JP4876350B2 - 油井用高強度鋼管継手の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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に係り、とくに、特に炭酸ガス（CO2 ）、塩素イオン（Clー ）などを含む極めて厳しい腐食環境下でも好適な、優れた耐食性を有する油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管継手の製造方法に関する。なお、本発明でいう、高強度とは降伏強さ：654MPa以上をいうものとする。
【０００２】
【従来の技術】
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化を目前にして、従来は省り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、炭酸ガス（CO2 ）、塩素イオン（Clー ）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管は、高強度で、しかも耐食性に優れた特性が要求される。そのため、一般に、このようなCO2 、Cl- 等を含む腐食環境下では、油井管として、耐CO2 腐食性、耐孔食性に優れた13％Cr系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。
【０００３】
これら13％Cr系マルテンサイト系ステンレス鋼管は、従来からネジ継手により接続され、油井管とされていた。しかし、最近では、油田の掘削環境が厳しくなり、それに対応してネジ継手においても、種々のPremium Joint が開発されている。しかしながら、ネジ継手に対する要求も年々厳しくなり、曲げ等の条件が厳しいPremium Joint 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現している。
【０００４】
このようなことから、油井管として、ラインパイプ等で一般的な、溶接接合により鋼管を接続して使用することが要望されるようになってきている。しかしながら、従来の油井用鋼管は、強度が高く溶接性が劣ることから、今まで油井管の接続に溶接を使用した例はない。
さらに、溶接接合した場合には、溶接金属の強度、靱性あるいはさらに母材 (鋼管）と溶接金属間の電位差に起因するガルバニック腐食が問題となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記した従来技術の問題に鑑みなされたものであり、耐食性に優れた高強度鋼管を溶接接合して、CO2 、Cl- 等を含む苛酷な腐食環境下においても使用可能な優れた耐食性を示す油井管とする、油井用高強度鋼管継手の製造方法を提供することを目的とする。本発明では、代表的な油井用鋼管である、13％Cr系マルテンサイト系ステンレス鋼継目無管に着目し、これら鋼管の強度、靭性、耐食性等の母材特性および溶接性を向上させるとともに、これら鋼管を溶接接合した鋼管継手部の溶接性、耐食性が向上する鋼管継手の製造方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、まず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、Ｃ、Ｎを従来より著しく低減し、さらに合金元素の含有量を調整し、耐食性に優れ、かつ溶接可能なマルテンサイト系ステンレス鋼管としたうえで、これら鋼管の端部同士を溶接接合するに際し、鋼管継手部の強度、 靭性および耐食性に及ぼす各種要因について鋭意検討した。その結果、本発明者らは、溶接方法と溶接材料組成を適正に組み合わせることにより、鋼管継手部の強度、 靭性が向上し、さらに耐食性、とくにCO2 、Cl- 等を含む苛酷な腐食環境下においても耐食性が顕著に向上することを見いだし、この発明を成すに至ったのである。
【０００７】
すなわち、この発明は、鋼管の端部同士を溶接により接合し油井管とするに当り、前記鋼管を、mass％で、Ｃ：0.03％以下、Si：0.70％以下、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：0.03％以下、Ｏ：0.01％以下を含有し、さらにNb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる母材組成を有する高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管とし、前記溶接をガスタングステンアーク溶接法による溶接とし、さらに前記溶接時に使用する溶接材料を、mass％で、Ｃ＋Ｎ：0.3 ％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：2.5 ％以下、Cr：10.5〜21.5％、Ni：8.0 ％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる溶材組成を有する溶接材料とすることを特徴とする耐食性に優れた油井用高強度鋼管継手の製造方法であり、また、この発明では、前記鋼管が、前記母材組成に加えてさらに、mass％で、次ａ群〜ｃ群
ａ群：Mo：0.1 〜3.0 ％、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
ｂ群：Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：3.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
ｃ群：Ca：0.0005〜0.01％
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する鋼管であることが好ましく、また、この発明では、前記溶接材料が、前記溶材組成に加えてさらに、mass％で、次Ａ群〜Ｄ群
Ａ群：Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Mo：3.5 ％以下、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｃ群：Ca：0.01％以下
Ｄ群：REM ：0.1 ％以下
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する溶接材料であることが好ましい。
【０００８】
また、この発明では、鋼管の端部同士を溶接により接合し油井管とするに当り、前記鋼管を、mass％で、Ｃ：0.03％以下、Si：0.70％以下、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：0.03％以下、Ｏ：0.01％以下を含有し、さらにNb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる母材組成を有する高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管とし、前記溶接を100 ％不活性ガス雰囲気中でのガスメタルアーク溶接法による溶接とし、さらに前記溶接時に使用する溶接材料を、mass％で、Ｃ＋Ｎ：0.3 ％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：2.5 ％以下、Cr：10.5〜21.5％、Ni：8.0 ％以下、REM ：0.1 ％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる溶接材料組成を有する溶接材料とすることを特徴とする耐食性に優れた油井用高強度鋼管継手の製造方法であり、また、この発明では、前記鋼管が、前記母材組成に加えてさらに、mass％で、前記ａ群〜ｃ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する鋼管であることが好ましく、またこの発明では、前記溶接材料が、前記溶材組成に加えてさらに、mass％で、次Ａ群〜Ｃ群
Ａ群：Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、
Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Mo：3.5 ％以下、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｃ群：Ca：0.01％以下
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する溶接材料であることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の高強度油井鋼管継手の製造方法に使用する油井管用鋼管について説明する。
本発明で使用する油井管用鋼管は、高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管であり、降伏強さYSが654MPa以上の高強度と高靭性を有し、CO2 、Cl- 等を含む腐食環境においても優れた耐食性を示す鋼管である。本発明で使用する鋼管の鋼管組成の限定理由について説明する。
【００１０】
Ｃ：0.03％以下
Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼管の強度を確保するために必要な元素であるが、溶接熱影響部の硬さを増加し溶接割れ感受性を高め、溶接割れを引き起こす危険性を高める。このため、この発明ではＣは0.03％以下に限定した。また、耐食性の観点からはＣはできるだけ低減するのが好ましく、0.02％以下とするのがより好ましい。なおこの発明では、Ｃの低減による強度低下をNi、Nb、Ｖの含有で補うこととした。
【００１１】
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 腐食性等の耐食性を低下させ、さらに熱間加工性をも低下させる。このため、Siは0.70％以下に限定した。なお、好ましくは、0.10〜0.40％である。
【００１２】
Mn：0.30〜2.00％
Mnは、マルテンサイト系ステンレス鋼管の強度を確保するために必要な元素であり、この発明では0.30％以上の含有を必要とするが、2.00％を超えて含有すると靭性に悪影響を及ぼす。このため、Mnは0.30〜2.00％の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.35〜1.50％である。
【００１３】
Ｐ：0.03％以下
Ｐは、耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性をともに劣化させる元素であり、できるだけ低減するのが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。このため、Ｐは、工業的に比較的安価に実施可能でかつ耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させない範囲である0.03％以下とした。
【００１４】
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、鋼管製造過程における生産性向上のためにも、できるだけ低減するのが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。0.005 ％以下に低減すれば、通常の工程での鋼管製造が可能となることから、この発明では、Ｓの上限を0.005 ％とした。なお、好ましくは0.003 ％以下である。
【００１５】
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％以上の含有を必要とするが、15.0％を超えて含有すると熱間加工性が劣化する。このことから、Crは10.5〜15.0％の範囲に限定した。
【００１６】
Ni：7.0 ％以下
Niは、保護皮膜を強固にする作用を有し、それにより耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性、耐孔食性を高める元素である。また、Niは、固溶強化により鋼管の強度を増加させる元素でもあり、Ｃを低減するこの発明では、Niを強度増加のために添加されるが、強度増加の観点からは 1.0％以上含有するのが望ましい。一方、7.0 ％を超える含有はマルテンサイト組織の安定性を損なう。このため、Niは7.0 ％以下に限定した。なお、好ましくは1.0 〜6.5 ％である。
【００１７】
Al：0.05％以下
Alは、強力な脱酸作用を有する元素であるが、0.05％を超える含有は靭性に悪影響を及ぼす。このため、Alは0.05％以下に限定した。
Ｎ：0.03％以下
Ｎは、耐孔食性を著しく向上させる元素であるが、0.03％を超える含有は、Ｃと同様に溶接熱影響部の硬さを増加させ、溶接割れを引き起こす危険性が増大する。このため、Ｎは0.03％以下に限定した。なお、好ましくは 0.015％以下である。
【００１８】
Ｏ：0.01％以下
Ｏは、本発明鋼管の性能を十分発揮させるために、極めて重要な元素である。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 応力腐食割れ性、耐孔食性および靭性を著しく劣化させる。このため、Ｏは0.01％以下に限定した。なお、好ましくは0.006 ％以下である。
【００１９】
Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下のうちの１種または２種
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作用を有する元素であり、この発明ではNb、Ｖのうちから選ばれた１種または２種を含有する。Nb、Ｖの含有量が、0.20％を超えると、靭性を低下させる。このため、Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下に限定した。なお、好ましくはNb：0.015 〜0.06％、Ｖ：0.03〜0.10％である。
【００２０】
この発明では、鋼管は上記した組成に加えてさらに、次ａ群〜ｃ群
ａ群：Mo：0.1 〜3.0 ％、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
ｂ群：Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：3.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
ｃ群：Ca：0.0005〜0.01％
のうちから選ばれた１群または２群以上を必要に応じ選択して含有することができる。
【００２１】
ａ群：Mo：0.1 〜3.0 ％、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
ａ群：Mo、Cuは、いずれも耐食性を向上させる元素であり、必要に応じ選択して含有できる。
Moは、Cl- による孔食に対する抵抗性を増加させ、耐食性を改善する元素である。このような効果は、0.1 ％以上の含有で認められるが、一方、3.0 ％を超える含有は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を低下させる。このようなことから、Moは0.1 〜3.0 ％の範囲に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは0.50〜2.50％である。
【００２２】
Cuは、保護皮膜を強固にして、鋼管中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性等の耐食性を高める元素であるが、3.5 ％を超えて含有すると、高温でCuS が粒界析出し、熱間加工性が低下する。このことから、Cuは3.5 ％以下に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは0.2 〜2.5 ％である。
ｂ群：Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：3.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
ｂ群：Ti、Zr、Ｂ、Ｗは、いずれも強度を上昇させ、耐応力腐食割れ性を改善する作用を有し、この発明では必要に応じ選択して含有できる。
【００２３】
Tiは0.3 ％を、Zrは0.2 ％を、Ｂは0.01％を、Ｗは3.0 ％を、それぞれ超えて含有すると靭性を劣化させるため、Tiは0.3 ％、Zrは0.2 ％、Ｂは0.01％、Ｗは3.0 ％を、それぞれ上限とするのが好ましい。また、Ｂは0.0005％未満では上記した効果が認められないため、0.0005％を下限とするのが好ましい。なお、より好ましくは、Ti：0.03〜0.20％、Zr：0.02〜0.15％、Ｂ：0.0003〜 0.005％、Ｗ：0.1 〜 2.0％である。
【００２４】
ｃ群：Ca：0.0005〜0.01％
ｃ群：Caは、ＳをCaS として固定しＳ系介在物を球状化し、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、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる元素であり、必要に応じ含有できる。このような効果は0.0005％以上の含有で顕著となるが、0.01％を超える含有は、CaO の増加を招き、耐CO2 腐食性、耐孔食性を低下させる。このため、Caは0.0005〜0.01％に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは0.001 〜0.005 ％である。
【００２５】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
つぎに、この発明に使用する鋼管の好ましい製造方法について、説明する。
上記した組成の鋼素材を熱間加工により鋼管とする。
本発明では鋼素材の製造方法についてはとくに限定する必要はない。転炉、電気炉等の通常公知の溶製方法で上記した組成の溶鋼を溶製し、あるいはさらに２次精錬等を付加したのち、連続鋳造法等の通常公知の鋳造方法で鋼素材（ビレット）とするのが好ましい。
【００２６】
これら鋼素材を、通常の継目無鋼管の製造工程を用いて継目無鋼管とすればよい。継目無鋼管の製造工程としては、マンネスマン−プラグミル方式の熱間加工による製造工程が好ましい。なお、継目無鋼管以外の電縫鋼管、ＵＯＥ鋼管の製造工程を用いて鋼管としてもよい。
本発明では、上記した組成の鋼管の端部同士を当接し、円周溶接して接合し、鋼管継手を作製する。このような端部同士の溶接接合による鋼管継手の作製を、必要な長さとなるまで繰り返し行い、油井管とする。
【００２７】
この発明では、上記した組成の鋼管の端部同士を溶接接合するが、溶接接合は、ガスタングステンアーク溶接法（ＧＴＡＷ）またはガスメタルアーク溶接法（ＧＭＡＷ）によるものとする。なお、鋼管継手部が、とくに高靭性を有することが要求される場合には、溶接雰囲気は100 ％不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。
【００２８】
次に、鋼管継手の製造にあたり、用いる溶接材料の溶材組成限定理由について説明する。
この発明で用いる溶接材料は、Ｃ＋Ｎ：0.3 ％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：2.5 ％以下、Cr：10.5〜21.5％、Ni：8.0 ％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる溶材組成を基本組成とする。
【００２９】
Ｃ＋Ｎ：0.3 ％以下
Ｃ、Ｎは、溶接金属の強度を確保するために必要な元素であるが、Ｃ＋Ｎが0.3 ％を超えると溶接割れ発生の危険性が増大するとともに、鋼管継手（溶接継手）部の耐食性が低下する。このため、Ｃ＋Ｎを0.3 ％以下に限定した。
Si：1.0 ％以下
Siは、脱酸剤として必要な元素であるが、1.0 ％を超えると溶接金属の靱性を低下させるとともに、高温割れ発生の危険性が増大する。このため、Siは1.0 ％以下に限定した。なお、好ましくは、0.15〜0.50％である。
【００３０】
Mn：2.5 ％以下
Mnは、溶接金属の耐溶接割れ性を向上させる作用を有する元素であり、0.1 ％以上含有することが好ましいが、2.5 ％を超えて含有すると靭性に悪影響を及ぼす。このため、Mnは2.5 ％以下に限定した。なお、好ましくは、0.30〜1.50％ である。
【００３１】
Cr：10.5〜21.5％
Crは、耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性等の耐食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％以上の含有を必要とするが、24.5％を超えて含有すると溶接熱影響部の靱性が劣化する。このことから、Crは10.5〜24.5％の範囲に限定した。なお、好ましくは10.5〜16.5％である。
【００３２】
Ni：8.0 ％以下
Niは、保護皮膜を強固にする作用を有し、それにより耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性、耐孔食性等の耐食性を高める元素であり、また、固溶強化により溶接金属の強度を増加させる元素でもある。溶接金属の強度保持の観点からは ％以上含有するのが望ましいが、8.0 ％を超える含有は溶接金属におけるマルテンサイト組織の安定性を損なうとともに、溶接金属の強度低下を生じ、継手のアンダーマッチングを生じる危険性がある。また、高温割れの発生傾向が増大するしやすくなる。このことから、Niは8.0 ％以下に限定した。なお、好ましくは1.5 〜 7.0％である。
【００３３】
この発明では、溶接材料は上記した溶材の基本組成に加えて、さらにmass％で、次Ａ群〜Ｄ群
Ａ群：Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Mo：3.5 ％以下、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｃ群：Ca：0.01％以下
Ｄ群：REM ：0.1 ％以下
のうちから選ばれた１群または２群以上を必要に応じ選択して含有することが好ましい。
【００３４】
Ａ群：Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ａ群：Nb、Ｖ、Ti、Zr、Ｂ、Ｗは、いずれも、溶接金属の強度を上昇させるとともに、溶接金属の耐応力腐食割れ性を改善する作用を有し、この発明では、必要に応じ選択して含有できる。Nbは0.20％を、Ｖは0.20％を、Tiは0.3 ％を、Zrは0.2 ％を、Ｂは0.01％を、Ｗは3.0 ％を、それぞれ超えて含有すると靭性を劣化させるため、Nbは0.20％、Ｖは0.20％、Tiは0.3 ％、Zrは0.2 ％、Ｂは0.01％、Ｗは3.5 ％を、それぞれ上限とするのが好ましい。なお、より好ましくは、Nb：0.015 〜0.15、Ｖ：0.02〜0.15％、Ti：0.01〜0.20％、Zr：0.01〜0.15％、Ｂ：0.0001〜0.0050％、Ｗ：0.1 〜 2.5％である。
【００３５】
Ｂ群：Mo：3.5 ％以下、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｂ群：Mo、Cuはいずれも、溶接金属の耐食性を向上させる元素であり、 必要に応じ含有することが好ましい。
Moは、Cl- による孔食に対する抵抗性を増加させ、耐食性を改善する元素である。このような効果を得るためには、0.1 ％以上含有するのが望ましい。一方、3.5 ％を超える含有は溶接金属の靱性を低下させる。このため、Moは3.5 ％以下に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは0.50〜 2.0％である。
【００３６】
Cuは、保護皮膜を強固にして、溶接金属中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性等の耐食性を高める元素であり、0.2 ％以上含有するのが望ましい。しかし、3.5 ％を超えて含有すると、高温割れ感受性が高くなる。このことから、Cuは3.5 ％以下に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは 0.2〜2.5 ％である。
【００３７】
Ｃ群：Ca：0.0005〜0.01％
Ｃ群：Caは、溶接金属においても、Ｓ、Ｏを固定し水素のトラップ能を下げる作用があり、必要に応じ含有できる。しかし、0.01％を超える含有は、CaO の増加を招き、靱性が低下する。このことから、Caは0.01％以下とすることが好ましい。
【００３８】
Ｄ群：REM ：0.1 ％以下
Ｄ群：REM は、アーク溶接時のアークを安定化させ、溶接継手部の品質を改善する作用を有しており、必要に応じ含有できる。しかし、0.1 ％を超えて含有すると、溶接金属の靱性を低下させる危険性が増大する。このことから、REM は0.1 ％以下とすることが好ましい。なお、溶接を、100 ％不活性ガス雰囲気中でＧＭＡＷ法を用いて行う場合には、この発明ではREM は必須含有とする。
【００３９】
この発明によれば、母材鋼管自体の強度靭性および耐食性はもちろん、鋼管継手部でも、強度靭性に優れ、炭酸ガス、塩素イオンを含む厳しい腐食環境下における全面腐食、孔食等の発生を防止でき、耐食性に優れた溶接継手部を有する油井管となる。また、鋼管継手部におけるガルバニック腐食を防止できる。
【００４０】
【実施例】
次にこの発明の実施例について説明する。
表１に示す組成の鋼を転炉で溶製し、真空脱ガス処理を施して精錬したのち、連続鋳造法により鋼管素材（ビレット）とした。これらの鋼管素材を加熱して、マンネスマン−マンドレル方式のミルで造管し外径 101.6mm×肉厚12.7mmの継目無鋼管とした。ついで、これら鋼管に、表２に示す条件の熱処理（焼入れ−焼戻し）を施し、95ksi グレードのマルテンサイト系ステンレス鋼管とした。得られた鋼管の引張特性（降伏強さYS, 引張強さTS, 伸びEl）および靭性（vE-40 ）を表２に示す。
【００４１】
ついで、これら鋼管の端部同士を当接し、表３に示す化学組成を有する溶接材料を用いて、表４に示す溶接条件でガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）法またはガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）法を用いて、円周溶接し鋼管継手（油井管）を作製した。開先形状は60°のＶ開先とした。また、円周溶接前後の熱処理は行わなかった。溶接終了後、 溶接ビードを目視で観察し、溶接割れの有無で、溶接性を評価した。溶接割れ有りを×、 無を○として表示した。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
【表３】
【００４５】
【表４】
【００４６】
ついで、これら鋼管継手の円周溶接部から採取した試験片を用いて、溶接部の引張試験、靭性試験、腐食試験を実施した。
引張試験は、鋼管継手の溶接部から管長手方向に引っ張り試験を採取して、引張強さを測定した。また、靭性試験は、溶接部中央にノッチを導入したシャルピー衝撃試験片を採取し、ー20℃で衝撃試験を行い、吸収エネルギーvE-20 を求 めた。
【００４７】
また、腐食試験方法はつぎの通りとした。
▲１▼炭酸ガス腐食試験
これら鋼管継手の円周溶接部から採取した試験片（大きさ：3.0 ×25×50mm）を、オートクレーブで3.0 MPa の炭酸ガスを飽和した20％NaCl水溶液（液温：100 ℃）中に７日間浸漬したのち引き上げた。引上げた試験片について、腐食生成物を除去したのち、孔食の有無を目視により調査した。また、腐食試験後の試験片重量を測定し板厚減少量に換算し、腐食速度（mm/y）を求めた。
【００４８】
▲２▼ガルバニック腐食試験
これら鋼管継手の円周溶接部から採取した試験片（大きさ：3.0 ×25×50mm）を、10％NaCl水溶液にHCl を添加してpHを1.0 に調整した液（液温：65℃）中に２日間浸漬したのち、引き上げた。引上げた試験片について、腐食生成物を除去したのち、ガルバニック腐食の有無を目視により調査した。
【００４９】
これらの試験結果から、孔食の発生したものは○、孔食の発生しなかったものは×として、耐孔食性を評価した。また、ガルバニック腐食の発生したものは○、ガルバニック腐食の発生しなかったものは×として、耐ガルバニック腐食性を評価した。また、実用的に使用可能な腐食速度：0.100mm/y を限界値とし、この限界値以上の腐食速度を示すものは×、限界値未満の腐食速度を示すものは○として、耐全面腐食性を評価した。
【００５０】
それらの結果を表５に示す。
【００５１】
【表５】
【００５２】
本発明例は、いずれも、溶接継手部の強度、 靭性は優れるとともに、鋼管継手部には孔食およびガルバニック腐食の発生は認められず、優れた耐孔食性、耐ガルバニック腐食性を示している。また、本発明例では、鋼管継手部の腐食速度は0.1mm/y 以下と小さく、実用的に使用可能なレベル以上の優れた耐全面腐食性を有している。また、溶接割れの発生も認められず、優れた溶接性を示している。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、溶接接合により高強度油井管を能率よく製造でき、炭酸ガス（CO2 ）、塩素イオン（Cl- ）を含む高温で過酷な腐食環境下においても十分な耐食性を示す油井管を安価に提供でき、産業上格段の効果を奏する。
【発明の属する技術分野】
この発明は、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に係り、とくに、特に炭酸ガス（CO2 ）、塩素イオン（Clー ）などを含む極めて厳しい腐食環境下でも好適な、優れた耐食性を有する油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管継手の製造方法に関する。なお、本発明でいう、高強度とは降伏強さ：654MPa以上をいうものとする。
【０００２】
【従来の技術】
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化を目前にして、従来は省り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、炭酸ガス（CO2 ）、塩素イオン（Clー ）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管は、高強度で、しかも耐食性に優れた特性が要求される。そのため、一般に、このようなCO2 、Cl- 等を含む腐食環境下では、油井管として、耐CO2 腐食性、耐孔食性に優れた13％Cr系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。
【０００３】
これら13％Cr系マルテンサイト系ステンレス鋼管は、従来からネジ継手により接続され、油井管とされていた。しかし、最近では、油田の掘削環境が厳しくなり、それに対応してネジ継手においても、種々のPremium Joint が開発されている。しかしながら、ネジ継手に対する要求も年々厳しくなり、曲げ等の条件が厳しいPremium Joint 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現している。
【０００４】
このようなことから、油井管として、ラインパイプ等で一般的な、溶接接合により鋼管を接続して使用することが要望されるようになってきている。しかしながら、従来の油井用鋼管は、強度が高く溶接性が劣ることから、今まで油井管の接続に溶接を使用した例はない。
さらに、溶接接合した場合には、溶接金属の強度、靱性あるいはさらに母材 (鋼管）と溶接金属間の電位差に起因するガルバニック腐食が問題となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記した従来技術の問題に鑑みなされたものであり、耐食性に優れた高強度鋼管を溶接接合して、CO2 、Cl- 等を含む苛酷な腐食環境下においても使用可能な優れた耐食性を示す油井管とする、油井用高強度鋼管継手の製造方法を提供することを目的とする。本発明では、代表的な油井用鋼管である、13％Cr系マルテンサイト系ステンレス鋼継目無管に着目し、これら鋼管の強度、靭性、耐食性等の母材特性および溶接性を向上させるとともに、これら鋼管を溶接接合した鋼管継手部の溶接性、耐食性が向上する鋼管継手の製造方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、まず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、Ｃ、Ｎを従来より著しく低減し、さらに合金元素の含有量を調整し、耐食性に優れ、かつ溶接可能なマルテンサイト系ステンレス鋼管としたうえで、これら鋼管の端部同士を溶接接合するに際し、鋼管継手部の強度、 靭性および耐食性に及ぼす各種要因について鋭意検討した。その結果、本発明者らは、溶接方法と溶接材料組成を適正に組み合わせることにより、鋼管継手部の強度、 靭性が向上し、さらに耐食性、とくにCO2 、Cl- 等を含む苛酷な腐食環境下においても耐食性が顕著に向上することを見いだし、この発明を成すに至ったのである。
【０００７】
すなわち、この発明は、鋼管の端部同士を溶接により接合し油井管とするに当り、前記鋼管を、mass％で、Ｃ：0.03％以下、Si：0.70％以下、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：0.03％以下、Ｏ：0.01％以下を含有し、さらにNb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる母材組成を有する高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管とし、前記溶接をガスタングステンアーク溶接法による溶接とし、さらに前記溶接時に使用する溶接材料を、mass％で、Ｃ＋Ｎ：0.3 ％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：2.5 ％以下、Cr：10.5〜21.5％、Ni：8.0 ％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる溶材組成を有する溶接材料とすることを特徴とする耐食性に優れた油井用高強度鋼管継手の製造方法であり、また、この発明では、前記鋼管が、前記母材組成に加えてさらに、mass％で、次ａ群〜ｃ群
ａ群：Mo：0.1 〜3.0 ％、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
ｂ群：Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：3.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
ｃ群：Ca：0.0005〜0.01％
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する鋼管であることが好ましく、また、この発明では、前記溶接材料が、前記溶材組成に加えてさらに、mass％で、次Ａ群〜Ｄ群
Ａ群：Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Mo：3.5 ％以下、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｃ群：Ca：0.01％以下
Ｄ群：REM ：0.1 ％以下
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する溶接材料であることが好ましい。
【０００８】
また、この発明では、鋼管の端部同士を溶接により接合し油井管とするに当り、前記鋼管を、mass％で、Ｃ：0.03％以下、Si：0.70％以下、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：0.03％以下、Ｏ：0.01％以下を含有し、さらにNb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる母材組成を有する高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管とし、前記溶接を100 ％不活性ガス雰囲気中でのガスメタルアーク溶接法による溶接とし、さらに前記溶接時に使用する溶接材料を、mass％で、Ｃ＋Ｎ：0.3 ％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：2.5 ％以下、Cr：10.5〜21.5％、Ni：8.0 ％以下、REM ：0.1 ％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる溶接材料組成を有する溶接材料とすることを特徴とする耐食性に優れた油井用高強度鋼管継手の製造方法であり、また、この発明では、前記鋼管が、前記母材組成に加えてさらに、mass％で、前記ａ群〜ｃ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する鋼管であることが好ましく、またこの発明では、前記溶接材料が、前記溶材組成に加えてさらに、mass％で、次Ａ群〜Ｃ群
Ａ群：Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、
Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Mo：3.5 ％以下、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｃ群：Ca：0.01％以下
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する溶接材料であることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の高強度油井鋼管継手の製造方法に使用する油井管用鋼管について説明する。
本発明で使用する油井管用鋼管は、高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管であり、降伏強さYSが654MPa以上の高強度と高靭性を有し、CO2 、Cl- 等を含む腐食環境においても優れた耐食性を示す鋼管である。本発明で使用する鋼管の鋼管組成の限定理由について説明する。
【００１０】
Ｃ：0.03％以下
Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼管の強度を確保するために必要な元素であるが、溶接熱影響部の硬さを増加し溶接割れ感受性を高め、溶接割れを引き起こす危険性を高める。このため、この発明ではＣは0.03％以下に限定した。また、耐食性の観点からはＣはできるだけ低減するのが好ましく、0.02％以下とするのがより好ましい。なおこの発明では、Ｃの低減による強度低下をNi、Nb、Ｖの含有で補うこととした。
【００１１】
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 腐食性等の耐食性を低下させ、さらに熱間加工性をも低下させる。このため、Siは0.70％以下に限定した。なお、好ましくは、0.10〜0.40％である。
【００１２】
Mn：0.30〜2.00％
Mnは、マルテンサイト系ステンレス鋼管の強度を確保するために必要な元素であり、この発明では0.30％以上の含有を必要とするが、2.00％を超えて含有すると靭性に悪影響を及ぼす。このため、Mnは0.30〜2.00％の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.35〜1.50％である。
【００１３】
Ｐ：0.03％以下
Ｐは、耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性をともに劣化させる元素であり、できるだけ低減するのが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。このため、Ｐは、工業的に比較的安価に実施可能でかつ耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させない範囲である0.03％以下とした。
【００１４】
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、鋼管製造過程における生産性向上のためにも、できるだけ低減するのが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。0.005 ％以下に低減すれば、通常の工程での鋼管製造が可能となることから、この発明では、Ｓの上限を0.005 ％とした。なお、好ましくは0.003 ％以下である。
【００１５】
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％以上の含有を必要とするが、15.0％を超えて含有すると熱間加工性が劣化する。このことから、Crは10.5〜15.0％の範囲に限定した。
【００１６】
Ni：7.0 ％以下
Niは、保護皮膜を強固にする作用を有し、それにより耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性、耐孔食性を高める元素である。また、Niは、固溶強化により鋼管の強度を増加させる元素でもあり、Ｃを低減するこの発明では、Niを強度増加のために添加されるが、強度増加の観点からは 1.0％以上含有するのが望ましい。一方、7.0 ％を超える含有はマルテンサイト組織の安定性を損なう。このため、Niは7.0 ％以下に限定した。なお、好ましくは1.0 〜6.5 ％である。
【００１７】
Al：0.05％以下
Alは、強力な脱酸作用を有する元素であるが、0.05％を超える含有は靭性に悪影響を及ぼす。このため、Alは0.05％以下に限定した。
Ｎ：0.03％以下
Ｎは、耐孔食性を著しく向上させる元素であるが、0.03％を超える含有は、Ｃと同様に溶接熱影響部の硬さを増加させ、溶接割れを引き起こす危険性が増大する。このため、Ｎは0.03％以下に限定した。なお、好ましくは 0.015％以下である。
【００１８】
Ｏ：0.01％以下
Ｏは、本発明鋼管の性能を十分発揮させるために、極めて重要な元素である。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 応力腐食割れ性、耐孔食性および靭性を著しく劣化させる。このため、Ｏは0.01％以下に限定した。なお、好ましくは0.006 ％以下である。
【００１９】
Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下のうちの１種または２種
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作用を有する元素であり、この発明ではNb、Ｖのうちから選ばれた１種または２種を含有する。Nb、Ｖの含有量が、0.20％を超えると、靭性を低下させる。このため、Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下に限定した。なお、好ましくはNb：0.015 〜0.06％、Ｖ：0.03〜0.10％である。
【００２０】
この発明では、鋼管は上記した組成に加えてさらに、次ａ群〜ｃ群
ａ群：Mo：0.1 〜3.0 ％、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
ｂ群：Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：3.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
ｃ群：Ca：0.0005〜0.01％
のうちから選ばれた１群または２群以上を必要に応じ選択して含有することができる。
【００２１】
ａ群：Mo：0.1 〜3.0 ％、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
ａ群：Mo、Cuは、いずれも耐食性を向上させる元素であり、必要に応じ選択して含有できる。
Moは、Cl- による孔食に対する抵抗性を増加させ、耐食性を改善する元素である。このような効果は、0.1 ％以上の含有で認められるが、一方、3.0 ％を超える含有は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を低下させる。このようなことから、Moは0.1 〜3.0 ％の範囲に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは0.50〜2.50％である。
【００２２】
Cuは、保護皮膜を強固にして、鋼管中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性等の耐食性を高める元素であるが、3.5 ％を超えて含有すると、高温でCuS が粒界析出し、熱間加工性が低下する。このことから、Cuは3.5 ％以下に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは0.2 〜2.5 ％である。
ｂ群：Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：3.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
ｂ群：Ti、Zr、Ｂ、Ｗは、いずれも強度を上昇させ、耐応力腐食割れ性を改善する作用を有し、この発明では必要に応じ選択して含有できる。
【００２３】
Tiは0.3 ％を、Zrは0.2 ％を、Ｂは0.01％を、Ｗは3.0 ％を、それぞれ超えて含有すると靭性を劣化させるため、Tiは0.3 ％、Zrは0.2 ％、Ｂは0.01％、Ｗは3.0 ％を、それぞれ上限とするのが好ましい。また、Ｂは0.0005％未満では上記した効果が認められないため、0.0005％を下限とするのが好ましい。なお、より好ましくは、Ti：0.03〜0.20％、Zr：0.02〜0.15％、Ｂ：0.0003〜 0.005％、Ｗ：0.1 〜 2.0％である。
【００２４】
ｃ群：Ca：0.0005〜0.01％
ｃ群：Caは、ＳをCaS として固定しＳ系介在物を球状化し、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、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる元素であり、必要に応じ含有できる。このような効果は0.0005％以上の含有で顕著となるが、0.01％を超える含有は、CaO の増加を招き、耐CO2 腐食性、耐孔食性を低下させる。このため、Caは0.0005〜0.01％に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは0.001 〜0.005 ％である。
【００２５】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
つぎに、この発明に使用する鋼管の好ましい製造方法について、説明する。
上記した組成の鋼素材を熱間加工により鋼管とする。
本発明では鋼素材の製造方法についてはとくに限定する必要はない。転炉、電気炉等の通常公知の溶製方法で上記した組成の溶鋼を溶製し、あるいはさらに２次精錬等を付加したのち、連続鋳造法等の通常公知の鋳造方法で鋼素材（ビレット）とするのが好ましい。
【００２６】
これら鋼素材を、通常の継目無鋼管の製造工程を用いて継目無鋼管とすればよい。継目無鋼管の製造工程としては、マンネスマン−プラグミル方式の熱間加工による製造工程が好ましい。なお、継目無鋼管以外の電縫鋼管、ＵＯＥ鋼管の製造工程を用いて鋼管としてもよい。
本発明では、上記した組成の鋼管の端部同士を当接し、円周溶接して接合し、鋼管継手を作製する。このような端部同士の溶接接合による鋼管継手の作製を、必要な長さとなるまで繰り返し行い、油井管とする。
【００２７】
この発明では、上記した組成の鋼管の端部同士を溶接接合するが、溶接接合は、ガスタングステンアーク溶接法（ＧＴＡＷ）またはガスメタルアーク溶接法（ＧＭＡＷ）によるものとする。なお、鋼管継手部が、とくに高靭性を有することが要求される場合には、溶接雰囲気は100 ％不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。
【００２８】
次に、鋼管継手の製造にあたり、用いる溶接材料の溶材組成限定理由について説明する。
この発明で用いる溶接材料は、Ｃ＋Ｎ：0.3 ％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：2.5 ％以下、Cr：10.5〜21.5％、Ni：8.0 ％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる溶材組成を基本組成とする。
【００２９】
Ｃ＋Ｎ：0.3 ％以下
Ｃ、Ｎは、溶接金属の強度を確保するために必要な元素であるが、Ｃ＋Ｎが0.3 ％を超えると溶接割れ発生の危険性が増大するとともに、鋼管継手（溶接継手）部の耐食性が低下する。このため、Ｃ＋Ｎを0.3 ％以下に限定した。
Si：1.0 ％以下
Siは、脱酸剤として必要な元素であるが、1.0 ％を超えると溶接金属の靱性を低下させるとともに、高温割れ発生の危険性が増大する。このため、Siは1.0 ％以下に限定した。なお、好ましくは、0.15〜0.50％である。
【００３０】
Mn：2.5 ％以下
Mnは、溶接金属の耐溶接割れ性を向上させる作用を有する元素であり、0.1 ％以上含有することが好ましいが、2.5 ％を超えて含有すると靭性に悪影響を及ぼす。このため、Mnは2.5 ％以下に限定した。なお、好ましくは、0.30〜1.50％ である。
【００３１】
Cr：10.5〜21.5％
Crは、耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性等の耐食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％以上の含有を必要とするが、24.5％を超えて含有すると溶接熱影響部の靱性が劣化する。このことから、Crは10.5〜24.5％の範囲に限定した。なお、好ましくは10.5〜16.5％である。
【００３２】
Ni：8.0 ％以下
Niは、保護皮膜を強固にする作用を有し、それにより耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性、耐孔食性等の耐食性を高める元素であり、また、固溶強化により溶接金属の強度を増加させる元素でもある。溶接金属の強度保持の観点からは ％以上含有するのが望ましいが、8.0 ％を超える含有は溶接金属におけるマルテンサイト組織の安定性を損なうとともに、溶接金属の強度低下を生じ、継手のアンダーマッチングを生じる危険性がある。また、高温割れの発生傾向が増大するしやすくなる。このことから、Niは8.0 ％以下に限定した。なお、好ましくは1.5 〜 7.0％である。
【００３３】
この発明では、溶接材料は上記した溶材の基本組成に加えて、さらにmass％で、次Ａ群〜Ｄ群
Ａ群：Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Mo：3.5 ％以下、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｃ群：Ca：0.01％以下
Ｄ群：REM ：0.1 ％以下
のうちから選ばれた１群または２群以上を必要に応じ選択して含有することが好ましい。
【００３４】
Ａ群：Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ａ群：Nb、Ｖ、Ti、Zr、Ｂ、Ｗは、いずれも、溶接金属の強度を上昇させるとともに、溶接金属の耐応力腐食割れ性を改善する作用を有し、この発明では、必要に応じ選択して含有できる。Nbは0.20％を、Ｖは0.20％を、Tiは0.3 ％を、Zrは0.2 ％を、Ｂは0.01％を、Ｗは3.0 ％を、それぞれ超えて含有すると靭性を劣化させるため、Nbは0.20％、Ｖは0.20％、Tiは0.3 ％、Zrは0.2 ％、Ｂは0.01％、Ｗは3.5 ％を、それぞれ上限とするのが好ましい。なお、より好ましくは、Nb：0.015 〜0.15、Ｖ：0.02〜0.15％、Ti：0.01〜0.20％、Zr：0.01〜0.15％、Ｂ：0.0001〜0.0050％、Ｗ：0.1 〜 2.5％である。
【００３５】
Ｂ群：Mo：3.5 ％以下、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｂ群：Mo、Cuはいずれも、溶接金属の耐食性を向上させる元素であり、 必要に応じ含有することが好ましい。
Moは、Cl- による孔食に対する抵抗性を増加させ、耐食性を改善する元素である。このような効果を得るためには、0.1 ％以上含有するのが望ましい。一方、3.5 ％を超える含有は溶接金属の靱性を低下させる。このため、Moは3.5 ％以下に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは0.50〜 2.0％である。
【００３６】
Cuは、保護皮膜を強固にして、溶接金属中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性等の耐食性を高める元素であり、0.2 ％以上含有するのが望ましい。しかし、3.5 ％を超えて含有すると、高温割れ感受性が高くなる。このことから、Cuは3.5 ％以下に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは 0.2〜2.5 ％である。
【００３７】
Ｃ群：Ca：0.0005〜0.01％
Ｃ群：Caは、溶接金属においても、Ｓ、Ｏを固定し水素のトラップ能を下げる作用があり、必要に応じ含有できる。しかし、0.01％を超える含有は、CaO の増加を招き、靱性が低下する。このことから、Caは0.01％以下とすることが好ましい。
【００３８】
Ｄ群：REM ：0.1 ％以下
Ｄ群：REM は、アーク溶接時のアークを安定化させ、溶接継手部の品質を改善する作用を有しており、必要に応じ含有できる。しかし、0.1 ％を超えて含有すると、溶接金属の靱性を低下させる危険性が増大する。このことから、REM は0.1 ％以下とすることが好ましい。なお、溶接を、100 ％不活性ガス雰囲気中でＧＭＡＷ法を用いて行う場合には、この発明ではREM は必須含有とする。
【００３９】
この発明によれば、母材鋼管自体の強度靭性および耐食性はもちろん、鋼管継手部でも、強度靭性に優れ、炭酸ガス、塩素イオンを含む厳しい腐食環境下における全面腐食、孔食等の発生を防止でき、耐食性に優れた溶接継手部を有する油井管となる。また、鋼管継手部におけるガルバニック腐食を防止できる。
【００４０】
【実施例】
次にこの発明の実施例について説明する。
表１に示す組成の鋼を転炉で溶製し、真空脱ガス処理を施して精錬したのち、連続鋳造法により鋼管素材（ビレット）とした。これらの鋼管素材を加熱して、マンネスマン−マンドレル方式のミルで造管し外径 101.6mm×肉厚12.7mmの継目無鋼管とした。ついで、これら鋼管に、表２に示す条件の熱処理（焼入れ−焼戻し）を施し、95ksi グレードのマルテンサイト系ステンレス鋼管とした。得られた鋼管の引張特性（降伏強さYS, 引張強さTS, 伸びEl）および靭性（vE-40 ）を表２に示す。
【００４１】
ついで、これら鋼管の端部同士を当接し、表３に示す化学組成を有する溶接材料を用いて、表４に示す溶接条件でガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）法またはガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）法を用いて、円周溶接し鋼管継手（油井管）を作製した。開先形状は60°のＶ開先とした。また、円周溶接前後の熱処理は行わなかった。溶接終了後、 溶接ビードを目視で観察し、溶接割れの有無で、溶接性を評価した。溶接割れ有りを×、 無を○として表示した。
【００４２】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
ついで、これら鋼管継手の円周溶接部から採取した試験片を用いて、溶接部の引張試験、靭性試験、腐食試験を実施した。
引張試験は、鋼管継手の溶接部から管長手方向に引っ張り試験を採取して、引張強さを測定した。また、靭性試験は、溶接部中央にノッチを導入したシャルピー衝撃試験片を採取し、ー20℃で衝撃試験を行い、吸収エネルギーvE-20 を求 めた。
【００４７】
また、腐食試験方法はつぎの通りとした。
▲１▼炭酸ガス腐食試験
これら鋼管継手の円周溶接部から採取した試験片（大きさ：3.0 ×25×50mm）を、オートクレーブで3.0 MPa の炭酸ガスを飽和した20％NaCl水溶液（液温：100 ℃）中に７日間浸漬したのち引き上げた。引上げた試験片について、腐食生成物を除去したのち、孔食の有無を目視により調査した。また、腐食試験後の試験片重量を測定し板厚減少量に換算し、腐食速度（mm/y）を求めた。
【００４８】
▲２▼ガルバニック腐食試験
これら鋼管継手の円周溶接部から採取した試験片（大きさ：3.0 ×25×50mm）を、10％NaCl水溶液にHCl を添加してpHを1.0 に調整した液（液温：65℃）中に２日間浸漬したのち、引き上げた。引上げた試験片について、腐食生成物を除去したのち、ガルバニック腐食の有無を目視により調査した。
【００４９】
これらの試験結果から、孔食の発生したものは○、孔食の発生しなかったものは×として、耐孔食性を評価した。また、ガルバニック腐食の発生したものは○、ガルバニック腐食の発生しなかったものは×として、耐ガルバニック腐食性を評価した。また、実用的に使用可能な腐食速度：0.100mm/y を限界値とし、この限界値以上の腐食速度を示すものは×、限界値未満の腐食速度を示すものは○として、耐全面腐食性を評価した。
【００５０】
それらの結果を表５に示す。
【００５１】
【表５】
本発明例は、いずれも、溶接継手部の強度、 靭性は優れるとともに、鋼管継手部には孔食およびガルバニック腐食の発生は認められず、優れた耐孔食性、耐ガルバニック腐食性を示している。また、本発明例では、鋼管継手部の腐食速度は0.1mm/y 以下と小さく、実用的に使用可能なレベル以上の優れた耐全面腐食性を有している。また、溶接割れの発生も認められず、優れた溶接性を示している。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、溶接接合により高強度油井管を能率よく製造でき、炭酸ガス（CO2 ）、塩素イオン（Cl- ）を含む高温で過酷な腐食環境下においても十分な耐食性を示す油井管を安価に提供でき、産業上格段の効果を奏する。
Claims (6)
- 鋼管の端部同士を溶接により接合し油井管とするに当り、前記鋼管を、mass％で、
Ｃ：0.03％以下、 Si：0.70％以下、
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：0.03％以下、 Ｏ：0.01％以下
を含有し、さらにNb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる母材組成を有する高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管とし、
前記溶接をガスタングステンアーク溶接法による溶接とし、
前記溶接時に使用する溶接材料を、mass％で、
Ｃ＋Ｎ：0.3 ％以下、 Si：1.0 ％以下、
Mn：2.5 ％以下、 Cr：10.5〜21.5％、
Ni：8.0 ％以下
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる溶材組成を有する溶接材料とすることを特徴とする耐食性に優れた油井用高強度鋼管継手の製造方法。 - 前記鋼管が、前記母材組成に加えてさらに、mass％で、下記ａ群〜ｃ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する鋼管であることを特徴とする請求項１に記載の油井用高強度鋼管継手の製造方法。
記
ａ群：Mo：0.1 〜3.0 ％、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
ｂ群：Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：3.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
ｃ群：Ca：0.0005〜0.01％ - 前記溶接材料が、前記溶材組成に加えてさらに、mass％で、下記Ａ群〜Ｄ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する溶接材料であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の油井用高強度鋼管継手の製造方法。
記
Ａ群：Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、
Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Mo：3.5 ％以下、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｃ群：Ca：0.01％以下
Ｄ群：REM ：0.1 ％以下 - 鋼管の端部同士を溶接により接合し油井管とするに当り、前記鋼管を、mass％で、
Ｃ：0.03％以下、 Si：0.70％以下、
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：0.03％以下、 Ｏ：0.01％以下
を含有し、さらにNb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる母材組成を有する高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管とし、
前記溶接を100 ％不活性ガス雰囲気中でのガスメタルアーク溶接法による溶接とし、
前記溶接時に使用する溶接材料を、mass％で、
Ｃ＋Ｎ：0.3 ％以下、 Si：1.0 ％以下、
Mn：2.5 ％以下、 Cr：10.5〜21.5％、
Ni：8.0 ％以下 REM ：0.1 ％以下
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる溶接材料組成を有する溶接材料とすることを特徴とする耐食性に優れた油井用高強度鋼管継手の製造方法。 - 前記鋼管が、前記母材組成に加えてさらに、mass％で、下記ａ群〜ｃ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する鋼管であることを特徴とする請求項４に記載の油井用高強度鋼管継手の製造方法。
記
ａ群：Mo：0.1 〜3.0 ％、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
ｂ群：Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：3.0 ％以 下のうちから選ばれた１種または２種以上
ｃ群：Ca：0.0005〜0.01％ - 前記溶接材料が、前記溶材組成に加えてさらに、mass％で、下記Ａ群〜Ｃ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する溶接材料であることを特徴とする請求項４または５に記載の油井用高強度鋼管継手の製造方法。
記
Ａ群：Nb：0.20％以下、Ｖ：0.20％以下、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、 Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Mo：3.5 ％以下、Cu：3.5 ％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｃ群：Ca：0.01％以下
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