JPH0320443A - 耐ｓｓｃｃ性に優れた高強度油井管およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐ＳＳＣＣ性に優れた高強度油井管およびそ
の製造方法に関する． 〔従来の技術〕 近年、石油生産の分野はより苛酷な環境下での採掘に向
かい、採掘に使用される油井管には深井戸化対応および
サワー化対応が強く求められている．深井戸化対応の観
点からは油井管の高強度化が必要であり、サワー化対応
の観点からは油井管に優れた耐ＳＳＣＣ性を付与するこ
とが必要になる． このような観点から、油井管は通常Ｍｎ−Ｃｒ鋼または
Ｃｒ−Ｍｏｊｌｉに焼入れ・焼戻し処理を実施すること
で製造されている．すなわち、Ｍｎ　−Ｃｒ鋼またはＣ
ｒ−Ｍｏ＠は焼入れ性、経済性に優れており、焼入れ・
焼戻し処理は高強度化・高靭性化に寄与する．また、焼
戻しマルテンサイト組織は耐ＳＳＣＣ性に優れる。

一方、結晶粒の微細化によるＹ−Ｒ（降伏比）の向上も
耐ＳＳＣＣ性改善には有効であり、この観点からＮｂ゛
添加、２回焼入れも実施されている．〔発明が解決しよ
うとする課題〕 しかしながら、このような製法で製造された従来の油井
管は、例えばＣｒ−Ｍｏｊｉ使用の場合でＡＰＩ規格の
Ｃ−９０グレード（０．２％耐力：６３〜７　３．　５
　ｋｇ　ｆ　／閣！）以上の強度を示すものの、耐ＳＳ
ＣＣ性は特にシェル試験では十分なレベルに達していな
い．これは、シェル試験による評価が他の試験による評
価と比べて厳しいこと、シエ？試験では高強度ほど優れ
た耐ＳＳＣＣ性が求められることの２点が主な理由であ
る。

すなわち、耐ＳＳＣＣ性の評価試験には、シェル試験と
ＮＡＣＥ定荷重試験が主に用いられている．シュル試験
では、厚さ１．　７　ｍ　Ｘ幅５　ＩＩ１×長さ７０ｍ
ｓの試験片の長さ方向中央部に直径０．７閣の孔を２個
設け、この部分に３点曲げにて所定レベルの応力を付加
した状態で試験片を室温、０．５％ＣＩ｛，ＣＯＯＨ水
溶液、１気圧Ｈ宜Ｓ飽和の試験環境下で２００〜５００
時間放置し、割れの限界応力をＳｃ値（耐食指数）で示
す，ＮＡＣＥ定荷重試験では、室温、５％ＮａＣ１＋０
．５％Ｃ　Ｈ　ｓＣＯＯＨ水溶液、１気圧Ｈ■Ｓ飽和の
水溶液中で直径５閣の引張試験片に定荷重を付与し、７
７２ｈｒで破断が生じない限界応力により耐ＳＳＣＣ性
を評価する．合格範囲は材料の０．２％耐力の８０％以
上の付加応力である， シェル試験は試験片に塑性変形域まで応力を付加し、油
井管使用時の管表面の当り班やトングマークに対しても
評価を与えることができる厳しい試験法であり、ＮＡＥ
Ｃ定荷重試験で良好な評価を得てもシェル試験を満足し
得ない場合は少なくない． また、シェル試験では、強度と耐ＳＳＣＣ性との関係が
Ｃ−９０グレード（０．２％耐力と６３〜７　３．５ｋ
ｇｆ　／ｍ”　）の場合にはＳｃ値≧１２でよいが、Ｃ
−１００グレード（０．２％耐力：７０ｋｇｆ／鴫２以
上）ではＳｃ値≧１３。３、Ｃ−１１０グレード（０．
２％耐力：　７　７　ｋｇ　ｆ　／ｔｍ”以上）ではＳ
ｃ値≧１４．７というように高強度になる程、高い耐Ｓ
ＳＣＣ性が要求される．この要求は、強度と耐ＳＳＣＣ
性が相反する関係にあることを考えれば非常に厳しいも
のであり、従来は耐ＳＳＣＣ性確保による制約から強度
はＣ−９０グレードが限界とされている． ちなみに、結晶粒の微細化による高Ｙ−Ｒ化は、前述し
たように耐ＳＳＣＣ性改善に有効であるが、Ｎｂ添加や
２回焼入れのみでは結晶粒の微細化に限界があり、その
結果、Ｙ−Ｒは高々９０％前後にとどまり、Ｃ−１００
グレードの場合の要求Ｓｃ値は満足されていない．また
、Ｃｒ−Ｍｏ鋼では、焼入れ性は確保できるものの、高
周波加熱による急速加熱焼入れや更には冷間加工等によ
り微細化を図ってもＣ−１００グレードの場合の要求Ｓ
ｃ値は満足されず、威分面でも耐ＳＳＣＣ性上の問題が
あった． 本発明は、係る事情に鑑みなされたものであり、その目
的はＣ−１００グレード以上の高強度で、しかもその強
度に見合う優れた耐ＳＳＣＣ性を保有する油井管を提供
することにある。

本発明の別の目的は、上記油井管のグレードアップに有
効な油井管製造方法を提供することにある． （課題を解決するための手段〕 従来の高強度油井管の鋼種としては、前述したように、
主に焼入れ性確保の点からＣｒを含むＭｎ−Ｃｒ鋼、Ｃ
ｒ−Ｍｏ鋼が用いられている．しかしながら、本発明者
らの研究によると、Ｃ『は１ａｔ■Ｈ．Ｓの環境下では
含有量の増大と共に腐食速度を増大させ、水素侵入を増
加させて水素脆化を加速すること、そのため、Ｃｒ以外
の元素で焼入れ性を確保できるならば、耐ＳＳＣＣ性向
上のためにはＣ『は添加すべきではないことが判明した
．また、耐ＳＳＣＣ性改善に有効な結晶粒の微細化につ
いて次の事実も判明した． Ｍｏは結晶粒の微細化に有効で、しかも耐ＳＳＣＣ性を
劣化させない．Ｃについては、焼入れ硬度を確保するだ
けでなく、オーステナイト化時に炭化物による結晶粒の
粗大化を抑制するのに有効である。

Ｙ−Ｈについては９０％以上、好ましくは９５％が要求
され、そのために結晶粒度番号は１２以上が必要である
。

熱処理においては、Ａｃ．点以上でなるべく低い温度か
らの焼入れが結晶粒の微細化に有効である。同じく、焼
入れ後、Ａｃ，点以下で塑性変形させ、フエライト粒を
微細化させた後、上記低温焼入れを行うと、さらに結晶
粒（旧オーステナイト粒）の微細化が図られる．そして
、この微細フエライトＩＪｌ織をオーステナイト化する
ことにより、微細オーステナイト粒が得られ、焼入れ後
に微細＆ＩＩＩ＠となる． 本発明の油井管は、上記知見に基づいて開発されたもの
で、璽量％で、Ｃｌ．１５〜０．５０％、Ｓ　ｉ　：０
．１０〜１．０％、Ｍｎ＝０．３　〜１．８％、Ｃｒ≦
０．０４％、Ｍｏ：０．８２〜３．０％、Ｓｏｌ！．　
Ａｊ！：０．００５〜０．０７％、Ｎ≦０．０１％を含
み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる。

上記油井管は、さらに、重量％で、ＮｔｚＯ．ＧＯ５〜
０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％、Ｂ　：ｏ
．ｏ　０　１　０　〜０．０　０　５　０％、Ｚｒ：０
．０ｆ〜０．２％の一種または二種以上を含むことがで
きる．本発明の製造方法は、上記組戒の鋼管に対して、
８４０〜９５０″ＣＸ０．１〜２．０時間の加熱から焼
入れを行い、次いで、６００〜７４０℃ｘＯ，　１　ｘ
５．０時間の焼戻しを行うことを特徴としてなる．上記
製造方法においては、上記鋼管の加工途中で８４０〜１
０００℃からの焼入れを行い、その後６００〜７４０℃
×０、１〜２時間の加熱とそれに連続する加工度５％以
上の熱間加工を行い、加工後に上記焼入れおよび焼戻し
を行うことができる． 〔作　用〕 以下に本発明の油井管における戒分限定理由、および本
発明の製造方法における熱処理条件限定理由を説明する
。

１）威分 Ｃ：高渇焼戻しを可能とし、炭化物の分散により耐食性
を改善する．しかも、オーステナイト化時に粒界をピン
ニングし微細粒の粗大化を防止する．この特性を確保す
るため、０．１５％以上必要である．ただし、０．５０
％超では、水冷時に焼割れを生じる。

Ｓｉ：耐食性に対する重要元素ではない．０．１％未満
では、脱酸、焼入れ性か不十分である．ただし、１．０
％超では、′旧オーステナイト粒が粗大になり、耐食性
低下、Ｙ−Ｒ低下を生じる．Ｍｎ：焼入れ性向上に効果
があり、また、組織のマルテンサイト化率を向上させ、
この面で耐食性を改善する．０．３％未満では、この焼
入れ性改善効果が得られない．一方、１．８％超ではξ
クロ偏析が顕著となり耐食性を劣化させる．Ｃｒ：Ｃｒ
は１ａｔＩ＋　Ｈ，　Ｓの環境下では添加とともに腐食
速度が増大し、水素侵入を増加させ水素脆化を加速する
ことが新たに判明した．そのため、Ｃｒは他の元素で焼
入れ性を確保できるなら添加すべきでない．ただし、０
．０４％以下なら上記悪影響がない． Ｍｏ：Ｃｒを添加しない戒分系においては、ＭＯは焼入
れ性を確保するために不可欠な元素であり、更に、結晶
粒の微細化にも有効な元素である。焼入れ性の点からは
０，０５％以上で効果があるが、Ｃｒを事実上添加しな
い本発明油井管ではＣｒの分まで確保する必要がある．
さらに結晶粒の微細化は０．５％では効果が小さく（高
々結晶粒度番号で８程度）、１２番以上を得るには、０
．８２％以上必要である．従って、Ｍｏは０．８２％以
上とした．ただし、３．０％超では焼戻し後の靭性が劣
化し、Ａｃ．点の上昇から焼入れ温度を低温に維持し微
細粒を確保することが困難になる。なお、３．０％まで
は添加量に応じ結晶粒の微細化が促進される． Ｓｏｌ．Ａｊ！：脱酸に必要な元素であり、０．００５
％未満では脱酸が不十分になる．ただし、０。

０７％超では鯛塊の凝固過程でＡＩＮの析出等により割
れが生じる． Ｎ：０．０１％超になると、銅塊凝固割れが生じる．ま
た、固溶Ｎ及びＡｌＮは耐食性を劣化させる主要な因子
であるので、耐食性の面からも０．０１％以下に制限す
る． Ｎｂ：結晶粒の微細化に有効であり、０．００５％未満
では、その効果が得られない．０．１０％超でも細粒化
効果はあるが、結晶粒度は飽和する．Ｔｉ　：Ｎの固定
により、Ｎの耐食性劣化作用を無害化させる．また、Ｔ
ｉＮと゛して凝固時の結晶粒微細化に有効である，ｏ．
ｏｏｓ％未満ではこれらの効果がない．ただし、０．１
５％超ではＴＩＣが多量に析出し靭性を顕著に劣化させ
る．Ｚｒ：Ｔｉ以上にＮ固定作用があり、耐食性の改善
に有効である，０．０５％未満ではこの効果がな＜、０
．２０％超ではＺｒＣが多量に析出し靭性を顕著に劣化
させる． Ｂ：焼入れ性改善に有効であるが、０．００１％未満で
はその効果が少ない．ただし、０．００５％超では焼戻
し靭性が低下する． ２）熱処理 焼入れ・焼戻し：高強度化、耐ＳＳＣＣ性改善を目的と
して加工を終了した油井管に対して行う．焼入れ時の加
熱温度は結晶粒の微細化のためにＡｃ，以上の温度でな
るべく低温が好ましく、９５０℃超では結晶粒が粗大化
する．しかしながら、８４０℃未満では合金元素の固溶
が十分でなく、炭化物の固溶およびオーステナイト化が
不足する．また、加熱時間が０．１ｈｒ未満でも炭化物
の固溶が十分でなく、逆に２．Ｏｈｒ超では結晶粒が粗
大化する． この焼入れは通常はＷ−Ｑとされ、１回または２回実施
される．２回の繰り返し焼入れでは結晶粒はより微細に
なり靭性向上、耐食性向上が図られる．ただし、その効
果は２回で飽和し、それ以上の焼入れは不経済である。

焼戻し時の加熱は６００゜Ｃ未満、０．　１　ｈ　ｒ未
満では強度が出過ぎ耐食性劣化、靭性劣化を招く．逆に
７　４　０　’Ｃ超、５，Ｏｈｒ超では強度低下を生じ
る。

加工熱処理：本発明の製造方法では上記焼入れ・焼戻し
の前に加工熱処理を行うことができ、この加工熱処理に
より耐ＳＳＣＣ性を一層向上させることができる。加工
熱処理は焼入れ、再加熱、熱間加工のプロセスからなる
． 焼入れは炭化物の固溶とマルテンサイト組織を得ること
を目的とし、そのために加熱温度は８４０゜Ｃ以上とし
、最高温度は１０００℃まで許容される．焼入れ後の再
加熱はマルテンサイトから微細なフエライトを生威させ
るためであるが、６００′Ｃ未満、０．　１　ｈ　ｒ未
溝の加熱では軟化が不十分で加工が困難になる．ただし
、７４０℃超、２０ｈｒｉｉの加熱はフエライトを粗大
にする．再加熱後の熱間加工はフエライトの再結晶を促
進させるためにあり、加工度が断面減少率で５％未満の
場合はフエライトの再結晶が十分に進行しない．加工度
の上限は特に規定する必要がなく、７０％超でも効果は
持続するが、現有の所謂マンネスマン製管設備では事実
上の加工が困難である．この加工熱処理は製管ライン中
で実施する所謂インライン処理、製管ライン外で実施す
る所謂オフライン処理のいずれでもよい。

第１図は現有の所謂マンネスマン製管設備を用いて加工
熱処理を含む本発明の製造方法を実施する場合の処理フ
ロー例を示している。

Ａ１〜Ａ３はマンドレルξルラインにおける処理例であ
る． ＡＩでは一般的ラインのインライン焼入れ装置、再加熱
炉、レデューサを利用して加工熱処理が実施される．加
工された管材に対する焼入れ・焼戻しには一般的ライン
の後段に付加されたインライン焼入れ炉・焼入れ装置、
インライン焼戻し炉が用いられる． Ａ２では一般的ラインの後段に付加されたインライン焼
入れ炉・焼入れ装置、インライン焼戻し炉で焼入れ、再
加熱を行い、再加熱した管材料は冷却せずにオフライン
設置された例えばホントストレートナー、レデューサ等
で熱間加工される。

加工された管材に対する焼入れ・焼戻しはオフライン設
置された焼入れ炉、焼入れ装置、焼戻し炉で行われる。

Ａ３では加工熱処理、加工された管材に対する焼入れ一
焼戻しのシ１ずれもオフラインで実施される． ＢＩＳＢ２はブラグξルラインにおける処理例である． Ｂｌでは、一般的ラインに付加されたインライン焼入れ
炉、焼入れ装置、インライン焼戻しおよびオフライン設
置された例えばオツトストレートナー、レデューサ等で
加工熱処理を実施する．加工された管材に対する熱処理
はオフラインで実施される，Ｂ２では、加工熱処理、加
工された管材に対する焼入れ・焼戻しのいずれもオフラ
イン処理される． なお、Ｂ１、Ｂ２の一般的ラインにおいて、例えばリー
ラーとサイザーとの間に再加熱炉を設置した場合はＡ２
、Ａ３と同様の処理が可能になる．加工熱処理の実施に
よりその焼入れ加熱時に微細フエライトがそのまま細粒
のオーステナイトに変化し、加工された管材に対する熱
処理のみでは得られない細粒組織が得られる． 〔実施例〕 次に本発明の実施例、比較例および従来例を説明する． 第１表に本発明油井管と従来油井管の各素材鋼の化学組
成を示す。なお、表中Ｐ，Ｓは０．０３０％以下、０．
０１０％以下にそれぞれ抑制管理した不可避的不純物で
ある． Ａ鋼は１６０トンの転炉溶製、Ｅｌｌは１０トンの電気
炉溶製後ＡＯＤ精練、その他は１５０キロの真空誘導溶
解でそれぞれ鋼塊とした。各種の溶製で要求特性に大差
はなく、作製された鋼塊はＡ、Ｅｌｉについては直径１
８０醜の丸ビレットにした後、ピアサー穿孔した（ピア
ザ穿孔前加工熱温度１２３０℃）．その後はＡＩについ
ては引き続きマンドレルミル、再加熱炉（加熱温度９５
０゜Ｃ）、レデューサを経て直径５０閣、肉厚１２■の
管材となし、Ｅ綱についてはプラグミル、リーラ、サイ
ザーを経て直径１５０閣、肉厚３２閣の管材とした．加
工を終えた管材には上記ラインに付加されたインライン
焼入れ炉、焼入れ装置、インライン焼戻し炉にて焼入れ
・焼戻しを実施した。また、一部のものは第ｌ図にＡ−
１，Ｂ−１で示すプロセスで、加工熱処理および焼入れ
・焼戻し処理を実施した． 他の鋼種については、鋼塊を１２００゜Ｃに加熱して厚
み８０１１１１のスラブに熱間鍛造し、これを更に厚み
２０−に熱間圧延した．圧延後、焼入れ・焼戻し処理を
行うと共に、一部のものについては加工途中で加工熱処
理を行った． 焼入れ・焼戻し処理を終えた材料の特性を引張試験、シ
ャルピー衝撃試験（フルサイズ・Ｖノ・冫チ）、シェル
試験にて評価した結果を処理条件とともに第２表に示す
。

一２４ 第２表において焼入れ条件とは、加工を終えた管材に対
する焼入れ・焼戻しにおける焼入れ条件のことであり、
その焼戻し条件は焼戻しの欄に示している．また、熱間
加工＋熱処理とは、加工熱処理を付加した場合のことで
あり、その欄の焼入れ、加熱、加工度および焼入れは、
加工熱処理における焼入れ、再加熱、熱間加工度（断面
減少率）および加工を終えた材料に対する焼入れ（１回
）をそれぞれ表わしており、加工を終えた材料に対する
焼戻しは、その右の焼戻しの欄に示している．高強度付
与時の耐ＳＳＣＣ性の指標となる結晶粒度番号は１２．
０以上（Ｙ−Ｒ９５％以上に対応）を目標としている．
また、強度はＣ−１００グレード（０．２％耐力：　７
　０　ｋｇ　（　／ｍ”以上〉以上、Ｓｃ値については
シェル試験でＣ−１００グレード以上に要求される１３
．３以上を目標としている．ちなみに、シェル試験では
Ｃ−１１０グレード（０．２％耐力：７７　ｋｇ　ｆ　
／ｍ”以上）の場合はＳｃ値は１４．７以上になる． 本発明例では、目標強度（０．２％耐力≧７　０ｋｇｆ
／閣８）を確保した場合にも、靭性（延性一晩性遷移温
度）、Ｓｃ値のいずれも良好である．特にＳｃ値につい
てはいずれも１３．３以上を示し、Ｃ−１００グレード
に対する要求値が満足されている．更に一部のものは０
．２％耐力≧７　７　ｋｇ　ｆ　／ｗａ”でＳｃ値≧ｌ
４．７を満足し、Ｃ−１１０グレードのものにあっても
それに見合う耐ＳＳＣＣ性が確保されている． 一方、比較例では本発明範囲の綱種が用いられているが
、焼入れ・焼戻し条件、加工熱処理条件が本発明の製造
方法の範囲から外れているためにＳｃ値が低下するか、
もしくはＳｃ値が良好でも強度が低い． また、従来例では鋼種が本発明範囲外であるために、好
条件の熱処理を実施しているにもかかわらず、細粒で強
度不芳、Ｓｃ値不芳の場合があり（０１ｍ使用）、粗粒
の場合はＳｃ値が低い（Ｐ〜Ｔ，Ｖ鋼使用）．ＵＩ使用
の場合は細粒であるが、Ｍｏ量が低く、Ｃｒｉｌが高い
ためにＳｃ値が低い．〔発明の効果〕 本発明の油井管およびその製造方法は、従来の威分改良
および熱処理では達威し得なかった極めて高いレベルで
強度と耐ＳＳＣＣ性とを両立させ、シェル試験でｃ−ｔ
ｏｏグレード、更にはＣ−１１０グレードを達威するこ
とができる．

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：０．
   １０〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｃｒ≦０．
   ０４％、Ｍｏ：０．８２〜３．０％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０
   ．００５〜０．０７％、Ｎ≦０．０１％を含み、残部Ｆ
   ｅおよび不可避的不純物よりなる耐ＳＳＣＣ性に優れた
   高強度油井管。 ２、さらに、重量％で、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％
   、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％、Ｂ：０．００１０〜
   ０．００５０％、Ｚｒ：０．０１〜０．２％の一種また
   は二種以上を含む請求項１に記載の耐ＳＳＣＣ性に優れ
   た高強度油井管。 ３、請求項１または２に記載の組成を有する鋼管に対し
   て、８４０〜９５０℃×０．１〜２．０時間の加熱から
   焼入れを行い、次いで、６００〜７４０℃×０．１×５
   ．０時間の焼戻しを行うことを特徴とする耐ＳＳＣＣ性
   に優れた高強度油井管の製造方法。 ４、請求項１または２に記載の組成を有する鋼管に対し
   て、その加工途中で８４０〜１０００℃からの焼入れを
   行い、その後６００〜７４０℃×０．１〜２時間の加熱
   とそれに連続する加工度５％以上の熱間加工を行い、加
   工後に請求項３に記載の焼入れおよび焼戻しを行うこと
   を特徴とする耐ＳＳＣＣ性に優れた高強度油井管の製造
   方法。