JPH01259124A - 耐食性に優れた高強度油井管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐食性、特に耐硫化物応力腐食割れ性に優れた
高強度油井管の製造方法に関する。以下、硫化物応力腐
食割れは５ｓｃｃと称す。

〔従来の技術〕

従来より、油井管は強度、耐５ｓｃｃ性および靭性の両
立を図るために、低合金鉗１をヘースとしてこれに焼入
れ・焼戻しを施ずことで製造するのが基本となっている
。

−・方、最近の石油、天然ガス事情の逼迫から、油井、
ガス井においては深井戸化の傾向が著しく、また、産出
物中に湿潤な硫化水素の含まれるザマノーな油井、ガス
井も増加してき−ζいろ、したがって、油井管には高強
度であること、耐Ｓ　Ｓ　ＣＣ性に優れること、の２点
が従来にも増して強く求められるようになった。

ところが、一般に銅相は、強度の上昇とともに百１食性
が低下する傾向にあり、耐食性、なかでも酬’　Ｓ　Ｓ
　ＣＣ性が特に重視される油井管においては、面４ｓｓ
ｃｃ確保の観点から強度−ヒの制限を強く受けろ結果に
なっている。

ところで、面４ＳＳＣＣ性の評価法については、シェル
試験、ＮＡＣＥ試験（定荷重法）、５ＳＲＴ試験（低歪
速度引張試験）の３種類がよく知られている。これらは
いずれも同じ傾向を示すか、厳しさは下記のシェル試験
が最大である。

すなわち、シェル試験ば、１９−さ１．７　ｎ＋、幅４
．５＋ｕの試験片の長さ力量中央部に偵径０．７ｍｍの
孔を２個設け、この部分に３点曲げて応力をイ」加した
状態で、特定環境下（室温、０，５％ＣＨ，，ＣＯＯ■
１．１気圧１１．５飽和）に２００〜５０Ｃ）１１ｒ保
持して、割れ限界応力をＳｃ仙（１ｌｉ４食性指数）で
評価するというものである。

油井管における強度と要求される１ｌｌｉｌ　Ｓ　Ｓ　
ＣＣｊ件との関係をこのＳ　ｃ　（ｉｉで児だ場合、第
１図に示されるように、割れを防１１−するためには材
料強度の高いものほど高Ｓｃ稙が必要とされており、強
度が０．２％面（力で８０　ｋ　ｓ　ｉ　　（５６ｋｇ
ｆ　７ｍ１１２）級の場合、Ｓｃ値は１０．７以七が要
求され、９　（］　ｋｓ　ｉ　　（６３ｋｇｆ　／＋＋
＊”　）級、１０　（１ｋ　ｓ　ｉ　　（７（］ｋｇｆ
／龍２）級、１１０　ｋ　ｓ　ｉ　　（７１ｋｇｆ　／
＊ｗ’）級になるとそれぞれＳｃ値１２．０以ヒ、１３
．３以上、１４．７以上が要求される。

この要求は、強度と耐５ｓｃｃ性が相反する関係にある
ことを考えれば非常に厳しいものであり、工業的に可能
な製造方法を採用する限りにおいては、耐５ｓｃｃ性確
保による制限から強度は９０ｋ　ｓ　＋　　（６３ｋｇ
ｆ　／＋＋ｍ’　）級が限度とされている。

この点を結晶粒度との関係に基づき史に詳しく説明する
。

結晶粒を微細化すれば高強度を確保しても優れた耐５ｓ
ｃｃ性が１Ｈられることは、従来より周知である。

第２図は油井管に通常使用される低合金銅（車量％で（
１，２７％Ｃ−０，２／１％５ｉ−１．２％Ｍｎ−０．
０２４％Ｓｏｊ！、Ａｊ！−０，００３２％Ｎ）におい
て、焼戻しによりＹ、Ｓを７５ｋｇｆ　／　龍”　とし
た場合のＳｃ、　４ｊ６と、旧オーステナイト粒の結晶
粒度番号との関係を示したものである。同図から明らか
なように、Ｙ、　Ｓが７５ｋｇｆ／貢ｌｌ′でも結晶粒
度番号が１０以上であればＳｃ値は１３．３を超え、１
ｏＯｋｓｉ級の要求仕様を満たず。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、従来の結晶粒微細化手段であるＮｂの添加や
２回焼入れ処理のめでは十分な細粒化は不ｉｉＪ能であ
り、旧オーステナイト粒度番号で１０以−トは到達し得
ない。したがって強度は耐５ＳＣＣ性確保による制限か
ら９０ｋｓｉ級が限度となる。

これに対し、冷間加Ｔ（汀１．２）や温間加工（注３）
による細粒化は旧オーステナイト粒度番号で１０以上を
達成する。しかし、その効果は必ずしも安定でなく、な
によりも７３０℃以下の温度にて５０％以−ト最小限で
も３０％以−１−の塑性加工を必要とする。このため、
生産設備面、生産コスト面からの制約によ〃）Ｔ業的規
模での実施が非常に困デイｒとなる。

注１　）　Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎ
ｄ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｒ＾ｕｓｔｅｎｉｔｅ　　
ｉｎ　　ｌｌｅｒｏｒｍｅ’ｄ　　１ａｔｈ　　ｍａｒ
ＬｅｎｓｉｔｉｃＳｔｒｕＣｌｕｒｅ　　ｏｆ　　ｌｏ
ｗ　　ｃａｒｈｏｎ　　ＳＬＹ４ｔｅｌｓＭ、１’０Ｋ
ＩＺＡＮＥ、Ｎ、Ｍ＾’Ｉ’　Ｓ　Ｕ　Ｍ　Ｕ　ｌンＡ
、に、ＴＳＵＺＡＫ］、Ｔ、ＭＡＫＩ。

ａｎｄ　、−１，ＴＡＭＵＲＡ　　：　　Ｍｅｔａｌｌ
ｕｒｇｉｃａｌ　　ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎＳ八、ｖｏ
ｌ　　１３Ａ（１９８２）　　　ｐｐ、１３７９−１３
８８注２）鋼の冷間圧延によるオーステナイト結晶粒の
微細化：高尾、飴山１時実：鉄と鋼、ｖｏｌ　７３゜Ｎ
ｏ、５（１９８７）　５４６６注３）低合金鋼の焼戻し
ＩＩＡ用肋ＩＩ　Ｉによるオーステナイト結晶粒微細化
、松岡、飴ｌ１１１時実：鉄と鋼、ｖｏｌ　７３．　　
　Ｎｏ、５（１９８７）　　５４６７本発明は斯かる状
況に鑑み、通常の油井管用低合金鋼を使用した場合に１
　＋１０　ｋ　ｓ　ｉ　　（７０ｋｇ　ｆ／龍２）級の
強度とこれに要求されるｉｌＳ　Ｓ　ＣＣ性が安定的に
確保でき、しかも二［業的規模での実施が容易な油井管
製ｊ４方法を（に供することを目的とする。

〔課題を解決するだめの手段〕

結晶粒の微細化に強度の冷間加−「または温間加］、が
有効なことは、前述したとおり周知である（′／王　１
．　　２．　　３）　　。

ずなわら、焼入れで得たマルテンザイ１−に冷間または
焼入れ後の焼戻しく／Ｍ間）で強度の加工を加えれば、
焼戻しにおいてフ。、ライト再結晶温度が低−ドし、焼
戻し条件によっては微細な再結晶フェライトが生成する
。このことからすれば、微細な再結晶フェライトに再度
焼入れを施し、オーステづイト化を経てマルテンサイト
とすれば、微細な旧オーステナイト粒を有するマルテン
サイトを得られることか推定される。

しかしながら、本発明者らの調査によれば、冷間加Ｔを
採用した場合には１回目の焼入れで化成した微細な旧オ
ーステナイ１粒が２回目の焼入れで粒成長をおこし、安
定した微細粒は得られなかった。また、を詰問８１１王
を採用する場合には、前述したように５０％以−ト少な
くとも３０％以上の強度の加工を加えればフェライト粒
の十分な微細化ｉＪ可能である。しかしながら、このよ
う、な強加工を低温で鋼管に加えることは装置上の問題
があっそこで、本発明者らは更に研究を続＆Ｊだ。その
結果、焼入れで得たマルテンサイトに対し６００〜７３
０℃の温間で２０％以下、例えば１０％程度のむしろ小
さい塑性変形を力Ｕえるならば、容易にフェライトの再
結晶が生じ、しかも一部の炭化物の析出が塑性変形によ
り促進され、２回目の焼入れでの結晶粒の粗大化を防■
トできることが判明した。また、残りの合金元素が基地
中に固溶し、これも２回目の焼入れにおける粒成長を防
雨することが明らかとなった。

ずなわら、油井管の２回焼入れに軽度の温間塑性加工を
導入すれば、フェライトの再結晶促進と、再結晶粒の粗
大化防雨とが効果的に図られ、２回焼入のめでは得られ
ない細粒鋼が得られ、通常の油井管用低合金鋼を使用し
た場合でも１ｏｏｋｓｉ　　（７０ｋｇｆ　／ｗ′）級
の強度とこれに要求される耐５ｓｃｃ性が安定的に確保
できるのである。

本発明の油井管製造方法は斯かる知見に基づき開発され
たもので、車量％でＣ：０．Ｉ５〜［１，４５％、Ｓｉ
：０．１−１　％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｓｏ　Ｑ
、　Ａ　１　：（１，（ｌ　１％超、（１，（１７％以
下、Ｎ：０゜００２５〜０１１１％を含み、更に必要に
応じＣｒ：０．０５〜２％、Ｍ　Ｏ：　０．　（１２〜
０．８％、Ｎｂ：ｏ、ｏｏｓ〜０．２％、Ｖ：０．００
５〜０．２％、Ｂ：０．０００１〜０．　（１４１３％
の１種または２種以トを含有し、残部実質的にＦｅから
なる低合金鋼管に対し、８８０〜９８　（１’ｃから焼
入れを行った後、６００〜７３０℃で焼戻しを行うとと
もに、その温度域において塑性加−１−を全歪量が１〜
２０％となるよう１回または複数回行い、しかる後に８
００〜９５０℃からの焼入れと６００〜７３０℃での焼
戻しとを行うものである。

本発明の′Ｍ造方法が対象とする油井管は通常の油井管
低合金ｆｉ＋からなる。このような低合金鋼管は強度を
確保しても、それに見合うｉｔ　ｓ　ｓ　ｃ　ｃ性は得
られず、耐５ｓｃｃ性確保による制限から強度は９０ｋ
ｉｓ級が限度となる。これは従来の工業的に可能な細粒
化手段では細粒化が不足することが原因である。

本発明の製造方法はその軽度の温間塑性加工を含む２回
焼入れ処理により、斯かる低合金銅管に微細な旧オース
テナイト粒を有するマルテンサイト組織形成せしめ、高
強度とこれに見合う耐５ＳＣＣ性をイ」与し、１ＱＱｋ
ｉｓ級以上のグレートを安定的に与えるものである。

〔作　　用〕

以下、本発明の製造方法における限定理由を鋼管の化学
成分、鋼管に加える熱処理および塑性ｊ３１］工の順で
詳述する。

■、化学成分 Ｃ：　９０ｋｓ　ｉ　　（６，’１ｋＬｙｆ／ｍｓ”　
）以ヒノ０．２％耐力を得るためと、酎ｓ　ｓ　ｃ　ｃ
性改善を目的とした高温焼戻しにおいて強度・靭性を確
保するために、０，１５％以上を必要とする。しかし、
０．４５％を超えると鋼管の焼入れ時に焼割れが発生し
やすくなる。このため０．１５〜０，４５％とする。

Ｓｉ：それ自体は耐５ｓｃｃ性を変化さ−Ｕない。　′
しかしＡ＋２の添加量を少なくし、ＡＡＮを抑制して血
ＪＳＳＣＣ性を改善する効果があり、また脱酸元素とし
ても欠かゼない成分である。０１％未満では脱酸が十分
でなく、１％を超えると焼入れ後の旧オーステナイト粒
が粗大になり靭性を低下させる。したがって０．１〜１
％とする。

Ｍｎ：焼入れ性を向上させ、焼戻し後のセメンタイトを
均一に分散させて靭性を向」ニさせる。Ｍｎのこの効果
は１．８％を超えると飽和し、しかもミクロ偏析を大き
くして耐５ｓｃｃ性を劣化させる。

他の元素により十分な焼入れ性が確保されるなら、耐５
ｓｃｃ性確保の点からはＭｎは少ない方がよい。一方、
０．３％未満では焼入れ性の不足に起因して耐５ｓｃｃ
性、靭性を低下させる。したがって０．３〜１．８％と
する。ただし、薄肉材あるいは他の元素で焼入れ性が確
保できるならば、０．０５％以」二でもよい。

Ｓｏｌ　　Ａｊ！、Ｎ：従来よりＳｏｊ！、Ａ＃は脱酸
と結晶粒微細化に有効とされ、０．０１％以下ではこれ
らの効果が得られず、０．０７％を超えるとこれらの効
果が飽和し、かえって凝固の冷却途中で鋼塊の割れが生
じやすくなるとされてきた。またＮはＡｎＮを生成し、
Ｂを添加する場合はＢＮも＃ｌ）、成さ−ｌる。ＡｐＮ
の４ト或は結晶粒微細化に効果があるとされ、Ｎが０．
００２５％未満では、二の効果か少ない。逆にＮが０．
０１％を超えると、ＡｐＮが過剰となり、Ｂを添加する
場合はＢＮも過剰となる。過剰の／ＩＮは耐Ｓ　Ｓ　Ｃ
Ｃ性および凝固後の耐鋼塊割れ性を劣化させ、過剰のＢ
Ｎは有効Ｂを減少させ、焼入れ性を劣化させるとともに
１ｔｌｌｉ温焼入性戻し後の靭性を劣化させる。以１−
のことから、Ｓｏｌ、　Ａ１は０．０１％超、０．＋１
７％以下、Ｎは０．０２５〜０．０１％とする。

Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂ：いずれもノブ・要に応して
添加される元素である。

Ｃｒは焼入れ性の改善に極めて有効であり、しかもＭ　
ｎ添加にともな−２てヰじるようなミクロ偏析を生じさ
ゼないため、耐５ｓｃｃ性改善に効果がある。０．０５
％未満ではその効果がなく、２０％を超えると焼入れ性
は−・層向十するが、靭性が低下する。したがっ６０．
０５〜２．０％とする。

ＭＯもＣｒと同様の理由で００２〜０．８％とず１■ る。

■は高温焼戻し時の強度上昇に有効であり、０゜００５
％未満ではその効果は十分でなく、０．２％を超えると
靭性が低下する。したがって０．００５〜０，２％とす
る。

Ｎｂは微細化により靭性向上、耐５ｓｃｃ性向−Ｊ−に
有効である。０００５％未満ではこの効果が得られず、
０．２％を超えると靭性が低下し、かつ微細化の効果が
飽和するとともにＮｂＣ微細析出物が増加し、ｉｌ　Ｓ
　ｓ　ｃ　ｃ性を劣化させる。したがって０．０（１５
〜０．２％とする。

Ｂは焼入れ性を改善することから、靭性、耐５ＳＣＣ性
改善に寄与するが、Ｏ，［１００１％未満ではその効果
がなく、０．００３％を超えると焼戻し後の靭性を低下
さ−ｌる。したがって０．００Ｆ１１〜０、　＋１０３
％とする。

不純物：以−ヒに述べた元素以外に不純物として含まれ
る元素はＰ≦０．０２５％、Ｓ≦（１，００５％、（１
’：０．００２％、Ｎｉ≦０．０５％、Ｃｕ≦０，０５
％に制限することが望まれる。ずなわら、Ｐ、Ｓの制限
は主に靭性低下防止、ミクロ偏析による耐５ｓｃｃ性低
下の防１ヒに有効であり、０の制御ｔ１４は靭性低下防
止に有効である。またＮｉ、Ｃｕの制限は孔食等の耐食
性劣化の防［ヒに効果がある。

２、熱処理および塑性加工 ０１回目の焼入れ 完全にオーステナイト単相にするために８８０℃以上の
焼入れ温度を必要とする。しかし、焼入れ温度が高くな
りすぎると、焼入れ時に結晶粒の粗大化を生しるので、
９８０℃以下に焼入れ温度を制限する。なお、この場合
、次工程で微細なフェライト粒を得るためには、焼入れ
後に８０％以上のマルテンサイト量を必要とする。

０１回目の焼戻しおよび塑性加工 この工程で微細な再結晶フェライトを得るには６００℃
以上の温度を必要とする。しかし、７；３０℃を超える
と、オーステナイトが生成し、この部分は最終的には粗
大な結晶粒となる。したがって、６００〜７３０℃の温
度域で焼戻しおよび塑性加工を行う。

塑性加１゛は６０　（１〜７３０℃の加工温度が確保さ
れるなら、焼戻しと同時に行っても、焼戻し後の冷却過
程で行ってもよい。

塑性加工としては縮径加工、肉厚調整加工、曲げ力１１
下（曲げ戻しを含む）等を採用することができ、その種
類は問わない。

塑性加工による変形量は引張または圧縮変形の総変形量
で表わし−（１〜２０％の範囲内に制限する必要がある
。これが１％未満では再結晶を生じるのに十分な歪を導
入できず、一方２０％を超えると逆にフェライト内部に
小さい歪が残り、２回目の焼入れによりかえってオース
テナイトの結晶粒を大きくする。最適な変形量は加工温
度が高いほど大となる。

加工回数は前記総変形量が１〜２０％の範囲内に制限さ
れるなら、何回でもよい。塑性変形の繰返しはフエライ
１〜粒の微細化に有効であり、回数の増加とともに微細
化は進行する。ただし、７回を超えるとその効果は飽和
する。

０２回目の焼入れ 焼入れ温度が８００℃未満ではオーステナイト化か不十
分となる。また、９５０℃を超えると結晶粒が和犬化す
るために耐食性が劣化する。よって温度範囲は８００〜
９５０℃とする。この焼入れにより微細な旧オーステナ
イト粒を得るには８００℃以」−で、なるべく低温、短
時間の加熱が望ましい。この観点から焼入れ温度は８８
０℃以下とし、加熱保持時間については１０分以内とす
ることが望まれる。なお、焼入れ後は９０％以上のマル
テンサイト量を必要とする。

０２回目の焼戻し この焼戻しは、基本的には所定の強度が確保できるなら
ば高温はど耐５ＳＣＣ性に対して好ましい結果を与える
。この観点から焼戻し温度は６００℃以上とする。焼戻
し温度が６００℃未満では強度は得られてもマルテンサ
イト中の歪が十分に開放されず、′に４ＳＳＣＣ性は劣
る。しかし、７３０“Ｃを超えると、焼戻し後の冷却で
マルテンザイ１へか生成し、耐Ｓ　Ｓ　ＣＣ性を劣化さ
せるので、７３０℃以下に制限する。

〔実施例〕

第１表にａ〜ｒｎで示す本発明対象鋼と、同表にｎ−１
で示す本発明対象外の鋼とからなる熱間加工管（外径７
０鰭、内径５０１ｍ）に対し、１回目の焼入れ・焼戻し
を行うとともに、焼戻しの冷却過程で塑性加工を行い、
しかる後に２回目の焼入れ・焼戻しを行った。また、比
較のために通常の２回焼入れも行った。

塑性加工は１回目の焼戻し後の冷却過程でストレッチレ
ゾ１−４Ｊにて縮径加工を行うか、温間矯正機にてクラ
シュまたはオフセット加工を行うものとした。縮径加工
では引張変形が生し、クラッシュまたはオフセット加工
では引張と圧縮（曲げ）変形が生しる。

製造された各鋼管の旧オーステナイト結晶粒度番号、０
．２％耐力、引張強さ、伸び、シャルピー破面遷移温度
およびＳｃ値の調査結果を製造条件の詳細とともに第２
表に示す。

第２表において、本発明例は本発明対象鋼（ａ〜ｍ）か
らなる鋼管に本発明条件内の熱処理およＧ　− び塑性加工を加えた例、比較例１は本発明対象鋼（ａ−
ｍ）からなる鋼管に本発明条件外の熱処理および塑性加
工を加えた例、比較例２は本発明対象外の鋼（ｎ　−ｕ
　）からなる鋼管に本発明条件内の熱処理および塑性加
工を加えた例、従来例は本発明対象鋼（ａ、ｍ）からな
なる鋼管に通常の２回焼入れを行った例である。

本発明例では１００〜１１５ｋｓｉ　　（７０〜８０、
５　ｋｇｆ　／＊ｓ２）の０．２％耐力範囲においてＳ
（。

値１３．３以上を満足し、一部のものは１０５〜１２０
　ｋ　ｓ　ｉ　　（７３，５〜８４．０ｋｇｆ　／＊曹
２）に文才してＳＣ値は１４．０以−ヒを満足し、他の
特性についても何ら問題はない。

これに対し、比較例Ｉでは強度は高いもののそれに見合
う耐５ｓｃｃ性は確保されておらず、比較例２でも強度
、靭性、ｉＩｉ’ｌ　Ｓ　Ｓ　ＣＣ性のいずれかが劣っ
ている。また、従来例でも強度に見合うｍ１ｓｓｃｃ性
は確保されていない。

〔発明の効果〕

以」二の説明から明らかなように、本発明の油井管製造
方法は通常成分の低合金油井管に対し、従来の２回焼入
れでは達成し得なかったレヘルで＋Ｍｉ度と耐５ｓｃｃ
性を両立させ、しかも強度の加］−を併用する必要かな
いので製造設備、製造能率、製造コストの点で著しく有
利となり、その結果、高グＬ・−ドの油井管を低コスト
で工業的に製造できるという産業」−多大の効果を奏す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は油井管における強度と要求されるＳｃ稙との関
係を示す図表、第２図は結晶粒度番号とＳ　（：　（１
１￥との関係を示す図表である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％でＣ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１
   〜１％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．
   ０１％超、０．０７％以下、Ｎ：０．００２５〜０．０
   １％を含み、残部実質的にＦｅからなる低合金鋼管に対
   し、８８０〜９８０℃から焼入れを行った後、６００〜
   ７３０℃で焼戻しを行うとともに、その温度域において
   塑性加工を全歪量が１〜２０％となるように１回または
   複数回行い、しかる後に８００〜９５０℃からの焼入れ
   と６００〜７３０℃での焼戻しとを行うことを特徴とす
   る耐食性に優れた高強度油井管の製造方法。 ２、低合金鋼管が重量％でＣｒ：０．０５〜２％、Ｍｏ
   ：０．０２〜０．８％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％、
   Ｖ：０．００５〜０．２％、Ｂ：０．０００１〜０．０
   ０３％の１種または２種以上を含有してなる請求項１に
   記載の耐食性に優れた高強度油井管の製造方法。