として付加して試験を行い、試験後の試験片に割れが発生しない場合をいうものとする。
本発明者らは、上記した目的を達成するために、13％Cr系ステンレス鋼管を基本組成として、CO2、Cl−、更にH2Sを含む腐食環境下における耐硫化物応力腐食割れ性（耐SSC性）に及ぼす各種合金元素の影響について鋭意検討した。その結果、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、およびTiを適正な関係式及び範囲を満足するように調整して含有する組成で、適正な焼入れ処理および焼戻処理を施すことにより、所望の強度で、かつCO2、Cl−、更にH2Sを含む腐食雰囲気下で、かつ降伏応力近傍の応力が負荷される環境下において優れた耐SSC性を有する油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管とすることができると見出した。
本発明は、上記した知見に基づき、更に検討を加えて完成させたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
［１］質量％で、C：0.035％以下、Si：0.5％以下、Mn：0.05〜0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Cu：2.6％以下、Ni：5.3〜7.3％、Cr：11.8〜14.5％、Al：0.1％以下、Mo：1.8〜3.0％、V：0.2％以下、N：0.1％以下を含有し、かつ下記（1）式、（2）式および（3）式が下記（4）を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
758MPa以上の降伏応力を有することを特徴とする油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管。
記
−109.37C＋7.307Mn＋6.399Cr＋6.329Cu＋11.343Ni−13.529Mo＋1.276W＋2.925Nb＋196.775N−2.621Ti−120.307 ・・・(1)
−0.0278Mn＋0.0892Cr＋0.00567Ni＋0.153Mo−0.0219W−1.984N＋0.208Ti−1.83 ・・・(2)
−1.324C＋0.0533Mn＋0.0268Cr＋0.0893Cu＋0.00526Ni＋0.0222Mo−0.0132W−0.473N−0.5Ti−0.514 ・・・(3)
ここで、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、Ti：各元素の含有量（質量％）（但し、含有しない元素は０（零）％とする。）
−10≦(1)式≦45 且つ −0.25≦(2)式≦−0.20 且つ 0.10≦(3)式≦0.20 ・・・(4)
［２］前記組成に加えて更に、質量％で、Ti：0.19％以下、Nb：0.25％以下、W：1.1％以下、Co：0.45％以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする前記［１］に記載の油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管。
［３］前記［１］または［２］に記載の油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法であり、鋼管素材を造管し鋼管としたのち、該鋼管にAc3変態点以上に加熱し、続いて100℃以下の冷却停止温度まで0.1℃/ｓ以上の冷却速度で空冷する焼入れ処理と、ついでAc1変態点以下の温度で焼き戻しをする焼戻処理とを施すことを特徴とする油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
［１］質量％で、C：0.035％以下、Si：0.5％以下、Mn：0.05〜0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Cu：2.6％以下、Ni：5.3〜7.3％、Cr：11.8〜14.5％、Al：0.1％以下、Mo：1.8〜3.0％、V：0.2％以下、N：0.1％以下を含有し、かつ下記（1）式、（2）式および（3）式が下記（4）を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
758MPa以上の降伏応力を有することを特徴とする油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管。
記
−109.37C＋7.307Mn＋6.399Cr＋6.329Cu＋11.343Ni−13.529Mo＋1.276W＋2.925Nb＋196.775N−2.621Ti−120.307 ・・・(1)
−0.0278Mn＋0.0892Cr＋0.00567Ni＋0.153Mo−0.0219W−1.984N＋0.208Ti−1.83 ・・・(2)
−1.324C＋0.0533Mn＋0.0268Cr＋0.0893Cu＋0.00526Ni＋0.0222Mo−0.0132W−0.473N−0.5Ti−0.514 ・・・(3)
ここで、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、Ti：各元素の含有量（質量％）（但し、含有しない元素は０（零）％とする。）
−10≦(1)式≦45 且つ −0.25≦(2)式≦−0.20 且つ 0.10≦(3)式≦0.20 ・・・(4)
［２］前記組成に加えて更に、質量％で、Ti：0.19％以下、Nb：0.25％以下、W：1.1％以下、Co：0.45％以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする前記［１］に記載の油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管。
［３］前記［１］または［２］に記載の油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法であり、鋼管素材を造管し鋼管としたのち、該鋼管にAc3変態点以上に加熱し、続いて100℃以下の冷却停止温度まで0.1℃/ｓ以上の冷却速度で空冷する焼入れ処理と、ついでAc1変態点以下の温度で焼き戻しをする焼戻処理とを施すことを特徴とする油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
本発明によれば、CO2、Cl−、更にH2Sを含む腐食環境下において、優れた耐硫化物応力腐食割れ性（耐SSC性）を有し、かつ降伏応力YS：758MPa（110ksi）以上の高強度を有する油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管を得ることができる。
本発明のステンレス継目無鋼管は、質量％で、C：0.035％以下、Si：0.5％以下、Mn：0.05〜0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Cu：2.6％以下、Ni：5.3〜7.3％、Cr：11.8〜14.5％、Al：0.1％以下、Mo：1.8〜3.0％、V：0.2％以下、N：0.1％以下を含有し、かつ下記（1）式、（2）式および（3）式が下記（4）または（5）または（6）を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、758MPa以上の降伏応力を有する油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管である。
記
−109.37C＋7.307Mn＋6.399Cr＋6.329Cu＋11.343Ni−13.529Mo＋1.276W＋2.925Nb＋196.775N−2.621Ti−120.307 ・・・(1)
−0.0278Mn＋0.0892Cr＋0.00567Ni＋0.153Mo−0.0219W−1.984N＋0.208Ti−1.83 ・・・(2)
−1.324C＋0.0533Mn＋0.0268Cr＋0.0893Cu＋0.00526Ni＋0.0222Mo−0.0132W−0.473N−0.5Ti−0.514 ・・・(3)
ここで、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、Ti：各元素の含有量（質量％）（但し、含有しない元素は０（零）％とする。）
−10≦(1)式≦45 且つ −0.25≦(2)式≦−0.20 且つ 0.10≦(3)式≦0.20 ・・・(4)
−10≦(1)式≦5 且つ −0.35≦(2)式≦−0.25 且つ 0.025≦(3)式≦0.10 ・・・(5)
−10≦(1)式≦−5 且つ −0.39≦(2)式≦−0.35 且つ −0.15≦(3)式≦0.025 ・・・(6)
記
−109.37C＋7.307Mn＋6.399Cr＋6.329Cu＋11.343Ni−13.529Mo＋1.276W＋2.925Nb＋196.775N−2.621Ti−120.307 ・・・(1)
−0.0278Mn＋0.0892Cr＋0.00567Ni＋0.153Mo−0.0219W−1.984N＋0.208Ti−1.83 ・・・(2)
−1.324C＋0.0533Mn＋0.0268Cr＋0.0893Cu＋0.00526Ni＋0.0222Mo−0.0132W−0.473N−0.5Ti−0.514 ・・・(3)
ここで、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、Ti：各元素の含有量（質量％）（但し、含有しない元素は０（零）％とする。）
−10≦(1)式≦45 且つ −0.25≦(2)式≦−0.20 且つ 0.10≦(3)式≦0.20 ・・・(4)
−10≦(1)式≦5 且つ −0.35≦(2)式≦−0.25 且つ 0.025≦(3)式≦0.10 ・・・(5)
−10≦(1)式≦−5 且つ −0.39≦(2)式≦−0.35 且つ −0.15≦(3)式≦0.025 ・・・(6)
まず、本発明鋼管の組成限定理由について説明する。以下、とくに断らない限り、質量％は単に％と記す。
C：0.035％以下
Cはマルテンサイト系ステンレス鋼の強度に関係する重要な元素であり、強度向上に有効である。しかしながら、0.035％を超える含有量では、硬度が高くなりすぎるため、硫化物応力腐食割れ感受性が増大する。このため、本発明では、C含有量は0.035％以下に限定する。また好ましくは、C含有量は0.015％以下である。より好ましくは、C含有量は0.0090％以下である。さらに好ましくは、含有量は0.0075％以下である。一方、所望の強度を確保するために、C含有量は0.005％以上含有することが望ましい。
Cはマルテンサイト系ステンレス鋼の強度に関係する重要な元素であり、強度向上に有効である。しかしながら、0.035％を超える含有量では、硬度が高くなりすぎるため、硫化物応力腐食割れ感受性が増大する。このため、本発明では、C含有量は0.035％以下に限定する。また好ましくは、C含有量は0.015％以下である。より好ましくは、C含有量は0.0090％以下である。さらに好ましくは、含有量は0.0075％以下である。一方、所望の強度を確保するために、C含有量は0.005％以上含有することが望ましい。
Si：0.5％以下
Siは、脱酸剤として作用するため、0.05％以上Siを含有することが望ましい。一方で、0.5％を超えるSiの含有は、耐炭酸ガス腐食性および熱間加工性を低下させる。このため、Si含有量は0.5％以下に限定する。Si含有量は、下限が好ましくは0.10％以上であり、上限が好ましくは0.30％以下である。
Siは、脱酸剤として作用するため、0.05％以上Siを含有することが望ましい。一方で、0.5％を超えるSiの含有は、耐炭酸ガス腐食性および熱間加工性を低下させる。このため、Si含有量は0.5％以下に限定する。Si含有量は、下限が好ましくは0.10％以上であり、上限が好ましくは0.30％以下である。
Mn：0.05〜0.5％
Mnは、熱間加工性を向上させる元素であり、0.05％以上Mnを含有する。一方、0.5％を超えてMnを含有しても、その効果が飽和し、かえってコストの高騰を招く。よって、Mn含有量は0.05〜0.5％に限定する。好ましくは、０．４０％以下である。
Mnは、熱間加工性を向上させる元素であり、0.05％以上Mnを含有する。一方、0.5％を超えてMnを含有しても、その効果が飽和し、かえってコストの高騰を招く。よって、Mn含有量は0.05〜0.5％に限定する。好ましくは、０．４０％以下である。
P：0.03％以下
Pは、耐炭酸ガス腐食性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性をともに低下させる元素であり、本発明ではできるだけ低減させることが望ましい。しかしながら、極端な低減は製造コストを高騰させる。よって、特性の極端な低下を招かない範囲で、かつ工業的に安価に実施可能な範囲として、P含有量は0.03％以下に限定する。好ましくは、P含有量は0.02％以下である。
Pは、耐炭酸ガス腐食性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性をともに低下させる元素であり、本発明ではできるだけ低減させることが望ましい。しかしながら、極端な低減は製造コストを高騰させる。よって、特性の極端な低下を招かない範囲で、かつ工業的に安価に実施可能な範囲として、P含有量は0.03％以下に限定する。好ましくは、P含有量は0.02％以下である。
S：0.005％以下
Sは、熱間加工性を著しく低下させる元素であるため、できるだけ低減させることが望ましい。S含有量を0.005％以下に低減することで、通常工程でのパイプ製造が可能となるため、本発明におけるS含有量は0.005％以下に限定する。好ましくは、S含有量は0.003％以下である。
Sは、熱間加工性を著しく低下させる元素であるため、できるだけ低減させることが望ましい。S含有量を0.005％以下に低減することで、通常工程でのパイプ製造が可能となるため、本発明におけるS含有量は0.005％以下に限定する。好ましくは、S含有量は0.003％以下である。
Cu：2.6％以下
Cuは、保護被膜を強固にして耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる。しかしながら、2.6％を超えるCuの含有は、CuSを析出させて熱間加工性を低下させる。よって、Cu含有量は2.6％以下に限定する。Cu含有量は、下限が好ましくは0.5％以上であり、上限が好ましくは2.0％以下である。
Cuは、保護被膜を強固にして耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる。しかしながら、2.6％を超えるCuの含有は、CuSを析出させて熱間加工性を低下させる。よって、Cu含有量は2.6％以下に限定する。Cu含有量は、下限が好ましくは0.5％以上であり、上限が好ましくは2.0％以下である。
Ni：5.3〜7.3％
Niは、5.3％以上の含有で保護被膜を強固にして耐食性を向上させ、更に固溶することで鋼の強度を増加させる。一方、Ni含有量が7.3％を超えると、マルテンサイト相の安定性が低下して、強度が低下する。よって、Ni含有量は5.3〜7.3％に限定する。好ましくは、５．７％以上、さらに好ましくは、６．０％以上である。
Niは、5.3％以上の含有で保護被膜を強固にして耐食性を向上させ、更に固溶することで鋼の強度を増加させる。一方、Ni含有量が7.3％を超えると、マルテンサイト相の安定性が低下して、強度が低下する。よって、Ni含有量は5.3〜7.3％に限定する。好ましくは、５．７％以上、さらに好ましくは、６．０％以上である。
Cr：11.8〜14.5％
Crは、保護被膜を形成して耐食性を向上させる元素であり、11.8％以上のCrの含有で油井管用として必要な耐食性を確保できる。一方、Cr含有量が14.5％を超えるとフェライトの生成が容易となるため、マルテンサイト相の安定確保ができなくなる。よって、Cr含有量は11.8〜14.5％に限定する。Cr含有量は、下限が好ましくは12.0％以上であり、上限が好ましくは13.5％以下である。
Crは、保護被膜を形成して耐食性を向上させる元素であり、11.8％以上のCrの含有で油井管用として必要な耐食性を確保できる。一方、Cr含有量が14.5％を超えるとフェライトの生成が容易となるため、マルテンサイト相の安定確保ができなくなる。よって、Cr含有量は11.8〜14.5％に限定する。Cr含有量は、下限が好ましくは12.0％以上であり、上限が好ましくは13.5％以下である。
Al：0.1％以下
Alは、脱酸剤として作用するため、このような効果を得るためには、0.01％以上のAlの含有が有効である。しかしながら、0.1％を超えるAlの含有は、靱性に悪影響を及ぼすため、本発明におけるAl含有量は0.1％以下に限定する。好ましくは、Al含有量は0.01〜0.03％である。
Alは、脱酸剤として作用するため、このような効果を得るためには、0.01％以上のAlの含有が有効である。しかしながら、0.1％を超えるAlの含有は、靱性に悪影響を及ぼすため、本発明におけるAl含有量は0.1％以下に限定する。好ましくは、Al含有量は0.01〜0.03％である。
Mo：1.8〜3.0％
Moは、Cl−による孔食に対する抵抗性を向上させる元素であり、厳しい腐食環境に必要な耐食性を得るためには、1.8％以上のMoの含有が必要である。一方、3.0％を超えるMoの含有は、上記の効果が飽和する。また、Moは高価な元素であるため、製造コストの高騰を招く。よって、Mo含有量は1.8〜3.0％に限定する。Mo含有量は、好ましくは下限が2.4％以上であり、上限が好ましくは2.9％以下である。
Moは、Cl−による孔食に対する抵抗性を向上させる元素であり、厳しい腐食環境に必要な耐食性を得るためには、1.8％以上のMoの含有が必要である。一方、3.0％を超えるMoの含有は、上記の効果が飽和する。また、Moは高価な元素であるため、製造コストの高騰を招く。よって、Mo含有量は1.8〜3.0％に限定する。Mo含有量は、好ましくは下限が2.4％以上であり、上限が好ましくは2.9％以下である。
V：0.2％以下
Vは、析出強化によって鋼の強度を向上させ、更に耐硫化物応力腐食割れ性も向上させるため、0.01％以上の含有が望ましい。一方、0.2％を超えるVの含有は、靱性が低下するため、本発明におけるV含有量は0.2％以下に限定する。V含有量は、好ましくは下限が0.01％以上であり、好ましくは上限が0.08％以下である。
Vは、析出強化によって鋼の強度を向上させ、更に耐硫化物応力腐食割れ性も向上させるため、0.01％以上の含有が望ましい。一方、0.2％を超えるVの含有は、靱性が低下するため、本発明におけるV含有量は0.2％以下に限定する。V含有量は、好ましくは下限が0.01％以上であり、好ましくは上限が0.08％以下である。
N：0.1％以下
Nは、耐孔食性を著しく向上させる元素である。しかしながら、N含有量が0.1％超えでは、種々の窒化物を形成して靱性を低下させるため、本発明におけるN含有量は0.1％以下に限定する。好ましくは、N含有量は0.003％以上である。N含有量は、下限はより好ましくは0.004％以上であり、さらに好ましくは0.005％以上である。上限はより好ましくは0.08％以下であり、さらに好ましくは0.05％以下である。
Nは、耐孔食性を著しく向上させる元素である。しかしながら、N含有量が0.1％超えでは、種々の窒化物を形成して靱性を低下させるため、本発明におけるN含有量は0.1％以下に限定する。好ましくは、N含有量は0.003％以上である。N含有量は、下限はより好ましくは0.004％以上であり、さらに好ましくは0.005％以上である。上限はより好ましくは0.08％以下であり、さらに好ましくは0.05％以下である。
本発明では更に、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、Tiを、上記の範囲内で含有し、かつ下記の（1）式、（2）式、および（3）式を下記の（4）または（5）または（6）を満足するように、各元素を含有する。(1)式は残留γ量に相関する式であり、（1）式で計算された値を小さくすることで、残留オーステナイトが低減し、硬度が低下して、耐硫化物応力腐食割れ性が向上する。また、(2)式は再不動態化電位に相関する式であり、（1）式で計算された値を（4）または（5）または（6）の範囲を満足するように、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、NおよびTiを含有させつつ、（2）式で計算された値も（4）または（5）または（6）の範囲を満足するように、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、NおよびTiを含有することで、不動態被膜の再生が容易になり、再不動態化が向上する。更に、(3)式は孔食電位に相関する式であり、（3）式で計算された値を（4）または（5）または（6）の範囲を満足するように、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、NおよびTiを含有することで、硫化物応力腐食割れの起点となる孔食の発生を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性が顕著に向上する。尚、(1)式で計算された値が(4)の範囲を満足する場合、(1)式で計算された値は10以上で硬度の上昇を招くが、(2)式で計算された値および(3)式で計算された値が(4)の範囲を満足することで、不動態被膜の再生および孔食発生の抑制が顕著に現れ、耐硫化物応力腐食割れ性が向上する。
好ましくは、下記(4)における(1)式で計算された値は、5以上45以下であり、下記(5)における(1)式で計算された値は、-5以上5以下である。
−109.37C＋7.307Mn＋6.399Cr＋6.329Cu＋11.343Ni−13.529Mo＋1.276W＋2.925Nb＋196.775N−2.621Ti−120.307 ・・・(1)
−0.0278Mn＋0.0892Cr＋0.00567Ni＋0.153Mo−0.0219W−1.984N＋0.208Ti−1.83 ・・・(2)
−1.324C＋0.0533Mn＋0.0268Cr＋0.0893Cu＋0.00526Ni＋0.0222Mo−0.0132W−0.473N−0.5Ti−0.514 ・・・(3)
ここで、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、Ti：各元素の含有量（質量％）（但し、含有しない元素は０（零）％とする。）
−10≦(1)式≦45 且つ −0.25≦(2)式≦−0.20 且つ 0.10≦(3)式≦0.20 ・・・(4)
−10≦(1)式≦5 且つ −0.35≦(2)式≦−0.25 且つ 0.025≦(3)式≦0.10 ・・・(5)
−10≦(1)式≦−5 且つ −0.39≦(2)式≦−0.35 且つ −0.15≦(3)式≦0.025 ・・・(6)
好ましくは、下記(4)における(1)式で計算された値は、5以上45以下であり、下記(5)における(1)式で計算された値は、-5以上5以下である。
−109.37C＋7.307Mn＋6.399Cr＋6.329Cu＋11.343Ni−13.529Mo＋1.276W＋2.925Nb＋196.775N−2.621Ti−120.307 ・・・(1)
−0.0278Mn＋0.0892Cr＋0.00567Ni＋0.153Mo−0.0219W−1.984N＋0.208Ti−1.83 ・・・(2)
−1.324C＋0.0533Mn＋0.0268Cr＋0.0893Cu＋0.00526Ni＋0.0222Mo−0.0132W−0.473N−0.5Ti−0.514 ・・・(3)
ここで、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、Ti：各元素の含有量（質量％）（但し、含有しない元素は０（零）％とする。）
−10≦(1)式≦45 且つ −0.25≦(2)式≦−0.20 且つ 0.10≦(3)式≦0.20 ・・・(4)
−10≦(1)式≦5 且つ −0.35≦(2)式≦−0.25 且つ 0.025≦(3)式≦0.10 ・・・(5)
−10≦(1)式≦−5 且つ −0.39≦(2)式≦−0.35 且つ −0.15≦(3)式≦0.025 ・・・(6)
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。上述したこれら基本の組成に加えて更に、必要に応じて選択元素として、Ti：0.19％以下、Nb：0.25％以下、W：1.1％以下、Co：0.45％以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することができる。
TiおよびNbは、炭化物を形成することで、固溶炭素を減少させて、硬度を低減できる。一方、過剰な含有は、靱性を低下させる場合があるため、Tiおよび／またはNbを含有する場合には、Tiは0.19％以下、Nbは0.25％以下に限定する。
WおよびCoは、共に耐孔食性を向上させる元素である。しかしながら、過剰な含有は靱性を低下させる場合があり、更に材料コストを高騰させる。よって、Wおよび／またはCoを含有する場合にはWは1.1％以下、Coは0.45％以下に限定する。
つぎに、本発明の油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の好ましい製造方法について説明する。
本発明では、上記の組成を有する鋼管素材を用いる。鋼管素材であるステンレス継目無鋼管の製造方法は特に限定する必要はなく、公知の継目無鋼管の製造方法がいずれも適用できる。
上記組成の溶鋼を、転炉等の溶製方法で溶製し、連続鋳造法、造塊−分塊圧延法等の方法でビレット等の鋼管素材とすることが好ましい。続いて、これらの鋼管素材を加熱し、公知の造管方法である、マンネスマン−プラグミル方式、またはマンネスマン−マンドレルミル方式の造管工程にて、熱間加工および造管し、上記組成を有する継目無鋼管とする。
本発明では、上記の組成を有する鋼管素材を用いる。鋼管素材であるステンレス継目無鋼管の製造方法は特に限定する必要はなく、公知の継目無鋼管の製造方法がいずれも適用できる。
上記組成の溶鋼を、転炉等の溶製方法で溶製し、連続鋳造法、造塊−分塊圧延法等の方法でビレット等の鋼管素材とすることが好ましい。続いて、これらの鋼管素材を加熱し、公知の造管方法である、マンネスマン−プラグミル方式、またはマンネスマン−マンドレルミル方式の造管工程にて、熱間加工および造管し、上記組成を有する継目無鋼管とする。
このように鋼管素材を造管し鋼管としたのちの処理も、特に限定されない。好ましくは、鋼管をAc3変態点以上に加熱し、続いて100℃以下の冷却停止温度まで0.1℃/ｓ以上の冷却速度で空冷する焼入れ処理と、ついでAc1変態点以下の温度で焼き戻しをする焼戻処理とを施す。
焼入れ処理
本発明では、更に鋼管に、Ac3変態点以上の温度に再加熱し、好ましくは5min以上保持し、続いて100℃以下の冷却停止温度まで空冷する焼入れ処理を施す。これによって、マルテンサイト相の微細化と高靱化が得られる。焼入れ加熱温度がAc3変態点未満では、オーステナイト単相域に加熱することができないため、その後の冷却で十分なマルテンサイト組織が得られず、所望の高強度を達成できない。よって、焼入れ加熱温度はAc3変態点以上に限定する。なお、上記の空冷とは、0.1℃/ｓ以上の冷却速度のことを指す。
本発明では、更に鋼管に、Ac3変態点以上の温度に再加熱し、好ましくは5min以上保持し、続いて100℃以下の冷却停止温度まで空冷する焼入れ処理を施す。これによって、マルテンサイト相の微細化と高靱化が得られる。焼入れ加熱温度がAc3変態点未満では、オーステナイト単相域に加熱することができないため、その後の冷却で十分なマルテンサイト組織が得られず、所望の高強度を達成できない。よって、焼入れ加熱温度はAc3変態点以上に限定する。なお、上記の空冷とは、0.1℃/ｓ以上の冷却速度のことを指す。
焼戻処理
続いて、焼入れ処理を施した鋼管に、焼戻処理を施す。焼戻処理は、Ac1変態点以下に加熱し、好ましくは10min以上保持し、空冷する処理である。焼戻温度がAc1変態点より高温になると、焼戻後にマルテンサイト相が析出し、所望の高靱性、および優れた耐食性を確保できない。よって、焼戻温度はAc1変態点以下に限定する。なお、上記のAc3変態点（℃）、Ac1変態点（℃）については、試験片に加熱および冷却の温度履歴を与え、膨張および収縮の微小変位から変態点を検出するフォーマスター試験により測定することができる。
続いて、焼入れ処理を施した鋼管に、焼戻処理を施す。焼戻処理は、Ac1変態点以下に加熱し、好ましくは10min以上保持し、空冷する処理である。焼戻温度がAc1変態点より高温になると、焼戻後にマルテンサイト相が析出し、所望の高靱性、および優れた耐食性を確保できない。よって、焼戻温度はAc1変態点以下に限定する。なお、上記のAc3変態点（℃）、Ac1変態点（℃）については、試験片に加熱および冷却の温度履歴を与え、膨張および収縮の微小変位から変態点を検出するフォーマスター試験により測定することができる。
以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。
表１に示す成分の溶鋼を転炉にて溶製した後、連続鋳造法でビレット（鋼管素材）に鋳造し、更にモデルシームレス圧延機を用いる熱間加工で造管し、空冷（冷却速度0.5℃／ｓ）後に外径83.8mm×肉厚12.7mmの継目無鋼管とした。
得られた継目無鋼管から試験材を切り出し、表２に示す条件で焼入れ及び焼戻し処理を施した。焼入及び焼戻処理を施した試験材から、組織観察用試験片を採取し、研磨した後、残留オーステナイト（γ）量をX線回折法にて測定した。
具体的には、γの（220）面、αの（211）面、の回折Ｘ線積分強度を測定し、次式
γ（体積率）＝100／（１＋（ＩαＲγ／ＩγＲα））
ここで、Ｉα：αの積分強度
Ｒα：αの結晶額的理論計算値
Ｉγ：γの積分強度
Ｒγ：γの結晶額的理論計算値
を用いて換算した。
また、焼入れ及び焼戻し処理を施した試験材から、API弧状引張試験片（strip specimen specified by API standard 5CT）を採取し、APIの規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性（降伏応力YS、引張応力TS）を求めた。表２中、Ac3点（℃）およびAc1点（℃）については、焼入れ処理を施した試験材から、4mmφ×10mmの試験片を採取し、フォーマスター試験により測定した。具体的には、試験片を5℃/sで500℃まで加熱し、更に0.25℃/sで920℃まで昇温させて10分間保持した後、2℃/sで室温まで冷却した。この温度履歴に伴う試験片の膨張・収縮を検出することでAc3点（℃）、Ac1点（℃）を得た。
具体的には、γの（220）面、αの（211）面、の回折Ｘ線積分強度を測定し、次式
γ（体積率）＝100／（１＋（ＩαＲγ／ＩγＲα））
ここで、Ｉα：αの積分強度
Ｒα：αの結晶額的理論計算値
Ｉγ：γの積分強度
Ｒγ：γの結晶額的理論計算値
を用いて換算した。
また、焼入れ及び焼戻し処理を施した試験材から、API弧状引張試験片（strip specimen specified by API standard 5CT）を採取し、APIの規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性（降伏応力YS、引張応力TS）を求めた。表２中、Ac3点（℃）およびAc1点（℃）については、焼入れ処理を施した試験材から、4mmφ×10mmの試験片を採取し、フォーマスター試験により測定した。具体的には、試験片を5℃/sで500℃まで加熱し、更に0.25℃/sで920℃まで昇温させて10分間保持した後、2℃/sで室温まで冷却した。この温度履歴に伴う試験片の膨張・収縮を検出することでAc3点（℃）、Ac1点（℃）を得た。
SSC試験は、NACE TM0177 Method Aに準拠して実施した。試験環境は、試験溶液として0.165質量％NaClに0.41g/L CH3COONa+HClを加えてpH3.5に調整したものを用い、硫化水素分圧を0.1MPaとし、降伏応力の90％を負荷応力として試験を実施した。
得られた結果を表２に示す。
本発明例はいずれも、降伏応力758MPa以上の高強度と、H2Sを含む環境下で応力が負荷されても割れの発生が無い、優れた耐SSC性を有するマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管となっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例では、所望の高強度は得られているものの、優れた耐SSC性を確保できていない。
Claims (3)
- 質量％で、C：0.035％以下、
Si：0.5％以下、
Mn：0.05〜0.5％、
P：0.03％以下、
S：0.005％以下、
Cu：2.6％以下、
Ni：5.3〜7.3％、
Cr：11.8〜14.5％、
Al：0.1％以下、
Mo：1.8〜3.0％、
V：0.2％以下、
N：0.1％以下を含有し、かつ下記（1）式、（2）式および（3）式が下記（4）を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
758MPa以上の降伏応力を有することを特徴とする油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管。
記
−109.37C＋7.307Mn＋6.399Cr＋6.329Cu＋11.343Ni−13.529Mo＋1.276W＋2.925Nb＋196.775N−2.621Ti−120.307 ・・・(1)
−0.0278Mn＋0.0892Cr＋0.00567Ni＋0.153Mo−0.0219W−1.984N＋0.208Ti−1.83 ・・・(2)
−1.324C＋0.0533Mn＋0.0268Cr＋0.0893Cu＋0.00526Ni＋0.0222Mo−0.0132W−0.473N−0.5Ti−0.514 ・・・(3)
ここで、C、Mn、Cr、Cu、Ni、Mo、W、Nb、N、Ti：各元素の含有量（質量％）（但し、含有しない元素は０（零）％とする。）
−10≦(1)式≦45 且つ −0.25≦(2)式≦−0.20 且つ 0.10≦(3)式≦0.20 ・・・(4) - 前記組成に加えて更に、質量％で、Ti：0.19％以下、
Nb：0.25％以下、
W：1.1％以下、
Co：0.45％以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管。 - 請求項１または２に記載の油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法であり、鋼管素材を造管し鋼管としたのち、該鋼管をAc3変態点以上に加熱し、続いて100℃以下の冷却停止温度まで0.1℃/ｓ以上の冷却速度で空冷する焼入れ処理と、ついでAc1変態点以下の温度で焼き戻しをする焼戻処理とを施すことを特徴とする油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
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