JP5447880B2 - 拡管性に優れる油井用ステンレス鋼管の製造方法 - Google Patents
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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に対処するため、従来、省みられなかったような深層油田や、一旦は開発が放棄されていた腐食性の強い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、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、CO2、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用鋼管としては、高強度で、しかも耐食性を兼ね備えた鋼管が要求されている。従来から、このような環境下で使用される油井用鋼管として、耐CO2腐食性に優れた13%Crマルテンサイト系ステンレス鋼管が使用されてきた。
また、所望の強度、耐食性(耐CO2腐食性等)さらには靭性を確保するために、C,Si,Mn,Cr,Ni,Mo,あるいはさらにCu,Nb、および/または、Ti,Zr,B,W、および/または、Caを適正含有量範囲内に調整し、さらに適正な組織とすることにより、所望の強度を有し、優れた耐食性、とくに優れた耐CO2腐食性と優れた拡管性とを兼備する油井用ステンレス鋼管とすることができることを知見した。
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は、次のとおりである。
n>0.007×(25−u-El)‥‥‥(2)
(ここで、n:n値、u-El:均一伸び(%))
を満足するステンレス鋼管としたのち、前記素管の端面側に次(1)式
拡管率=[{(プラグ外径)−(素管内径)}/(素管内径)]×100(%)‥(1)
(ここで、プラグ外径:拡管用工具(プラグ)の外径(mm)、素管内径:鋼管端面側の加工前内径(mm))
で定義される拡管率で3%以上である拡管加工を施し、ついで該拡管加工を施された部位に溶接用開先加工を施すことを特徴とする拡管性に優れた油井用ステンレス鋼管の製造方法。
A群:Cu:3.5%以下、
B群:Nb:0.20%以下、
C群:Ti:0.30%以下、Zr:0.20%以下、B:0.0005〜0.01%、W:1.0%以下のうちから選ばれた1種または2種以上、
D群:Ca:0.0005〜0.01%
のうちから選ばれた1群または2群以上を含有する組成とすることを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
拡管率=[{(プラグ外径)−(素管内径)}/(素管内径)]×100(%)‥(1)
(ここで、プラグ外径:拡管用工具(プラグ)の外径(mm)、素管内径:鋼管端面部の加工前内径(mm))
で定義される。拡管率が3%未満では、油井内での高拡管に対応することができにくい。ここでいう「油井内での高拡管」とは、油井内での拡管率が25%以上の拡管をいうものとする。
n>0.007×(25−u-El)‥‥‥(2)
(ここで、n:n値、u-El:均一伸び(%))
を満足するn値を有することが好ましいという知見を得ている。n値が(2)式を満足できない場合には、所望の優れた拡管性を確保することが難しくなる。なお、均一伸びu-Elは、管軸方向を引張方向とするAPI規定またはJIS規定(JIS Z 2241)に準拠して採取した引張試験片を用いてAPI規定または、JIS規定(JIS Z 2241)に準拠して引張試験を実施して測定した値を用いるものとする。
C:0.25%以下
Cは、マルテンサイト系ステンレス鋼管の強度に関係する重要な元素であるが、0.25%を超えて多量に含有すると、鋼管製造時に焼割れを発生する恐れが増大する。また、Cの多量含有は、耐食性を低下させる。このため、Cは0.25%以下に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.20%の範囲である。
Siは、通常の製鋼過程において脱酸剤として有用な元素である。このような効果を得るために0.05%以上含有することが望ましいが、1.0%を超える含有は、熱間加工性、さらには靭性を低下させる。このため、Siは1.0%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.05〜0.50%である。
Mnは、固溶して鋼管強度を増加させる作用を有するとともに、n値向上に有効に寄与する元素である。油井用マルテンサイト系ステンレス鋼管として所望の強度を確保するために0.10%以上含有することが好ましいが、2.50%を超える多量の含有は、靭性に悪影響を及ぼすとともに、鋼管製造時に焼割れを発生する恐れを増大させる。このため、Mnは0.10〜2.50%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.10〜1.00%である。
Pは、熱間加工性を低下させるとともに、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、本発明では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高騰を招く。そのため、本発明ではPは、工業的に比較的安価に実施可能でかつ、熱間加工性、耐CO2腐食性、耐CO2応力腐食割れ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性を低下させない範囲である、0.05%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.02%以下である。
Sは、パイプ造管過程における熱間加工性を著しく劣化させる元素であり、本発明では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高騰を招く。そのため、本発明ではSは、通常の工程でのパイプ製造が可能な範囲である0.005%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.003%以下である。
Alは、強力な脱酸剤として作用するとともに、Nと結合し結晶粒を微細化する作用をも有する元素である。このような効果を安定して確保するために0.005%以上含有することが望ましいが、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%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.005〜0.03%である。
Crは、所望の耐CO2腐食性、耐CO2応力腐食割れ性を保持するために重要な元素であり、本発明が対象としている環境下における耐食性確保の観点からは、10.5%以上含有することが好ましいが、18.0%を超える含有は、フェライトが安定となり所望の鋼管強度を確保できなくなる。このため、Crは10.5〜18.0%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは11.0〜15.0%である。
Nは、オーステナイト生成元素であり、鋼管強度の向上に有効に寄与する。また、耐孔食性を向上させる作用をも有する。このような効果を得るためには、0.005%以上含有することが望ましいが、0.09%を超えて含有すると、Cr窒化物等の種々の窒化物を多量に形成して靭性、耐食性を低下させる。このため、Nは0.09%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.01〜0.06%である。
Ni:7.0%以下
Niは、靭性の向上に有効に寄与する元素であるが、Crを多量に含む場合には、マルテンサイト相を安定化して鋼管強度の増加に有効に寄与する。このような効果を得るためには0.1%以上含有することが望ましいが、7.0%を超えて含有すると、変態点が低下しすぎて、鋼管強度の著しい低下を招く。このため、Niは7.0%以下とする。なお、好ましくは0.1〜6.5%である。
Mo:3.0%以下
Moは、焼入れ性の向上を介して、鋼管強度の増加に寄与する元素であるが、硫化水素が存在する環境下では耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる元素でもある。このような効果を得るためには、0.5%以上含有することが望ましいが、3.0%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなる。このため、Moは3.0%以下に限定する。なお、好ましくは0.5〜2.5%である。
A群:Cu:3.5%以下
A群: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、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる作用を有する元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果は0.2%以上の含有で顕著となるが、3.5%を超える含有は、高温で粒界にCuSが析出し、熱間加工性を低下させる。このため、Cuは3.5%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.5〜2.5%である。
B群:Nbは、鋼管強度を増加させる作用を有し、必要に応じて選択して含有できる。
C群:Ti、Zr、B、Wはいずれも、鋼管強度を増加させ、耐応力腐食割れ性を改善する作用を有する元素であり、必要に応じて選択して1種または2種以上含有できる。このような効果は、Ti:0.01%以上、Zr:0.01%以上、B:0.0005%以上、W:0.1%以上の含有で顕著となる。一方、Ti:0.3%、Zr:0.2%、B:0.01%、W:3.0%、をそれぞれ超える含有は、靱性を劣化させる。このため、Ti:0.3%以下、Zr:0.2%以下、B:0.01%以下、W:3.0%以下にそれぞれ限定することが好ましい。
D群:Caは、SをCaSとして固定しS系介在物を球状化する作用により、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を有する元素である。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%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.001〜0.005%である。
つぎに、本発明ステンレス鋼管の好ましい組織について説明する。
本発明ステンレス鋼管は、上記した組成を有し、焼戻マルテンサイト相を主相とし、第二相として体積率で、5%以上のオーステナイト相と、あるいはさらに5%以下のフェライト相を含む組織を有することが好ましい。ここでいう「主相」とは、体積率で50%以上の組織分率を有する相をいう。
つぎに、本発明ステンレス鋼管の好ましい製造方法を、継目無鋼管を例にして説明する。なお、本発明では鋼管は、継目無鋼管に限定されるものではなく、熱延鋼板を素材とした溶接鋼管(電縫鋼管)としてもよいのは言うまでもない。
また、焼戻処理は、Ac1変態点を超える温度に加熱し、好ましくは空冷程度あるいは空冷以上の冷却速度で冷却する処理とすることが好ましい。焼戻温度をAc1変態点を超える温度とすることにより、オーステナイト相の析出、あるいは焼入れマルテンサイト相の生成が生じる。なお、焼入れ焼戻処理に代えて、上記した焼戻処理のみの熱処理としてもよい。このような熱処理を鋼管(ステンレス鋼管)に施すことにより、上記した組織を安定して確保できる。
上記したように、好ましくは熱処理を施された継目無鋼管(素管)は、ついで、両端面側に拡管を施される。拡管は、通常、当該鋼管内に拡管用プラグを通して行う。本発明では、素管の両端面側に素管内径より大きい各種外径を有するプラグをそれぞれプレス等で押し込み、好ましくは3%以上の、所定の拡管率となるように予め拡管加工して拡管部を形成する。なお、拡管加工が施される領域(拡管部)は、素管(ステンレス鋼管)の端面から管軸方向に、所望の寸法形状の溶接用開先が加工できる長さとする。
本発明をさらに、実施例に基づき詳細に説明する。
次いで各鋼管に、表2に示す条件で、熱処理を施した。なお、一部の鋼管では熱間圧延まま(造管まま)とした。
また、上記した鋼管から、APIの規定に準拠して、管軸方向を引張方向とする引張試験片(弧状試験片:GL:25.4mm)を切り出し、APIの規定に準拠して、引張試験を実施し、引張特性(降伏強さYS、引張強さTS、均一伸びu-El)を求めた。また、同時に、JIS Z 2253の規定に準拠してn値を求めた。
限界拡管率=[{(亀裂が発生したときのプラグ外径)−(試験材内径)}/(試験材内径)]×100(%)
で限界拡管率を算出した。なお、使用したプラグの外径は、拡管率が5%刻みとなるように配慮した。
拡管率=[{(プラグ外径)−(素管内径)}/(素管内径)]×100(%)‥(1)
(ここで、プラグ外径:拡管用工具(プラグ)の外径(mm)、素管内径:鋼管端面部の加工前内径(mm))
を用いて算出した。
得られた同一条件の鋼管の端部同士を突き合せて、溶接接合した。ついで、さらに端面側拡管加工を含め、合計で25%の拡管率となるように、拡管加工を施した後、水圧試験(圧力:8MPa)を実施し、溶接継手部からの漏れの有無を確認した。
Claims (2)
- 質量%で、
C:0.25%以下、 Si:1.0%以下、
Mn:0.10〜2.50%、 P:0.05%以下、
S:0.005%以下、 Al:0.05%以下、
Cr:10.5〜18.0%、 N:0.09%以下
を含有し、さらにNi:7.0%以下およびMo:3.0%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するステンレス鋼管を素管として、該素管に、熱処理として、800℃以上の加熱温度に再加熱し続いて空冷以上の冷却速度で冷却する焼入れ処理およびAc1変態点超え700℃以下の二相温度域に加熱し、冷却する焼戻処理を施し、または該焼入れ処理および該焼戻処理に代えて熱処理として、Ac1変態点超え700℃以下の二相温度域に加熱し、冷却する焼戻処理のみを施し、焼戻マルテンサイト相を主相とし、第二相として体積率で、5%以上のオーステナイト相と、あるいはさらに5%以下のフェライト相を含む組織を有し、降伏強さ:350MPa以上、n値:0.08以上を有し、かつn値と均一伸びu-Elとが下記(2)式を満足するステンレス鋼管としたのち、前記素管の端面側に下記(1)式で定義される拡管率で3%以上である拡管加工を施し、ついで該拡管加工を施された部位に溶接用開先加工を施すことを特徴とする拡管性に優れた油井用ステンレス鋼管の製造方法。
記
拡管率=[{(プラグ外径)−(素管内径)}/(素管内径)]×100(%) ‥‥(1)
ここで、プラグ外径:拡管用工具(プラグ)の外径(mm)
素管内径:鋼管端面側の加工前内径(mm)
n>0.007×(25−u-El)‥‥‥(2)
ここで、n:n値、
u-El:均一伸び(%) - 前記組成に加えてさらに、質量%で、下記A群〜D群のうちから選ばれた1群または2群以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項1に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
記
A群:Cu:3.5%以下、
B群:Nb:0.20%以下、
C群:Ti:0.30%以下、Zr:0.20%以下、B:0.0005〜0.01%、W:1.0%以下のうちから選ばれた1種または2種以上、
D群:Ca:0.0005〜0.01%
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