(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：0.03％以下、                Si：0.70％以下、
Mn：0.30〜2.00％、              Ｐ：0.03％以下、
Ｓ：0.005 ％以下、              Cr：10.5〜15.0％、
Ni：7.0 ％以下、                Al：0.05％以下、
Ｎ：0.2 ％以下、                Ｏ：0.01％以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管を接続する方法であって、溶接継手部の最高硬さがＨV 380 以下でかつ溶接金属の平均硬さと溶接熱影響部の最高硬さの差がＨV 100 以下となるように溶接接続することにより溶接部において-20℃でのシャルピー吸収エネルギーが100Ｊ以上になる靭性及び下記ＳＳＣ試験でわれの発生がない耐硫化物応力腐食割れ性を確保することを特徴とする油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管の接続方法。
記
ＳＳＣ試験：継手溶接部から採取した板厚５mm、幅15mm、長さ115 mmの４点曲げ試験片を用い、100 ％ＳＭＹＳの応力を付加し、試験液に720 時間浸漬後、われの有無をチェックする試験であり、試験液は、５％NaCl水溶液に酢酸と酢酸ナトリウムを添加してｐＨを4.5 に調整し、５％硫化水素＋95％二酸化炭素の混合ガスを流したものを用いる。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ：0.03％以下、                Si：0.70％以下、
Mn：0.30〜2.00％、              Ｐ：0.03％以下、
Ｓ：0.005 ％以下、              Cr：10.5〜15.0％、
Ni：7.0 ％以下、                Al：0.05％以下、
Ｎ：0.2 ％以下、                Ｏ：0.01％以下
を含有し、さらに
Nb：0.20％以下、                Ｖ：0.20％以下、
Mo：0.1 〜3.0 ％、              Cu：3.5 ％以下、
Ti：0.3 ％以下、                Zr：0.2 ％以下、
Ｗ：3.0 ％以下、                Ｂ：0.0005〜0.01％、
Ca：0.0005〜0.01％
のうち１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管を接続する方法であって、溶接継手部の最高硬さがＨV 380 以下でかつ溶接金属の平均硬さと溶接熱影響部の最高硬さの差がＨV 100 以下となるように溶接接続することにより溶接部において-20℃でのシャルピー吸収エネルギーが100Ｊ以上になる靭性及び下記ＳＳＣ試験でわれの発生がない耐硫化物応力腐食割れ性を確保することを特徴とする油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管の接続方法。
記
ＳＳＣ試験：継手溶接部から採取した板厚５mm、幅15mm、長さ115 mmの４点曲げ試験片を用い、100 ％ＳＭＹＳの応力を付加し、試験液に720 時間浸漬後、われの有無をチェックする試験であり、試験液は、５％NaCl水溶液に酢酸と酢酸ナトリウムを添加してｐＨを4.5 に調整し、５％硫化水素＋95％二酸化炭素の混合ガスを流したものを用いる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原油あるいは天然ガスの油井、ガス井に使用される油井管用の鋼材に関し、とくに炭酸ガス（CO2 ）、塩素（Cl- ）等を含む極めて腐食環境の厳しい油井、ガス井で使用するに適した、優れた低温靱性、耐食性を有し、かつ溶接可能な高強度マルテンサイト系ステンレス油井用鋼管の接続方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年に至り、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化を目前にして、従来は省みられなかったような深層油田や、開発が一旦は放棄されていた腐食性の強い油田等に対する開発が、世界的規模で盛んになっている。このような油田、ガス田は一般に深度が極めて深く、またその雰囲気は高温でかつ、CO2 、Cl- 等を含む厳しい腐食環境となっている。したがってこのような油田、ガス田の採掘に使用される油井鋼管としては高温条件においても高強度で、しかも耐食性を兼ね備えた材質が要求される。
【０００３】
一般に、CO2 、Cl- を含む環境下では耐CO2 腐食性、耐孔食性の優れた13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管が多く使用されている。
また、これらの油井管はネジにて接続されている。最近の油田は掘削環境が厳しくなっているため、ネジに対する要求が厳しくなり、種々のPremium Joint が開発されている。しかしながら、ネジに対する要求は年々厳しくなり、Premium Joint によっても必要な特性が得られないような掘削条件も出てきている。鋼管の接続方法としては溶接が一般的であり、ラインパイプでは一般的に行われているが、油井用鋼管は強度が高いために溶接性が劣ることから、通常、溶接では接続されない。
【０００４】
最近、油井管を拡散接合にて接続しようという試みがあるが、溶接部が硬化するために、溶接部の機械的性質、耐腐食われ性が著しく劣化するという問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、前述のようにCO2 、Cl- 等を含む苛酷な腐食環境下において優れた耐食性に加え、機械的性質にも優れる高強度油井鋼管を溶接により接続できる方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは前記目的を達成するべく、代表的なマルテンサイト系ステンレス鋼である13％Cr鋼をベースとして、高強度化と溶接部の特性の両立を検討した結果、Ｃ、Ｎを従来より著しく低減し、必要に応じて合金元素を添加した13％Cr鋼において、溶接部の硬さを規制することによって、機械的性質、耐腐食われ性を確保できることを見出し、本発明をなすに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、質量％で、
Ｃ：0.03％以下、                Si：0.70％以下、
Mn：0.30〜2.00％、              Ｐ：0.03％以下、
Ｓ：0.005 ％以下、              Cr：10.5〜15.0％、
Ni：7.0 ％以下、                Al：0.05％以下、
Ｎ：0.2 ％以下、                Ｏ：0.01％以下
を含有し、さらに必要に応じて
Nb：0.20％以下、                Ｖ：0.20％以下、
Mo：0.1 〜3.0 ％、              Cu：3.5 ％以下、
Ti：0.3 ％以下、                Zr：0.2 ％以下、
Ｗ：3.0 ％以下、                Ｂ：0.0005〜0.01％、
Ca：0.0005〜0.01％
のうち１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管を接続する方法であって、溶接継手部の最高硬さがＨV 380 以下でかつ溶接金属の平均硬さと溶接熱影響部の最高硬さの差がＨV 100 以下となるように溶接接続することにより溶接部において-20℃でのシャルピー吸収エネルギーが100Ｊ以上になる靭性及び下記ＳＳＣ試験でわれの発生がない耐硫化物応力腐食割れ性を確保することを特徴とする油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管の接続方法である。
記
ＳＳＣ試験：継手溶接部から採取した板厚５mm、幅15mm、長さ115 mmの４点曲げ試験片を用い、100 ％ＳＭＹＳの応力を付加し、試験液に720 時間浸漬後、われの有無をチェックする試験であり、試験液は、５％NaCl水溶液に酢酸と酢酸ナトリウムを添加してｐＨを4.5 に調整し、５％硫化水素＋95％二酸化炭素の混合ガスを流したものを用いる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る鋼の組成（化学組成）の限定理由について説明する。
Ｃ：0.03％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重要な元素であるが、溶接熱影響部の硬さを上げ、溶接われを引き起こす危険性がある。そこで溶接われを引き起こさないため、0.03％以下とした。また、Ｃは、耐食性からみても少ないほうが良く、好ましくは0.02％以下の範囲である。なお、本発明では、後述するようにＣの低減による強度低下をNi、あるいはさらにNb、Ｖの添加によって補うこととした。
【０００９】
Si：0.70％以下
Siは、通常の製鋼過程において脱酸剤として必要な元素であるが、0.70％を超えると耐CO2 腐食性を低下させ、さらに熱間加工性も低下させることから、0.70％以下とした。
Mn：0.30〜2.00％
Mnは、油井管用マルテンサイト系ステンレス鋼としての強度を確保するために0.30％以上必要であるが、2.00％を超えると靱性に悪影響を及ぼすことから、0.30〜2.00％とした。
【００１０】
Ｐ：0.03％以下
Ｐは、耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食われ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食われ性をともに劣化させる元素であり、その含有量は可及的に少ないことが望ましいが、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そこで、工業的に比較的安価に実施可能でかつ耐CO2 耐食性、耐CO2 応力腐食われ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食われ性を劣化させない範囲として、Ｐは0.03％以下とした。
【００１１】
Ｓ：0.005 ％以下
Ｓは、パイプ製造過程においてその熱間加工性を著しく劣化させる元素であり、可及的に少ないことが望ましいが、0.005 ％以下に制限すれば通常の工程でのパイプ製造が可能となることから、0.005 ％以下とした。なお、好ましくは、0.003 ％以下である。
【００１２】
Cr：10.5〜15.0％
Crは、耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性を保持するために主要な元素であり、耐食性の観点からは10.5％以上必要であるが、15.0％を超えると熱間加工性が劣化することから、10.5〜15.0％とした。なお、好ましくは10.5〜13.5％である。
【００１３】
Ni：7.0 ％以下
Niは、保護皮膜を強固にして、耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食われ性、耐孔食性を高めるとともに、Ｃを低減した13％Cr鋼の強度を上昇させるために添加されるが、7.0 ％を超えるとマルテンサイト組織の安定性を損なうことから、7.0 ％以下とした。なお、好ましくは1.0 〜6.5 ％である。
【００１４】
Al：0.05％以下
Alは、強力な脱酸作用を有するが、0.05％を超えると靱性に悪影響を及ぼすことから、0.05％以下とした。
Ｎ：0.2 ％以下
Ｎは、耐孔食性を著しく向上させる元素であるが、0.2 ％を超えるとその効果が飽和してしまい、かつ溶接性を低下させるので、0.2 ％以下とした。なお、好ましくは0.08％以下である。
【００１５】
Ｏ：0.01％以下
Ｏは、本発明鋼の性能を十分に発揮させるために可及的に低減すべき元素である。すなわち、Ｏ含有量が多いと各種の酸化物を形成して熱間加工性、耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性、耐孔食性および靱性を著しく低下させる。ただし0.01％以下は許容しうるので、Ｏは0.01％以下とした。なお、好ましくは0.006 ％以下である。
【００１６】
Nb：0.02％以下、Ｖ：0.20％以下
Nb、Ｖは、いずれも靱性を劣化させずに常温、および高温における強度を上昇させる効果があるが、0.20％超えて添加すると靱性を劣化させるため、夫々0.20％以下とした。
Mo：0.1 〜3.0 ％
Moは、Cl- による孔食に対して抵抗性を与える元素であるが、0.1 ％未満ではその効果は認められず、一方、3.0 ％を超えるとδフェライトの発生を招き、耐CO2 腐食性、耐CO2 応力腐食割れ性および熱間加工性が低下することから、0.1 〜3.0 ％とした。なお、好ましくは0.8 〜2.5 ％である。
【００１７】
Cu：3.5 ％以下
Cuは、保護皮膜を強固にして鋼中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食われ性を高める元素であるが、3.5 ％を超えると高温でCuS が粒界析出し、熱間加工性が低下することから、3.5 ％以下とした。なお、好ましくは0.2 〜2.5 ％である。
【００１８】
Ti：3.0 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｗ：3.0 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％以下  Ti、Zr、Ｗ、Ｂは、いずれも強度を上昇させる効果、および耐応力腐食割れ性を改善する効果があるが、Tiは0.3 ％を超えて、Zrは0.2 ％を超えて、Ｗは3.0 ％を超えて添加すると靱性を劣化させるため、また、Ｂは0.0005％未満では効果がなく、0.01％を超えた添加は靱性を劣化させるため、Ti：0.3 ％以下、Zr：0.2 ％以下、Ｗ：3.0 ％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％とした。
【００１９】
Ca：0.0005〜0.01％
Caは、ＳをCaS として固定しＳ系介在物を球状化することにより、介在物の周囲のマトリックスの格子歪を小さくして、水素のトラップ能を下げる作用がある。その効果は0.0005％未満では顕著ではなく、一方、0.01％を超えるとCaO の増加を招き、耐CO2 腐食性、耐孔食性が低下することから、Caは、0.0005〜0.01％、好ましくは0.001 〜0.005 ％とした。
【００２０】
上記組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼管は、これを溶接継手部の最高硬さがＨV 380 以下、溶接金属と溶接熱影響部の硬さの差がＨV 100 以下になる溶接にて接続することにより、上記溶接部の靱性、上記耐硫化物応力腐食割れ性を確保することができる。かかる溶接継手硬さ条件を満足するためには、母材組成に応じて溶接材料の選択および／または溶接入熱の制御を適切に行うことが重要であるが、これら以外に、溶接後熱処理を加えることによって、硬さを調節してもよい。
【００２１】
本発明の接続方法に供する油井用鋼管を製造するにあたっては、通常の製造工程に何ら手を加えることを要しない。すなわち、鋼素材を継目無鋼管あるいは電縫鋼管に成形後、成形のまま、または900 〜1100℃の温度範囲に加熱して水冷または空冷により冷却し、その後、油井用鋼管として必要な強度を得るべく500 〜650 ℃の温度範囲で焼戻すという常法で製造できる。
【００２２】
また、溶接による接続方法としては、アーク溶接が好ましいが、これのみならず、拡散接合、抵抗溶接、レーザ溶接等、他の溶接方法を用いることも可能である。
【００２３】
【実施例】
表１に示す組成になる鋼を溶製して直径600 mmのビレットを鋳造し、これを小型圧延ミルにて板厚10mm、外径62mmの継目無鋼管となし、引き続き、焼入れ、焼戻しの熱処理を施し、降伏強度を95grade のレベルに調整した。
これらの継目無鋼管をＴＩＧ溶接法にて表１に示す条件で溶接接続し、継手を作製した。溶接材料としては、表２に組成を示す25％Cr系溶接材料（Ｎo.１）および２種類の共金系溶接材料（Ｎo.２，３）を用いた。
【００２４】
前記継手に対してシャルピー試験および硫化物応力腐食われ性試験（ＳＳＣ試験）を行った。
シャルピー試験は、溶接金属（ＷＭ）と溶接熱影響部（ＨＡＺ）とから採取したフルサイズ試験片を用いて−20℃で行った。
ＳＳＣ試験は、継手溶接部から採取した板厚５mm、幅15mm、長さ115 mmの４点曲げ試験片を用い、100 ％ＳＭＹＳ（Specified yield Strength,95ksi＝655MPa) の応力を付加し、試験液に720 時間浸漬後、われの有無をチェックした。試験液は、５％NaCl水溶液に酢酸と酢酸ナトリウムを添加してｐＨを4.5 に調整し、５％硫化水素＋95％二酸化炭素の混合ガスを流したものを用いた。
【００２５】
これらの試験結果を表１に併せて示す。ＳＳＣ試験結果についてはわれの発生したものを×、発生しなかったものを○で示した。
【００２６】
【表１】
0004552268.tif 000002
【００２７】
【表２】
0004552268.tif 000003
【００２８】
表１より、本発明の組成要件を満たす鋼管を本発明の溶接継手硬さ条件を満たすように溶接接続して作製した継手は、ＷＭおよびＨＡＺの−20℃での吸収エネルギーが100J以上という優れた靱性を示し、さらに、ＳＳＣ試験においてわれの発生は認められず、優れた耐硫化物応力腐食われ性を示した。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、13％Cr鋼においてＣ含有量を従来よりも著しく低減し、Si、Mn、Ｐ、Ｓ、Cr、Ni、Al、Ｎ、Ｏの各含有量を所定の範囲に規制するとともに溶接継手部の硬さを規制することにより、優れた低温靱性とH2S 、Cl- を含む厳しい腐食環境下でも十分な耐応力腐食われ性を示す油井用高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管の溶接接続が可能となるという優れた効果を奏する。