JP2001140040A - 耐硫化物応力割れ性に優れた低炭素フェライト−マルテンサイト二相ステンレス溶接鋼管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】素材の熱延鋼板や溶接製管後の鋼管に、焼入
れ、焼戻し熱処理や長時間の焼鈍熱処理を施さなくとも
油井環境において優れた耐ＳＳＣ性と靱性を発揮するフ
ェライト−マルテンサイト二相ステンレス溶接鋼管の提
供。 【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｐ：０．
０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：２〜８％、Ｃ
ｒ：１１．５〜１５％、Ｍｏ：１．５〜４％、Ｓｉ：０
〜１％、Ｍｎ：０〜１％、sol.Ａｌ：０〜０．１％、Ｃ
ｕ：０〜１．２％、Ｔｉ：０〜０．２％、Ｎ：０．０２
％以下、Ｖ０．１％以下を含有し、残部はＦｅおよび不
純物からなり、金属組織中のフェライト量が体積％で１
５〜４０％であるフェライト−マルテンサイト二相ステ
ンレス溶接鋼管。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ラインパイプ、油
井管または化学プラント用配管に好適な、耐硫化物応力
割れ性に優れた低炭素フェライト−マルテンサイト二相
ステンレス溶接鋼管に関する。

【０００２】

【従来の技術】低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼
は、油井用材料として近年開発が進められている鋼種で
ある。この鋼種は、二相ステンレス鋼よりもＣｒ等の高
価な元素の含有量が少ないため安価であり、炭酸ガスの
みかまたは炭酸ガスと微量硫化水素ガスの混合ガスを含
む湿潤環境中で良好な耐食性を示す。

【０００３】低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼から
なる鋼管は、一般には継目無鋼管として製造されること
が多い。継目無鋼管は、信頼性に関して高く評価されて
いるが、いくつかの問題点がある。一つは製管法の原理
上、肉厚１０ｍｍ以下の薄肉管の製造が困難なことであ
る。ラインパイプの溶接施工に際しては、強度の許す範
囲でなるべく薄肉である方が、溶接時の積層数を減らし
施工コストを下げる観点から望ましいことは言うまでも
ない。また、金属組織中にフェライト相が析出すると熱
間加工性が著しく低下し、中かぶれ等の傷が発生するた
め、極力マルテンサイト単相の組織としなくてはならな
い。

【０００４】これらの理由から、近年は溶接による高耐
食性ステンレス鋼管の製造方法が開発されてきた。低炭
素マルテンサイト系ステンレス鋼は、低炭素であること
から溶接性が良く、ガスタングステンアーク溶接法（以
下ＧＴＡＷ法と記す）やガスメタルアーク溶接法（以下
ＧＭＡＷ法と記す）による周溶接継ぎ手を前提とするラ
インパイプに好適である。

【０００５】例えば特開平４−１９１３１９号公報およ
び特開平４−１９１３２０号公報には、低炭素マルテン
サイト系ステンレス鋼の素材帯鋼を管状に成形して、突
き合わせ部を電縫溶接法（以下、ＥＲＷ法と記す）によ
って造管溶接する製法が開示されている。また、小径管
ではＧＴＡＷ法あるいはプラズマ溶接法（以下、ＰＡＷ
法という）による突き合わせ造管溶接も検討されてい
る。

【０００６】近年高出力のレーザ溶接機を用いた突き合
わせ造管溶接法も開発されており、特開平９−１６４４
２５号公報には突き合わせレーザ溶接で製管し、その後
溶接部近傍に適正な後熱処理を施すことにより耐食性を
改善する方法が開示されている。

【０００７】また、継目無鋼管よりさらに大径の管の需
要も高まりつつある。大径管に関しては、厚鋼板を素材
として用いて、サブマージドアーク溶接（以下、ＳＡＷ
法と記す）による造管溶接も検討されつつある。

【０００８】低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼から
なる溶接鋼管は、マルテンサイト単相の組織であるた
め、圧延ままでは高強度かつ粗粒組織であり、靭性や、
耐硫化物応力割れ（以後ＳＳＣと言う）性等の耐食性が
低下してしまう。このため、マルテンサイト単相鋼では
一般に、熱延後に細粒化目的で焼入れ、焼戻し熱処理
や、軟化目的で長時間の焼鈍熱処理を施して靭性や耐食
性を確保しなくてはならない。

【０００９】また、熱間圧延ままではラインパイプとし
ての必要強度である、ＡＰＩ規格（アメリカ石油協会規
格）５ＬＣにおいて、Ｘ５６級〜Ｘ８０級（降伏応力が
３８６〜６５５ＭＰａ）よりも高強度となることが多
い。このためにも、溶接製管前または溶接製管後に軟化
目的の熱処理が必須となる。

【００１０】例えば特開平４−１９１３１９号公報に
は、熱延後の巻き取り温度を６００℃以上とすること、
およびＥＲＷ製管後に焼入れ、焼戻しの熱処理を施す必
要のあることが示されている。しかし、このように熱処
理工程を加えることは生産コスト高となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、素材
の熱延鋼板や溶接製管後の鋼管に、焼入れ、焼戻し熱処
理や長時間の焼鈍熱処理を施さなくとも油井環境におい
て優れた耐ＳＳＣ性と靱性を発揮する溶接鋼管を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決するため、鋭意実験、検討した結果、熱間圧延まま
でも製品にすることが前提であれば、母相であるマルテ
ンサイト相中にフェライト相を所定の割合で析出させた
フェライト相とマルテンサイト相の二相の金属組織とす
れば、熱間圧延ままでも高強度化の抑制ができ、しかも
良好な耐ＳＳＣ性が得られるとの知見を得た。本発明は
このような知見に基づいてなされたもので、その要旨は
下記のとおりである。

【００１３】（１）質量％で、Ｃ：０．０２％以下、
Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：２〜
８％、Ｃｒ：１１．５〜１５％、Ｍｏ：１．５〜４％、
Ｓｉ：０〜１％、Ｍｎ：０〜１％、sol.Ａｌ：０〜０．
１％、Ｃｕ：０〜１．２％、Ｔｉ：０〜０．２％、Ｎ：
０．０２％以下、Ｖ：０．１％以下を含有し、残部はＦ
ｅおよび不純物からなり、金属組織中のフェライト量が
体積％で１５〜４０％である耐硫化物応力割れ性に優れ
た低炭素フェライト−マルテンサイト二相ステンレス溶
接鋼管。

【００１４】一般には、マルテンサイト系ステンレス鋼
にフェライト相が析出すると、靭性や耐食性等の性能が
劣化すると言われている。例えば、靭性に関してはフェ
ライト系ステンレス鋼が靱性が不芳であることから、マ
ルテンサイ系トステンレス鋼にフェライト相が析出すれ
ば靱性が劣化することは容易に推定される。また耐食性
に関しては、フェライト相が析出することにより、耐食
皮膜の保護に有効な元素であるＣｒやＭｏを母相のマル
テンサイトから吸収してしまい、母相の耐食性が十分に
確保できなくなることも予想されることである。したが
って、油井環境で用いられる鋼管でフェライト相の析出
を活用した例は従来なかったが、本発明者らは、フェラ
イト相はマルテンサイト相に比べれば軟化相であること
に着目して、以下のような試験をおこなった。

【００１５】質量％で、Ｃ：０．０１２％、Ｓｉ：０．
４３％、Ｍｎ：０．５１％、Ｍｏ：２．５３％、sol.Ａ
ｌ：０．０３３％、Ｔｉ：０．０３４％、Ｎｉ：３．５
５％、Ｖ：０．０２％を基本成分とし、Ｃｒ含有量を１
０〜１７％、ＮＩ含有量を０〜１０％およびＭｏ含有量
を０〜５％の範囲で種々変化させた低炭素マルテンサイ
トステンレス鋼を溶製し、分解圧延してスラブとし、加
熱温度を１１００〜１２５０℃に種々変化させて熱間圧
延した。この熱延したままの鋼板を用いて、引張試験、
シャルピ衝撃試験および耐ＳＳＣ性試験を実施した。

【００１６】図１は、引張試験結果から得られたフェラ
イト量と降伏応力の関係を示す図である。マルテンサイ
ト中のフェライト量が増加するにしたがって強度が低下
している。

【００１７】図２は、シャルピー衝撃試験結果から得ら
れたフェライト量（体積％）と破面遷移温度との関係を
示す図である。フェライト量が１５％以上で、遷移温度
は−２０℃以下となっている。金属組織を調べた結果、
圧延ままでもあってもフェライト量が１５〜８０％の場
合極めて細粒な組織となっていた。

【００１８】図３は、耐ＳＳＣ性試験試験で得られたフ
ェライト量（体積％）と硫化水素分圧の関係を示す図で
ある。靭性と同様にフェライト量１５％以上で微細組織
となるため、良好な耐ＳＳＣ性を示している。ただし耐
食皮膜の保護性の観点からは、フェライト相はＣｒやＭ
ｏを母相のマルテンサイト相から吸収してしまい、マル
テンサイト相の耐食性を間接的に低下させてしまうの
で、フェライト量が４０％を超えると耐ＳＳＣ性がかえ
って低下してしまうことが分った。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明で規定する化学組成
と金属組織について詳しく説明する。化学成分の含有量
の％は全て質量％、金属組織の量の表示は体積％であ
る。

【００２０】Ｃ：０．０２％以下 Ｃは、溶接性を確保する観点から低ければ低いほど望ま
しい。ただしＣ量をむやみに減らすことはコスト上昇を
伴うため、経済性の観点から０．００２％以上とするの
が望ましい。０．０２％を超えると、マルテンサイト相
の強度が高くなり過ぎ、また溶接時に熱影響部（以下、
ＨＡＺと記す）において著しい硬化を起こして耐ＳＳＣ
性を低下させるので、その上限を０．０２％とした。

【００２１】Ｐ：０．０４％以下 Ｐは、不純物として鋼中に不可避的に存在し、粒界に偏
析して耐ＳＳＣ性を劣化させる。特に、その含有量が
０．０４％を超えると耐ＳＳＣ性の劣化が著しくなるた
め、含有量は０．０４％以下にする必要がある。なお、
耐ＳＳＣ性を高めるためにＰの含有量はできるだけ低く
することが望ましい。

【００２２】Ｓ：０．０１％以下 Ｓは、Ｐと同様に不純物として鋼中に不可避的に存在す
るが、粒界に偏析することと、硫化物系の介在物を多量
に生成することによって耐ＳＳＣ性を低下させる。その
含有量が、０．０１％を超えると耐ＳＳＣ性の低下が著
しくなため含有量は０．０１％以下にする必要がある。
なお、耐ＳＳＣ性を高めるためにＳの含有量はできるだ
け低くすることが望ましい。

【００２３】Ｎｉ：２〜８％以下 Ｎｉは、Ｍｎと同様にマルテンサイト量を増加させる効
果があり、この観点からは２％以上含有させる必要があ
る。一方、過剰に含有させると高価な鋼となり経済性が
損なわれ、また固溶強化によりマルテンサイト相の強度
上昇を招いて、耐ＳＳＣ性を低下させる。この観点から
上限は８％とした。

【００２４】Ｃｒ：１１．５〜１５％ Ｃｒは、耐食皮膜を保護し耐ＳＳＣ性を高める元素であ
る。この効果を得るためには１１．５％以上含有させる
必要がある。一方、Ｃｒはフェライト安定化元素である
ので、１５％を超えて過剰に含有させると、マルテンサ
イト安定化元素である高価なＮｉ等の合金元素を増量す
る必要が生じ、経済性が損なわれる。この観点から上限
は１５％とした。

【００２５】Ｍｏ：１．５〜４％以下 Ｍｏは、耐食皮膜を保護し耐ＳＳＣ性を高める元素であ
る。この効果を得るためには、１．５５以上とするのが
好ましい。また、Ｃｒと同様にフェライト安定化元素で
あるので、過度に含有させるとマルテンサイト安定化元
素である高価なＮｉ等の合金元素を増量する必要が生
じ、経済性が損なわれる。この観点から上限を４％とし
た。

【００２６】Ｓｉ：０〜１％以下 Ｓｉは、特に添加しなくてもよいが、添加すれば溶鋼の
脱酸に有効である。その効果を得るには０．２％以上と
するのが好ましい。しかしその含有量が１％を超えると
粒界強度を低め耐ＳＳＣ性を低下させるので、その上限
は１％である。

【００２７】Ｍｎ：０〜１％以下 Ｍｎは、添加しなくてもよいが、添加すればマルテンサ
イトの占める割合を高める効果がある。添加する場合は
０．２％以上含有させるのが好ましい。しかし１％を超
えて含有させると粒界強度を弱めたり、硫化水素中で活
性溶解したりすることにより耐ＳＳＣ性を低下させる。
したがって、上限を１％とした。望ましいＭｎ量は０．
０５％以下である。

【００２８】sol.Ａｌ：０．１％以下 Ａｌは、添加しなくてもよいが、添加すれば溶鋼の脱酸
に有効である。その効果を得るには、０．０２％以上と
するのが好ましい。しかし０．１％を超えて含有させる
と粗大なＡｌ系介在物が多くなって耐ＳＳＣ性が低下す
る。したがってその上限を０．１％とした。

【００２９】Ｔｉ：０〜０．２％ Ｔｉは必要により含有させるが、含有させれば鋼中の不
純物であるＮをＴｉＮとして固定する効果がある。ま
た、Ｎ固定に必要とするよりも過剰なＴｉは、炭化物と
なってＣをトラップし、周溶接部のＨＡＺにおける硬化
を抑制する。しかし０．２％を超えて含有させると加工
性を低下させたり、炭窒化物自身がＳＳＣの起点となっ
たりするため、その上限は０．２％とした。好ましい下
限は０．１％である。

【００３０】Ｖ：０．１％以下 Ｖは、溶解減量から不純物として不可避的に混入する元
素であ。特に０．１％を超えると微細なＶＣが析出する
ので高強度となりすぎ、耐ＳＳＣ性が低下するので上限
を０．１％とした。望ましいＶ量は０．０５％以下であ
る。

【００３１】Ｎ：０．０２％以下 Ｎは、不純物として鋼中に存在し、その含有量が０．０
２％を超えると、熱間加工性が損なわれ製造が困難とな
り、かつマルテンサイト相の強度上昇を招いて耐ＳＳＣ
性が低下する。望ましいＮ量は０．０１％以下である。

【００３２】Ｃｕ：０〜１．２％ Ｃｕは必要により含有させるが、含有させれば耐ＳＳＣ
性を高める効果がある。その効果を得るためには０．１
％以上とするのが好ましい。一方、１．２％を超えると
耐食性への効果が飽和し、かつマルテンサイト相の強度
上昇により耐ＳＳＣ性をかえって低下させる。この観点
から、上限は１．２％とした。

【００３３】金属組織：金属組織をマルテンサイト一相
にすれば、熱間圧延後または溶接製管後に強度調整のた
めの熱処理が必要となるため、フェライト相とマルテン
サイト相の二相組織とする。

【００３４】二相組織にすれば、それぞれの相の粒成長
が抑制され、圧延ままでも極めて細粒組織となり、靭性
や耐ＳＳＣ性が改善される。

【００３５】圧延ままで降伏強度６５５ＭＰａ以下と
し、かつ良好な靭性を得るには、１５％以上のフェライ
ト相を析出させる必要がある。一方、耐ＳＳＣ性の観点
からは、フェライト相が４０％を超えると、母相のマル
テンサイト相からＣｒやＭｏを吸収して間接的に耐ＳＳ
Ｃ性を低下させる。この観点から、フェライト相の体積
分率は１５〜４０％とした。

【００３６】なお、フェライト量の調整は、Ｃｒおよび
Ｍｏの含有量と熱間圧延のための加熱温度との組み合わ
せによりおこなうことができる。例えば、フェライトの
残存量を多くする場合は、フェライトフォーマのＣｒ、
Ｍｏ含有量を多く、し、加熱温度を高くするとよい。

【００３７】次に、溶接鋼管の製造方法について以下に
説明する。

【００３８】溶接鋼管の素材鋼板には、通常の分塊圧延
および熱間圧延により製造した、熱延鋼板あるいは厚鋼
板を用いる。熱延方法については、通常の加熱温度、例
えば１１００℃以上１２５０℃以下の範囲に加熱した
後、通常の方法で圧延して仕上げればよい。ただし、上
記のようにフェライト量を調節するために、化学組成を
考慮して加熱温度をきめる必要がある。また、強度の微
調整のため圧延後に短時間の焼戻しを実施してもよい。
焼入れ、焼戻し熱処理や長時間の焼鈍熱処理は経済性の
観点から望ましくなく、本発明の目的に合わない。

【００３９】熱延鋼板あるいは厚鋼板は、目標の鋼管外
周長とほぼ同じ幅に切断して円筒状に成形して突き合わ
せた部分を溶接して溶接鋼管とする。溶接方法について
も特に制限は無く、溶接部の性能の保証される溶接方法
であればいかなる方法でもよい。薄肉管であれば、ＧＴ
ＡＷ法やＧＭＡＷ法、プラズマ溶接法等のアーク溶接法
を用いてもよいし、製管コスト低減の観点からＥＲＷ法
を用いてもよい。また、溶接部の品質確保の観点から、
電子ビーム溶接法やレーザ溶接法を用いてもよい。

【００４０】造管溶接には、熱延鋼板を成形ロール群等
の加工装置にてオープンパイプ状に成形し、帯鋼両エッ
ヂ相互をスクイズロール等の手段で突き合わせ、この突
き合わせ部を接合して造管溶接する手法を採ればよい。
製管速度向上のため、電縫溶接法で用いられている局部
加熱可能な管状の誘導加熱コイルあるいはコンタクトチ
ップを用いた高周波加熱手段により予熱してから造管溶
接をおこなってもよい。また、溶接製管後に高周波加熱
手段を用いて溶接部の組織回復を目的とした局部熱処理
を施してもよい。

【００４１】厚肉鋼管の製造には、ＳＡＷによる製管が
好ましい。厚鋼板を通常のＣプレス、ＵプレスおよびＯ
プレスにより段階的に管状に成形し、突き合わせ部をＳ
ＡＷにより溶接製管した後、溶接ままで製品とする等の
手法を用いればよい。溶接条件や溶接金属の成分は、所
望の性能を得られる手法であればよく、特に限定はされ
ない。

【００４２】

【実施例】表１に示す１６種の化学組成の鋼を溶製し、
鋼塊を鍛造してスラブとした。同表の記号Ａ〜Ｈは化学
組成が本発明で規定する範囲内にあり、１〜８は規定範
囲外である。各スラブを、１１００℃〜１２５０℃の温
度範囲で種々変化させて加熱した後、熱間圧延して熱延
鋼板とした。なお、加熱温度を変化させたのはフェライ
ト量を調節するためである。

【００４３】

【表１】

【００４４】各熱延したままの鋼板を素材として、レー
ザ溶接、ＳＡＷ、ＥＲＷ、ＰＡＷおよびＧＴＡＷにより
溶接管を製造した。レーザ溶接、ＥＲＷ、ＰＡＷは溶加
材を用いずに造管溶接をおこなった。ＧＴＡＷ、ＳＡＷ
は、２２Ｃｒ系または２５Ｃｒ系のフェライトオーステ
ナイト二相ステンレス鋼を溶加材として用い、造管溶接
をおこなった。すべて、溶接後の後熱処理は実施しなか
った。

【００４５】金属組織中のフェライト相の体積分率は、
熱間圧延したままの鋼板断面の樹脂埋材をビレラ試薬で
腐食させて組織観察をし、点算法にて測定した。各鋼板
とも３箇所の断面を測定し、その平均値を算出して体積
分率とした。

【００４６】熱延鋼板から、その幅方向に素材鋼板の肉
厚に応じた種種の寸法の丸棒引張試験片を採取し、常温
で引張り試験を実施し降伏強度（ＹＳ）を測定した。

【００４７】また、熱延鋼板の幅方向に素材鋼板の肉厚
に応じたシャルピー衝撃試験片を採取し、種種の温度で
衝撃試験を実施した後、破面観察をして破面遷移温度
（ｖＴｓ）を測定した。

【００４８】さらに、ＳＳＣ試験は、厚さ２ｍｍ、幅１
０ｍｍ、長さ７５ｍｍの応力腐食試験片を溶接管の母材
部および溶接部から幅方向方向に採取し、四点曲げ定歪
み法により素材鋼のＹＳの１００％の応力を負荷して試
験液中に３３６時間浸漬しＳＳＣの発生の有無を調べ
た。試験液には０．００１〜０．０１MPa,Ｈ₂Ｓ（ＣＯ₂
バランス）を飽和させた、酢酸−酢酸ナトリウムを所定
量添加してｐＨを３．５に調整した５％ＮａＣｌ水溶液
を用いた。

【００４９】これら試験結果を表２および表３に示す。

【００５０】

【表２】

【００５１】

【表３】

【００５２】表２、表３中の耐ＳＳＣ欄の評価基準は、
ＳＳＣの発生が認められなかったものを良好「○」、Ｓ
ＳＣの発生したものを不芳「×」とした。

【００５３】表２より明らかなように、本発明で規定す
る範囲内の化学組成および金属組織を備えた鋼では、Ｙ
Ｓが６４８ＭＰａ以下で、靭性と耐食性にすぐれてい
る。

【００５４】一方、表３に示されているように、試験番
号２１〜３２の化学組成が本発明で規定する範囲内にあ
っても、フェライト量が規定範囲外であれば靱性、強度
および耐ＳＳＣ性の１つ以上の特性がわるく実用に耐え
ない。また、化学組成が本発明で規定する範囲外の試験
番号３３〜４０については、耐ＳＳＣ性に劣り、靱性、
降伏応力の特性がわるい。

【００５５】

【発明の効果】素材の熱延鋼板や溶接製管後の鋼管に、
焼入れ、焼戻し熱処理や長時間の焼鈍熱処理を施さな
く、油井環境において優れた耐ＳＳＣ性と靱性を発揮す
る溶接鋼管を安価に提供することができ、その工業的価
値は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】フェライト量と降伏応力の関係を示す図であ
る。

【図２】フェライト量と破面遷移温度との関係を示す図
である。

【図３】フェライト量と硫化水素分圧の関係を示す図で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｐ：０．
   ０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：２〜８％、Ｃ
   ｒ：１１．５〜１５％、Ｍｏ：１．５〜４％、Ｓｉ：０
   〜１％、Ｍｎ：０〜１％、sol.Ａｌ：０〜０．１％、Ｃ
   ｕ：０〜１．２％、Ｔｉ：０〜０．２％、Ｎ：０．０２
   ％以下、Ｖ：０．１％以下を含有し、残部はＦｅおよび
   不純物からなり、金属組織中のフェライト量が体積％で
   １５〜４０％であることを特徴とする耐硫化物応力割れ
   性に優れた低炭素フェライト−マルテンサイト二相ステ
   ンレス溶接鋼管。