(57)【要約】【課題】鋼材のSSC発生を早期に検知することができる鋼材の硫化物応力腐食割れ試験方法の提供。【解決手段】鋼材から採取した棒状引張試験片を試験溶液中に浸漬し、棒状引張試験片の両端に形成されたつかみ部の夫々をプルーフリングの内面に接続することで、試験片長手方向に所定の応力を負荷し、さらに、試験ガスを試験溶液中に流入することで、耐硫化物応力腐食割れ性を評価する鋼材の硫化物応力腐食割れ試験方法であり、  つかみ部間に形成された平行部の長手方向中心を通ると共に平行部C断面に対する角度が0〜15度である直線とプルーフリングとが交差するプルーフリング上の点で、長手方向に対して0〜5度の範囲の方向における前記プルーフリングの歪み変化を連続測定し、上記所定の応力が前記鋼材の降伏応力の80％以上であり、上記試験ガスが10vol％以上のH2Sを含み、上記試験溶液のpHが5.5未満である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材から採取した棒状引張試験片を試験溶液中に浸漬し、前記棒状引張試験片の両端に形成されたつかみ部の夫々をプルーフリングの内周面に接続することで、試験片長手方向に所定の応力を負荷し、さらに、試験ガスを前記試験溶液中に流入することで、耐硫化物応力腐食割れ性を評価する鋼材の硫化物応力腐食割れ試験方法であって、
前記棒状引張試験片の前記つかみ部間に形成された平行部の長手方向中心を通ると共に前記平行部C断面に対する角度が0〜15度である直線と、前記プルーフリングとが交差する前記プルーフリング上で、前記長手方向に対して0〜5度の範囲の方向における前記プルーフリングの歪み変化を連続測定し、
前記所定の応力が前記鋼材の降伏応力の80％以上であり、前記試験ガスが10vol％以上のH2Sを含み、前記試験溶液のpHが5.5未満であることを特徴とする鋼材の硫化物応力腐食割れ試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿潤硫化水素環境（サワー環境ともいう）下で油井管やラインパイプとして用いられる継目無鋼管などの鋼材において、耐硫化物応力腐食割れ性（耐SSC性）を評価する試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原油価格の高騰や、近い将来に予想される石油資源の枯渇という観点から、従来、省みられなかったような高深度でかつ硫化水素（H2S）を含む、強い腐食性を有するサワー環境の油井やガス井の開発が盛んになっている。このような環境下で使用される掘削用の油井管および輸送用のラインパイプに対しては、硫化水素（H2S）を含むサワー環境下での耐SSC性に優れている材料が要求される。
【０００３】
一般的に、耐SSC性の評価は、非特許文献１に準拠して、NACE TM0177に規定されるMethod Aで行っている。この方法は、鋼材から機械加工により採取した棒状引張試験片（図３参照）を用いて、標準溶液（例えばH2S飽和5％NaCl（食塩）＋0.5%CH3COOH（酢酸））中で所定の応力を付与し、720時間経過後までに、破断または割れが発生するか否かを評価する試験方法である。なお、棒状引張試験片は、図３に示すように、平行部、肩部、つかみ部からなる。
【０００４】
評価対象は平行部とし、試験時には平行部に、例えば、鋼材の規格降伏応力の下限値（SMYS：Specified Minimum Yield Strength）の80〜95％の応力を負荷する。平行部は、棒状引張試験片の中で最も径が小さく、負荷される応力は他の箇所と比較して高くなる。そのため、硫化物応力腐食割れ（SSC）による破断が発生する場合は、平行部の中央付近で破断し、平行部での正当な評価が可能となるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】NACE Standard TM0177-2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
NACE TM0177に規定されるMethod Aは、鋼材の耐SSC性を評価するために、一般的に広く用いられる方法である。しかし、この方法を用いて鋼材の耐SSC性を評価する場合、破断または割れの発生の有無を確認し、耐SSC性の評価を行えるまで最長で720時間を要するため、時間的損失を伴うという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、とくに鋼材のSSC発生を早期に検知することができる、鋼材の硫化物応力腐食割れ試験方法を提供することを目的とする。なお、ここでいう「硫化物応力腐食割れ試験」とは、NACE TM0177 Method Aに準じた定荷重試験をいう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、鋼材の硫化物応力腐食割れ試験におけるSSC発生の早期検知について鋭意検討した。その結果、棒状引張試験片に応力を付与する役割を担うプルーフリングの特定の方向の歪み変化を特定の位置で連続測定することで、クラックの発生・成長に伴う棒状引張試験片の伸びを検知することができることを見出した。なお、鋼材の硫化物応力腐食割れ試験において、破断または割れの発生は鋼材に生じるクラックが起点となって起こる。
【０００９】
本発明は、上記した知見に基づき、更に検討を加えて完成させたものである。すなわち、本発明の要旨は次の通りである。
［１］鋼材から採取した棒状引張試験片を試験溶液中に浸漬し、前記棒状引張試験片の両端に形成されたつかみ部の夫々をプルーフリングの内周面に接続することで、試験片長手方向に所定の負荷応力を負荷し、さらに、試験ガスを前記試験溶液中に流入することで、耐硫化物応力腐食割れ性を評価する鋼材の硫化物応力腐食割れ試験方法であって、
前記棒状引張試験片の前記つかみ部間に形成された平行部の長手方向中心を通ると共に前記平行部C断面に対する角度が0〜15度である直線と、前記プルーフリングとが交差する前記プルーフリング上で、前記長手方向に対して0〜5度の範囲の方向における前記プルーフリングの歪み変化を連続測定し、
前記所定の応力が前記鋼材の降伏応力の80％以上であり、前記試験ガスが10vol％以上のH2Sを含み、前記試験溶液のpHが5.5未満であることを特徴とする鋼材の硫化物応力腐食割れ試験方法。
ここで、上記の平行部C断面とは、プルーフリング全体と接する平面に垂直である平行部の断面のことを指す。
また、ここで、上記の連続測定とは、試験時間中の歪み変化を常時記録する測定のことを指す。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、油井管用鋼管やラインパイプ用鋼管などの鋼材の硫化物応力腐食割れ試験において、破断や割れの起点となるクラックの発生を早期に検知することが可能となり、鋼材の耐SSC性評価時間を短縮できるという効果がある。また、耐SSC性評価時間の短縮に伴い、工程生産が円滑に行えるようになるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明における鋼材の硫化物応力腐食割れ試験を実施している状態の一例を模式的に示す説明図（断面図）である。
【図２】本発明の一例として、プルーフリングへの歪みゲージ接着位置を示す説明図である。
【図３】棒状引張試験片の寸法形状の一例を示す説明図である。
【図４】実施例における、プルーフリングへの歪みゲージ接着位置を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明で対象とする鋼材の硫化物応力腐食割れ試験方法は、NACE TM0177 Method Aに準拠する定荷重試験を採用し、鋼材から採取する棒状引張試験片は、プルーフリングの内周面に接続される2つのつかみ部と、両端のつかみ部間に形成される平行部とを有する。より具体的に、棒状引張試験片としては、例えば、平行部、肩部およびつかみ部を有し、図３に示す形状の棒状引張試験片を使用する。
【００１３】
本発明の鋼材の硫化物応力腐食割れ試験では、この棒状引張試験片を試験溶液中に浸漬し、棒状引張試験片の2つのつかみ部の夫々をプルーフリングの内面に接続することで、試験片長手方向に所定の応力を負荷し、さらに、試験ガスを試験溶液中に流入することで、耐硫化物応力腐食割れ性を評価する。そして、本発明の鋼材の硫化物応力腐食割れ試験では、棒状引張試験片の平行部の長手方向中心を通り、平行部C断面に対する角度が0〜15度である直線とプルーフリングとが交差するプルーフリング上の点で、上記の長手方向に対して0〜5度の範囲の方向におけるプルーフリングの歪み変化を連続測定し、上記所定の応力が上記鋼材の降伏応力の80％以上であり、上記試験ガスが10vol％以上のH2Sを含み、上記試験溶液のpHが5.5未満であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の鋼材の硫化物応力腐食割れ試験の一例として、プルーフリングに歪みゲージを接着することで、試験中のプルーフリングの歪み変化を連続測定する。歪みゲージの接着位置は、平行部の長手方向中心を通ると共に平行部C断面に対する角度が0〜15度である直線と、プルーフリングとが交差するプルーフリング上の位置とする。図２は、本発明の一例として、プルーフリングへの歪みゲージ接着位置を示す説明図である。上記の角度：0〜15度とは、平行部の長手方向中心Oを通る平行部C断面に対する角度であり、図２に示すような直線OO’に対する角度のことである。なお、上記の平行部方向中心Oは、プルーフリングを形成する環状部の円中心であってもよい。好ましくは、図２に示すように、棒状引張試験片の平行部長手方向中心を平行部C断面に対して垂直に通る直線とプルーフリングが交差するプルーフリング上の点（図２中、直線OO’上の点）とする。この点に歪みゲージを接着した場合、クラック発生に伴う棒状引張試験片の伸びをより正確に検出することができる。
【００１５】
また、本発明では、歪みゲージの軸方向は、上記の長手方向に対して0〜5度の範囲に設定する。好ましくは、棒状引張試験片の長手方向と歪みゲージの軸方向が平行となるように歪みゲージを接着する。このように歪みゲージを接着することにより、棒状引張試験片の長手方向における伸びをより正確に検出することができる。
【００１６】
プルーフリングに接着した歪みゲージは歪みアンプと接続し、さらに歪みアンプとデータロガーを接続することで、以下の関係式から歪み量が算出され、データロガーから検出される。発生した歪みに対応する抵抗変化と歪みの関係は、以下の（１）式で示される。なお、（１）式中、ε：歪み量、Ｒ：ゲージ抵抗［Ω］、△Ｒ：抵抗変化量［Ω］、Ｋ：ゲージ率である。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
歪みアンプを用いることで、以下の（２）式より、微小な歪みゲージの抵抗変化を電圧に変換する。なお、（２）式中、ｅ：出力電圧［Ｖ］、Ｅ：入力電圧［Ｖ］、Ｒ１：歪みゲージの抵抗値［Ω］、Ｒ２〜Ｒ４：固定抵抗の値［Ω］である。
【００１９】
【数２】
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【００２０】
歪みゲージに歪みが加わると、歪みによる出力電圧変化量△ｅ［Ｖ］は、以下の（３）式で示される。
【００２１】
【数３】
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【００２２】
△Ｒ＜＜Ｒであるため、（１）式および（３）式より、出力電圧と歪み量の関係は、以下の（４）式と示すことができる。
【００２３】
【数４】
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【００２４】
（４）式より、プルーフリングの歪み変化を連続測定し、歪み量を検出することができる。なお、本発明で用いる歪みゲージ、歪みアンプ、データロガーには、いずれも汎用品ならば種類に因らず使用できる。
【００２５】
本発明はクラック発生に伴う鋼材の伸びをプルーフリングの歪み変化として検出し、SSC発生を早期に検知するものである。そのため、鋼材がクラックの発生・成長も起こさず、容易に合格するような緩いSSC環境ではなく、厳しいSSC環境中における試験に適している。具体的には、材料の負荷応力が降伏応力の80％以上であり、試験ガスは10vol％以上のH2Sを含み、試験溶液のpHが5.5未満の環境である。好ましくは、上記の負荷応力は、降伏応力の90％以下であり、試験ガス中のH2Sは100vol％以下であり、試験溶液のpHが3.5以上である。
【００２６】
歪み測定では、鋼材の水素拡散係数が極端に大きいと、非常に速い速度で割れが成長するため、歪みの低下開始から試験片の破断までが極めて短時間となる。そのため、本発明が試験対象とする鋼材の一つである油井用継目無鋼管の好ましい組成としては、質量％で、C：0.005〜0.35％、Si：0.15〜0.3％、Mn：0.25〜0.5％、P：0.02％以下、S：0.005％以下、Ni：3.5〜6.5％、Cr：10.5〜17.5％、Mo：1.5〜3.0％、Cu：1.5％以下、Nb：0.15％以下、V：0.01〜0.1％、Ti：0.2％以下、Al：0.005〜0.1％、W：1.5％以下、N：0.1％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成とすることが好ましい。
【実施例】
【００２７】
表１に示す組成を有する油井管用継目無鋼管から、機械加工により、NACE TM0177 Method Aに準拠して、図３に示す寸法形状の硫化物応力腐食割れ試験用棒状引張試験片を採取した。また、引張試験片は、API SPECIFICATION 5CT Annex Dに準じて、当該継目無鋼管の内面、外面、厚板中央部における各平均硬さのうち、最も硬さが大きい位置を試験片の採取位置とし、試験片の長手方向が、鋼管の長手方向（管軸方向）と一致するように採取した。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
上記の棒状引張試験片を用いて、硫化物応力腐食割れ試験を実施した。試験は、NACE TM0177 Method Aに準拠し、表２に示す試験環境で、最大720時間まで継続した。なお、試験温度は25℃とした。
【００３０】
上記の試験中、プルーフリングの歪み変化を連続測定した。まず、表２記載のプルーフリング該当箇所に、棒状引張試験片の長手方向と歪みゲージの軸方向が平行となるように、歪みゲージを接着した。図４は、本実施例における、プルーフリングへの歪みゲージ接着位置を示す説明図である。図４に示すように、[1]は、角度[1]OO’が5度となる位置であり、［2］は、角度［2］OO’が20度となる位置であり、［3］は、角度［3］OO’が30度となる位置である。
【００３１】
さらに、歪みゲージと歪みアンプを接続し、歪みアンプにデータロガーを取り付けることで、プルーフリングの歪み変化を検出した。
【００３２】
得られた結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
本発明例（試験No.1、No.5、No.9、No.12）はいずれも、クラックの発生・成長に伴う歪みの連続的な低下が破断よりも前に確認でき、歪み測定無しの本比較例（試験No.2、No.6、No.10、No.13）がSSC合否判定に要する時間と比較して、本発明例は短時間でSSCの合否を予測できることがわかる。
【００３５】
本比較例である試験No.4、No.8、No.11, No.14はいずれも試験環境が緩やかなため、SSC試験は合格しており、歪み変化は確認できなかった。また、本比較例である試験No.3、No.7は、歪みゲージの接着位置が本発明範囲外のため、棒状引張試験片は破断したにもかかわらず、クラックの発生・成長に伴う歪み変化は見られなかった。
【００３６】
本発明例はいずれも、棒状引張試験片が破断する前に歪み変化が確認できているが、鋼種Bを用いた場合（試験No.5）は鋼種A、C、Dを用いた場合（試験No.1、No.9、No.12）と比較して、歪み低下開始から破断までの時間が短くなっている。このように、鋼材の種類によって歪み検出時間に幅があることから、本発明は特に、質量％で、C：0.005〜0.35％、Si：0.15〜0.3％、Mn：0.25〜0.5％、P：0.02％以下、S：0.005％以下、Ni：3.5〜6.5％、Cr：10.5〜17.5％、Mo：1.5〜3.0％、Cu：1.5％以下、Nb：0.15％以下、V：0.01〜0.1％、Ti：0.2％以下、Al：0.005〜0.1％、W：1.5％以下、N：0.1％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼材の硫化物応力腐食割れ試験に適しているとわかる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年8月25日(2017.8.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
【表２】
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