(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト−オーステナイト合金から成るシームレス管であって、
最大０．０５％のＣ、
最大０．８％のＳｉ、
０．３０〜１．５％のＭｎ、
２８．０〜３０．０％のＣｒ、
５．８０〜７．４０％のＮｉ、
２．００〜２．５０％のＭｏ、
０．３０〜０．４０％のＮ、
最大１．０％のＣｕ、
最大２．０％のＷ、
最大０．０１０％のＳ、および
残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成り、且つ
３０〜７０％のフェライトおよび残部オーステナイトから成る組織を有し、
熱間押出しされたシームレス管の形状であり、冷間圧延の後該シームレス管は、１０４０〜１０８０℃の温度で３〜１０分の保持時間のもとで焼きなましされ、次いで水焼き入れされたことを特徴とするシームレス管。
【請求項２】
シームレス管の引張りにおいて、少なくとも７５０ＭＰａの降伏点と、同時に少なくとも２５％の伸びを示す請求項１記載のシームレス管。
【請求項３】
シームレス管の引張りにおいて、少なくとも８５０ＭＰａの降伏点と、同時に少なくとも２５％の伸びを示す請求項１記載のシームレス管。
【請求項４】
鋼管の形状において、互いに突き合わせ溶接され且つシリンダにコイル状に巻かれる請求項１〜３のいずれか１項に記載のシームレス管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼合金の使用、さらに詳しく規定するならば、海底に、詳細には海中の油およびガスの堆積層の開発時に設置するように意図された管の形で利用するためのフェライト−オーステナイト鋼合金の使用に関する。従ってこのような管の適用に際しての材料は、浸食性の塩素環境における良好な腐食特性、良好な機械的かつ物理的な特性、良好な疲労特性、ならびに管内で搬送されるようになっている作動流体の種類に対する良好な適合性を有していなければならない。このような用途のための管は、熱間押出しされたシームレス管のように製造されるようになっている。
【０００２】
海底の採油時には、海底から下方へ油堆積層内に穿孔が行われる。海底には、流れを制御し、原油を処理して利用可能な製品または準完成品に精製する装置に原油を連続的に搬送するための装置が組み付けられることになる。海底の装置には、特に弁が設けられている。この弁はくみ上げ量／圧力／流量などを制御し、油井への化学物質の注入を可能にする管との連結部を制御する。原油が凝固して、生産パイプの詰まりを引き起こすのを回避する目的で、注入にはしばしばメチルアルコールが使用される。
【０００３】
海底の装置に設けられた弁および連結部は、液圧的または電気的に海面上または陸上のプラットフォーム、生産船または別の装置から制御される。制御装置を海底の装置に接続するのがいわゆるアンビリカル（へその緒）である。海底に、例えば異なる採油場所に設けられた２つの海底装置間に位置するアンビリカル部分は、静的なアンビリカルと呼ばれる。なぜならばこのアンビリカル部分は比較的小さな規模でしか海の動きの影響を受けないからである。海底と海面との間に置かれたアンビリカル部分は動的なアンビリカルと呼ばれ、大きな規模で水中および海面の運動の影響を受ける。このような運動の例としては、海流、プラットフォーム／生産船の運動および波動が挙げられる。
【０００４】
図１は、従来のアンビリカル管１を示している。このアンビリカル管１は、水面３に固定されたプラットフォーム２から出発して、海底に降ろされている。このアンビリカルにおいては、メチルアルコールのような化学物質の注入に用いられる中心管と一緒に、多数の管４が液圧的および電気的な制御を行うために一緒に集められて、管束を形成している。アンビリカルは、海底の装置のために使用される際の要求に応じて、異なる形状を有していてもよい。しかし、通常は、メチルアルコールの注入のための中心部に、より太い管が設けられており、この中心の管は、この管の周りでねじられたより細い複数の管を有している。多くの場合、アンビリカル管を集め、設置および組み付けに際して全体を管理可能にするために、プラスチックから成るカバー６が使用される。
【０００５】
管４，５は何よりも、耐食性および機械的性質を有していることが求められる。管材料は、管の外面を取り囲む海水中で耐食性を有していなければならない。このような性質は、海水はステンレス鋼に対して高い腐食性を有しているおそれがあるため、最も重要と考えられる性質である。さらに材料は、油泉内に注入されることになる場合には腐食性を有する溶液に対して、高い耐食性を有していなければならない。材料は液圧式制御に使用される作動流体と、この液を汚染することのない適合性を有していなければならない。不可避的不純物は海底に設けられた制御装置における使用機能に、極めて不都合な影響を及ぼすおそれがある。
【０００６】
使用される管材料の機械的性質は、アンビリカル管の適用の際に極めて重要である。採油のための場所では深さは相当なものなので、アンビリカルの動的部分は一般的に長くなり、従って重くなる。このような重量が、浮動している生産船のプラットフォームによって運ばれなければならない。アンビリカルがより軽量に製造されれば、利用可能な定格リフトを、アンビリカルを持ち上げる目的とは別の目的で用いることができる。実際には、規定の形状を有するアンビリカルの重量を減じるには２つの方法がある。すなわち、より軽い材料を選択するか、または、同一密度の、しかし、より高い降伏点および引張り強さを有する材料を選択することができる。より高い強度を有する材料を選択することによって、より薄い壁を有する管を使用することができ、これにより、アンビリカルの総質量を減じることができる。海の採取場所が深くなればなるほど、アンビリカルの１メートル当たりの材料総重量は一層重要になってくる。
【０００７】
良好な腐食特性および高い強度の他に、良好な疲れ強さが求められる。このことは、特にアンビリカルの動的部分に関係する。この動的部分は広範囲にわたって、水および浮動装置の運動によって影響されることになる。
【０００８】
アンビリカルに対しての一般的な要件を以下にまとめる：
Ｆｅ含有率：                          ３５〜５５％
ＰＲＥ（Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１６Ｎ）：  最小４０
引張り降伏点：                        Ｒｐ０．２ｍｉｎ＝６５０ＭＰａ．
引張り強さ：                          Ｒｍ＝８００〜１０００ＭＰａ．
伸び率：                              Ａ５最小２５％
ＡＳＴＭ−Ｇ４８Ａに基づく試験温度：  最小５０℃
ＡＳＴＭ−Ｇ４８Ｂに基づく試験温度：  最小３５℃
溶接可能性
良好な疲れ抵抗
現在までアンビリカルに最も頻繁に使用されている材料は、フェライト−オーステナイトステンレス鋼である。この鋼はＳａｎｄｖｉｋ−ＳＡＦ２５０７の名で市販され、ＵＮＳ−Ｓ３２７５０の名で標準化されている。現在までこの材料は、耐食性および強度に対しての要件に見合うことが判っている。この合金に関しては、ヨーロッパ特許第Ａ２２０１４１号に詳しく記載されている。
【０００９】
驚くべきことに、管材料の引張り降伏点および引張り強さを増大させ、これと同時に良好な延性および良好な孔食腐食特性を維持することができることが判った。このことは、重要な合金元素Ｃｒ、Ｎの含有率と、Ｍｏの妥当な含有率とを高めて超２層合金を達成し、この合金を熱間押出し加工することによってシームレス管を形成した後冷間圧延により所要の最終寸法にし、次いで正確に選択された温度レベルで最終的に焼きなましすることにより達成される。
【００１０】
アンビリカル管として適用するためのこのようなタイプの材料および比較試験について以下に詳しく説明する。
【００１１】
実施例１
試験材料は１７０ｋｇのビレットを鋳造することによって製造された。これらのビレットは熱間鍛造されることにより、１２６ｍｍの直径を有する丸棒が形成され、熱間押し出しにより、４８ｘ５ｍｍの寸法を有するシームレス管が形成され、さらに、冷間圧延により３１ｘ３ｍｍの寸法にされた。最終焼きなましが１０４０°で５分の保持時間で行われ、これに続いて水焼入れが行われる。組成は表１に示す通りである。これらの合金を比較例として取り上げた。これらの比較例を示す材料は、米国特許第５,５８２,６５６号に基づき公知であると共に、全体的に見て当該用途の要件には合致しない。しかし本明細書中に上述したような、この用途における要件を達成するために、製造に際しての特定の需要を満たすのに必要な最適化された態様がある。
【００１２】
表１．  試験材料の組成、重量％
装填      C      Si     Mn      P   S ppm   Cr     Ni      Mo     N   
654667   0.016   0.19   1.02   0.010   49   29.37   8.62   1.55   0.26
654668   0.015   0.19   0.99   0.009   46   29.30   8.84   2.03   0.25
654669   0.015   0.19   0.91   0.010   43   29.26   8.00   2.07   0.31
654670   0.015   0.19   0.88   0.011   30   29.08   9.09   2.57   0.26
654671   0.016   0.16   1.01   0.012   32   28.81   7.48   2.50   0.37
654672   0.015   0.15   1.00   0.012   36   29.01   6.66   2.51   0.40
654674   0.016   0.16   0.88   0.011   32   29.92   9.38   1.57   0.26
654675   0.016   0.16   0.92   0.012   35   30.39   7.74   1.50   0.39
654676   0.017   0.17   1.03   0.011   35   30.50   6.94   1.53   0.40
654678   0.017   0.17   0.99   0.011   31   30.11   9.62   2.01   0.26
654679   0.016   0.16   0.89   0.012   38   30.15   7.95   2.08   0.35
654680   0.016   0.16   0.87   0.012   42   30.51   6.20   2.08   0.44
654683   0.016   0.16   0.96   0.011   38   30.15   8.11   2.56   0.35
654684   0.015   0.15   0.91   0.011   44   30.61   5.71   2.57   0.48 
材料はＡＳＴＭ−Ｇ４８Ｃに従って、６％のＦｅＣｌ３における孔食腐食で試験した。ただしこの試験は４０℃の温度で開始され、孔食腐食浸食が達成されるまで５℃ずつの段階で行われた。孔食腐食浸食が最初に発生したときの温度は、臨界孔食腐食温度（ＣＰＴ）と呼ばれる。さらに、伸び試験が室温で実施された。試験結果は表２に示す通りである。
【００１３】
表２．  ＡＳＴＭ−Ｇ４８Ｃに従った腐食試験の結果、および、３１ｘ３ｍｍのシームレス管の引張り試験、装填毎の２つの試験の平均
0004808878.tif 000002
実施例２
材料は、ＡＯＣ製法、熱間押出し、熱間圧延により１２６ｍｍの直径を有する丸棒を形成し、シームレス管の押し出しにより３３．２ｘ３．５ｍｍの寸法にし、さらに冷間圧延により１５．２ｘ１．２ｍｍの寸法にすることにより製造された。２つの異なる温度、つまり１０２０℃および１０６０℃、２分の保持時間で焼きなましが実施され、次いで水焼入れが行われた。
【００１４】
材料の組成は、表３に示す通りである。材料の組成は、本特許出願の範囲内にある。
【００１５】
表３．  試験した材料の組成、重量％
0004808878.tif 000003
材料は、孔食腐食に関しては部分的にはポテンシャルを高めた人工海水中で（表４参照）、部分的には６％のＦｅＣｌ３（表５参照）で試験された。このＦｅＣｌ３は、高合金ステンレス鋼の合格試験にしばしば使用され、ＡＳＴＭ−Ｇ４８に特定されている。これらの試験では、材料はその最終形状で、すなわち、ピルグリムステップ式圧延ミルで圧延され焼きなましされて、しかも表面が焼きなましの後でストリップ研磨された状態の形状で試験された。内面および外面は試験の前にはさらなる研磨は受けていない。その結果、この形状の材料がＳＡＦ２５０７に対応する孔食腐食特性と確かに整合する孔食腐食特性を有していることが判った。
【００１６】
表４．  異なる最終焼きなまし温度（１０２０℃および１０６０℃）を有する材料の、＋６００ｍＶ-ＳＣＥの人工海水中における、本発明によるアンビリカル管の臨界孔食腐食温度
0004808878.tif 000004
表５．  異なる最終焼きなまし温度（１０２０℃および１０６０℃）を有する材料の、６％のＦｅＣＬ３におけるアンビリカル管の臨界孔食腐食温度（ＣＰＴ）（ＡＳＴＭ−Ｇ４８試験）
0004808878.tif 000005
約１０〜２０ｍｍの内径寸法を有する管が通常アンビリカルに使用される。このような寸法に用いられる鋼等級ＳＡＦ２５０７に対して、６５０ＭＰａの引張り降伏点と８５０Ｍｐａの引張り強度が、保証し得る値として使用され、これによりこのような値がアンビリカルの設計計算に使用される。本発明が係わる鋼等級において、寸法に応じた対応方法で製造される管は、驚くべきことに、最低２５％の延性Ａを保持したまま、８５０ＭＰａを上回る引張り降伏点と、１０００ＭＰａを上回る引張り強度とを有することが判った（表５参照）。
【００１７】
伸びの最低限の要求に見合うように、１０６０℃の最終焼きなまし温度が用いられる。これに対し、１０２０℃の最終焼きなまし温度は、伸びに対しての最低限の要求が要件と合致できないことを示唆している。これらの結果は同じ用途のためのＳＡＦ２５０７と比べて、管壁をほぼ２０〜２５％だけ減じることができることを示す。例えば１２個の管を有する２ｋｍのアンビリカルの構造にとって、このように壁厚を減じことは、総重量を大幅に減少させることができることを意味する。
【００１８】
表６．  室温および２つの異なる焼きなまし温度（１０２０℃および１０６０℃）における１５．１ｘ１．２ｍｍの寸法を有するアンビリカル管の強度に対応する値
0004808878.tif 000006
１０６０℃の焼きなまし温度が１０２０℃の焼きなまし温度よりも好ましいことが明らかである。臨界孔食腐食抵抗は、１０６０℃で焼きなましされた材料の方が高く、また引張り時の伸びの平均も、１０６０℃で焼きなましされた材料の方が高い。１０２０℃で焼きなまされた材料が、本発明のアンビリカル材料に対して求められる、最小２５％の伸びという要求を満たさないことを、特に観察することができる。材料にとって適切な焼きなまし温度は約１０６０℃であり、好ましくは１０４０〜１０８０℃の範囲内にある。管材料は基礎材料と同様の組成を有する０．８ｍｍのＴＩＧワイヤを補助として用いて、突き合わせ溶接された。溶接中の保護ガスとして、Ａｒ＋３％Ｎ２が使用された。充填材の組成は表７に示す通りである。
【００１９】
表７．  溶接試験に用いられるＴＩＧワイヤの組成
0004808878.tif 000007
材料はＡＳＴＭ−Ｇ４８Ｃに従った引張り試験を受けた。試験は４０℃の開始温度と５℃ごとの段階で行われた。結果は表８に示す通りである。
【００２０】
表８.  材料を２つの異なる温度で焼きなまし、突き合わせ溶接された管の、引張り試験および孔食腐食試験（ＡＳＴＭ−Ｇ４８Ｃに従った臨界孔食腐食温度）の結果
0004808878.tif 000008
材料のひずみ制御疲労特性が研究され、他の高合金のステンレス鋼の同特性と比較される。試験は、ひずみを正弦波形および５ｘ１０−３Ｓ−１の平均伸び率の負荷を変化させる形で制御することによって行われた。
【００２１】
結果は図２に示す通りである。
【００２２】
ほとんどが上述の最終焼きなましに適しており、残りはアンビリカル管の用途に合わせて最適化された材料が、最大０．０５％のＣ、最大０．８％のＳｉ、０．３０〜１．５％のＭｎ、２８．０〜３０．０％のＣｒ、５．８０〜７．４０％のＮｉ、０．３０〜０．４０％のＮ、最大１．０％のＣｕ、最大２．０％のＷ、最大０．０１０％のＳ、および、残部Ｆｅおよび不可避的不純物に限定された組成を有するべきであることが判った。この組成物において、フェライトの含有率は３０〜７０％であり、残りはオーステナイトを形成する。最終冷間圧延の後、管は３〜１０分間、１０４０〜１０８０℃で最終焼きなましを受け、次いで水焼き入れを受ける。
【００２３】
本発明による鋼がＳＡＦ２５０７と同じ範囲の疲労特性を有することが判った。ひずみ制御疲労特性は、ひずみ疲労が材料内に発生する前に、どれぐらい長時間、またどれくらいの回数で、材料を伸張に晒すことができるかを示す。アンビリカル管はねじられてアンビリカルになる前に、溶接されて大きな長さにされ、ドラムにコイル状に巻かれるので、アンビリカルが使用される前に、多くの作業サイクルが行われて、その場所で或る一定の塑性変形が生じることは珍しいことではない。取り出されたひずみ疲労の資料は、アンビリカル管におけるひずみ疲労の結果、破断が生じる危険はほとんどないことを明示している。
【００２４】
鋼は上述の分析によれば、アンビリカル管として使用することに極めて適合する特性を有している。材料はその高ＰＲＥ数により、海中での高耐食性を有し、アンビリカルの異なる管内で搬送される現在最もよく使用される流体度により、との適合性を有している。材料の高い強度により、今日この用途にとって最も一般的な材料、すなわちＳＡＦ２５０７と比較して、壁厚をかなり減じることができる。アンビリカルの重量を節減することは、ますます日常的になってきた大海の底における採油にとって極めて重要である。
【００２５】
アンビリカルを製造可能にするのに必要な管の継ぎ手溶接は十分に作用する。疲労特性は、ひずみによって疲労降伏点が低くなる危険はほとんどない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、従来のアンビリカル管１を示している。
【図２】  図２は、ＳＡＦ２５０７と本発明の材料のひずみ制御疲労の資料を示す。
【図１】
0004808878.tif 000009
【図２】
0004808878.tif 000010