JPS5844726B2 - 耐水素脆性の優れた油井用高張力電縫鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主としてサワー油井用鋼管として使用される耐
水素脆性の優れた強度水準がＡＰＩ規格のＮ−８０クラ
ス以上である油井用高張力電縫鋼管の製造方法に関する
ものである。

従来多量の硫化水素を含有する石油あるいは天然ガスを
採取する油井あるいはガス井（すなわちいわゆるサワー
油井、サワーガス井、以下サワー油井と略称する。

）におけるケーシングやチュービングには、特にきびし
いサワーの場合、低合金鋼あるいは特殊合金により製造
された耐水素脆性を有するシームレス鋼管が使用されて
いる。

電縫鋼管の場合は、一部の地域において（おそらくあま
りきびしくないサワー油井に使用されていると考えられ
る。

）かたさ規制を実施したサワー油井用鋼管の使用が知ら
れているのみである。

本発明でいう耐水素脆性とは、近年型として石油、天然
ガスのラインパイプで問題となっている耐水素誘起割れ
とは異なり、従来からＨ２Ｓを含む環境における鋼材の
硫化物応力腐食割れとして知られているものであって、
耐水素誘起割れと明確に区別するために、耐水素脆性と
称するものである。

この区別は、たとえば特開昭５０−９７５１７号公報に
も明確に述べられている。

ここで硫化物応力腐食割れ（本発明でいう水素脆性）に
関する従来の知見を概説する。

これはたとえば鉄と鋼第５４年（１９６８）第５号Ｒ６
１０に「高張力鋼の硫化物腐食割れ」に関する解説があ
り、要旨の一部は以下の通りである。

「割れは、硫化物応力腐食割れあるいは水素脆性割れと
して１９４０年頃から知られている。

Ｈ２Ｓを含む腐食環境および鋼材に応力が存在する条件
下において脆性破面を呈する破壊である。

鋼材の強度水準が上昇すると割れ感受性が増加すること
が知られている。

ＡＰＩＮ−８０クラスの強度を有する油井用鋼管（本発
明者らは、これらは全てシームレス鋼管に関するもので
あると推定している）の硫化物応力腐食割れにおよぼす
合金元素の影響として知られていることは、■Ｍｎ量が
１．６５％以上は有害である■Ｎｉは有害である■Ｃｒ
＋ Ｔｔ ＋Ｖｒ Ｂの添カロは割れ防止に有効であ
る等の知見である。

またこの場合の金属組織の影響については種々の説があ
るが、一般的には、焼入焼もどし組織が焼熱組織より良
いと言われている。

」さらに、焼入・焼もどし鋼材の耐水素脆性に関しては
、従来の知見ではかたさが影響し、かたさが低いほど割
れにくいとされている。

（Ｔ、Ｍ。Ｓｗａｎｓｏｎ ａｎｄ Ｊ 、Ｐ 、Ｔｒ
ａｌｍｅｒ ： ＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｔｅｃｔｉ
ｏｎ ＆Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ、 Ｖｏｌ、 １１
。

Ｊａｎ、（１９７２）Ｐ、３６〜３８） 以上の知見はシームレス鋼管について得られたものであ
り、本発明のように溶接部を有する電縫鋼管に関するも
のではない。

本発明に関連のある従来技術としては、本発明者らによ
る「高張力電縫鋼管の製造方法」（特願昭５０−７８３
７７号および特願昭５０−９１２３２号）がある。

それらの要旨は以下のようである。まず特願昭５０−７
８３７７号は、Ｃ：Ｏ，１５〜０．３０％ｔ Ｍｎ≦１
．５％、Ｓｉ＜０．５％、Ｐ≦０．０３％、Ｓ≦０．０
３％＋’ｌ’ｉ≦０．０３％、Ｂ：０．０００３〜０．
００２５％、Ｎ≦ｏ、ｏｏｓｏ％、脱酸度を調整するこ
とにより残存するｓｏｌ、Ａ７゜残部Ｆｅおよび不可避
的不純物よりなる素材鋼板を用い電縫溶接により電縫鋼
管とした後、該鋼管に焼入・焼もどし処理を施すことに
より引張強さ６５ｋｇ／ｒｍ！以上の高張力電縫鋼管を
製造する方法である。

また特願昭５０−９１２３２号は、Ｃ：０．０６〜０．
２５％＋□Ｍｎ≦１．５％、Ｓｉ＜０．５％、Ｐ＜０．
０３％、Ｓ≦０．０３％、Ｔｉ≦０．０３％、Ｂ：００
ＯＯＯ３〜０．００２５％、 Ｎ＜０．００８０％、成
分に加えて、Ｎｉ≦１．０％＋Ｃｒ≦１．ｏ％。

Ｍｏ≦０．８％、■≦０．２％、Ｎｂ≦０．２％の１種
または２種以上を成分とし、脱酸度を調整することによ
り残存するｓ ｏ ｌ 、 Ａｌ、残部Ｆｅおよび不可
避的不純物よりなる素材鋼板を用い電縫溶接により電縫
鋼管とした後、該鋼管に焼入・焼もどし処理を施すこと
により引張強さ７５ ｋｇ／ｙｍ１以上の高張力電縫鋼
管を製造する方法である。

以上２件の発明は、「高張力電縫鋼管の製造方法」に関
するもので、耐水素脆性は考慮していない。

本発明は電縫鋼管の耐水素脆性の改善研究を鋭意実施し
て得られた結果にもとづくものであり、耐水素脆性の優
れた高張力電縫鋼管およびその製造方法に関するもので
あって、その骨子とするところは、重量濃度で、Ｃ：０
．０６〜０．３５％。

Ｓｉ＜０．５０％、 Ｍｎ ＜ １．６％、Ｐ≦０．０
４０％。

Ｓ≦０．０１０％、Ｔｉ≦０．０４０％、Ｂ：０．００
０１〜０．００２５％、Ｎ≦ｏ、ｏｏｓｏ％、Ｃｕ：０
．２５〜０．４０％、Ａｌ≦０．１％を含有し、かつＴ
ｉおよびＮについては鋼中Ｎ濃度が０．００５５％以上
ｏ、ｏｏｓｏ％以下である場合には０．０４０％≧〔％
Ｔｉ ）≧３，４２Ｘ（％Ｎ）＋０．００２２％を満
足し、鋼中Ｎ濃度がＱ、００３５％以上で０．００５５
％未満である場合には０．０４０％≧〔％Ｔｉ〕≧１０
．５Ｘ（％Ｎ、ｌ−０．０３６８％を満足し、鋼中Ｎ濃
度が０．００３５％未満である場合には０．０４０％≧
〔％Ｔｉ 〕≧ｏ、ｏｏｏ％を満足し、さらにＣａ ：
０．００１〜０．１％＋ ＲＥＭ（Ｒａｒｅ Ｅａｒ
ｔｈＭｅｔａｌｓ ） ： ０．００５〜０．１％の１
種または２種を含有し、かつ重量（濃度）比でＣａ ／
Ｓ≧０．５゜ＲＥＭ／Ｓ≧１．０となした残部は実質
的にＦｅより成る鋼材を用いて電縫鋼管を製造して、該
電縫鋼管をその化学組成によって決まるオーステナイト
化温度以上かつ１１００℃以下の温度に７７０熱後焼入
し、５００℃以上Ａｃ３以下の温度で焼もどしを実施し
た耐水素脆性の優れた引張強さ６５ｋｇ／ｍ４以上を有
する油井用高張力電縫鋼管の製造方法である。

以下に本発明について詳細に説明する。

まず本発明者らは種々の研究の結果、Ｂを含む焼入・焼
もとし電縫鋼管に関して電縫溶接ボンド部（以下ボンド
部と略称する）の焼入性を改善して母材部並とすること
に成功した。

すなわち焼入性を確保するためには周知のごとく鋼中に
固溶Ｂが存在することが必要であり、そもそも本発明に
かかわる成分糸を有する鋼に関しては、充分な焼入性を
保有させるために必要な固溶Ｂ量を確保する目的でＴｉ
を添加しており、鋼中のＮをすべてＴｉＮとして析出さ
せこれによってＢＮ析出による固溶Ｂ量の減少を防止し
ているものである。

しかし従来電縫鋼管のボンド部については、電縫溶接時
の脱炭反応および酸化反応によって鋼中Ｃ濃度および鋼
中Ｔｉ濃度の低下現象が発生しており、ボンド部焼入性
は母材部のそれに比較して大幅に低いという実情であっ
た。

本発明者らはこの欠点を補うため種々の研究を実施した
結果、鋼中のＴｉ濃度およびＮ濃度を規制することによ
ってボンド部焼入性を確保することが可能であることを
見出して、かつそれらの適正な鋼中組成範囲として以下
の結果を得た。

すなわち■鋼中Ｎ濃度が０．００５５％以上でｏ、ｏｏ
ｓｏ％以下である場合には０．０４０％〔％Ｔｉ ）≧
３，４２Ｘ（％Ｎ）＋０．００２２％を満足し、（但し
０は０内の元素の鋼中重量濃度を示す。

以下間）、■鋼中Ｎ濃度が０．００３５％以上で０．０
０５５％未満である場合には、０．０４０％≧〔％Ｔｉ
）≧１０．５Ｘ（％Ｎ）−０，０３６８％を満足し、
■鋼中Ｎ濃度が０．００３５％未満である場合には０．
０４０％≧〔％Ｔｉ 〕≧ｏ、ｏｏｏ％を満足するもの
であり、その範囲を図に示すと第１図の如く鋼中添加元
素の化学組成範囲を第１図に示す領域内とすることによ
って、ボンド部と母材部との品質の差異が非常に少なく
なり、その結果ボンド部の腐食抑制に大きく貢献し耐水
素脆性がいちじるしく改善されることを見出したもので
ある。

さらに加えてＣａ： ０．００１〜Ｏ１１％、ＲＥＭ：
０．００５〜Ｑ、１％の１種または２種を含有し、かつ
重量比でＣａ ／ Ｓ２Ｏ，５、ＲＥＭ／Ｓ≧１．０と
なすことにより、電縫鋼管特有の溶接時に発生する溶接
部近傍のメタルフローに添った介在物の先端の尖鋭化を
防止して、溶接ボンド部の耐水素脆性が非常に優れてお
り、母材部分のそれとほとんど同水準であることを特徴
とする耐水素脆性の優れた油井用高張力電縫鋼管の製造
に成功したものである。

従来よりサワー油井に使用されているシームレス鋼管は
、一般に電縫鋼管に比較して高価であって本発明法によ
って安価な電縫鋼管を使用し得ることは、工業的貢献が
非常に太きいものである。

次に本発明における各成分組成および熱処理温度の限定
理由について説明する。

Ｃは他の合金元素とともに鋼材の強度を確保するのに必
要な元素で、０．０６未満では必要な強度が得られない
ことおよび溶接部欠陥が発生するため、０．０６％以上
とした。

またＣ濃度が０．３５％を超えると溶接性ならびに加工
性が劣化する。

従ってＣ濃度は０．０６〜０．３５％とする。

ＭｎおよびＳｉは溶接部の健全性を維持するうえで重要
な元素でありまた強度を確保するうえでも重要である。

Ｍｎは溶接性の点から１，６０％を上限とする。

Ｓｉは溶接性およびカロエ性が劣化するので０．５０％
を上限とする。

Ｍｎ ／ Ｓ ｉは溶接欠陥防止の観点から３〜１０程
度であることが望ましい。

また耐水素脆性の観点から、Ｍｎ濃度は低い方が望まし
く特に０．５％以下において優れた性質を示す。

この場合Ｓｉ濃度は特に厳重な管理を実施して、ＭｒＬ
／ｓｉを確実に３〜１０となし溶接欠陥発生を防止する
必要がある。

Ｐ、Ｓについては周知のごとく靭性および延性を著しく
損なう元素であり少量であるほど望ましいものであるが
、耐水素脆性の観点からはＳが特に有害であり上限を０
．０１０°Ｃとする。

Ｐは０．０４０％を上限とする。

Ｂは鋼の焼入性向上を目的として添加する元素で０．０
００１％未満では焼入性向上効果が期待できず、また０
、００２５％以上では表面疵発生および靭性劣化の原因
となる。

従ってＢ濃度は０．０００１〜０．００２５％とする。

このＢの焼入性向上効果はＮの存在によって損なわれる
ためＮをＴｉＮとして固定化する目的でＴｉを添加する
。

添力目するＴｉ濃度は０．０４％を超えると鋼材表面疵
の発生および被削性の低下等の品質上の欠点が生ずる。

従ってＴｉ濃度は０．０４％以下とする。

Ｎは最低限にみつもっても通常０．００１０−０．００
２０％程度は不可避的に存在し、また特に添７７０を行
なわなくてもｏ、ｏｏｓｏ％程度まで存在することもあ
る。

特に添カロしないという意味でＮ濃度の上限をｏ、ｏｏ
ｓｏ％とするが、Ｎ濃度は少なければ少ない程焼入性向
上の観点から望ましい。

従って物理的に不可能ではあるがＯｐｐｍであれば最も
望ましい状態である。

ＴｉとＮ濃度については、ポンド部焼入性を確保するた
めに、第１図の組成範囲であることが必要であることは
先に詳述した通りである。

Ｃｕは腐食抑制の効果と耐水素脆性向上効果を得るため
に少くとも０，２５％以上を必要とする。

また電縫溶接性の点で０．４０％を超えると難点が生じ
、溶接困難となる。

従ってＣｕ濃度は０．２５〜０．４０％とする。

Ａ７は０．１％以上では鋼の品質が劣化する。

ＲＥＭおよびＣａは電縫溶接時のボンド部近傍のメタル
フローにそった介在物の尖鋭化防止を目的としており、
この目的を遠戚するために必要な最低濃度は、ＲＥＭは
０．００５％、Ｃａは０．００１％である。

またＲＥＭは０．１％、Ｃａも０，１％を超えて添加し
てもその効果の増大は得られず、かえって添加技術等製
造上の困難が増大する。

また前記尖鋭化防止の目的を満たすためにはＲＥＭ／Ｓ
≧１．０．Ｃａ／Ｓ≧０．５であることが必要である。

ＲＥＭおよびＣａ、またこれ以外の元素もすべて鋼管に
要求される靭性、延性あるいは強度に応じて適宜組合せ
て添カ目するものであるこというまでもない。

該電縫鋼管の焼入に際して加熱温度を、その化学組成に
よって決まるオーステナイト化温度以上とする理由は、
焼入にはオーステナイトよりの急冷が必要不可欠である
ためである。

また同力日熱温度を１１００℃以下とする理由はオース
テナイト結晶粒の粗大化を防止し、結晶粒粗大化による
耐水素脆性の低下を防止するためである。

また該電縫鋼管の焼もどし温度を５００°Ｃ以上とする
理由は、５００′Ｃ未満では鋼の焼もどしが不充分で耐
水素脆性が低く、５００℃以上ではじめて充分な耐水素
脆性となるためである。

焼もどし温度をＡｃ ３以下とする理由は、ＡＣ３以上
では、鋼の組織が変化して耐水素脆性が低下するためで
ある。

ここで実施例による本発明の詳細な説明するのに先立ち
、耐水素脆性試験について概説する。

鋼の耐水素脆性を評価する試験方法は、たとえばＤＣＢ
試験・定荷重引張試験・３点曲げ試験・４点曲げ試験な
ど種々の方法が知られているが、鋼管特に溶接鋼管の溶
接部評価を目的とする場合は、ＣＩＪソング験が最適と
考える。

ＣＩＪソング験は、鋼管より外力、変形を与えずに管形
状のままの試験片を切り出して、鋼管の使用中の状態に
近い応力状態で試験を行ないうるという特徴を有する。

ＣＩＪソング験についても、細部が異った種々の試験方
法が知られているが、本発明者らは、表１、第２図に示
した試験方法が最も広く一般的に実施されていると考え
て、この試験方法によって鋼管の母材部および溶接部の
耐水素脆性評価を実施した０ この試験方法は、比較的大きな応力を付カロして腐食環
境下に置いたＣ ＩＪソング験片について、割れ発生ま
での時間を測定するものである。

次に鋼管の耐水素脆性に関する一般的説明を行ない、ひ
きつづいて本発明の実施例を示して、本発明の詳細な説
明する。

シームレス鋼管の耐水素脆性については、従来から種々
の研究かなされており前述のごとく多くの知見が得られ
ている。

しかし高張力電縫鋼管の耐水素脆性の水準は、いまだ一
般的に明らかにされてはいないと考える。

本発明者らは、一般的な高張力電縫鋼管の耐水素脆性の
水準を明らかにするために、従来知られている高張力電
縫鋼管について上記のＣＩＪソング験（以下単にＣリン
グ試験と称する）を実施した。

その結果が表２〜表４の比較例１，２．３である。

これらより明らかなごとく、高張力電縫鋼管の耐水素脆
性は、（１）降伏点が高いほど割れ発生までの時間が短
くなり、その変化の割合は比較的大きい。

（２）母材部に比較して溶接部（電縫溶接ボンド部）の
耐水素脆性は大幅に劣っており、割れ発生までの時間が
母材部のそれの１７２以下である。

という特徴を有する。

なお比較例３は、鋼中Ｍｎ濃度が約０．５％という低い
水準の材料であり、比較的良好な耐水素脆性特性を有す
るものである。

次に、本発明の実施例を表２〜表４に示す。

実施例１は鋼中Ｃ濃度が０．１２％と比較的低いもので
、誘導加熱焼入・誘導力ロ熱焼もどしを実施した降伏点
が６３．８ｋｇ／ｍｉの鋼管である。

本発明の基本的な構成要件である■Ｔｉ、Ｎ濃度が第１
図に示す領域に含まれること■ＣａあるいはＲＥＭを所
定量含有すること■Ｃｕを所定量含有することの３項目
をすべて満足しないでかつ実施例１とほぼ同一条件で製
造されかつ同一水準の降伏点を有する比較材は比較例１
であり、これら両者のＣＩＪソング験結果を比較すれば
、実施例１では母材部、溶接部とも耐水素脆性が大幅に
改善されていることが明らかである。

実施例２は鋼中Ｃ濃度が０．２５％のものであり、実施
例３は鋼中Ｃ濃度が０．２４％、鋼中Ｍｎ濃度が０．５
３％のものである。

実施例３より鋼中Ｍｎ濃度が低い場合、きわめて優れた
耐水素脆性を有する高張力電縫鋼管が得られることが明
らかである。

実施例２および３と対比される類似の化学組成、製造方
法を有する本発明を外れた比較例はそれぞれ比較例２お
よび３である。

実施例４は鋼中Ｃ濃度が０．３３％の例である。

また上記の本発明の基本的な構成要件３項目の１部を満
足し１部が外れた場合の例を比較例４および５に示す。

以上の実施例および比較例より本発明の効果は明白であ
り、本発明の工業的貢献は非常に大きなものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明のボンド部焼入性を確保し良好な耐水素
脆性特性を得るために必要な鋼中のＴｉおよびＮ濃度の
範囲を示す説明図、第２図はＣＩＪソング験片の説明図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量濃度で、Ｃ：０．０６〜０．３５％ｙｓｊｔ”
   ≦０．５０％＋ Ｍｎ ：≦１．６％、Ｐ≦０．０４０
   ％、Ｓ≦０．０１０％、 Ｔｉ＜：０．０４０％、Ｂ：
   ０．０００１〜０．００２５％、 Ｎ＜０．００８０％
   、Ｃｕ：０．２５〜０．４０％、Ａ７≦０．１％を含有
   し、かつＴｉおよびＮについては鋼中Ｎ濃度が０．００
   ５５％以上でｏ、ｏｏｓｏ％以下である場合には０．０
   ４０％≧〔％Ｔｉ ）≧３．４２Ｘ（％Ｎ）＋０．００
   ２２％を満足し、鋼中Ｎ濃度が０．００３５％以上で０
   ．００５５％未満である場合には０．０４０％≧〔％Ｔ
   ｉ〕≧１０．５Ｘ（％Ｎ）−０，０３６８％を満足し、
   鋼中Ｎ濃度が０．００３５％未満である場合には０．０
   ４０％≧〔％Ｔｉ ）≧ｏ、ｏｏｏ％を満足し、さら
   にＣａ二０．００１〜０．１％、 ＲＥＭ（Ｒａｒｅ
   Ｅａｒｔｈ Ｍｅｔ−ａｌｓ ） ： ０．００５〜０
   ．１％の１種または２種を含有し、かつ重量（濃度）比
   でＣａ ／ Ｓ≧０．５゜ＲＥＭ／Ｓ≧１．０となした
   残部は実質的にＦｅより成る鋼材を用いて電縫鋼管を製
   造して、該電縫鋼管をその化学組成によって決まるオー
   ステナイト化温度以上かつ１１００℃以下の温度に加熱
   後焼入し、５００℃以上ＡＣ３以下の温度で焼もどしを
   実施した耐水素脆性の優れた引張強さ６５ｋｇ／ｍＡ以
   上を有する油井用高張力電縫鋼管の製造方法。