JP2001300730A - 油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管の接続方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課 題】 CO₂ 、Cl^- 等を含む苛酷な腐食環境下での
優れた耐食性に加え、機械的性質にも優れる高強度油井
鋼管を溶接により接続できる方法を提供する。 【解決手段】 Ｃ：0.03％以下、Si：0.70％、Mn：0.30
〜2.00％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.005 ％以下、Cr：1
0.5〜15.0％、Ni：7.0 ％以下、Al：0.05％以下、Ｎ：
0.2 ％以下、Ｏ：0.01％以下を含有し、さらに必要に応
じてNb、Ｖ、Mo、Cu、Ti、Zr、Ｗ、Ｂ、Caのうち１種ま
たは２種以上を所定の量だけ含有し、残部がFeおよび不
可避的不純物からなる油井用高強度マルテンサイト系ス
テンレス鋼管を、溶接継手部の最高硬さがＨ_V 380 以下
でかつ溶接金属の平均硬さと溶接熱影響部の最高硬さの
差がＨ_V 100 以下となるように溶接接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原油あるいは天然
ガスの油井、ガス井に使用される油井管用の鋼材に関
し、とくに炭酸ガス（CO₂ ）、塩素（Cl^- ）等を含む極
めて腐食環境の厳しい油井、ガス井で使用するに適し
た、優れた低温靱性、耐食性を有し、かつ溶接可能な高
強度マルテンサイト系ステンレス油井用鋼管の接続方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年に至り、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化を目前にして、従来は省
みられなかったような深層油田や、開発が一旦は放棄さ
れていた腐食性の強い油田等に対する開発が、世界的規
模で盛んになっている。このような油田、ガス田は一般
に深度が極めて深く、またその雰囲気は高温でかつ、CO
₂ 、Cl^- 等を含む厳しい腐食環境となっている。したが
ってこのような油田、ガス田の採掘に使用される油井鋼
管としては高温条件においても高強度で、しかも耐食性
を兼ね備えた材質が要求される。

【０００３】一般に、CO₂ 、Cl^- を含む環境下では耐CO
₂ 腐食性、耐孔食性の優れた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。また、これらの油
井管はネジにて接続されている。最近の油田は掘削環境
が厳しくなっているため、ネジに対する要求が厳しくな
り、種々のPremium Joint が開発されている。しかしな
がら、ネジに対する要求は年々厳しくなり、PremiumJoi
nt によっても必要な特性が得られないような掘削条件
も出てきている。鋼管の接続方法としては溶接が一般的
であり、ラインパイプでは一般的に行われているが、油
井用鋼管は強度が高いために溶接性が劣ることから、通
常、溶接では接続されない。

【０００４】最近、油井管を拡散接合にて接続しようと
いう試みがあるが、溶接部が硬化するために、溶接部の
機械的性質、耐腐食われ性が著しく劣化するという問題
点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は以上の事情
を背景としてなされたもので、前述のようにCO₂ 、Cl^-
等を含む苛酷な腐食環境下において優れた耐食性に加
え、機械的性質にも優れる高強度油井鋼管を溶接により
接続できる方法を提供することを目的とするものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは前記目的を
達成するべく、代表的なマルテンサイト系ステンレス鋼
である13％Cr鋼をベースとして、高強度化と溶接部の特
性の両立を検討した結果、Ｃ、Ｎを従来より著しく低減
し、必要に応じて合金元素を添加した13％Cr鋼におい
て、溶接部の硬さを規制することによって、機械的性
質、耐腐食われ性を確保できることを見出し、本発明を
なすに至った。

【０００７】すなわち、本発明は、質量％で、 Ｃ：0.03％以下、 Si：0.70％、 Mn：0.30〜2.00％、 Ｐ：0.03％以下、 Ｓ：0.005 ％以下、 Cr：10.5〜15.0％、 Ni：7.0 ％以下、 Al：0.05％以下、 Ｎ：0.2 ％以下、 Ｏ：0.01％以下 を含有し、さらに必要に応じて Nb：0.20％以下、 Ｖ：0.20％以下、 Mo：0.1 〜3.0 ％、 Cu：3.5 ％以下、 Ti：0.3 ％以下、 Zr：0.2 ％以下、 Ｗ：3.0 ％以下、 Ｂ：0.0005〜0.01％、 Ca：0.0005〜0.01％ のうち１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不
可避的不純物からなる油井用高強度マルテンサイト系ス
テンレス鋼管を接続する方法であって、溶接継手部の最
高硬さがＨ_V 380 以下でかつ溶接金属の平均硬さと溶接
熱影響部の最高硬さの差がＨ_V 100 以下となるように溶
接接続することを特徴とする低温靱性および耐食性に優
れた油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管の接
続方法である。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず、本発明に係る鋼の組成（化
学組成）の限定理由について説明する。 Ｃ：0.03％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
重要な元素であるが、溶接熱影響部の硬さを上げ、溶接
われを引き起こす危険性がある。そこで溶接われを引き
起こさないため、0.03％以下とした。また、Ｃは、耐食
性からみても少ないほうが良く、好ましくは0.02％以下
の範囲である。なお、本発明では、後述するようにＣの
低減による強度低下をNi、あるいはさらにNb、Ｖの添加
によって補うこととした。

【０００９】Si：0.70％以下 Siは、通常の製鋼過程において脱酸剤として必要な元素
であるが、0.70％を超えると耐CO₂ 腐食性を低下させ、
さらに熱間加工性も低下させることから、0.70％以下と
した。 Mn：0.30〜2.00％ Mnは、油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼としての
強度を確保するために0.30％以上必要であるが、2.00％
を超えると靱性に悪影響を及ぼすことから、0.30〜2.00
％とした。

【００１０】Ｐ：0.03％以下 Ｐは、耐CO₂ 腐食性、耐CO₂ 応力腐食われ性、耐孔食性
および耐硫化物応力腐食われ性をともに劣化させる元素
であり、その含有量は可及的に少ないことが望ましい
が、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そこで、工
業的に比較的安価に実施可能でかつ耐CO₂ 耐食性、耐CO
₂ 応力腐食われ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食わ
れ性を劣化させない範囲として、Ｐは0.03％以下とし
た。

【００１１】Ｓ：0.005 ％以下 Ｓは、パイプ製造過程においてその熱間加工性を著しく
劣化させる元素であり、可及的に少ないことが望ましい
が、0.005 ％以下に制限すれば通常の工程でのパイプ製
造が可能となることから、0.005 ％以下とした。なお、
好ましくは、0.003 ％以下である。

【００１２】Cr：10.5〜15.0％ Crは、耐CO₂ 腐食性、耐CO₂ 応力腐食割れ性を保持する
ために主要な元素であり、耐食性の観点からは10.5％以
上必要であるが、15.0％を超えると熱間加工性が劣化す
ることから、10.5〜15.0％とした。なお、好ましくは1
0.5〜13.5％である。

【００１３】Ni：7.0 ％以下 Niは、保護皮膜を強固にして、耐CO₂ 腐食性、耐CO₂ 応
力腐食われ性、耐孔食性を高めるとともに、Ｃを低減し
た13％Cr鋼の強度を上昇させるために添加されるが、7.
0 ％を超えるとマルテンサイト組織の安定性を損なうこ
とから、7.0 ％以下とした。なお、好ましくは1.0 〜6.
5 ％である。

【００１４】Al：0.05％以下 Alは、強力な脱酸作用を有するが、0.05％を超えると靱
性に悪影響を及ぼすことから、0.05％以下とした。 Ｎ：0.2 ％以下 Ｎは、耐孔食性を著しく向上させる元素であるが、0.2
％を超えるとその効果が飽和してしまい、かつ溶接性を
低下させるので、0.2 ％以下とした。なお、好ましくは
0.08％以下である。

【００１５】Ｏ：0.01％以下 Ｏは、本発明鋼の性能を十分に発揮させるために可及的
に低減すべき元素である。すなわち、Ｏ含有量が多いと
各種の酸化物を形成して熱間加工性、耐CO₂ 腐食性、耐
CO₂ 応力腐食割れ性、耐孔食性および靱性を著しく低下
させる。ただし0.01％以下は許容しうるので、Ｏは0.01
％以下とした。なお、好ましくは0.006％以下である。

【００１６】Nb：0.02％以下、Ｖ：0.20％以下 Nb、Ｖは、いずれも靱性を劣化させずに常温、および高
温における強度を上昇させる効果があるが、0.20％超え
て添加すると靱性を劣化させるため、夫々0.20％以下と
した。 Mo：0.1 〜3.0 ％ Moは、Cl^- による孔食に対して抵抗性を与える元素であ
るが、0.1 ％未満ではその効果は認められず、一方、3.
0 ％を超えるとδフェライトの発生を招き、耐CO₂ 腐食
性、耐CO₂ 応力腐食割れ性および熱間加工性が低下する
ことから、0.1〜3.0 ％とした。なお、好ましくは0.8
〜2.5 ％である。

【００１７】Cu：3.5 ％以下 Cuは、保護皮膜を強固にして鋼中への水素の侵入を抑制
し、耐硫化物応力腐食われ性を高める元素であるが、3.
5 ％を超えると高温でCuS が粒界析出し、熱間加工性が
低下することから、3.5 ％以下とした。なお、好ましく
は0.2 〜2.5 ％である。

【００１８】Ti：3.0 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｗ：3.
0 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％以下Ti、Zr、Ｗ、Ｂは、
いずれも強度を上昇させる効果、および耐応力腐食割れ
性を改善する効果があるが、Tiは0.3 ％を超えて、Zrは
0.2 ％を超えて、Ｗは3.0％を超えて添加すると靱性を
劣化させるため、また、Ｂは0.0005％未満では効果がな
く、0.01％を超えた添加は靱性を劣化させるため、Ti：
0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｗ：3.0 ％以下、Ｂ：0.
0005〜0.01％とした。

【００１９】Ca：0.0005〜0.01％ Caは、ＳをCaS として固定しＳ系介在物を球状化するこ
とにより、介在物の周囲のマトリックスの格子歪を小さ
くして、水素のトラップ能を下げる作用がある。その効
果は0.0005％未満では顕著ではなく、一方、0.01％を超
えるとCaO の増加を招き、耐CO₂ 腐食性、耐孔食性が低
下することから、Caは、0.0005〜0.01％、好ましくは0.
001 〜0.005 ％とした。

【００２０】上記組成を有するマルテンサイト系ステン
レス鋼管は、これを溶接継手部の最高硬さがＨ_V 380 以
下、溶接金属と溶接熱影響部の硬さの差がＨ_V 100 以下
になる溶接にて接続することにより、溶接部の靱性、耐
腐食割れ性を確保できることができる。かかる溶接継手
硬さ条件を満足するためには、母材組成に応じて溶接材
料の選択および／または溶接入熱の制御を適切に行うこ
とが重要であるが、これら以外に、溶接後熱処理を加え
ることによって、硬さを調節してもよい。

【００２１】本発明の接続方法に供する油井用鋼管を製
造するにあたっては、通常の製造工程に何ら手を加える
ことを要しない。すなわち、鋼素材を継目無鋼管あるい
は電縫鋼管に成形後、成形のまま、または900 〜1100℃
の温度範囲に加熱して水冷または空冷により冷却し、そ
の後、油井用鋼管として必要な強度を得るべく500 〜65
0 ℃の温度範囲で焼戻すという常法で製造できる。

【００２２】また、溶接による接続方法としては、アー
ク溶接が好ましいが、これのみならず、拡散接合、抵抗
溶接、レーザ溶接等、他の溶接方法を用いることも可能
である。

【００２３】

【実施例】表１に示す組成になる鋼を溶製して直径600
mmのビレットを鋳造し、これを小型圧延ミルにて板厚10
mm、外径62mmの継目無鋼管となし、引き続き、焼入れ、
焼戻しの熱処理を施し、降伏強度を95grade のレベルに
調整した。これらの継目無鋼管をＴＩＧ溶接法にて表１
に示す条件で溶接接続し、継手を作製した。溶接材料と
しては、表２に組成を示す25％Cr系溶接材料（Ｎo.１）
および２種類の共金系溶接材料（Ｎo.２，３）を用い
た。

【００２４】前記継手に対してシャルピー試験および硫
化物応力腐食われ性試験（ＳＳＣ試験）を行った。シャ
ルピー試験は、溶接金属（ＷＭ）と溶接熱影響部（ＨＡ
Ｚ）とから採取したフルサイズ試験片を用いて−20℃で
行った。ＳＳＣ試験は、継手溶接部から採取した板厚５
mm、幅15mm、長さ115 mmの４点曲げ試験片を用い、100
％ＳＭＹＳ（Specified yield Strength,95ksi＝655MP
a) の応力を付加し、試験液に720 時間浸漬後、われの
有無をチェックした。試験液は、５％NaCl水溶液に酢酸
と酢酸ナトリウムを添加してｐＨを4.5 に調整し、５％
硫化水素＋95％二酸化炭素の混合ガスを流したものを用
いた。

【００２５】これらの試験結果を表１に併せて示す。Ｓ
ＳＣ試験結果についてはわれの発生したものを×、発生
しなかったものを○で示した。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】表１より、本発明の組成要件を満たす鋼管
を本発明の溶接継手硬さ条件を満たすように溶接接続し
て作製した継手は、ＷＭおよびＨＡＺの−20℃での吸収
エネルギーが100J以上という優れた靱性を示し、さら
に、ＳＳＣ試験においてわれの発生は認められず、優れ
た耐硫化物応力腐食われ性を示した。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、13％Cr鋼においてＣ含
有量を従来よりも著しく低減し、Si、Mn、Ｐ、Ｓ、Cr、
Ni、Al、Ｎ、Ｏの各含有量を所定の範囲に規制するとと
もに溶接継手部の硬さを規制することにより、優れた低
温靱性とH₂S 、Cl^- を含む厳しい腐食環境下でも十分な
耐応力腐食われ性を示す油井用高強度マルテンサイト系
ステンレス鋼管の溶接接続が可能となるという優れた効
果を奏する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 38/58 Ｃ２２Ｃ 38/58 // Ｂ２３Ｋ 101:06 Ｂ２３Ｋ 101:06 103:04 103:04 (72)発明者 豊岡 高明 愛知県半田市川崎町１丁目１番地 川崎製 鉄株式会社知多製造所内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB01 BB05 BB06 CA03 CC03 QA02 4E081 AA08 BA03 BA27 CA05 CA07

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、 Ｃ：0.03％以下、 Si：0.70％、 Mn：0.30〜2.00％、 Ｐ：0.03％以下、 Ｓ：0.005 ％以下、 Cr：10.5〜15.0％、 Ni：7.0 ％以下、 Al：0.05％以下、 Ｎ：0.2 ％以下、 Ｏ：0.01％以下 を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる油井
   用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管を接続する方
   法であって、溶接継手部の最高硬さがＨ_V 380 以下でか
   つ溶接金属の平均硬さと溶接熱影響部の最高硬さの差が
   Ｈ_V 100 以下となるように溶接接続することを特徴とす
   る低温靱性および耐食性に優れた油井用高強度マルテン
   サイト系ステンレス鋼管の接続方法。
2. 【請求項２】 質量％で、 Ｃ：0.03％以下、 Si：0.70％、 Mn：0.30〜2.00％、 Ｐ：0.03％以下、 Ｓ：0.005 ％以下、 Cr：10.5〜15.0％、 Ni：7.0 ％以下、 Al：0.05％以下、 Ｎ：0.2 ％以下、 Ｏ：0.01％以下 を含有し、さらに Nb：0.20％以下、 Ｖ：0.20％以下、 Mo：0.1 〜3.0 ％、 Cu：3.5 ％以下、 Ti：0.3 ％以下、 Zr：0.2 ％以下、 Ｗ：3.0 ％以下、 Ｂ：0.0005〜0.01％、 Ca：0.0005〜0.01％ のうち１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不
   可避的不純物からなる油井用高強度マルテンサイト系ス
   テンレス鋼管を接続する方法であって、溶接継手部の最
   高硬さがＨ_V 380 以下でかつ溶接金属の平均硬さと溶接
   熱影響部の最高硬さの差がＨ_V 100 以下となるように溶
   接接続することを特徴とする低温靱性および耐食性に優
   れた油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管の接
   続方法。