JPH067967A

JPH067967A - 高合金鋼油井管の拡散接合方法

Info

Publication number: JPH067967A
Application number: JP13913992A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ogawa; 和博小川; Yasuto Fukada; 康人深田; Masakatsu Ueda; 昌克植田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1994-01-18
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JP2738220B2

Abstract

(57)【要約】【目的】強度低下のない、高合金鋼油井管の拡散接合方
法を提供する。【構成】融点が1150℃以下のインサート材を用いる高合
金鋼油井管の拡散接合方法であって、高合金鋼油井管に
予め冷間加工を施してその耐力を（1.3 Ｘ−10)kgf/mm²
以上としておくこと、接合時に 800℃以上に加熱される
接合部の接合界面を挟む領域を20mm以下とすること、上
記接合部の領域の加熱を1200〜1280℃で120 秒以上の保
持によって行うこと、接合時の加圧力を 0.5〜２kgf/mm
²とすること及びインサート材の厚さを10〜80μm とす
ることを特徴とする高合金鋼油井管の拡散接合方法。た
だし、Ｘは接合の対象となる油井管の接合継手部に必要
とされる耐力(kgf/mm² ）である。【効果】継手部強度（耐力）が高く、しかも、耐食性を
有する高合金鋼油井管の接合部を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高合金鋼油井管の接合
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】石油掘削用の鋼管（油井管）は、厳しい
腐食環境と高い応力に耐えうる耐食性と強度が求めら
れ、用途に応じて炭素鋼から高Ni合金鋼まで様々な材料
が開発されている。特に、高濃度のH₂S 、CO₂を含む厳
しい環境では、Niを30％以上含む高Cr、高Mo合金鋼に代
表される耐食性材料が必要となる。このような高Ni合金
鋼はオーステナイト組織であるため、固溶化熱処理のま
までは強度が低いので、通常、冷間加工により強化して
用いられている。

【０００３】石油掘削時には、土中に掘られた深さ数千
メートルの縦穴の中に、長さ10〜15メートルの鋼管をネ
ジにより順次結合しながら埋設していく。この場合、ネ
ジ部の強度及び耐食性の確保が、油井管の信頼性を支配
することとなるため、従来、ネジ部の開発には多大な努
力が払われている。例えば、特開昭60-205091 、特開昭
61-88089の各号公報に示される継手やその製造方法はそ
の一例である。

【０００４】一方、ネジ継手に代わる接合法として、溶
接法や拡散接合法が考えられる。採掘された原油を輸送
するラインパイプ用の高Niクラッド鋼管の接合法として
は、特開平03-86367号公報に示される方法がある。これ
は、Cr、Si、Ｂを含む低融点の金属薄帯をインサート
し、加熱加圧して接合する方法である。しかし、石油掘
削用の高合金鋼油井管に対して拡散接合法が用いられた
例はない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】高合金鋼油井管の結合
にネジ継手を用いると、以下の問題点が生ずる。

【０００６】1)精密なネジを切る必要があるため、多大
なコストを要する。

【０００７】2)ネジ締め時の締め付け力にバラツキが生
じるので、ネジ部の信頼性確保のためには作業者の熟練
を必要とする。

【０００８】3)運搬時にネジ部が損傷を受けやすい。

【０００９】一方、ネジ継手に代わる結合法として、高
合金鋼油井管に拡散接合法を適用する際には、接合時に
加熱された領域で軟化が生じ、強度低下が起こりやすい
という問題点がある。

【００１０】本発明の課題は、上記のネジを使用するこ
とによる問題点を解消し、さらに、接合部の強度低下が
起こらない高合金鋼油井管の拡散接合方法を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述のような接合部の強
度低下の問題を解決するためには、予め、接合対象とな
る鋼管に従来以上の冷間加工を加えて、接合継手部の必
要耐力との関係に基づく一定の関係式から求められる耐
力以上に強化し、さらに、加熱領域を小さくして、熱影
響による軟化領域の幅を抑えることが有効であることを
知見した。

【００１２】本発明の要旨は、次の方法にある。

【００１３】融点が1150℃以下のインサート材を用いる
高合金鋼油井管の拡散接合方法であって、高合金鋼油井
管に予め冷間加工を施してその耐力を（1.3 Ｘ−10)kgf
/mm²以上としておくこと、接合時に 800℃以上に加熱さ
れる接合部の接合界面を挟む領域を20mm以下とするこ
と、上記接合部の領域の加熱を1200〜1280℃で120 秒以
上の保持によって行うこと、接合時の加圧力を 0.5〜２
kgf/mm²とすること及びインサート材の厚さを10〜80μ
m とすることを特徴とする高合金鋼油井管の拡散接合方
法。

【００１４】ただし、Ｘは接合の対象となる油井管の接
合継手部に必要とされる耐力(kgf/mm² ）である。

【００１５】

【作用】本発明の方法の対象となる高合金鋼油井管は、
高濃度のH₂S 、CO₂を含む厳しい環境での使用に耐えう
る特性を有する高Ni−高Cr−Mo系の鋼管である。

【００１６】インサート材は、その成分が、例えば表１
に示すような、Cr：５％以上、Mo：０もしくは９％以
下、Si：８％、Ｂ：４％以下を含有し、残部がNiから成
る、溶湯から急冷凝固した薄帯のものを用いる。そし
て、その融点が1150℃以下になるのであれば、ＢとSiの
含有量の合計が12％を超えない範囲で、これらの含有量
を変えてもよい。

【００１７】

【表１】

【００１８】次に、接合の対象となる母材鋼管、加熱お
よび接合の各条件を、本発明の範囲に定めた理由を説明
する。

【００１９】(1) 母材鋼管の冷間加工による耐力（強
度）向上後述するように、 800℃以上に加熱されて軟化が生じる
領域を抑えることと、母材を予め冷間加工して強化する
ことを組合せて、接合後の接合継手部の耐力を確保する
ためには、接合継手部の必要耐力をＸkgf/mm²とする
と、母材の耐力は、予め（1.3 Ｘ−10)kgf/mm²以上に強
化しておかなければならない。（1.3 Ｘ−10)kgf/mm²未
満であると、接合継手部の耐力が必要耐力Ｘを下回るこ
とになる。

【００２０】予め母材強度をこの所要強度以上に強化し
ておくことにより、冷間加工で強化された母材の一部が
加熱により軟化しても、接合継手部の耐力は冷間加工前
の値まで低下することがなく、加熱後も十分な強度を維
持できる。

【００２１】(2)800℃以上に加熱される加熱領域接合時の加熱による軟化は 800℃以上で生ずるので、 8
00℃以上に加熱される領域を接合界面を中心とする両側
の幅の合計で20mm以下に抑えることにより、接合後の継
手部の耐力低下を最小限の幅に抑えることができる。接
合継手部の一部に軟化領域が存在していても、その領域
が狭ければ引張荷重を受けた場合に周囲の高強度領域で
軟化領域の塑性変形が拘束（塑性拘束）されるからであ
る。

【００２２】この領域が20mmを超えると、加熱による軟
化領域の幅が拡がり、引張荷重を受けた際の塑性変形を
周囲の高強度領域で拘束するという強化の効果が損なわ
れ、接合継手部の耐力が低下するという問題が発生す
る。

【００２３】具体的には、接合部を加熱するための装置
の幅を20mmまでに抑えるとともに、可能な限り、例えば
被接合鋼管の片側各10mm以下となるように接合界面から
同一幅とすることが望ましい。さらに加熱時には、接合
部を加熱する装置の両側に位置する部分に、高熱伝導性
の材料で作られた鋼管冷却用の水冷ジャケットを装着し
て、加熱装置の外側の鋼管部分の熱伝導による温度上昇
や加熱領域の拡大を抑えるように配慮しなければならな
い。

【００２４】(3) 加熱および接合条件加熱温度：1200℃未満では、短時間で十分な接合ができ
ない。1280℃を超えると接合部の変形が大となり、加熱
コイルが破損することがある。

【００２５】加熱保持時間：接合界面での密着性を確保
し、さらにインサート材中の元素を十分に拡散させ、接
合層の化学組成を母材と近いものにして、接合強度及び
に耐食性を確保するためには、少なくとも 120秒以上の
加熱保持時間が必要である。

【００２６】上限は、特に規定する必要はないが、長時
間の加熱保持は不経済になるだけである。

【００２７】加圧力：接合による密着性を確保するため
には、 0.5kgf/mm²以上の加圧力が必要である。一方、
２kgf/mm²を超えると接合部の変形が大きくなりすぎ
る。

【００２８】(4) インサート材の厚さ 10μm 未満では、接合界面の凹凸部を完全に埋め切れな
いため、接合強度の低下を招く。一方、80μm を超える
と、Si、Ｂの拡散に長時間の加熱を要するため、接合能
率を低下させる。また、このような厚いインサート材を
用いた短時間の加熱では、Si、Ｂが接合層中に偏析し、
接合部の耐食性を維持できない。

【００２９】

【実施例】表２に示す、Ni：30％以上、Cr：20％以上、
Mo：２％以上、Ti： 1.2％を主成分とする３種類の高合
金鋼油井管を供試材として、接合テストを行い、接合部
の性能を評価した。

【００３０】供試材は、外径 130mm、厚さ 15mm のシー
ムレス鋼管とし、1100℃で固溶熱処理後冷間抽伸を行
い、その際の冷間加工度を変えることにより耐力の異な
る供試材鋼管を作製した。これらの鋼管の耐力および接
合継手部の必要耐力を表３に示す。

【００３１】インサート材は、表１に示す２種類の成分
と表４に示す厚さの、溶湯から急冷凝固した薄帯のもの
を用いた。

【００３２】接合システムは、図１に示すように、銅製
の１ターンの加熱コイル兼ガスシールド治具１およびそ
の両外側に、鋼管２の冷却用ジャケット３、加圧用クラ
ンプ４から成る接合用ヘッドと高周波電源５、制御盤６
により構成されているものを用いた。そして、 800℃以
上に加熱される加熱領域は、加熱コイルの幅を10〜50mm
と変え、さらに、その外側の鋼管２の冷却用ジャケット
３( このジャケットは、鋼管２に接触させて、ジャケッ
ト内部に冷却水を循環するもの。) の冷却能を変えるこ
とにより変化させた。

【００３３】加圧は、供試材鋼管をクランプし、熱膨
張反力を利用して、接合面を加圧する方式( クランプに
スプリングを入れて、熱膨張反力の一部を逃して、加圧
力を調整する。) 、油圧により外部から加圧力を与え
る方式の両者を用いた。

【００３４】鋼管を突合わせて、接合界面にインサート
材を入れ、加熱保持と加圧を行って接合し、接合された
鋼管から図２、図３に示す試験片を採取し、引張り試
験、応力腐食割れ（ＳＣＣ）試験を行い評価した。

【００３５】ＳＣＣ試験としては、油井を模擬した 150
℃、25％ NaCl ＋ 0.5％CH₃COOH ＋７atm H₂S の環境中
で、歪速度を４×10^-6（1/秒) とする定速引張を行い、
破断時間及び破断後の試験片内の二次亀裂( ＳＣＣによ
って発生）の有無を調べた。

【００３６】接合条件は、加熱温度1200℃、加圧力１kg
f/mm²、保持時間 300秒で一定とした。

【００３７】上記の接合条件および接合後の試験結果を
表４に示す。

【００３８】表３、４から明らかなように、全ての条件
が本発明で定める範囲の試験符号Ａ１〜Ａ６（本発明
例）では、加圧方式の違いによらず、接合継手部の必要
耐力が満たされ、耐食性も良好である。比較例の試験符
号Ｂ１、Ｂ２のように、母材を冷間加工強化しても加熱
領域幅が大きすぎる場合や、同じく試験符号Ｂ３、Ｂ４
のように、加熱領域幅を20mm以下に抑えても、母材の冷
間加工強化が必要耐力を下回る場合では、接合継手部の
耐力は必要耐力を満たさない。同じく試験符号Ｂ５のよ
うに、インサート材厚さが過大な場合では、Si、Ｂが接
合層中に偏析しているので耐食性が劣化し応力腐食割れ
が認められる。

【００３９】

【表２】

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】

【発明の効果】本発明の方法によれば、継手部強度（耐
力）が高く、しかも、耐食性を有する高合金鋼油井管の
接合部を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の接合方法に用いる接合システムを説明
する図である。

【図２】接合部の引張試験のための継手試験片を示す図
である。

【図３】接合部の応力腐食割れ（ＳＣＣ）試験のための
試験片を示す図である。

【符号の説明】

１：加熱コイル兼ガスシールド治具、２：鋼管、３：冷
却用ジャケット４：クランプ、５：高周波電源、６：制御盤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】融点が1150℃以下のインサート材を用いる
高合金鋼油井管の拡散接合方法であって、高合金鋼油井
管に予め冷間加工を施してその耐力を（1.3 Ｘ−10)kgf
/mm²以上としておくこと、接合時に 800℃以上に加熱さ
れる接合部の接合界面を挟む領域を20mm以下とするこ
と、上記接合部の領域の加熱を1200〜1280℃で120 秒以
上の保持によって行うこと、接合時の加圧力を 0.5〜２
kgf/mm²とすること及びインサート材の厚さを10〜80μ
m とすることを特徴とする高合金鋼油井管の拡散接合方
法。ただし、Ｘは接合の対象となる油井管の接合継手部
に必要とされる耐力(kgf/mm² ）である。