JP6981527B2 - サワー環境での使用に適した鋼材 - Google Patents
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Description
降伏強度が655〜758MPa未満の場合、転位密度ρは2.0×1014m-2未満であり、式(1)で表されるFn1が2.90未満である。
降伏強度が758〜862MPa未満の場合、転位密度ρは3.0×1014m-2以下であり、式(1)で表されるFn1が2.90以上である。
降伏強度が862〜965MPa未満の場合、転位密度ρは3.0×1014超〜7.0×1014m-2である。
降伏強度が965〜1069MPa未満の場合、転位密度ρは7.0×1014超〜15.0×1014m-2である。
降伏強度が1069〜1172MPaの場合、転位密度ρは1.5×1015超〜3.5×1015m-2である。
Fn1=2×10-7×√ρ+0.4/(1.5−1.9×[C]) (1)
ここで、式(1)中のρには転位密度が代入され、[C]には鋼材中のC含有量が代入される。
降伏強度が655〜758MPa未満の場合、転位密度ρは2.0×1014m-2未満であり、式(1)で表されるFn1は2.90未満である。
降伏強度が758〜862MPa未満の場合、転位密度ρは3.0×1014m-2以下であり、式(1)で表されるFn1は2.90以上である。
降伏強度が862〜965MPa未満の場合、転位密度ρは3.0×1014超〜7.0×1014m-2である。
降伏強度が965〜1069MPa未満の場合、転位密度ρは7.0×1014超〜15.0×1014m-2である。
降伏強度が1069〜1172MPaの場合、転位密度ρは1.5×1015超〜3.5×1015m-2である。
Fn1=2×10-7×√ρ+0.4/(1.5−1.9×[C]) (1)
ここで、式(1)中のρには転位密度が代入され、[C]には鋼材中のC含有量が代入される。
本実施形態による鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。Cはさらに、鋼材中の合金元素のうち、金属元素と結合して、合金炭化物を形成する。その結果、鋼材の降伏強度が高まる。Cはさらに、製造工程中の焼戻し時において、炭化物の球状化を促進する。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。Cはさらに、鋼材のサブ組織を微細化する場合がある。その結果、鋼材の耐SSC性がさらに高まる。C含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、鋼材の靭性が低下し、焼割れが発生しやすくなる。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Si含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Si含有量が高すぎれば、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Si含有量は0.05〜1.00%である。好ましいSi含有量の下限は0.15%であり、より好ましくは0.20%である。Si含有量の好ましい上限は0.85%であり、より好ましくは0.70%である。
マンガン(Mn)は、鋼を脱酸する。Mnはさらに、焼入れ性を高める。Mn含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、Mnは、P及びS等の不純物とともに、粒界に偏析する。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Mn含有量は0.05〜1.00%である。Mn含有量の好ましい下限は0.25%であり、より好ましくは0.30%である。Mn含有量の好ましい上限は0.90%であり、より好ましくは0.80%である。
燐(P)は不純物である。すなわち、P含有量は0%超である。Pは、粒界に偏析して、鋼材の耐SSC性を低下する。したがって、P含有量は0.025%以下である。P含有量の好ましい上限は0.020%であり、より好ましくは0.015%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、P含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、P含有量の好ましい下限は0.0001%であり、より好ましくは0.0003%である。
硫黄(S)は不純物である。すなわち、S含有量は0%超である。Sは、粒界に偏析して、鋼材の耐SSC性を低下する。したがって、S含有量は0.0100%以下である。S含有量の好ましい上限は0.0050%であり、より好ましくは0.0030%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、S含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、S含有量の好ましい下限は0.0001%であり、より好ましくは0.0003%である。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。Al含有量が低すぎれば、この効果が得られず、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、Al含有量が高すぎれば、粗大な酸化物系介在物が生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Al含有量は0.005〜0.100%である。Al含有量の好ましい下限は0.015%であり、より好ましくは0.020%である。Al含有量の好ましい上限は0.080%であり、より好ましくは0.060%である。本明細書にいう「Al」含有量は「酸可溶Al」、つまり、「sol.Al」の含有量を意味する。
クロム(Cr)は、鋼材の焼入れ性を高める。Crはさらに、焼戻し軟化抵抗を高め、高温焼戻しを可能にする。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。Cr含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、鋼材の靭性及び耐SSC性が低下する。したがって、Cr含有量は0.20〜1.50%である。Cr含有量の好ましい下限は0.25%であり、より好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.40%である。Cr含有量の好ましい上限は1.30%であり、より好ましくは1.25%である。
モリブデン(Mo)は、鋼材の焼入れ性を高める。Moはさらに、焼戻し軟化抵抗を高め、高温焼戻しを可能にする。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。Mo含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Mo含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。Mo含有量が高すぎればさらに、M2C型炭化物が生成して、鋼材の耐SSC性が低下する場合がある。したがって、Mo含有量は0.25〜1.50%である。Mo含有量の好ましい下限は0.50%であり、より好ましくは0.60%である。Mo含有量の好ましい上限は1.30%であり、より好ましくは1.25%である。
バナジウム(V)は炭素(C)及び/又は窒素(N)と結合して、炭化物、窒化物又は炭窒化物(以下、「炭窒化物等」という)を形成する。炭窒化物等は、ピンニング効果により鋼材のサブ組織を微細化し、鋼材の耐SSC性を高める。Vはさらに、焼戻し軟化抵抗を高め、高温焼戻しを可能にする。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。Vはさらに、Cと結合してMC型炭化物を形成しやすい。そのため、M2C型炭化物の生成を抑制して、鋼材の耐SSC性を高める。V含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、V含有量が高すぎれば、鋼材の靭性が低下する。したがって、V含有量は0.01〜0.60%である。V含有量の好ましい下限は0.02%であり、より好ましくは0.04%であり、さらに好ましくは0.06%であり、さらに好ましくは0.08%である。V含有量の好ましい上限は0.40%であり、より好ましくは0.30%であり、さらに好ましくは0.20%である。
チタン(Ti)は窒化物を形成し、ピンニング効果により、結晶粒を微細化する。その結果、鋼材の降伏強度が高まる。Tiはさらに、Cと結合してMC型炭化物を形成しやすい。そのため、M2C型炭化物の生成を抑制して、鋼材の耐SSC性を高める。Ti含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ti含有量が高すぎれば、Ti窒化物が粗大化して鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ti含有量は0.002〜0.050%である。Ti含有量の好ましい下限は0.003%であり、より好ましくは0.005%である。Ti含有量の好ましい上限は0.030%であり、より好ましくは0.020%である。
ボロン(B)は鋼に固溶して鋼材の焼入れ性を高める。B含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、B含有量が高すぎれば、粗大な窒化物が生成され、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、B含有量は0.0001〜0.0050%である。B含有量の好ましい下限は0.0003%であり、より好ましくは0.0007%である。B含有量の好ましい上限は0.0030%であり、より好ましくは0.0025%であり、さらに好ましくは0.0015%である。
窒素(N)はTiと結合して微細窒化物を形成し、結晶粒を微細化する。N含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、N含有量が高すぎれば、粗大な窒化物が生成され、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、N含有量は0.0020〜0.0100%である。N含有量の好ましい下限は0.0022%である。N含有量の好ましい上限は0.0050%であり、より好ましくは0.0045%である。
酸素(O)は不純物である。すなわち、O含有量は0%超である。Oは粗大な酸化物を形成し、鋼材の耐食性を低下する。したがって、O含有量は0.0100%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0050%であり、より好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0020%である。O含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、O含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、O含有量の好ましい下限は0.0001%であり、より好ましくは0.0003%である。
上述の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Nbを含有してもよい。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Nb含有量は0%であってもよい。含有される場合、Nbは炭窒化物等を形成する。炭窒化物等はピンニング効果により鋼材のサブ組織を微細化し、鋼材の耐SSC性を高める。Nbはさらに、Cと結合してMC型炭化物を形成しやすい。そのため、M2C型炭化物の生成を抑制して、鋼材の耐SSC性を高める。Nbが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Nb含有量が高すぎれば、炭窒化物等が過剰に生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Nb含有量は0〜0.030%である。Nb含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.007%である。Nb含有量の好ましい上限は0.025%であり、より好ましくは0.020%である。
カルシウム(Ca)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ca含有量は0%であってもよい。含有される場合、Caは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。Caが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ca含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ca含有量は0〜0.0100%である。Ca含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%であり、さらに好ましくは0.0010%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0040%であり、より好ましくは0.0025%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
マグネシウム(Mg)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Mg含有量は0%であってもよい。含有される場合、Mgは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。Mgが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Mg含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Mg含有量は0〜0.0100%である。Mg含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%であり、さらに好ましくは0.0010%である。Mg含有量の好ましい上限は0.0040%であり、より好ましくは0.0025%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
ジルコニウム(Zr)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Zr含有量は0%であってもよい。含有される場合、Zrは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。Zrが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Zr含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Zr含有量は0〜0.0100%である。Zr含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%であり、さらに好ましくは0.0010%である。Zr含有量の好ましい上限は0.0040%であり、より好ましくは0.0025%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
コバルト(Co)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Co含有量は0%であってもよい。含有される場合、Coは硫化水素環境中で保護性の腐食被膜を形成し、水素侵入を抑制する。これにより、鋼材の耐SSC性を高める。Coが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Co含有量が高すぎれば、鋼材の焼入れ性が低下して、鋼材の強度が低下する。したがって、Co含有量は0〜0.50%である。Co含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。Co含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.40%である。
タングステン(W)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、W含有量は0%であってもよい。含有される場合、Wは硫化水素環境中で保護性の腐食被膜を形成し、水素侵入を抑制する。これにより、鋼材の耐SSC性を高める。Wが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、W含有量が高すぎれば、鋼材中に粗大な炭化物が生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、W含有量は0〜0.50%である。W含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。W含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.40%である。
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ni含有量は0%であってもよい。含有される場合、Niは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。Niが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、局部的な腐食が促進され、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ni含有量は0〜0.50%である。Ni含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Ni含有量の好ましい上限は0.10%であり、より好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.06%である。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Cu含有量は0%であってもよい。含有される場合、Cuは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。Cuが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Cu含有量が高すぎれば、鋼材の焼入れ性が高くなりすぎ、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Cu含有量は0〜0.50%である。Cu含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.05%である。Cu含有量の好ましい上限は0.35%であり、より好ましくは0.25%である。
希土類元素(REM)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、REM含有量は0%であってもよい。含有される場合、REMは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。REMはさらに、鋼材中のPと結合して、結晶粒界におけるPの偏析を抑制する。そのため、Pの偏析に起因した、鋼材の耐SSC性の低下が抑制される。REMが少しでも含有されれば、これらの効果がある程度得られる。しかしながら、REM含有量が高すぎれば、酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、REM含有量は0〜0.0100%である。REM含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%である。REM含有量の好ましい上限は0.0040%であり、より好ましくは0.0025%である。
本実施形態による鋼材のミクロ組織は、主として焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトからなる。より具体的には、ミクロ組織は体積率で90%以上の焼戻しマルテンサイト及び/又は焼戻しベイナイトからなる。すなわち、ミクロ組織は、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計が90%以上である。ミクロ組織の残部はたとえば、フェライト、又は、パーライトである。上述の化学組成を有する鋼材のミクロ組織が、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計が90%以上を含有すれば、本実施形態の他の規定を満たすことを条件に、降伏強度が655〜1172MPa(95〜155ksi級)となる。
本実施形態による鋼材は、鋼材中において、円相当径80nm以下の析出物のうち、炭素を除く合金元素の総含有量(質量%)に対するMo含有量(質量%)の比率が50%以下である析出物の個数割合が15%以上である。以下、円相当径80nm以下の析出物を「微細析出物」ともいう。
マルテンサイトのサブ組織で、ほぼ同一方位のラス集団は、マルテンサイトブロックと呼ばれている。ベイナイトのサブ組織で、ほぼ同一方位のベイナイトラス集団は、ベイナイトブロックと呼ばれている。本明細書において、マルテンサイトブロック及びベイナイトブロックを合わせて、ブロックともいう。
本実施形態による鋼材の降伏強度は655〜1172MPa(95〜170ksi、95〜155ksi級)である。本明細書でいう降伏強度は、引張試験で得られた応力―ひずみ曲線から、オフセット法による0.2%耐力(以下「0.2%オフセット耐力」ともいう)として求めることができる。
本実施形態による鋼材は、転位密度ρが3.5×1015(m-2)以下である。上述のとおり、転位は水素を吸蔵する可能性がある。そのため、転位密度が高すぎれば、鋼材に吸蔵する水素濃度が高まり、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、転位密度が低すぎれば、所望の降伏強度が得られない場合がある。
具体的には、本実施形態による鋼材は、降伏強度が95ksi級(655〜758MPa未満)の場合、転位密度が2.0×1014(m-2)未満であり、さらに、式(1)で示されるFn1が2.90未満である。
Fn1=2×10-7×√ρ+0.4/(1.5−1.9×[C]) (1)
なお、ρ:転位密度(m-2)、[C]:鋼材中のC含有量(質量%)、を意味する。
本実施形態による鋼材はさらに、降伏強度が110ksi級(758〜862MPa未満)の場合、転位密度が3.0×1014(m-2)以下であり、さらに、式(1)で示されるFn1が2.90以上である。上述のとおり、転位密度が高すぎれば、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、降伏強度が110ksi級の場合、本実施形態による鋼材の転位密度は3.0×1014(m-2)以下である。降伏強度が110ksi級の場合さらに、鋼材の転位密度の好ましい上限は2.9×1014(m-2)であり、より好ましくは2.8×1014(m-2)である。
本実施形態による鋼材はさらに、降伏強度が125ksi級(862〜965MPa未満)の場合、転位密度が3.0×1014超〜7.0×1014(m-2)である。上述のとおり、転位密度が高すぎれば、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、転位密度が低すぎれば、125ksi級の降伏強度が得られない場合がある。したがって、降伏強度が125ksi級の場合、本実施形態による鋼材の転位密度は3.0×1014超〜7.0×1014(m-2)である。
本実施形態による鋼材はさらに、降伏強度が140ksi級(965〜1069MPa未満)の場合、転位密度が7.0×1014超〜15.0×1014(m-2)である。上述のとおり、転位密度が高すぎれば、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、転位密度が低すぎれば、140ksi級の降伏強度が得られない場合がある。したがって、降伏強度が140ksi級の場合、本実施形態による鋼材の転位密度は7.0×1014超〜15.0×1014(m-2)である。
本実施形態による鋼材はさらに、降伏強度が155ksi級(1069〜1172MPa)の場合、転位密度が1.5×1015超〜3.5×1015(m-2)である。上述のとおり、転位密度が高すぎれば、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、転位密度が低すぎれば、155ksi級の降伏強度が得られない場合がある。したがって、降伏強度が155ksi級の場合、本実施形態による鋼材の転位密度は1.5×1015超〜3.5×1015(m-2)である。
ΔK×cosθ/λ=0.9/D+2ε×sinθ/λ (2)
ここで、式(2)中において、θ:回折角度、λ:X線の波長、D:結晶子径、を意味する。
ρ=14.4×ε2/b2 (3)
ここで、式(3)中において、bは体心立方構造(鉄)のバーガースベクトル(b=0.248(nm))である。
本実施形態による鋼材の形状は特に限定されない。鋼材はたとえば鋼管、鋼板である。鋼材が油井用鋼管である場合、好ましい肉厚は9〜60mmである。より好ましくは、本実施形態による鋼材は、厚肉の継目無鋼管としての使用に適する。より具体的には、本実施形態による鋼材が15mm以上、さらに、20mm以上の厚肉の継目無鋼管であっても、655〜1172MPa(95〜155ksi級)の降伏強度と、優れた耐SSC性とを両立することができる。
上述のとおり、転位密度が高い場合、鋼材に吸蔵する水素濃度が高まり、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、転位は降伏強度を高める。そのため、本実施形態による鋼材は、降伏強度ごとに転位密度を低減させる。すなわち、降伏強度が低い鋼材であるほど、転位密度はより低減されているため、より優れた耐SSC性が得られる。したがって、本実施形態による鋼材は、降伏強度ごとに優れた耐SSC性を規定する。
鋼材の降伏強度が95ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した方法、及び、4点曲げ試験によって評価できる。以下、鋼材の降伏強度が95ksi級の場合の、優れた耐SSC性について詳述する。
鋼材の降伏強度が110ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した方法、及び、4点曲げ試験によって評価できる。以下、鋼材の降伏強度が110ksi級の場合の、優れた耐SSC性について詳述する。
鋼材の降伏強度が125ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した方法によって評価できる。具体的に、上述の降伏強度が95ksi級の場合に実施したMethod Aに準拠した方法と同様に、Method Aに準拠した方法を実施する。本実施形態による鋼材は、以上のMethod Aに準拠した方法において、720時間経過後に割れが確認されない場合、降伏強度が125ksi級の場合における、優れた耐SSC性を有すると判断する。
鋼材の降伏強度が140ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した方法によって評価できる。具体的に、上述の降伏強度が95ksi級の場合に実施したMethod Aに準拠した方法と同様に、丸棒試験片を採取する。
鋼材の降伏強度が155ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した方法によって評価できる。具体的に、試験浴に吹き込むガスを、0.01atmのH2Sガスと0.99atmのCO2ガスとにすること以外、上述の140ksi級におけるMethod Aに準拠した方法と同様に、Method Aに準拠した方法を実施する。
本実施形態による鋼材の製造方法を説明する。以下に説明する製造方法は、本実施形態による鋼材の一例として、鋼管の製造方法である。なお、本実施形態による鋼材の製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されない。
準備工程は、上述の化学組成を有する中間鋼材を準備する。中間鋼材は、上記化学組成を有していれば、製造方法は特に限定されない。ここでいう中間鋼材は、最終製品が鋼板の場合は、板状の鋼材であり、最終製品が鋼管の場合は素管である。
素材準備工程では、上述の化学組成を有する溶鋼を用いて素材を製造する。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片(スラブ、ブルーム、又は、ビレット)を製造する。溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造してもよい。必要に応じて、スラブ、ブルーム又はインゴットを分塊圧延して、ビレットを製造してもよい。以上の工程により素材(スラブ、ブルーム、又は、ビレット)を製造する。
熱間加工工程では、準備された素材を熱間加工して中間鋼材を製造する。鋼材が鋼管である場合、中間鋼材は素管に相当する。始めに、ビレットを加熱炉で加熱する。加熱温度は特に限定されないが、たとえば、1100〜1300℃である。加熱炉から抽出されたビレットに対して熱間加工を実施して、素管(継目無鋼管)を製造する。たとえば、熱間加工としてマンネスマン法を実施し、素管を製造する。この場合、穿孔機により丸ビレットを穿孔圧延する。穿孔圧延する場合、穿孔比は特に限定されないが、たとえば、1.0〜4.0である。穿孔圧延された丸ビレットをさらに、マンドレルミル、レデューサ、サイジングミル等により熱間圧延して素管にする。熱間加工工程での累積の減面率はたとえば、20〜70%である。
焼入れ工程は、準備された中間鋼材(素管)に対して、焼入れを実施する。本明細書において、「焼入れ」とは、A3点以上の中間鋼材を急冷することを意味する。好ましい焼入れ温度は800〜1000℃である。焼入れ温度とは、熱間加工後に直接焼入れを実施する場合、最終の熱間加工を実施する装置の出側に設置した温度計で測定された中間鋼材の表面温度に相当する。焼入れ温度とはさらに、熱間加工後に補熱炉又は熱処理炉を用いて焼入れを実施する場合、補熱炉又は熱処理炉の温度に相当する。
焼戻し工程は、上述の焼入れを実施した後、焼戻しを実施する。本明細書において、「焼戻し」とは、焼入れ後の中間鋼材をAc1点以下で再加熱して、保持することを意味する。焼戻し温度は、鋼材の化学組成、及び、得ようとする降伏強度に応じて適宜調整する。つまり、本実施形態の化学組成を有する中間鋼材(素管)に対して、焼戻し温度を調整して、鋼材の降伏強度を655〜1172MPa(95〜155ksi級)に調整する。ここで、焼戻し温度とは、焼入れ後の中間鋼材を加熱して、保持する際の炉の温度に相当する。
低温焼戻し工程における、好ましい焼戻し温度は100〜500℃である。低温焼戻し工程における焼戻し温度が高すぎれば、焼戻しの保持中に合金炭化物が微細に分散し、転位密度を十分に低減できない場合がある。この場合、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、及び/又は、鋼材の耐SSC性が低下する。低温焼戻し工程における焼戻し温度が高すぎればさらに、微細析出物に対する特定析出物の個数割合が低下する場合がある。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。
高温焼戻し工程では、得ようとする降伏強度に応じて、焼戻しの条件を適切に制御する。具体的に、95ksi級(655〜758MPa未満)の降伏強度を得ようとする場合、好ましい焼戻し温度は660〜740℃である。高温焼戻し工程における焼戻し温度が高すぎれば、転位密度が低減されすぎ、95ksi級の降伏強度が得られない場合がある。一方、高温焼戻し工程における焼戻し温度が低すぎれば、転位密度を十分に低減することができない場合がある。この場合、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、及び/又は、鋼材の耐SSC性が低下する。
上記の焼戻し後の試験番号1−1〜1−20の鋼板に対して、以下に説明する引張試験、転位密度測定試験、特定析出物の個数割合測定試験、ブロック径測定試験、及び、耐SSC性評価試験を実施した。
引張試験はASTM E8(2013)に準拠して行った。各試験番号の鋼板の板厚中央から、平行部直径4mm、平行部長さ35mmの丸棒引張試験片を作製した。丸棒引張試験片の軸方向は、鋼板の圧延方向と平行であった。各丸棒試験片を用いて、常温(25℃)、大気中にて引張試験を実施して、各試験番号の鋼板の降伏強度(MPa)を得た。なお、本実施例では、引張試験で得られた0.2%オフセット耐力を、各試験番号の降伏強度と定義した。得られた降伏強度を、YS(MPa)として表2に示す。
各試験番号の鋼板から、上述の方法で転位密度測定用の試験片を採取した。さらに、上述の方法で転位密度(m-2)を求めた。さらに、式(1)に基づいて、Fn1を求めた。求めた転位密度を、転位密度ρ(×1014×m-2)として表2に示す。さらに、求めたFn1を表2に示す。
各試験番号の鋼板について、上述の測定方法により、円相当径80nm以下の析出物のうち、炭素を除く合金元素の総含有量に対するMo含有量の比率が50%以下である析出物(特定析出物)の個数割合を測定及び算出した。なお、TEMは日本電子(株)製JEM−2010で、加速電圧を200kVとし、EDS点分析は照射電流を2.56nAとし、各点で60秒の計測を行った。各試験番号の鋼板の、微細析出物に対する特定析出物の個数割合を「特定析出物割合(%)」として表2に示す。
各試験番号の鋼板について、上述の測定方法により、ブロック径(μm)を測定した。求めたブロック径(μm)を表2に示す。
各試験番号の鋼板を用いて、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した試験、及び、4点曲げ試験を実施して、耐SSC性を評価した。具体的に、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した試験は、次の方法で実施した。
表2に試験結果を示す。
上記の焼戻し後の試験番号2−1〜2−20の鋼板に対して、以下に説明する引張試験、転位密度測定試験、特定析出物の個数割合測定試験、ブロック径測定試験、及び、耐SSC性評価試験を実施した。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して引張試験を実施した。得られた降伏強度を、YS(MPa)として表4に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して転位密度測定試験を実施した。得られた転位密度を、転位密度ρ(×1014×m-2)として表4に示す。さらに、式(1)に基づいて、Fn1を求めた。求めたFn1を表4に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して特定析出物の個数割合測定試験を実施した。得られた微細析出物に対する特定析出物の個数割合を、特定析出物割合(%)として表4に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対してブロック径測定試験を実施した。得られたブロック径(μm)を表4に示す。
各試験番号の鋼板に対して、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した方法、及び、4点曲げ試験によって、耐SSC性を評価した。Method Aに準拠した方法は、実施例1と同様に実施した。4点曲げ試験は、オートクレーブに加圧封入するH2Sガスを2atm、及び、5atmにしたこと以外は、実施例1と同様に実施した。
表4に試験結果を示す。
上記の焼戻し後の試験番号3−1〜3−20の鋼板に対して、以下に説明する引張試験、転位密度測定試験、特定析出物の個数割合測定試験、ブロック径測定試験、及び、耐SSC性評価試験を実施した。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して引張試験を実施した。得られた降伏強度を、YS(MPa)として表6に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して転位密度測定試験を実施した。得られた転位密度を、転位密度ρ(×1014×m-2)として表6に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して特定析出物の個数割合測定試験を実施した。得られた微細析出物に対する特定析出物の個数割合を、特定析出物割合(%)として表6に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対してブロック径測定試験を実施した。得られたブロック径(μm)を表6に示す。
各試験番号の鋼板に対して、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した方法、及び、4点曲げ試験によって、耐SSC性を評価した。Method Aに準拠した方法は、実施例1と同様に実施した。4点曲げ試験は、オートクレーブに加圧封入するH2Sガスを2atmにしたこと以外は、実施例1と同様に実施した。
表6に試験結果を示す。
上記の焼戻し後の試験番号4−1〜4−20の鋼板に対して、以下に説明する引張試験、転位密度測定試験、特定析出物の個数割合測定試験、ブロック径測定試験、及び、耐SSC性評価試験を実施した。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して引張試験を実施した。得られた降伏強度を、YS(MPa)として表8に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して転位密度測定試験を実施した。得られた転位密度を、転位密度ρ(×1014×m-2)として表8に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して特定析出物の個数割合測定試験を実施した。得られた微細析出物に対する特定析出物の個数割合を、特定析出物割合(%)として表8に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対してブロック径測定試験を実施した。得られたブロック径(μm)を表8に示す。
各試験番号の鋼板に対して、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した方法によって、耐SSC性を評価した。実施例1と同様に、各試験番号の鋼板から丸棒試験片を採取した。実施例1と同様に、丸棒試験片に対して応力を負荷した。
表8に試験結果を示す。
上記の焼戻し後の試験番号5−1〜5−20の鋼板に対して、以下に説明する引張試験、転位密度測定試験、特定析出物の個数割合測定試験、ブロック径測定試験、及び、耐SSC性評価試験を実施した。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して引張試験を実施した。得られた降伏強度を、YS(MPa)として表10に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して転位密度測定試験を実施した。得られた転位密度を、転位密度ρ(×1015×m-2)として表10に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対して特定析出物の個数割合測定試験を実施した。得られた微細析出物に対する特定析出物の個数割合を、特定析出物割合(%)として表10に示す。
実施例1と同様に、各試験番号の鋼板に対してブロック径測定試験を実施した。得られたブロック径(μm)を表10に示す。
各試験番号の鋼板に対して、NACE TM0177−2005 Method Aに準拠した方法によって、耐SSC性を評価した。Method Aに準拠した方法は、試験容器に吹き込むガスを0.01atmのH2Sガス及び0.99atmのCO2ガスと、0.03atmのH2Sガス及び0.97atmのCO2ガスとにしたこと以外は、実施例4と同様に実施した。
表10に試験結果を示す。
Claims (13)
- 質量%で、
C:0.10〜0.60%、
Si:0.05〜1.00%、
Mn:0.05〜1.00%、
P:0.025%以下、
S:0.0100%以下、
Al:0.005〜0.100%、
Cr:0.20〜1.50%、
Mo:0.25〜1.50%、
V:0.01〜0.60%、
Ti:0.002〜0.050%、
B:0.0001〜0.0050%、
N:0.0020〜0.0100%、
O:0.0100%以下、
Nb:0〜0.030%、
Ca:0〜0.0100%、
Mg:0〜0.0100%、
Zr:0〜0.0100%、
Co:0〜0.50%、
W:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
Cu:0〜0.50%、及び、
希土類元素:0〜0.0100%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有し、
鋼材中において、円相当径10〜80nmの析出物のうち、炭素を除く合金元素の総含有量に対するMo含有量の比率が50%以下である析出物の個数割合が15%以上であり、
降伏強度が655〜1172MPaであり、
転位密度ρが3.5×1015m-2以下であり、
降伏強度が655〜758MPa未満の場合、前記転位密度ρが2.0×1014m-2未満であり、式(1)で表されるFn1が2.90未満であり、
降伏強度が758〜862MPa未満の場合、前記転位密度ρが3.0×1014m-2以下であり、式(1)で表されるFn1が2.90以上であり、
降伏強度が862〜965MPa未満の場合、前記転位密度ρが3.0×1014超〜7.0×1014m-2であり、
降伏強度が965〜1069MPa未満の場合、前記転位密度ρが7.0×1014超〜15.0×1014m-2であり、
降伏強度が1069〜1172MPaの場合、前記転位密度ρが1.5×1015超〜3.5×1015m-2である、鋼材。
Fn1=2×10-7×√ρ+0.4/(1.5−1.9×[C]) (1)
ここで、式(1)中のρには転位密度m-2が、[C]には鋼材中のC含有量が代入される。 - 請求項1に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Nb:0.002〜0.030%を含有する、鋼材。 - 請求項1又は請求項2に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Ca:0.0001〜0.0100%、
Mg:0.0001〜0.0100%、及び、
Zr:0.0001〜0.0100%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、鋼材。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Co:0.02〜0.50%、及び、
W:0.02〜0.50%からなる群から選択される1種以上を含有する、鋼材。 - 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Ni:0.01〜0.50%、及び、
Cu:0.01〜0.50%からなる群から選択される1種以上を含有する、鋼材。 - 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
希土類元素:0.0001〜0.0100%を含有する、鋼材。 - 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記鋼材のミクロ組織において、ブロック径が1.5μm以下である、鋼材。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記降伏強度が655〜758MPa未満であり、
前記転位密度ρが2.0×1014m-2未満であり、
式(1)で表されるFn1が2.90未満である、鋼材。
Fn1=2×10-7×√ρ+0.4/(1.5−1.9×[C]) (1) - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記降伏強度が758〜862MPa未満であり、
前記転位密度ρが3.0×1014m-2以下であり、
式(1)で表されるFn1が2.90以上である、鋼材。
Fn1=2×10-7×√ρ+0.4/(1.5−1.9×[C]) (1) - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記降伏強度が862〜965MPa未満であり、
前記転位密度ρが3.0×1014超〜7.0×1014m-2である、鋼材。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記降伏強度が965〜1069MPa未満であり、
前記転位密度ρが7.0×1014超〜15.0×1014m-2である、鋼材。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記降伏強度が1069〜1172MPaであり、
前記転位密度ρが1.5×1015超〜3.5×1015m-2である、鋼材。 - 請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記鋼材は油井用鋼管である、鋼材。
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