JPH0762499A

JPH0762499A - 油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH0762499A
Application number: JP21167493A
Authority: JP
Inventors: Yukio Miyata; 由紀夫宮田; Yasuyoshi Yamane; 康義山根; Katsuomi Tamaoki; 克臣玉置
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1993-08-26
Filing date: 1993-08-26
Publication date: 1995-03-07

Abstract

(57)【要約】【目的】油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼におい
て、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｓ、Ｃｌ^-を含む厳しい腐食環境下で
あって温度が100 〜150 ℃となる環境下での耐全面腐食
性および耐ＳＣＣ性が改善され、機械的強度も十分に確
保されるとともに、高い熱間加工性をも備えたものを提
供する。【構成】本発明の油井管用マルテンサイト系ステンレス
鋼は、Ｃ：0.02〜0.05重量％、Ｓｉ：0.50重量％以下、
Ｍｎ：0.30〜1.20重量％、Ｐ：0.025 重量％以下、Ｓ：
0.005 重量％以下、Ｃｒ：12.0〜14.0重量％、Ｎｉ：3.
0 〜5.0 重量％、Ｍｏ：0.5 〜1.5 重量％、Ａｌ:0.01
〜0.05重量％、Ｎ：0.03〜0.08重量％、Ｏ：0.005 重量
％以下、Ｂ：0.0005〜0.0100重量％を含有し、残部がＦ
ｅおよび不可避的不純物よりなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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、特
に炭酸ガス（ＣＯ₂)、硫化水素（Ｈ₂Ｓ）、塩素イオン
（Ｃｌ^-) などを含む極めて厳しい腐食環境の油井、ガ
ス井で使用するに適した、耐全面腐食性と硫化物存在下
での耐応力腐食割れ（Stress Corrosion Crack，「ＳＣ
Ｃ」と略称される。）性とに優れ、熱間加工性にも優れ
た油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼に関する。

【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に対応して、従来は開発
がなされなかったような深層油田や、開発が一旦は放棄
されていたサワーガス田等に対する開発が世界的規模で
盛んになっている。このような油田やガス田は一般に深
度が極めて深く、その雰囲気はＣＯ₂、Ｈ₂Ｓ、Ｃｌ^-
等を含む厳しい腐食環境となっている。したがって、こ
のような油田やガス田の採掘に使用される油井管として
は、高強度でしかも耐全面腐食性と耐ＳＣＣ性を兼ね備
えた材質が要求される。

【０００３】このような苛酷な腐食環境下においては、
温度が100 ℃以下の比較的低温の環境下では13Ｃｒマル
テンサイト系ステンレス鋼を、それ以上の高温の環境下
では22Ｃｒ二相ステンレス鋼を使用することが一般的で
あったが、多くの油井は100〜150 ℃の温度環境下にあ
るため、この程度の温度環境下で高価な22Ｃｒ二相ステ
ンレス鋼を使用することは過剰防食であり、経済的でな
いという問題点があった。

【０００４】そこで、腐食性が高く温度が100 〜150 ℃
である油井環境に適した、22Ｃｒ二相ステンレス鋼に代
わり得る安価で機械的強度も高い油井管用のステンレス
鋼として、本発明者等は、Ｃの含有割合を従来より著し
く低減した13Ｃｒ鋼にＮｉ、Ｍｏ、Ｎを添加し、さらに
Ｓｉ、Ａｌ、Ｏの含有割合を低減した油井管用マルテン
サイト系ステンレス鋼を提案した（特開平４−２２４６
５６号公報参照）。

【０００５】このような油井管用マルテンサイト系ステ
ンレス鋼によれば、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｓ、Ｃｌ^-を含む厳し
い腐食環境下であって温度が100 〜150 ℃となる環境下
での耐全面腐食性および耐ＳＣＣ性が改善され、機械的
強度も十分に確保される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記油
井管用マルテンサイト系ステンレス鋼には、熱間加工性
の面で改善の余地があった。本発明は、このような事情
を背景としてなされたものであり、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｓ、Ｃ
ｌ^-を含む厳しい腐食環境下であって温度が100 〜150
℃となる環境下での耐全面腐食性および耐ＳＣＣ性が改
善され、機械的強度も十分に確保されるとともに、高い
熱間加工性をも備えた油井管用マルテンサイト系ステン
レス鋼を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、Ｃ：0.02〜0.05重量％、Ｓｉ：0.50重量
％以下、Ｍｎ：0.30〜1.20重量％、Ｐ：0.025 重量％以
下、Ｓ：0.005 重量％以下、Ｃｒ：12.0〜14.0重量％、
Ｎｉ：3.0 〜5.0 重量％、Ｍｏ：0.5 〜1.5 重量％、Ａ
ｌ:0.01 〜0.05重量％、Ｎ：0.03〜0.08重量％、Ｏ：0.
005 重量％以下、Ｂ：0.0005〜0.0100重量％を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴と
する油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼を提供す
る。

【０００８】

【作用】本発明の油井管用マルテンサイト系ステンレス
鋼においては、Ｃの含有割合を従来より著しく低減した
13Ｃｒ鋼にＮｉ、Ｍｏ、Ｎを添加し、さらにＳｉ、Ａ
ｌ、Ｏの含有割合を低減するとともに、Ｂを0.0005〜0.
0100重量％の範囲で含有することにより、ＣＯ₂、Ｈ₂
Ｓ、Ｃｌ^-を含む厳しい腐食環境下であって温度が100
〜150 ℃となる環境下での耐全面腐食性および耐ＳＣＣ
性を損なうことなく、機械的強度も確保しながら、しか
も熱間加工性を十分に高くすることが可能となる。

【０００９】各成分の含有割合についての限定理由を以
下に述べる。＜Ｃ：0.02〜0.05重量％＞Ｃはマルテンサイト系ステン
レス鋼の機械的強度を決める重要な元素であるが、後述
のＮｉの添加によってＡｃ₁点が下がりＣ固溶量が減少
するため、焼戻し時に鋭敏化が起こりやすくなる。鋭敏
化を起こさせないためには、Ｃの含有割合を0.05重量％
以下にする必要がある。また、Ｃの含有割合を0.02重量
％未満とするには、特別な脱ガス処理が必要となるため
製造コストが著しく上昇する。

【００１０】なお、本発明では、後述するように、Ｃの
含有割合を低減したことによる機械的強度の低下を、主
にＮｉの添加によって補うこととした。＜Ｓｉ：0.50重量％以下＞Ｓｉは通常の製鋼過程におけ
る脱酸剤として必要な元素であるが、0.50重量％を越え
て含有するとδフェライトの発生を招き、耐食性および
熱間加工性が劣化する。

【００１１】＜Ｍｎ：0.30〜1.20重量％＞Ｍｎは、油井
管用マルテンサイト系ステンレス鋼として必要な機械的
強度を確保するために、0.30重量％以上含有することが
必要であるが、1.20重量％を超えて含有すると靱性に悪
影響を及ぼす。＜Ｐ：0.025 重量％以下＞Ｐは耐全面腐食性や耐ＳＣＣ
性を劣化させる元素であり、その含有量はできるだけ少
ないことが望ましい。工業的に比較的安価に製造可能
で、耐全面腐食性や耐ＳＣＣ性の劣化が前述の油井環境
下で十分に抑制される範囲として、0.025 重量％以下に
した。

【００１２】＜Ｓ：0.005 重量％以下＞Ｓは熱間加工性
を著しく劣化させる元素であり、その含有量はできるだ
け少ないことが望ましい。その限界値としてＳの含有割
合が0.005 重量％を超えると、通常の工程でのパイプ製
造が困難となる。＜Ｃｒ：12.0〜14.0重量％＞Ｃｒはステンレス鋼の耐食
性を保持するための主要な元素であり、耐食性の観点か
らは含有割合を12.0重量％以上とする必要があるが、含
有割合が14.0重量％を超えるとδフェライトの発生を招
き熱間加工性が劣化する。

【００１３】＜Ｎｉ：3.0 〜5.0 重量％＞Ｎｉは耐食性
のうち特にＣＯ₂による全面腐食に対して抵抗性を与え
るとともに、Ｃの含有割合を低減した13Ｃｒ鋼の機械的
強度を上昇させるために添加されるが、3.0 重量％未満
ではその効果は認められず、5.0 重量％を超えるとマル
テンサイト組織の安定性を損なう。

【００１４】＜Ｍｏ：0.5 〜1.5 重量％＞Ｍｏは耐食性
のうち特にＣｌ^-による孔食に対して抵抗性を与える元
素であるが、0.5 重量％未満ではその効果は認められ
ず、1.5 重量％を超えるとδフェライトの発生を招いて
孔食以外の耐食性及び熱間加工性が劣化する。＜Ａｌ:0.01 〜0.05重量％＞Ａｌは強力な脱酸作用を有
する元素であるが、0.01重量％未満ではその効果が十分
ではなく、0.05重量％を越えると靱性に悪影響を及ぼ
す。

【００１５】＜Ｎ：0.03〜0.08重量％＞Ｎは耐食性、耐
ＳＣＣ性を著しく向上させる元素であるが、0.03重量％
未満ではその効果が十分ではなく、0.08重量％を超える
と種々の窒化物を形成して靱性を劣化させる。＜Ｏ：0.005 重量％以下＞Ｏを0.005 重量％を超えるほ
ど多く含有すると、各種酸化物が形成されて、熱間加工
性、耐全面腐食性、耐ＳＣＣ性、および靱性が著しく劣
化する。

【００１６】＜Ｂ：0.0005〜0.0100重量％＞Ｂは粒界を
強化する作用を有する元素であり、Ｂの添加により変形
時に粒界の延性が増すため熱間加工性が高くなる。ま
た、粒界に沿って進展するマルテンサイト系ステンレス
鋼の応力腐食割れを抑制する効果があるため、Ｂの添加
により耐ＳＣＣ性が向上する。これらの効果を発揮させ
るためには0.0005重量％以上の添加が必要であり、0.01
00重量％を超えて添加すると逆に脆化を引き起こすこと
になる。

【００１７】なお、この鋼によれば、熱間加工性が十分
に高いため、油井管の製造を通常の製造工程に何ら手を
加えることなく行うことができる。すなわち、例えば、
シームレスパイプあるいは電縫管に成形後、950 〜1050
°Ｃ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、油井管として必要な強度を得るべく550 〜
700 °Ｃの温度範囲で焼戻しを行う。

【００１８】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。下
記の表１に示すような、試料記号Ａ〜Ｏの各化学組成を
有する鋼により、熱間加工性、耐全面腐食性、および耐
ＳＣＣ性を調べる実験を行った。すなわち、前記各鋼を
厚さ１５ｍｍの板状に熱間圧延して得られた熱延鋼板か
ら、平行部直径６ｍｍの丸棒引張試験片Ａを採取した。
また、前記厚さ１５ｍｍの熱延鋼板に対して焼きならし
および焼戻しを行い、降伏強度が表１に示す値となった
素材から、それぞれ厚さ３ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ４０
ｍｍの試験片Ｂと、厚さ２ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ７５
ｍｍの試験片Ｃを作製した。

【００１９】熱間加工性については、試験片Ａを用い、
その両端を引張試験機のチャックに取り付けて１２５０
℃の雰囲気下に１００秒以上保持した後、雰囲気温度を
１０℃／ｓの速度で１０００℃まで下げて、その温度に
１０秒間保持した後、高速（１００ｍｍ／ｓ）で破断す
るまで引張り、これによる丸棒断面の直径減少率を算出
した。この値が６０％以上であれば、傾斜圧延法により
シームレス鋼管に加工するために十分な熱間加工性を有
するものと考えることができる。

【００２０】耐全面腐食性については、試験片Ｂを、Ｎ
ａＣｌ濃度２０重量％、ＣＯ₂圧力３０気圧、温度１５
０℃の雰囲気下に１週間放置し、その重量減少量から腐
食速度を算出した。この値が小さいほど耐全面腐食性が
高く、０．０５０ｇ/m²h以下であれば前述の油井環境に
耐えられるものと考えることができる。耐ＳＣＣ性につ
いては、図１に示すように、試験片Ｃを曲げ治具Ｇによ
り曲率半径Ｒが８ｍｍとなるようにＵ字状に曲げた状態
に保持して、ＮａＣｌ濃度２０重量％、ＣＯ₂分圧３０
気圧、Ｈ₂Ｓ分圧：０．００７気圧、温度１５０℃の雰
囲気下に１週間放置し、（ａ）肉眼観察による割れ発生
の有無と、（ｂ）断面を光学顕微鏡で観察した時の割れ
発生の有無とで評価した。

【００２１】各試験の結果を下記の表１に併せて示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１から分かるように、本発明の鋼に相当
する試料記号Ｌ〜Ｏの各鋼は、腐食速度が前述の油井環
境に耐え得るための０．０５０ｇ/m²h以下となり、応力
腐食割れの発生も認められないとともに、直径減少率が
傾斜圧延法によりシームレス鋼管に加工するために十分
な６０％以上になっており、降伏強度も１００ｋｓｉ
（ｋｇｆ／ｉｎ²）以上と高いため、前述の腐食性が高
く１００〜１５０℃の温度となる環境下で用いられる油
井管用鋼として、十分な耐全面腐食性、耐ＳＣＣ性、お
よび熱間加工性を兼ね備えているものである。

【００２４】これに対し、本発明の組成範囲外である試
料記号Ａ〜Ｋの鋼（比較例鋼）は、以下に述べるよう
に、直径減少率が６０％に達していなかったり、腐食速
度が０．０５０ｇ/m²hより大きかったり、応力腐食割れ
が発生したりしており、耐全面腐食性、耐ＳＣＣ性、お
よび熱間加工性のすべてを兼ね備えているものはない。
すなわち、Ａ鋼は、Ｃの含有割合が０．０５３重量％と
本発明の範囲より大きいために、焼戻し時に鋭敏化が起
こって腐食速度の値が大きくなり、耐全面腐食性に劣る
ものであった。また、Ｂを含有していないが、ＳｉやＳ
の含有割合が比較的少ないため直径減少率は６０．２％
となった。

【００２５】Ｂ鋼は、Ｃｒの含有割合が１１．５重量％
と本発明の範囲より小さいために、腐食速度の値が大き
く耐全面腐食性に劣るものであった。また、Ｂを含有し
ていないがＣｒの含有割合が小さいために、直径減少率
は６１．２％となった。Ｃ鋼は、Ｍｏの含有割合が０．
３２重量％と本発明の範囲より小さいために、腐食速度
の値が大きく耐全面腐食性に劣るものであった。また、
Ｂを含有せずＮの含有割合も小さいため、顕微鏡観察と
肉眼観察の両方で応力腐食割れが認められ耐ＳＣＣ性が
十分でないものであった。さらに、Ｂを含有していない
がＳやＭｎの含有割合が小さいために、直径減少率は６
３．９％となった。

【００２６】Ｄ鋼は、Ｓｉの含有割合が０．８０重量％
と本発明の範囲より大きいとともにＢを含有していない
ために、腐食速度の値が大きく耐全面腐食性に劣り、直
径減少率も６０％に達せず熱間加工性が十分でないもの
となった。Ｅ鋼は、Ｓの含有割合が０．００６重量％と
本発明の範囲より大きいとともにＢを含有していないた
めに、直径減少率が６０％に達せず熱間加工性が十分で
ないとともに、顕微鏡観察により応力腐食割れが認めら
れ耐ＳＣＣ性が十分でないものであった。

【００２７】Ｆ鋼は、Ａｌの含有割合が０．０５７重量
％と本発明の範囲より大きいために降伏強度が９４．８
ｋｓｉと小さく機械的強度に劣るものとなった。また、
顕微鏡観察により応力腐食割れが認められ耐ＳＣＣ性が
十分でないとともに、腐食速度の値が大きく耐全面腐食
性に劣るものであった。さらに、Ｂを含有していないた
めに、直径減少率が６０％に達せず熱間加工性も十分で
ないものとなった。

【００２８】Ｇ鋼は、Ｏの含有割合が０．００６重量％
と本発明の範囲より大きいために、腐食速度の値が大き
く耐全面腐食性に劣るとともに、Ｂを含有していないた
めに、直径減少率が６０％に達せず熱間加工性も十分で
ないものとなった。Ｈ〜Ｉ鋼は、Ｃ〜Ｏまでの含有割合
は本発明の範囲に入っているが、Ｂを含有していないた
めに、直径減少率が６０％に達せず熱間加工性が十分で
ないものとなった。

【００２９】Ｊ鋼は、Ｂの含有量が０．０００４重量％
と本発明の範囲より小さいため、直径減少率が６０％に
達せず、熱間加工性を向上させるＢの効果が発揮されて
いない。Ｋ鋼は、Ｂの含有量が０．０１１８重量％と本
発明の範囲より大きいため、顕微鏡観察により応力腐食
割れが認められ耐ＳＣＣ性が十分でないものであった。
また、直径減少率が６０％に達せず熱間加工性も十分で
ないものとなった。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の油井管用マ
ルテンサイト系ステンレス鋼は、Ｃの含有割合を従来よ
り著しく低減した13Ｃｒ鋼にＮｉ、Ｍｏ、Ｎを添加し、
Ｓ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｏの含有割合を低減するとともに、Ｂ
を0.0005〜0.0100重量％の範囲で含有することにより、
ＣＯ₂、Ｈ₂Ｓ、Ｃｌ^-を含む厳しい腐食環境下であっ
て温度が100 〜150 ℃となる環境下での耐全面腐食性お
よび耐ＳＣＣ性を損なうことなく、機械的強度も確保し
ながら、熱間加工性を十分に高くすることが可能とな
る。すなわち、本発明の鋼は、油井管用として、前述の
ような苛酷な環境下で使用可能な特性と、製造時の加工
し易さとを兼ね備えているものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における耐ＳＣＣ性を調べるた
めの試験方法（試験片への応力付与状態）を示す正面図
である。

【符号の説明】

Ｃ試験片Ｇ曲げ治具

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.02〜0.05重量％、Ｓｉ：0.50重量
％以下、Ｍｎ：0.30〜1.20重量％、Ｐ：0.025 重量％以
下、Ｓ：0.005 重量％以下、Ｃｒ：12.0〜14.0重量％、
Ｎｉ：3.0 〜5.0 重量％、Ｍｏ：0.5 〜1.5 重量％、Ａ
ｌ:0.01 〜0.05重量％、Ｎ：0.03〜0.08重量％、Ｏ：0.
005 重量％以下、Ｂ：0.0005〜0.0100重量％を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴と
する油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼。