(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜１７％、Ｎｉ：１．５〜７．０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ ：０．０１〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、鋳造直前におけるＨ含有量が重量％で０．０００２５％以下である鋼を、パイプ形状に熱間加工してマルテンサイト組織の素管を製造し、この素管を冷間スエージ加工することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方法。
【請求項２】
重量％で、Ｃ ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜１７％、Ｎｉ：１．５〜７．０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ ：０．０１〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、鋳造直前におけるＨ含有量が重量％で０．０００５５％以下である鋼を、パイプ形状に熱間加工してマルテンサイト組織の素管を製造し、この素管を５５０℃以上の温度域に再加熱し熱間スエージ加工を施すことを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方法。
【請求項３】
重量％で、Ｃ ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜１７％、Ｎｉ：１．５〜７．０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ ：０．０１〜０．１％を含有し、さらにＣａ：０．００１〜０．０２％、Ｃｕ：０．５〜３．０％、Ｍｏ：０．５〜３．０％の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り、鋳造直前におけるＨ含有量が重量％で０．０００２５％以下である鋼を、パイプ形状に熱間加工してマルテンサイト組織の素管を製造し、この素管を冷間スエージ加工することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方法。
【請求項４】
重量％で、Ｃ ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ ：０．０１％以下、Ｃｒ：１１〜１７％、Ｎｉ：１．５〜７．０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ ：０．０１〜０．１％を含有し、さらにＣａ：０．００１〜０．０２％、Ｃｕ：０．５〜３．０％、Ｍｏ：０．５〜３．０％の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り、鋳造直前におけるＨ含有量が重量％で０．０００５５％以下である鋼を、パイプ形状に熱間加工してマルテンサイト組織の素管を製造し、この素管を５５０℃以上の温度域に再加熱し熱間スエージ加工を施すことを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マルテンサイト系ステンレス鋼は、ＡＩＳＩ４２０鋼に代表されるように、強度、耐ＣＯ2 腐食特性に優れることから１９８０年頃より油井管として適用されてきている。最近では４２０鋼より優れた耐ＣＯ2 腐食特性、さらには耐Ｈ2 Ｓ性に対する市場要求が高まり、特開平３−１２０３３７号公報などに見られるような、低ＣおよびＮｉ−Ｍｏ添加鋼、あるいは、特開平２−２４７３６０号公報などに見られるような、低ＣおよびＮｉ−Ｃｕ−Ｍｏ添加鋼といった鋼種（いわゆるModified１３Ｃｒ鋼と称される鋼種）が開発されてきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる鋼は油井管製造において必須となる冷間あるいは熱間の管端部スエ−ジ加工を施すと加工部に割れが生じるという問題がある。
本発明は、かかる問題を解決するものであって、鋼中Ｈ含有量を規制あるいはさらに加工温度を制限することにより割れ問題を回避しつつスエージ加工が可能となるマルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、水素含有量の異なる種々の素材に対しマンネスマン方式の継目無鋼管圧延を施し、室温まで放冷した素管に対し、管端部冷間スエージ加工、または再加熱により昇温して管端部にスエージ加工を施し、割れの発生挙動および割れ原因を調査した。その結果、割れの本質は遅れ破壊であることを解明し、鋳造直前のＨ含有量を規制すると共にマルテンサイト組織ままでスエージ加工を施しても割れが防止できるスエージ加工温度条件を解明した。
【０００５】
本発明はこのような知見に基づいて構成したものであり、その要旨は、重量％で、
Ｃ  ：０．０５％以下、              Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、                Ｐ  ：０．０３％以下、
Ｓ  ：０．０１％以下、              Ｃｒ：１１〜１７％、
Ｎｉ：１．５〜７．０％、            Ａｌ：０．０５％以下、
Ｎ  ：０．０１〜０．１％を含有し、さらに必要に応じて
Ｃａ：０．００１〜０．０２％、      Ｃｕ：０．５〜３．０％、
Ｍｏ：０．５〜３．０％の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り、鋳造直前におけるＨ含有量が重量％で０．０００２５％以下を満たす鋼を、パイプ形状に熱間加工してマルテンサイト組織の素管を製造し、この素管を冷間スエージ加工するか、鋳造直前におけるＨ含有量が重量％で０．０００５５％以下を満たす鋼を、パイプ形状に熱間加工してマルテンサイト組織の素管を製造し、この素管を５５０℃以上の温度域に再加熱し、熱間スエージ加工を施すことを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼油井管の製造方法である。
【０００６】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明におけるマルテンサイト系ステンレス鋼の成分限定理由は以下の通りである。
Ｃ：ＣはＣｒ炭化物などを形成し耐食性を劣化させる元素である。また、マルテンサイトの硬さを増大させ遅れ破壊感受性を高める。このため上限を０．０５％とした。
Ｓｉ：Ｓｉは製鋼工程において脱酸剤として添加され残留されるもので、敢えて添加する元素ではなく、０．５％を超えて含有されると靭性や耐硫化物応力割れ特性が劣化することから上限を０．５％とした。
【０００７】
Ｍｎ：Ｍｎはオーステナイト安定化元素であり、熱間加工時にδ相の析出を抑制することにより圧延疵防止に有効であるが、１．５％を超えて添加すると粒界強度を低下させ硫化物応力割れ抵抗性が劣化するので１．５％を上限とした。◎
Ｐ：Ｐは粒界に偏析して粒界強度を低下させ耐硫化物割れ性を劣化させるため、上限を０．０３％とした。
Ｓ：Ｓは熱間加工性を劣化させるため、上限を０．０１％好ましくは０．００５％とした。
【０００８】
Ｃｒ：Ｃｒは耐食性向上の基本元素であり、十分な耐ＣＯ2 腐食性を得るにはｌ１％以上の添加が必要であるが、フェライト安定化元素でもあり、多すぎると熱間加工時にδ相が析出して熱間加工性劣化を起こすと共に、製品としてもマルテンサイト単相とならず耐硫化物割れ性を劣化することになるため、上限を１７％とした。
Ｎｉ：Ｎｉは耐ＣＯ2 腐食性向上および靭性向上に有効である。また、オーステナイト安定化元素であり圧延疵につながるδ相の形成を抑制する。これら効果は添加量１．５％未満では発現されず、７％を超えて添加しても効果が飽和することから、最適添加範囲を１．５〜７．０％とした。
【０００９】
Ａｌ：Ａｌは脱酸の目的で添加されるが、０．０５％以下の添加で十分な効果が得られる。
Ｎ：Ｎは強力なオーステナイト安定化元素であるので高価なＮｉの代替元素として添加される。しかしながら、添加し過ぎるとマルテンサイト状態での硬さが高くなり遅れ破壊感受性が増大するため最適添加量として０．０１〜０．１０％とした。
【００１０】
Ｈ：Ｈは遅れ破壊を引き起こす不純物元素であり、可及的低レベルが望ましい。管端部冷間スエージングを行う場合、図１に示すように、鋳造直前におけるＨ含有量を重量％で０．０００２５％以下に制限すれば遅れ破壊を防止できるため、その上限を０．０００２５％とした。また、管端部熱間スエージングを行う場合、鋳造直前におけるＨ含有量の制限を緩和できるが、重量％で０．０００５５％を超えると遅れ破壊を防止できないため、その上限を０．０００５５％とした。
なお、鋳造方法としては、連続鋳造法、造塊法いずれでも良く、また鋳造後に分塊圧延を行っても良い。
【００１１】
Ｍｏ：ＭｏはＣｒと同様、耐食性向上元素であると共にフェライト形成元素であり、必要に応じて添加する。耐ＣＯ2 腐食性、耐硫化物割れ性、熱間加工性の観点から最適添加範囲を０．５〜３．０％とした。
Ｃｕ：ＣｕはＮｉと同様に耐ＣＯ2 腐食性向上に有効な元素であると共にオーステナイト安定化元素であり圧延疵防止にも有効であり、必要に応じて添加するが、０．５％未満ではこれらの効果が十分に得られず３．０％を超えて添加すると熱間加工性が著しく劣化するため最適範囲を０．５〜３．０％とした。
Ｃａ：ＣａはＳによる熱間加工性劣化を抑制するものであり必要に応じて添加するが、０．００１％未満では効果が発現されず０．０２％を超えて添加してもその効果は飽和するため、最適添加量を０．００１〜０．０２％とした。
【００１２】
次に、かかる組成の鋼の加工方法について述べる。
上記した組成の鋼は、その利用目的からして主に耐食性向上のためＣを低減すると共に、ＮｉやＣｕなどの添加を行ったものであるが、かかる成分系ではフェライト変態が極めて起こりにくいため、通常の熱間加工を行った後の常温における組織は完全なマルテンサイト組織となる。従来の４２０鋼などの場合には、このようなマルテンサイト組織ままの状態では冷間加工を行わないのが通例である。この理由は、マルテンサイトの硬くて脆い性質によるものであり冷間加工による脆性破壊を懸念するためである。しかしながら、上述の鋼は靭性向上をもたらすＮｉを含有しておりマルテンサイト組織の状態であっても極めて高靭性のため冷間加工を施しても脆性破壊を起こすことがない。しかしながら、加工後に長時間放置すると遅れ破壊が発生することがある。図３に、マンネスマン方式の熱間圧延により継目無管とし、常温まで冷却した後管端部を冷間にてスエージ加工して常温で２週間放置した場合に生じた割れの様子を示す。
【００１３】
かかる組成の鋼は、従来の４２０鋼などに比べると、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕなどで合金化されているため水素の拡散定数が極めて小さく、加えて高温時に水素固溶量の大きいオーステナイト相が安定であるため、溶製時に存在した水素は容易に散逸することがなく熱間圧延後も鋼中にかなり残留するという特異性がある。したがって、冷間スエージ加工後あるいは熱間スエージ加工後長時間放置すると、図３および図４（図３の拡大図）の如き遅れ破壊が加工部に生じることになる。遅れ破壊は、冷間加工あるいは熱間加工で導入される残留応力と鋼中に存在する水素の重畳効果で生じる現象であるから、これを防止するには残留応力を導入しない加工方法、例えば熱間加工、あるいは鋼中水素量の低減が有効となる。特に、設備上の制約などで冷間加工をとらざるを得ないような場合には鋼中水素量を割れが生じない範囲に制限する以外に方法はない。
【００１４】
本発明者らは、マンネスマン方式の熱間圧延により継目無管とし常温まで冷却した素管に対し、管端部を冷間にてスエージ加工を施した場合と、再加熱により昇温して管端部にスエージ加工を施した場合について、常温で２週間放置した後の割れ発生有無を溶製時の水素量（鋳造直前）およびスエージ加工温度と関連させて調査した。その結果、常温まで冷却した後管端部を冷間にてスエージ加工して常温で２週間放置した後の割れ発生特性は溶製時の水素量（鋳造直前）に密接に依存し、図１に示すように、０．０００２５％を境に著しく変化する。このことから、溶製時の水素含有量を０．０００２５％以下に制限することにより従来は通例とされていないマルテンサイト組織状態での冷間加工が可能となった。
【００１５】
また、管端部に熱間スエージ加工を施した場合、図２に示すように、スエージ加工温度を５００℃以上とすれば、水素量０．０００５５％以下の範囲で割れを防止できることを解明し、これに基づいて本発明を構成した。スエージ加工温度の上限は、特に定めるものではないが、エネルギー節約の観点からすれば低温が望ましくせいぜい７５０℃程度とするべきである。このような温間条件をとっても水素含有量が０．０００５５％を超える場合には割れを防止することができないため、水素含有量の上限は０．０００５５％とした。水素量の下限は特に定めるものではなく、０．０００２５％以下の場合には冷間加工を施しても割れは生じないが、このレベルに制限すると精練コストの上昇を招く難点もあるため、熱間スエージ加工を行う場合、工業的には０．０００２５％程度を下限とすることが好ましい。
【００１６】
本発明では、マンネスマン方式による継目無鋼管圧延のみでなく、プレスロール穿孔−エロンゲータ圧延方式や、熱間押出方式による継目無鋼管（油井管）の製造に対しても有効であることは言うまでもない。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の請求項１，３の実施例について説明する。
表１に示す鋼を用いて試験を行った。矩形断面のブルームを素材としプレスロール穿孔−エロンゲータ圧延方式の継目無鋼管圧延を行い、常温まで冷却した後、管端部をスエージ加工し、その後２週間にわたって常温で放置して加工部の割れ有無を目視観察した。試験材本数と割れ発生材本数の比をもって割れ発生率とした。試験結果を表１に併せて示す。これより、水素含有量の多いものほど割れが多発すると言える。水素含有量と割れ発生頻度の関係を整理すると図１が得られ、これより水素含有量を０．０００２５％以下に制限すれば割れを概ね防止することが可能であると言える。
【００１８】
【表１】
0004123528.tif 000002
【００１９】
（実施例２）
以下、本発明の請求項２，４の実施例について説明する。
表２に示す組成の鋼を用いて試験を行った。矩形断面のブルームを素材としプレスロール穿孔−エロンゲータ圧延方式の継目無鋼管圧延を行い常温まで冷却した素管に対し、再加熱により管端部を昇温してスエージ加工を行い、その後２週間にわたって常温で放置して加工部の割れ有無を目視観察した。試験条件および試験結果を表３に示す。また表３のデータを図２に図示した。これより、スエージ加工温度を５００℃以上とすれば、水素量０．０００５５％以下の範囲で割れを防止できると言える。
【００２０】
【表２】
0004123528.tif 000003
【００２１】
【表３】
0004123528.tif 000004
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、鋼中Ｈ含有量を規制することによりマルテンサイト組織の状態で冷間加工を施しても遅れ破壊を回避することが可能となる。
また、鋼中Ｈ含有量とスエージ加工温度を規制することにより遅れ破壊を回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】遅れ破壊発生特性と水素含有量の関係を示す。
【図２】遅れ破壊有無に対する水素含有量とスエージ加工温度との関係を示す。
【図３】管端部スエージ加工を施し常温で放置したパイプに見られた割れの様子を示したものである。
【図４】図３における割れ部分の拡大図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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