JP3009126B2 - ラインパイプ用高Crマルテンサイト鋼管の製造方法 - Google Patents

ラインパイプ用高Crマルテンサイト鋼管の製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、溶接性、母材および溶
接部の靱性、耐食性に優れた、おもに石油・天然ガスを
輸送するためのラインパイプ用高Crマルテンサイト鋼管
の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】石油・天然ガスを生産する坑井は、掘削
が容易なものは既に掘り尽くされている。従って、腐食
環境の厳しい坑井、深度が大きい坑井、寒冷地や海底な
どのような厳しい環境にある坑井にも手をつけざるを得
ないのが実情である。そのため、油井管やラインパイプ
に使用される材料としては、より高い性能が求められる
ようになってきている。ところで、こうした腐食環境と
しては、炭酸ガスを多量に含む井戸が増加しており、こ
のような環境では、炭素鋼は著しく腐食するので、従
来、その防食手段としてインヒビタを添加することが行
われてきた。しかし、インヒビタの使用は、高コストと
なることや、高温では効果が不十分であるため、近年で
は、インヒビタを用いずに耐食材料を用いる傾向にあ
る。そこで従来、このような油井管用材料として、Cr
を13%含有するマルテンサイト系ステンレス鋼が広く
用いられている。
【0003】この13%Crマルテンサイト系ステンレ
ス鋼とほぼ同等の耐食性を有する耐食性ラインパイプ用
材料として、API規格中にC量を低減した12%Cr系
マルテンサイト系ステンレス鋼が規定されている。しか
し、この鋼は、円周溶接に予熱、後熱が必要であり高コ
ストとなることや、溶接部の靱性に劣るという欠点があ
ることから、一般にはほとんど採用されていない。その
ため、耐食性ラインパイプ用材料としては、溶接性と耐
食性に優れているとの理由で、二相ステンレス鋼が用い
られてきた。しかし、この二相ステンレス鋼というの
は、井戸によっては過剰品質であったり、高コストとな
るという問題があった。
【0004】従来技術が抱えている上述した問題点を克
服する技術として、特開平4−99128号公報では、
CおよびNを低めに誘導すると共に、焼入れ焼もどし条
件を適正にすることにより、耐食性、衝撃靱性、生産性
に優れるラインパイプ用マルテンサイト系ステンレス鋼
を提案している。しかし、この従来技術は、溶接熱影響
部(HAZ部)の靱性が十分ではないという問題点があ
った。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
上記各従来技術はいずれも、溶接熱影響部の靱性が低
く、安定した防食作用を持たないうえに常にコスト高で
あるという共通した課題を抱えていた。そこで本発明
は、炭酸ガス環境でも十分な耐食性を示し、かつ溶接熱
影響部の靱性ならびに溶接性にも優れたラインパイプ用
鋼管の製造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、上記の目
的を実現すべく鋭意検討した結果、CおよびN量をそれ
ぞれ0.03wt%以下、0.02wt%以下にまで低減したうえ、
Cuを0.2 〜1.0 wt%に調整したCr鋼に、適切な熱処理
を施すことで、炭酸ガス環境下などでのラインパイプに
要求される耐食性および溶接性、とくに溶接熱影響部の
靱性に優れたラインパイプ用高Crマルテンサイト鋼管
の製造方法を開発するに到った。
【0007】すなわち、本発明は、 (1) C:0.03wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.8 〜3.0 wt%、Cr:10〜14wt%、 Ni:0.2 〜2.0 wt%、Cu:0.2 〜1.0 wt%、 N:0.02wt%以下を含有し、 残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を造管した後、
Ac3点以上の温度でオーステナイト化してから焼入れ
し、その後、550 ℃以上Ac1点未満の温度で焼もどすこ
とを特徴とするラインパイプ用高Crマルテンサイト鋼管
の製造方法、 (2) C:0.03wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.8 〜3.0 wt%、Cr:10〜14wt%、 Ni:0.2 〜2.0 wt%、Cu:0.2 〜1.0 wt%、 N:0.02wt%以下を含有し、 残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を造管した後、
Ac3点以上の温度でオーステナイト化してから焼入れ
し、その後、Ac1点以上Ac1点+50℃以下の温度で熱処
理することを特徴とするラインパイプ用高Crマルテンサ
イト鋼管の製造方法、 (3) C:0.03wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.8 〜3.0 wt%、Cr:10〜14wt%、 Ni:0.2 〜2.0 wt%、Cu:0.2 〜1.0 wt%、 N:0.02wt%以下を含有し、 残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を造管した後、
Ac3点以上の温度でオーステナイト化してから焼入れ
し、その後、Ac1点以上Ac1点+50℃以下の温度で熱処
理し、さらにその後冷却してから、Ac1点未満の温度で
焼もどすことを特徴とするラインパイプ用高Crマルテン
サイト鋼管の製造方法、である。
【0008】
【作用】以下に、本発明において用いるマルテンサイト
系ステンレス鋼の成分およびその限定理由について述べ
る。 C:0.03wt%以下 Cは、溶接割れ回避のため、溶接熱影響部の靱性向上の
ため、溶接熱影響部の硬さ低減のため、また、炭酸ガス
に対する耐食性確保のためにできるだけ低いほうが望ま
しい。特に、予熱なしで溶接を可能にするためには0.03
wt%以下とすることが必要であることから、C量は0.03
wt%以下、好ましくは0.02wt%以下とする。
【0009】Si:0.5 wt%以下 Siは、脱酸元素として添加されるが、フェライト生成元
素であるので、多量に含有するとフェライトが生成しや
すくなり、母材および溶接部の靱性を劣化させる。ま
た、継目無鋼管においてはフェライトが存在すると、製
造に支障をきたす恐れがある。したがって、Si量は0.5
wt%以下、好ましくは0.3 wt%以下とする。
【0010】Mn:0.8 〜3.0 wt% Mnは、脱酸および強度確保に必要な元素である。また、
オーステナイト生成元素であるため、フェライト生成を
抑制し、母材および溶接部の靱性を向上させる働きもあ
る。これらの効果を得るためには 0.5wt%以上、好まし
くは0.8wt %以上必要であるが、3.0 wt%を超えて添加
しても効果が飽和するため、Mn量は 0.5〜3.0 wt%、好
ましくは0.8 〜2.7 wt%とする。
【0011】Cr:10〜14wt% Crは、マルテンサイト組織を確保し、かつ炭酸ガスに
対する耐食性を付与するために必要な基本元素である。
これらの効果を得るためには10wt%以上の添加が必要で
ある。一方、14wt%を超えて含有するとフェライトの生
成が容易になり、マルテンサイト組織を安定して得るた
めには、多量のオーステナイト生成元素の添加が必要と
なり、コスト高となる。従って、Cr量は10〜14wt%と
する。
【0012】Ni:0.2 〜2.0 wt% Niは、オーステナイト生成元素としてC, Nの低減によ
る影響を補うとともに、炭酸ガス環境における耐食性、
ならびに靱性を向上させることに効果がある。その効果
を得るには 0.2wt%以上の添加が必要である。しかし、
2.0 wt%を超えて添加するとAc1点が下がり過ぎ、要求
される特性を得るには長時間の焼もどしが必要となるほ
か、コストも高くなる。したがって、Niの添加量は0.2
〜2.0 wt%、好ましくは0.5 〜1.7 wt%とする。
【0013】Cu:0.2 〜1.0 wt% Cuは、Ni, Mnとともにオーステナイト生成元素として
C, Nの低減による影響を補うとともに、溶接熱影響部
の靱性向上、耐炭酸ガス腐食性向上にも効果がある。こ
れらの効果を得るには 0.2wt%以上の添加が必要であ
る。しかし、1.0 wt%を超えて含有すると、一部が固溶
せず析出するようになり、母材および溶接熱影響部の靱
性に悪影響を与えるようになる。よって、Cuは0.2 〜1.
0 wt%、好ましくは0.2 〜0.7 wt%とする。
【0014】N:0.02wt%以下 Nは、Cと同様、溶接割れ回避のため、溶接熱影響部の
靱性向上のため、溶接熱影響部の硬さ低減のためにでき
るだけ低いほうが望ましい。含有量が0.02wt%を超える
と、これらの影響が大きくなるので、N量は0.02wt%以
下、好ましくは0.015 wt%以下とする。
【0015】上記の組成からなる鋼を、プラグミル方
式、マンドレルミル方式などの一般に行われる工程から
なる継目無鋼管製造方法、あるいは、電縫鋼管、UOE
鋼管、スパイラル鋼管などの一般に行われる工程からな
る溶接鋼管製造方法により造管した後、以下の熱処理を
実施する。
【0016】・Ac3点以上の温度でオーステナイト化
し、焼入れ Ac3点以上の温度でのオーステナイト化は、鋼の組織を
均一化し、所定の特性を得るために行う。しかし、過度
に高い温度でのオーステナイト化は、粒が粗大化し靱性
が劣化すること、また、エネルギーコストの上昇を招
く。したがって、オーステナイト化のための温度は、A
c3点以上の温度、好ましくはAc3点以上Ac3点+100 ℃
以下とする。なお、本発明に従う組成の鋼では、オース
テナイト化後、空冷することによりマルテンサイト単相
組織が得られる。上記焼入れ処理後の熱処理に関して
は、本発明法の特徴をなす重要なポイントであり、下記
(1)(2)(3) の3種類の方法を適用することができる。
【0017】・(1) 550 ℃以上、Ac1点未満の温度で焼
もどし 550 ℃以上、Ac1点未満の温度で焼もどしすることによ
り、均一な焼もどしマルテンサイトとなり、優れた靱性
が得られる。ここで、焼もどし温度が550 ℃に満たない
と、焼もどしが不十分となり靱性が不足する。なお、こ
の焼もどし処理における上記温度範囲における保持時間
は10分以上120分以下とするのが好ましく、保持後
の冷却は空冷でよい。
【0018】・(2) Ac1点以上、Ac1点+50℃以下の温
度で熱処理(二相域熱処理) Ac1点以上の熱処理により、マルテンサイトとオーステ
ナイトの微細な二相組織となり、その後の冷却におい
て、微細なマルテンサイト組織になる。組織には焼もど
しされていないフレッシュなマルテンサイトが混在する
が、組織が微細なため靱性が向上する。しかし、Ac1
+50℃を超えて熱処理を行うと、粒が粗大化することか
ら、逆に靱性が劣化する。なお、この温度範囲における
保持時間は10分以上60分以下とするのが好ましく、
保持後の冷却は空冷でよい。
【0019】・(3) Ac1点以上、Ac1点+50℃以下の温
度で熱処理し、その後、Ac1点以下の温度で焼もどし 上記(2) の組織が焼もどされることにより、微細な焼も
どしマルテンサイト組織となるため、さらに高靱性の鋼
が得られる。なお、場合の各温度範囲における保持時間
は、それぞれ上記(1) および(2) と同様に行えばよく、
保持後の冷却はいずれも空冷でよい。
【0020】上記の各熱処理方法は、鋼管として必要な
特性や製造コストなどを考慮して適宜選択される。
【0021】
【実施例】表1に示す組成の鋼を溶製し、肉厚0.5" (1
2.7mm) の継目無鋼管とした。引き続き、表1に併せて
示す温度の熱処理により製品とした。表中のQは、オー
ステナイト化焼入れ温度、Tdは、Ac1点以上二相域熱処
理温度、TはAc1点以下での焼もどし温度を意味する。
これらの熱処理における保持時間はいずれも30分間で、
冷却はいずれも空冷とした。これらの鋼管をTIG溶接
法(予熱、後熱はともに行わず)により円周溶接を行
い、継手を作製した。
【0022】
【表1】
【0023】得られた溶接継手から試験片を採取し、溶
接熱影響部のシャルピー試験、および溶接部の炭酸ガス
腐食試験を実施した。シャルピー試験は、熱影響部から
フルサイズ試験片を採取し、0℃における吸収エネルギ
ーを測定した。また、炭酸ガス腐食試験は、オートクレ
ーブを用い3.0 MPa の炭酸ガスを飽和させた20%NaCl中
に、母材と溶接部が含まれるよう採取した3.0 mm×25mm
×50mmの試験片を浸漬し、80℃で7日間保持し、試験前
後の重量測定から腐食速度を求めた。これらの試験結果
を表1に併せて示す。
【0024】表1から、本発明によって製造された鋼管
は、溶接熱影響部の0℃での吸収エネルギーが 170J以
上あり、優れた靱性を示すことがわかる。また、腐食速
度は、耐食性材料として実用的に使用可能な0.1 mm/y
以下となっており、しかも溶接部の選択腐食は認められ
ず、耐炭酸ガス腐食性にも優れていることがわかる。な
お、溶接において予熱、後熱を行っていないことから、
優れた溶接性を兼ね備えていることも明らかである。
【0025】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、炭
酸ガス環境で優れた耐食性を示し、かつ溶接部とくに溶
接熱影響部の靱性、溶接性に優れたラインパイプ用高C
rマルテンサイト鋼管が製造可能になる。したがって、
この発明によれば石油・天然ガス等を輸送するためのラ
インパイプが安価に提供可能なり、産業の発展に寄与す
るところが極めて大きい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−140645(JP,A) 特開 平3−31423(JP,A) 特開 平6−88130(JP,A) 特公 昭59−15977(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C21D 9/00 - 9/44 C21D 9/50

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 C:0.03wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.8 〜3.0 wt%、Cr:10〜14wt%、 Ni:0.2 〜2.0 wt%、Cu:0.2 〜1.0 wt%、 N:0.02wt%以下を含有し、 残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を造管した後、
    Ac3点以上の温度でオーステナイト化してから焼入れ
    し、その後、550 ℃以上、Ac1点未満の温度で焼もどす
    ことを特徴とするラインパイプ用高Crマルテンサイト鋼
    管の製造方法。
  2. 【請求項2】 C:0.03wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.8 〜3.0 wt%、Cr:10〜14wt%、 Ni:0.2 〜2.0 wt%、Cu:0.2 〜1.0 wt%、 N:0.02wt%以下を含有し、 残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を造管した後、
    Ac3点以上の温度でオーステナイト化してから焼入れ
    し、その後、Ac1点以上、Ac1点+50℃以下の温度で熱
    処理することを特徴とするラインパイプ用高Crマルテン
    サイト鋼管の製造方法。
  3. 【請求項3】 C:0.03wt%以下、 Si:0.5 wt%以下、 Mn:0.8 〜3.0 wt%、Cr:10〜14wt%、 Ni:0.2 〜2.0 wt%、Cu:0.2 〜1.0 wt%、 N:0.02wt%以下を含有し、 残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を造管した後、
    Ac3点以上の温度でオーステナイト化してから焼入れ
    し、その後、Ac1点以上、Ac1点+50℃以下の温度で熱
    処理し、さらにその後冷却してから、Ac1点未満の温度
    で焼もどすことを特徴とするラインパイプ用高Crマルテ
    ンサイト鋼管の製造方法。
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