JPH0678571B2

JPH0678571B2 - ステンレス鋼継目無し管の製造方法

Info

Publication number: JPH0678571B2
Application number: JP62281894A
Authority: JP
Inventors: 邦夫近藤; 康孝岡田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-11-07
Filing date: 1987-11-07
Publication date: 1994-10-05
Anticipated expiration: 2009-10-05
Also published as: JPH01123029A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、靭性と耐応力腐食割れ性に優れ、特にCO₂
とH₂Sが共存する苛酷な環境下で用いるのに適するマル
テンサイト系ステンレス鋼継目無し管の製造方法に関す
る。

（従来の技術とその問題点）一般に、マルテンサイト系ステンレス鋼の継目無し管は
強度、靭性および耐食性が要求される油井管や輸送管な
どに広く用いられ、特に耐CO₂腐食性に優れていること
はよく知られている。

従来この種の継目無し管は、第１図に例示するとおり、
鋼片（ビレット）を穿孔可能な温度に加熱し、例えばピ
アサーとマンドレルを用いて穿孔と圧延を行った後、オ
ーステナイト領域の温度に再加熱し、例えばストレッチ
レデューサーで仕上げ圧延を行って製造される。仕上げ
圧延の後は空冷されて管はマルテンサイト組織になる
が、必要な強度と靭性を付与するために940〜1050℃か
らの焼入れと600〜750℃での焼戻しの熱処理が施され最
終的には焼戻しマルテンサイト組織となる。

製管法としては、上に掲げたマンネスマンマンドレルミ
ル方式の外に、マンネスマンプラグミル方式、マンネス
マンアッセルミル方式等、様々の方法があるが、いずれ
の方式でもマルテンサイト系ステンレス鋼継目無し管の
製造には、製管後の焼入れ、焼戻し処理が必須とされて
いる。

上記の従来方法によって製造されたマルテンサイト系ス
テンレス鋼継目無し管は、高強度ではあるものの近年一
段と苛酷さを増しつつある使用環境では、靭性と耐応力
腐食割れ性が不十分な場合がある。即ち、CO₂を含む環
境は同時にH₂Sを含むことが多く、従来法で製造された
マルテンサイト系ステンレス鋼の継目無し管は硫化物応
力腐食割れ感受性が高いため、現状ではその使用が制約
されH₂S濃度の高い環境では通常のマルテンサイト系ス
テンレス鋼よりもCr、Ni、Mo等の合金元素を大幅に高め
たコストの高い高合金を用いなければならない。

本発明の目的は、高価な合金元素をいたずらに増加させ
ることなく、即ち、一般的なマルテンサイト系ステンレ
ス鋼或いはその改良ステンレス鋼を用い、強度は勿論、
靭性、耐応力腐食割れ性に優れ、しかも異方性の少ない
マルテンサイト系ステンレス鋼継目無し管を製造する方
法を提供すること、にある。

（問題点を解決するための手段）一般に、マルテンサイト組織を持つ鋼の靭性、耐応力腐
食割れ性を支配しているのは、マルテンサイト組織の下
部構造であるブロック、パケットの大きさであり、旧オ
ーステナイト粒径を小さくするとこのブロック、パケッ
トのサイズが小さくなって靭性、耐応力腐食割れ性をは
じめとする諸性質が向上する。しかしながら、マルテン
サイト系ステンレス鋼は析出炭化物の固溶温度が割合高
く、従来の方法では焼入れ温度を高くしなければならな
いためオーステナイト結晶粒の粗大化が避けられず、製
管後の焼入れ処理で旧オーステナイト粒径を小さくする
のに限界がある。

本発明者は、マルテンサイト系ステンレス鋼の加工熱処
理とその組織について詳細に検討を重ねた結果、一旦焼
入れされた鋼を適当な温度で温間加工すると、ブロッ
ク、パケットの単位より著しく微細なフェライト組織が
得られることを知見した。

ところが、温間加工、即ちAc₁変態点以下の低温フェラ
イト域での加工は異方性を生じさせやすく、最終圧延が
ストレッチレデューサーまたはサイザー等による縮径加
工の場合、特にこの傾向が強く、圧延方向の靭性に較べ
て圧延直角方向の靭性が低めになることがある。そこ
で、前記の微細フェライト粒と分散炭化物からなる組織
によって得られる靭性と耐応力腐食割れ性向上の効果を
維持したまま、かかる異方性を少なくする方法を探究し
た。その結果、この異方性はフェライトの温間加工によ
る集合組織に依存することが判明し、同時に、前記のよ
うに温間加工された鋼をAc₃変態点より僅かに高い温度
域に短時間加熱して冷却してマルテンサイト組織とし
て、更に焼戻しすれば上記異方性が解消されることが判
明した。

ここに、本発明の要旨は、マルテンサイト系ステンレス
鋼片を下記の工程で順次加工熱処理することを特徴とす
る靭性と耐応力腐食割れ性に優れたマルテンサイト系ス
テンレス鋼継目無し管の製造方法、にある。

鋼片を1050〜1250℃に加熱し、穿孔と圧延を行う工
程、少なくとも500℃までを30℃／分以上の冷却速度とし
てマルテンサイト変態開始温度以下の温度まで冷却して
80容量％以上がマルテンサイトで占められる組織とする
工程、実質的にオーステナイトの生成がないAc₁変態点〜（A
c₁変態点−200℃）の温度域に再加熱して断面減少率で
５％以上の仕上圧延を行った後、直ちに、または一旦冷
却してからAc₃変態点を超え、（Ac₃変態点＋100℃）以
下の温度域に30分以下保持し、次いで、少なくとも500
℃までを30℃／分以上の冷却速度としてマルテンサイト
変態開始温度以下の温度まで冷却して80容量％以上がマ
ルテンサイトで占められる組織とする工程。

Ac₁変態点以下の温度で焼戻しを行う工程。

本発明は、先に掲げたマンネスマン製管法の各種の方式
をはじめ、鋼片を熱間で穿孔、圧延するあらゆる継目無
し管の製造方法に適用できる。

また、本発明の対象となるマルテンサイト系ステンレス
鋼とは、当業者間で周知のもの、および或る種の元素を
添加したり不純物を低下して改良したもの等、本発明の
製造方法で実質的に微細構造の焼戻しマルテンイト組織
となる全てのステンレス鋼である。以下、本発明の対象
として望ましいマルテンサイト系ステンレス鋼の標準的
な組成を例示し、含有量の選定理由を説明する。なお、
元素の含有量についての％は、全て重量％である。

Cr:8〜15％ Crは、ステンレス鋼としての耐食性を維持するために８
％以上の含有量が必要である。しかし、15％を超えると
高温においてフェライト領域が拡大し、その後の冷によ
るマルテンサイト変態が困難になる。

C:0.4％以下Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼の強度に関係する
元素であるが、含有量が0.4％を超えると粗大炭化物が
多くなり靭性を著しく損なう。

Si:0.01〜１％ Siは、脱酸剤および強化元素として添加される。0.01％
未満の含有量ではこれらの効果がない。一方、含有量が
１％を超えると粒界炭化物の生成を助長し、靭性、耐食
性を劣化させる。特に靭性と耐食性を向上させるには、
上限を0.2％に抑えるのがよい。

Mn:0.05〜２％ Mnは、強度および靭性を向上させるが0.05％未満ではそ
の効果がなく、２％を超えると逆に靭性を劣化させる。

S:0.03％以下Ｓは不純物元素であって、含有量は低いほど望ましい。
高すぎると硫化物の量が増加し、靭性と耐応力腐食割れ
性を害する。0.03％が許容上限値であるが、特に0.001
％以下に抑えれば耐応力腐食割れ性の向上が著しい。

P:0.1％以下ＰもＳと同様に不純物元素であり低いほど望ましい。高
すぎると靭性、耐食性が劣化する。0.1％が許容上限値
であるが、0.01％以下に抑えれば靭性、耐食性の向上に
効果があり、またこれらの性質の異方性も少なくなる。

上記のＰとＳの両方を、それぞれ0.001％以下、0.01％
以下に抑えるのが最望ましい。

Sol.Al:0.005〜0.1％ Alは溶鋼の脱酸のため添加される。Sol.Alとして0.005
％以上の含有量になるように添加する必要があるが、0.
1％を超える含有量になると酸化物系介在物が増加し、
靭性、耐食性を劣化させる。

以上の成分の外、残部がFeおよび不可避不純物からなる
ものが標準的な組成である。これに加えて下記の第１群
および第２群の一方または両方から１種以上の元素を選
んで含有させてもよい。

第１群の元素 2.0％以下のMo、５％以下のNi、0.5％以下のNb、0.5％
以下のＶ、0.5％以下のTi、0.5％以下のZr、0.01％以下
のＢ、および0.15％以下のＮ。

第２群の元素 0.001〜0.05％のCa、0.001〜0.05％のLa、および0.001
〜0.05％のCe。

これらの元素の作用効果は次のとおりである。

Mo: 耐食性の向上に効果がある。しかし、含有量が２％を超
えると冷却時のマルテンサイト変態が困難になる。

Ni: 耐食性を向上させるとともに、Ｃ含有量を抑える効果と
の組み合わせで強度、靭性を大きく向上させる効果があ
る。しかし、５％を超えて含有させても効果の増大はな
くなりコスト増加を招くだけである。

Nb、Ｖ、Ti、Zr: これらの元素は強度や靭性の向上に効果があると同時
に、耐食性に有効な基質中のCrの減少を阻止する効果が
ある。しかし、それぞれ0.5％を超える含有量ではかえ
って靭性を劣化させる。

B: 強度の向上に効果があるとともに組織の微細化を促し、
靭性および耐食性をも改善する効果がある。しかし、含
有量が0.01％を超えると逆に靭性、耐食性に悪影響がで
てくる。

N: Ｎは強度を向上させる安価な元素であるが、含有量が0.
15％を超えると著しい靭性の低下をもたらす。

Ca、La、Ce: これらの元素は鋼中の硫化物の形状を改善し、耐応力腐
食割れ性を向上させる。それぞれ0.001％未満の含有量
ではその効果が得られず、0.05％を超えると靭性、耐食
性を劣化させる。

次に、第２図および第３図に例示する本発明方法の工程
図にそって、加工熱処理の工程を説明する。

（ａ）鋼片加熱温度この加熱は鋼片の中心部まで均一に加熱して、ミクロ偏
析などを除去した状態で次工程の穿孔、圧延を行うため
に充分な温度と時間が必要である。加熱温度が1050℃よ
りも低いと次工程での変形抵抗が大きくなり好ましくな
い。一方、1250℃より高い温度で加熱するとスケールの
発生が著しくなり歩留り低下と表面肌荒れを招くだけで
なく、δ−フェライトが生成し易くなって製管性能が低
下する。

加熱の時間は、鋼片のサイズによって決定されるが、上
記のように中心部まで均一に加熱されるのに必要かつ充
分な時間とする。

（ｂ）穿孔と圧延ピアサーによる穿孔とマンドレルミルまたはプラグミル
による圧延は通常の方法で行われる。ピアサーは、傾斜
圧延方式でももプレスピアシング方式でもよい。

この工程では、圧延終了温度が低くなりすぎないように
注意する必要がある。圧延が低温の未再結晶域で行われ
ると粒界に残留する歪が多くなり、冷却途上での粗大粒
界炭化物の析出が促進される。粒界炭化物は製品継目無
し管の性質、特に靭性に悪影響を及ぼす。かかる理由
で、圧延は900℃以上、好ましくは940℃以上の温度域で
終了させるのが望ましい。

（ｃ）冷却条件圧延終了後の冷却条件は極めて重要である。この冷却
は、マルテンサイト変態を起こさせて80容量％以上、靭
性と耐応力腐食割れ性の向上のためには望ましくは95容
量％以上がマルテンサイトで占められる均一な組織（残
りはフェライトおよび／または残留オーステナイト）に
なるように選定する。即ち、冷却終了温度はMs点以下、
80容量％以上、望ましくは95容量％以上のマルテンサイ
トに変態する温度とする。しかしながら、炭化物の析出
しやすい500℃まではできるだけ早く冷却する必要があ
る。即ち、少なくとも500℃までを30℃／分以上の冷却
速度とする。30℃／分より遅い冷却速度では靭性低下の
原因となる粗大粒界炭化物が析出するようになる。冷却
が大きいほど靭性は向上するから例えば水冷などの急冷
を行う。

（ｄ）再加熱と仕上げ圧延上記の急冷処理によって実質的にマルテンサイト組織と
なった管をAc₁変態点以下の温度に再加熱して仕上げ圧
延を行う。圧延は、例えばストレッチレデューサーで行
うが、サイザー、リーラー等による加工でもよい。

この再加熱と圧延によってマルテンサイトの焼戻しと結
晶粒の微細化、炭化物の微細均一分散化が行われ、後の
Ac₃変態点を超える温度での加熱でも本質的に影響を受
けない優れた靭性と耐応力腐食割れ性を有する継目無し
管が得られるのである。

再加熱温度がAc₁変態点を超えるとオーステナイトが生
成し、所望の靭性、耐応力腐食割れ性がえられない。ま
た、再加熱温度がAc₁変態点−200℃よりも低いと仕上げ
圧延での変形抵抗が大きくなり過ぎる。

仕上げ圧延での加工率も重要である。ここでの圧延、即
ち、温間加工によって微視的なフェライトの再結晶と析
出炭化物の微細分散化が進み上記の優れた諸性質が得ら
れるのであるが、そのためには断面減少率で５％以上の
加工が必要である。なお、、断面減少率Ｋ（％）は、次
の（イ）式で定義される。

Ｋ＝〔１−（r₂ ²−r₁ ²）／（R₂ ²−R₁ ²）〕×100 …
（イ）ここで、R₁、R₂は仕上げ圧延前の内半径と外半径 r₁、r₂は仕上げ圧延後の内半径と外半径である。

仕上げ圧延後は、第３図に示すようにそのまま直ちに次
の（ｅ）の工程に移ることができる。しかし、第２図の
ように一旦室温または適当な温度まで冷却してもよい。
冷却する場合には、後にまたAc₃変態点を超える温度に
加熱されるのであるから焼戻し脆性を考慮する必要はな
く、従って特に急冷するには及ばない。

（ｅ）Ac₃変態点を超える温度での加熱と冷却の条件 Ac₁変態点以下の温度で焼戻しマルテンサイトを加工す
ることによって、微細フェライトと微細分散炭化物から
なる耐応力腐食割れ性に著しく優れた組織が得られる。
しかし、このままの組織では前記のように特に靭性に異
方性が現れることがある。用途によっては、一方向、例
えばＬ方向の特性が優れていれば足りることがあるが、
逆に多少Ｌ方向の特性を落としても、Ｌ、Ｃ両方向の特
性が平準化されている方がよい場合がある。本発明で
は、前の工程で温間加工で仕上げ圧延された管を、Ac₃
変態点を超え、（Ac₃変態点＋100℃）以下の温度域、即
ち、Ac₃変態点の直上付近に30分以下の加熱することに
よってこの平準化を行う。

この加熱によって、組織は一旦オーステナイに変態し、
異方性の原因となる温間加工を受けたフェライトの集合
組織が改善される。勿論、Ac₃変態点を超える加熱であ
るから前工程で加工を受けたフェライトは消失するが、
温度が比較的低いことと、加熱時間が短いことから、オ
ーステナイト結晶粒の粗大化は起こらず、前の工程で微
細析出した炭化物の再固溶も少ないから、これを急冷し
たときに得られるマルテンサイトは微細組織で靭性、耐
応力腐食割れ性とも優れたものとなる。

Ac₃変態点＋100℃を超える温度、或いは30分を超える時
間の加熱では、未固溶炭化物が完全に固溶し結晶粒が粗
大化して靭性が甚だしく低下する。

上記（ｅ）の加熱は、従来の製造方法における焼入れ工
程に似ているが、その焼入れ温度は粗大に析出した炭化
物の完全固溶を図るためAc₃変態点よりかなり高温域
（通常Ac₃変態点＋80℃以上）で行われる。本発明方法
では、穿孔、圧延から仕上げ圧延までの工程で析出した
炭化物が極めて微細であるから、加熱温度は低くてよ
く、加熱エネルギーが少ないという利点もある。

Ac₃変態点を超え、（Ac₃変態点＋100℃）までの温度域
での加熱の後の冷却は、先の（ｃ）と同じ理由で、同じ
条件とする。80容量％以上、望ましくは95容量％以上が
マルテンサイトで占められる均一な組織になるように、
Ms点以下の温度まで、しかも少なくとも500℃までを30
℃／分以上の冷却速度とする。

（ｆ）最終焼戻しこの焼戻しは前段階の加熱、冷却でオーステナイトから
変態したマルテンサイトの靭性と耐応力腐食割れ性を向
上させるために行う。この焼戻し温度がAc₁変態点を超
えると再びオーステナイトが生成し、冷却時にフレッシ
ュマルテンサイトが生じるのでAc₁変態点以下に抑え
る。焼戻し後の冷却は性能に大きな影響を与えないが、
焼戻し脆性を考慮して、冷却速度を大きくする方が望ま
しい。

このようにして製造されたマルテンサイト系ステンレス
鋼継目無し管は、マクロ的には焼戻しマルテンサイト組
織であり、ミクロ的には旧オーステナイト結晶粒が極め
て微細でかつ析出炭化物が微細分散した組織を有し、靭
性、耐応力腐食割れ性、特に耐硫化物応力腐食割れ性に
優れたものとなり、しかも、圧延方向による異方性は極
く小さい。

以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明する。

（実施例）第１表に示す組成の鋼から通常の溶解、鋳造法で100mm
φ×300mmlの鋼片を製造した。これらの鋼片を用いて、
第２表に示す条件でマルテンサイト系ステンレス鋼継目
無し管を製造した。

これらの鋼管について0.2％耐力と引張り強さとを測定
し、また靭性を評価する目的で5mm×10mm×55mmの2mmV
ノッチ試験片を用いてＬ、Ｃ両方向のシャルピー衝撃試
験を行ってシャルピー破面遷移温度を測定した。

更に、耐応力腐食割れ性を評価する目的で、シェルタイ
プ試験、即ち、水平３点曲げ試験片の中央点に異なった
荷重を付加した状態で、温度:20℃、１気圧：気圧のH₂S
で飽和した0.5％酢酸水溶液中に500時間浸漬して割れ発
生を観察し、耐硫化物応力腐食割れ性の指標となるSc値
を求めた。

上記の各測定結果を第２表にまとめて示す。

まず、第２表の本発明法のNo.1〜32の試験結果と従来法
のNo.1〜21の試験結果を比較すると、0.2％耐力と引張
り強さにおいてはほぼ同等であるが、破面遷移温度とSc
値では本発明法のものがはるかに勝っている。次に、破
面遷移温度に着目すれば、Ｌ方向、Ｃ方向ともその温度
は低くしかも両者に殆ど差がない。即ち、本発明によれ
ば靭性が高くかつその異方性のない継目無し管が得られ
るのである。なお、従来法による場合は、靭性の異方性
そのものは見られないが、そのレベルは極めて低い。同
じ傾向が、仕上げ圧延後の加熱温度の高すぎる比較法の
No.1にも見られる。また、比較法のNo.2と３は製管時の
条件が本発明の条件を満たしていないもので、靭性、耐
応力腐食割れ性ともに本発明法によるものに及ばない。

（発明の効果）本発明方法によって製造された継目無し管は、マルテン
サイト系ステンレス鋼の冶金学的な特性を生かし、加工
と冷却の条件を精密に調整して、その結晶粒および分散
炭化物が極めて微細化されている。しかも製管後の適切
な熱処理によって異方性も改善されているから、強度は
もとより、靭性、耐応力腐食割れ性、特に、耐硫化物応
力腐食割れ性、に優れ、かつ異方性も解消されている。

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼継目無し管の
使用分野の拡大に寄与するところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、マルテンサイト系ステンレス鋼継目無し管を
製造する従来の工程を説明する図、第２図および第３図は、同じく本発明の工程を説明する
図、である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マルテンサイト系ステンレス鋼片を下記の
工程で順次加工熱処理することを特徴とする靭性と耐応
力腐食割れ性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼継
目無し管の製造方法。鋼片を1050〜1250℃に加熱し、穿孔と圧延を行う工
程、少なくとも500℃までを30℃／分以上の冷却速度とし
てマルテンサイト変態開始温度以下の温度まで冷却して
80容量％以上がマルテンサイトで占められる組織とする
工程、実質的にオーステナイトの生成がないAc₁変態点〜（A
c₁変態点−200℃）の温度域に再加熱して断面減少率で
５％以上の仕上圧延を行った後、直ちに、または一旦冷
却してからAc₃変態点を超え、（Ac₃変態点＋100℃）以
下の温度域に30分以下保持し、次いで、少なくとも500
℃までを30℃／分以上の冷却速度としてマルテンサイト
変態開始温度以下の温度まで冷却して80容量％以上がマ
ルテンサイトで占められる組織とする工程、 Ac₁変態点以下の温度で焼戻しを行う工程。
【請求項２】マルテンサイト系ステンレス鋼が下記第１
群および／または第２群の元素の１種以上を含有するも
のである特許請求の範囲第１項記載の継目無し管の製造
方法。第１群重量％で、2.0％以下のMo、５％以下のNi、0.5％以下の
Nb、0.5％以下のＶ、0.5％以下のTi、0.5％以下のZr、
0.01％以下のＢ、および0.15％以下のＮ。第２群重量％で、0.001〜0.05％のCa、0.001〜0.05％のLa、お
よび0.001〜0.05％のCe。
【請求項３】マルテンサイト系ステンレス鋼が、不純物
元素のＰとＳの一方または両方が下記の範囲に抑えられ
ているものである特許請求の範囲第１項または第２項に
記載の継目無し管の製造方法。 P:0.01重量％以下 S:0.001重量％以下