JPWO2019131037A1 - 油井用低合金高強度継目無鋼管 - Google Patents
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Abstract
Description
[1] 質量%で、C:0.20〜0.50%、Si:0.01〜0.35%、Mn:0.45〜1.5%、P:0.020%以下、S:0.002%以下、O:0.003%以下、Al:0.01〜0.08%、Cu:0.02〜0.09%、Cr:0.35〜1.1%、Mo:0.05〜0.35%、B:0.0010〜0.0030%、Ca:0.0010〜0.0030%、Mg:0.001%以下、N:0.005%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、組織は、組成比が下記(1)式および(2)式を満足する長径5μm以上のCaO、Al2O3、MgOを含む酸化物系の鋼中非金属介在物の個数が100mm2当り20個以下、組成比が下記(3)式および(4)式を満足する長径5μm以上のCaO、Al2O3、MgOを含む酸化物系の鋼中非金属介在物の個数が100mm2当り50個以下であり、降伏強度が758〜861MPaである油井用低合金高強度継目無鋼管。
(CaO)/(Al2O3)≦0.25 (1)
1.0≦(Al2O3)/(MgO)≦9.0 (2)
(CaO)/(Al2O3)≧2.33 (3)
(CaO)/(MgO)≧1.0 (4)
ここで(CaO)、(Al2O3)、(MgO)はそれぞれ酸化物系の鋼中非金属介在物中の、CaO、Al2O3、MgOの質量%である。
[2] 前記組成に加えてさらに、質量%で、Nb:0.005〜0.035%、V:0.005〜0.02%、W:0.01〜0.2%、Ta:0.01〜0.3%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する上記[1]に記載の油井用低合金高強度継目無鋼管。
[3] 前記組成に加えてさらに、質量%で、Ti:0.003〜0.10%、Zr:0.003〜0.10%のうちから選ばれた1種または2種を含有する上記[1]または[2]に記載の油井用低合金高強度継目無鋼管。
また、本発明の油井用低合金高強度継目無鋼管は、耐硫化物応力腐食割れ性(耐SSC性)に優れている。耐硫化物応力腐食割れ性に優れるとは、NACE TM0177 methodAにもとづくSSC試験であって、特に0.1気圧(0.01MPa)の硫化水素ガスを飽和させた24℃の0.5質量%CH3COOHとCH3COONaとの混合水溶液を試験浴としたSSC試験を各3本ずつ試験し、そのいずれもが破断時間が1500時間以上(好適には3000時間以上)であることを指す。
また、本発明において、CaO、Al2O3、MgOを含む酸化物系とは、鋼中のMnS等の形態制御等の目的で添加されるCaと溶鋼中に含まれるOとの反応で生成されるCaO、および、転炉法等で精錬された溶鋼を取鍋に出鋼する際、あるいは出鋼後に添加される脱酸材のAlと溶鋼中に含まれるOとの反応で生成されるAl2O3、さらには、溶鋼の脱硫処理中に、取鍋のMgO‐C組成の耐火物と、脱硫のために用いられるCaO‐Al2O3‐SiO2系スラグとの反応で、溶鋼中に溶出したMgO、といった酸化物が連続鋳造法あるいは造塊法などの鋳造時に凝集・複合したまま凝固後の鋼中に残存したものを意味する。
(CaO)/(Al2O3)≦0.25 (1)
1.0≦(Al2O3)/(MgO)≦9.0 (2)
(CaO)/(Al2O3)≧2.33 (3)
(CaO)/(MgO)≧1.0 (4)
ここで(CaO)、(Al2O3)、(MgO)はそれぞれ酸化物系の鋼中非金属介在物中の、CaO、Al2O3、MgOの質量%である。
Cは、鋼の強度を増加させる作用を有し、所望の高強度を確保するために重要な元素である。本発明で目的とする降伏強度が758MPa以上の高強度化を実現するためには、0.20%以上のCの含有を必要とする。一方、0.50%を超えるCの含有は、高温焼戻しを実施してもなお硬さが低下せずに耐硫化物応力腐食割れ感受性を著しく阻害する。このためCは、0.20〜0.50%とする。Cは、好ましくは0.22%以上であり、より好ましくは0.23%以上である。Cは、好ましくは0.35%以下であり、より好ましくは0.27%以下である。
Siは、脱酸剤として作用するとともに、鋼中に固溶して鋼の強度を増加させ、焼戻時の急激な軟化を抑制する作用を有する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上のSiの含有を必要とする。一方、0.35%を超えるSiの含有は、粗大な酸化物系介在物を形成し、SSCの起点となる。このため、Siは、0.01〜0.35%とする。Siは、好ましくは0.02%以上である。Siは、好ましくは0.15%以下であり、より好ましくは0.04%以下である。
Mnは、焼入れ性の向上を介して、鋼の強度を増加させるとともに、Sと結合しMnSとしてSを固定して、Sによる粒界脆化を防止する作用を有する元素である。本発明では0.45%以上のMnの含有を必要とする。一方、1.5%を超えるMnの含有は、鋼の硬さを著しく上昇させ、高温焼戻しを実施してもなお硬さが低下せずに耐硫化物応力腐食割れ感受性を著しく阻害する。このためMnは、0.45〜1.5%とする。Mnは、好ましくは0.70%以上であり、より好ましくは0.90%以上である。Mnは、好ましくは1.45%以下であり、より好ましくは1.40%以下である。
Pは、固溶状態では粒界等に偏析し、粒界脆化割れ等を引き起こす傾向を示す。本発明ではできるだけ低減することが望ましいが、0.020%までは許容できる。このようなことから、Pは0.020%以下とする。Pは、好ましくは0.018%以下であり、より好ましくは0.015%以下である。
Sは、鋼中ではほとんどが硫化物系介在物として存在し、延性、靭性や、耐硫化物応力腐食割れ性等の耐食性を低下させる。Sの一部は固溶状態で存在する場合があるが、その場合には粒界等に偏析し、粒界脆化割れ等を引き起こす傾向を示す。このため、Sは、本発明ではできるだけ低減することが望ましいが、過剰な低減は精錬コストを高騰させる。このようなことから、本発明では、Sは、その悪影響が許容できる0.002%以下とする。Sは、好ましくは0.0014%以下である。
O(酸素)は不可避的不純物として、Al、Si、Mg、Ca等の酸化物として鋼中に存在する。後述するように、SSC試験において、特に、(CaO)/(Al2O3)≦0.25、かつ1.0≦(Al2O3)/(MgO)≦9.0を満たす組成比の、長径5μm以上の酸化物数が100mm2当り20個を超える場合、これらの酸化物が起点となって、試験片の表面から長時間で破断するSSCが発生する。また、SSC試験において、(CaO)/(Al2O3)≧2.33、かつ(CaO)/(MgO)≧1.0を満たす組成比の、長径5μm以上の酸化物数が100mm2当り50個を超える場合、これらの酸化物が起点となって、試験片内部から短時間で破断するSSCが発生する。このため、O(酸素)は、その悪影響が許容できる0.003%以下とする。O(酸素)は、好ましくは0.0022%以下であり、より好ましくは0.0015%以下である。
Alは、脱酸剤として作用するとともに、Nと結合しAlNを形成して固溶Nの低減に寄与する。このような効果を得るために、Alは0.01%以上の含有を必要とする。一方、0.08%を超えてAlを含有すると、鋼中の清浄度が低下し、後述するように、SSC試験において、特に、(CaO)/(Al2O3)≦0.25、かつ1.0≦(Al2O3)/(MgO)≦9.0を満たす組成比の、長径5μm以上の酸化物数が100mm2当り20個を超える場合、これらの酸化物が起点となって、試験片の表面から長時間で破断するSSCが発生する。このため、Alは、その悪影響が許容できる0.01〜0.08%とする。Alは、好ましくは0.025%以上であり、より好ましくは0.050%以上である。Alは、好ましくは0.075%以下であり、より好ましくは0.070%以下である。
Cuは、耐食性を向上させる作用を有する元素である。Cuを微量に含有した場合、緻密な腐食生成物が形成され、SSCの起点となるピットの生成および成長が抑制されて、耐硫化物応力腐食割れ性が顕著に向上する。このため、本発明では、0.02%以上のCuの含有を必要とする。一方、0.09%を超えてCuを含有すると、継目無鋼管の製造プロセス時の熱間加工性が低下する。このため、Cuは0.02〜0.09%とする。Cuは、好ましくは0.07%以下であり、より好ましくは0.04%以下である。
Crは、焼入れ性の増加を介して、鋼の強度の増加に寄与するとともに、耐食性を向上させる元素である。また、Crは、焼戻時にCと結合し、M3C系、M7C3系、M23C6系等の炭化物を形成する。特にM3C系炭化物は焼戻軟化抵抗を向上させ、焼戻しによる強度変化を少なくして、降伏強度の向上に寄与する。本発明で目的とする758MPa以上の降伏強度の達成には、0.35%以上のCrの含有を必要とする。一方、1.1%を超えて多量に含有しても、上記効果が飽和するため、経済的に不利となる。このため、Crは、0.35〜1.1%とする。Crは、好ましくは0.40%以上である。Crは、好ましくは0.90%以下であり、より好ましくは0.80%以下である。
Moは、焼入れ性の増加を介して、微量の添加により鋼の強度の増加に寄与するとともに、耐食性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、0.05%以上のMoの含有を必要とする。一方、0.35%を超えて多量に含有しても、上記効果が飽和するため、経済的に不利となる。このため、Moは、0.05〜0.35%とする。Moは、好ましくは0.25%以下であり、より好ましくは0.15%以下である。
Bは、微量の含有で焼入れ性向上に寄与する元素である。本発明では0.0010%以上のBの含有を必要とする。一方、0.0030%を超えてBを含有しても、上記効果が飽和するか、あるいはFe硼化物(Fe−B)の形成により、逆に所望の効果が期待できなくなり、経済的に不利となる。このため、Bは0.0010〜0.0030%とする。Bは、好ましくは0.0015%以上である。Bは、好ましくは0.0025%以下である。
Caは、鋼中の酸化物系介在物の形態制御のため、積極的に添加する。上述したように、SSC試験において、特に、(Al2O3)/(MgO)比が1.0〜9.0となる、Al2O3‐MgO主体の複合酸化物数が100mm2当り20個を超えて存在すると、これらの酸化物が起点となって、試験片の表面から長時間で破断するSSCが発生する。このような、Al2O3‐MgO主体の複合酸化物生成抑制のため、本発明では0.0010%以上のCaの含有を必要とする。一方、SSC試験において、0.0030%を超えるCaの含有は、(CaO)/(Al2O3)≧2.33、かつ(CaO)/(MgO)≧1.0を満たす組成比の、長径5μm以上の酸化物数の増加を引き起こし、これらの酸化物が起点となって、試験片内部から短時間で破断するSSCが発生する。このため、Caは、0.0010〜0.0030%とする。Caは、好ましくは0.0020%以下である。
Mgは、積極的に添加はしないが、低Sのために行われるレードルファーネス(LF)のような脱硫処理中に、取鍋のMgO‐C組成の耐火物と、脱硫のために用いられるCaO‐Al2O3‐SiO2系スラグとの反応で、溶鋼中にMg成分として侵入する。上述したように、SSC試験において、特に、(Al2O3)/(MgO)比が1.0〜9.0となる、Al2O3‐MgO主体の複合酸化物数が100mm2当り20個を超えて存在すると、これらの酸化物が起点となって、試験片の表面から長時間で破断するSSCが発生する。このため、Mgは、その悪影響が許容できる0.001%以下とする。Mgは、好ましくは0.0008%以下であり、より好ましくは0.0005%以下である。
Nは、鋼中不可避的不純物であり、Ti、Nb、Al等の窒化物形成元素と結合しMN型の析出物を形成する。さらに、これらの窒化物を形成した残りの余剰Nは、Bと結合してBN析出物も形成する。この際、B添加による焼入れ性向上効果が失われるため、余剰Nはできるだけ低減することが望ましい。このため、Nは0.005%以下とする。Nは、好ましくは0.004%以下である。
Nbは、オーステナイト(γ)温度域での再結晶を遅延させ、γ粒の微細化に寄与し、焼入直後の鋼の下部組織(例えばパケット、ブロック、ラス)の微細化に極めて有効に作用する元素である。このような効果を得るためには、0.005%以上のNbの含有とすることが好ましい。一方、0.035%を超えるNbの含有は、鋼の硬さを著しく上昇させ、高温焼戻しを実施してもなお硬さが低下せずに耐硫化物応力腐食割れ感受性を著しく阻害するおそれがある。このため、Nbを含有する場合には、Nbは0.005〜0.035%とすることが好ましい。Nbは、より好ましくは0.015%以上であり、より好ましくは0.030%以下である。
Vは、炭化物あるいは窒化物を形成し、鋼の強化に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.005%以上のVの含有とすることが好ましい。一方、0.02%を超えてVを含有すると、V系炭化物が粗大化して硫化物応力腐食割れの起点となり、SSCが発生するおそれがある。このため、Vを含有する場合には、Vは0.005〜0.02%とすることが好ましい。Vは、より好ましくは0.010%以上であり、より好ましくは0.015%以下である。
Wもまた、炭化物あるいは窒化物を形成し、鋼の強化に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上のWの含有とすることが好ましい。一方、0.2%を超えてWを含有すると、W系炭化物が粗大化して硫化物応力腐食割れの起点となり、SSCが発生するおそれがある。このため、Wを含有する場合には、Wは0.01〜0.2%とすることが好ましい。Wは、より好ましくは0.03%以上であり、より好ましくは0.1%以下である。
Taもまた、炭化物あるいは窒化物を形成し、鋼の強化に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.01%以上のTaの含有とすることが好ましい。一方、0.3%を超えてTaを含有すると、Ta系炭化物が粗大化して硫化物応力腐食割れの起点となり、SSCが発生するおそれがある。このため、Taを含有する場合には、Taは0.01〜0.3%とすることが好ましい。Taは、より好ましくは0.04%以上であり、より好ましくは0.2%以下である。
Tiは、窒化物を形成し、鋼の焼入れ時においてオーステナイト粒のピン止め効果による粗大化の防止に寄与する元素である。さらに、オーステナイト粒を細粒化することで、耐硫化水素割れ感受性が改善される。特に、後述する熱間圧延後の直接焼き入れ(DQ)を行わずとも、必要とするオーステナイト粒の細粒化を達成することができる。このような効果を得るためには、0.003%以上のTiの含有とすることが好ましい。一方、0.10%を超えてTiを含有すると、粗大化したTi系窒化物が硫化物応力腐食割れの起点となり、SSCが発生するおそれがある。このため、Tiを含有する場合には、Tiは0.003〜0.10%とすることが好ましい。Tiは、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.008%以上である。Tiは、より好ましくは0.05%以下であり、さらに好ましくは0.015%以下である。
Zrもまた、Tiと同様に窒化物を形成し、鋼の焼入れ時においてオーステナイト粒のピン止め効果による粗大化を防止し、耐硫化水素割れ感受性を改善する。特に、Tiとの複合添加によってその効果は著しくなる。このような効果を得るためには、0.003%以上のZrの含有とすることが好ましい。一方、0.10%を超えてZrを含有すると、粗大化したZr系窒化物あるいはTi-Zr複合窒化物が硫化物応力腐食割れの起点となり、SSCが発生するおそれがある。このため、Zrを含有する場合には、Zrは0.003〜0.10%とすることが好ましい。Zrは、より好ましくは0.010%以上であり、より好ましくは0.025%以下である。
(CaO)/(Al2O3)≦0.25 (1)
1.0≦(Al2O3)/(MgO)≦9.0 (2)
ここで(CaO)、(Al2O3)、(MgO)はそれぞれ酸化物系の鋼中非金属介在物中の、CaO、Al2O3、MgOの質量%である。
(CaO)/(Al2O3)≧2.33 (3)
(CaO)/(MgO)≧1.0 (4)
ここで(CaO)、(Al2O3)、(MgO)はそれぞれ酸化物系の鋼中非金属介在物中の、CaO、Al2O3、MgOの質量%である。
Ca添加処理を実施する前の溶鋼中のCa濃度が0.0010質量%を超える場合、後述するCa添加処理をする際の適正なCa添加量[%Ca*]で添加した場合にかえって溶鋼中Ca濃度が増加する結果、CaO比が高く、かつ(CaO)/(MgO)比が1.0以上となる、CaO‐Al2O3‐MgO複合酸化物数が増加する。その結果、SSC試験において、これらの酸化物が起点となって、試験片内部から短時間で破断するSSCが発生する。脱ガス処理終了後、Ca添加処理をする際は、溶鋼中酸素[%T.O]値に応じて適正なCa濃度(Ca添加量の溶鋼重量に対する比、[%Ca*])となるよう添加することが好ましい。例えば、下記の(5)式に従い、脱ガス処理終了時に迅速に分析して得られた溶鋼中酸素[%T.O]値に応じて、適正Ca濃度[%Ca*]を決めることができる。
0.63≦[%Ca*]/[%T.O]≦0.91 (5)
ここで、[%Ca*]/[%T.O]が0.63未満の場合、Ca添加が不足する結果、鋼管のCa値が本願の範囲内であってもCaO比が低く、かつ(Al2O3)/(MgO)比が1.0〜9.0となる、Al2O3-MgO主体の複合酸化物数が増加する。その結果、SSC試験において、これらの酸化物が起点となって、試験片の表面から長時間で破断するSSCが発生する。一方、[%Ca*]/[%T.O]が0.91を超える場合、CaO比が高く、かつ(CaO)/(MgO)比が1.0以上となる、CaO‐Al2O3‐MgO複合酸化物数が増加する。その結果、SSC試験において、これらの酸化物が起点となって、試験片内部から短時間で破断するSSCが発生する。
また、圧延終了温度は、750〜1100℃の範囲とすることが好ましい。圧延終了温度が750℃未満では、縮径圧延時の荷重負荷が大きく成形不良となる。一方、圧延終了温度が1100℃超えでは、圧延再結晶による細粒化が不十分で、後述する焼入れ時の細粒化が困難となる。圧延終了温度は、好ましくは850℃以上であり、好ましくは1050℃以下である。
なお、本発明では、細粒化の観点から、TiやZrが無添加の場合は熱間圧延後に直接焼入れ(DQ)を実施することが好ましい。
焼戻し温度は、オーステナイト再変態を避けるため、Ac1温度以下とする必要があるが、500℃未満だとCrおよびMo、あるいはV、W、Taの炭化物の2次析出量が確保できない。このため、焼戻し温度は、少なくとも500℃以上とすることが好ましい。特に、最終の焼戻し温度は、好ましくは540℃以上であり、好ましくは640℃以下である。
なお、細粒化による耐硫化水素割れ感受性の改善のため、焼入れ(Q)および焼戻し(T)を繰り返してもよい。
また、熱間圧延後にDQを適用できない場合は、TiあるいはZrの添加を行うか、あるいは少なくとも2回以上、焼入れおよび焼戻しを行い、特に初回の焼入れ温度を950℃以上としてDQの効果を代替することができる。
表1に示す組成の鋼を転炉法で溶製し、ただちにAl脱酸を行った後、LF-脱ガス処理の順で2次精錬を行い、引き続きCa添加処理を行って、最後に連続鋳造を実施し、鋼管素材を作製した。ここで、一部を除いてAl脱酸、LFおよび脱ガス処理時に使用する合金原料にはCa不純物を含まない高純度なものを使用した。そして、脱ガス処理後に溶鋼サンプルを採取し、溶鋼中Ca分析を行った。分析結果は表2−1および表2−2に示す。また、上述のCa添加処理に当り、溶鋼中酸素[%T.O]分析値とCa添加量の溶鋼重量に対する比である[%Ca*]について、[%Ca*]/[%T.O]値を算出し、表2−1および表2−2に記載した。
表3に示す組成の鋼を転炉法で溶製し、ただちにAl脱酸を行った後、LF-脱ガス処理の順で2次精錬を行い、引き続きCa添加処理を行って、最後に連続鋳造を実施し、鋼管素材を作製した。ここで、一部を除いてAl脱酸、LFおよび脱ガス処理時に使用する合金原料にはCa不純物を含まない高純度なものを使用した。そして、脱ガス処理後に溶鋼サンプルを採取し、溶鋼中Ca分析を行った。分析結果は表4−1および表4−2に示す。また、上述のCa添加処理に当り、溶鋼中酸素[%T.O]分析値とCa添加量の溶鋼重量に対する比である[%Ca*]について、[%Ca*]/[%T.O]値を算出し、表4−1および表4−2に記載した。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.20〜0.50%、
Si:0.01〜0.35%、
Mn:0.45〜1.5%、
P:0.020%以下、
S:0.002%以下、
O:0.003%以下、
Al:0.01〜0.08%、
Cu:0.02〜0.09%、
Cr:0.35〜1.1%、
Mo:0.05〜0.35%、
B:0.0010〜0.0030%、
Ca:0.0010〜0.0030%、
Mg:0.001%以下、
N:0.005%以下
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
組織は、
組成比が下記(1)式および(2)式を満足する長径5μm以上のCaO、Al2O3、MgOを含む酸化物系の鋼中非金属介在物の個数が100mm2当り20個以下、
組成比が下記(3)式および(4)式を満足する長径5μm以上のCaO、Al2O3、MgOを含む酸化物系の鋼中非金属介在物の個数が100mm2当り50個以下であり、
降伏強度が758〜861MPaである油井用低合金高強度継目無鋼管。
(CaO)/(Al2O3)≦0.25 (1)
1.0≦(Al2O3)/(MgO)≦9.0 (2)
(CaO)/(Al2O3)≧2.33 (3)
(CaO)/(MgO)≧1.0 (4)
ここで(CaO)、(Al2O3)、(MgO)はそれぞれ酸化物系の鋼中非金属介在物中の、CaO、Al2O3、MgOの質量%である。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、
Nb:0.005〜0.035%、
V:0.005〜0.02%、
W:0.01〜0.2%、
Ta:0.01〜0.3%
のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する
請求項1に記載の油井用低合金高強度継目無鋼管。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、
Ti:0.003〜0.10%、
Zr:0.003〜0.10%
のうちから選ばれた1種または2種を含有する
請求項1または請求項2に記載の油井用低合金高強度継目無鋼管。
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