(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平に置かれたマルテンサイト系ステンレス鋼管をその管軸心まわりに回転させつつ、マルテンサイト系ステンレス鋼管の外面に冷却水を流下または噴射させ、かつその管断面内の内面ぬれ角度が９０〜１８０°となるようにマルテンサイト系ステンレス鋼管内に冷却水を通流させることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼管の冷却方法。
【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管の冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギ事情から石油や天然ガス採取用の油井管の需要が高まり、生産性の高い鋼管製造技術が望まれている。この石油や天然ガスを採取する過酷な環境下では、マルテンサイト系ステンレス鋼に代表される高い強度と耐食性を持つ鋼管が用いられる。この種の鋼管は焼割れに対する感受性が高いので、空気焼入れといった冷却速度の遅い焼入れ法が一般に採用されている。
【０００３】
しかし、空気焼入れでは、焼割れは防止できても、生産性が悪くまた耐硫化物応力腐食割れ性をはじめとした種々の特性が劣化してしまうという問題があった。
【０００４】
そこでこのような問題を解決することができる方法として、特開平３−８２７１１号公報には、鋼管を回転させつつ鋼管の外面にノズルで冷却水を吹き付けることによって、冷却むらを生じないように鋼管全面に均等に冷却水を供給する方法が提案されている。この方法によれば、冷却速度を１〜２０℃／secの範囲に抑えた水焼入れが可能になり、焼き割れの発生を抑え、かつ従来の空気焼入れに比べて短時間で処理することができる。
【０００５】
一方、効率良く鋼管を冷却して焼入れする方法として、特開平７−３１０１２６号公報には、鋼管を回転させつつ、鋼管の端部から鋼管内に冷却水を送り、また鋼管の上部に板状の冷却水を流下させて鋼管の内外面を冷却する方法が記載されている。この方法によれば、４０℃／sec以上の強冷却が可能であり、効率良く焼入れすることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
マルテンサイト系ステンレス鋼管の焼き割れを防止するには、通常の水焼入れ時の冷却速度より小さい冷却速度でしかも均一に鋼管を冷却する必要がある。
【０００７】
しかしながら、特開平３−８２７１１号公報記載の方法では、冷却速度は抑えられるものの、鋼管外面のみ冷却する方法であるため、鋼管内外面に温度差を生じて焼割れが起こる可能性がある。特に、厚肉の鋼管においては鋼管内外面の温度差が大きくなるため、焼割れが起こる可能性が大きい。
【０００８】
一方、特開平７−３１０１２６号公報記載の方法は、本来、強冷却を目的として開発された方法であり、冷却水量を多くして鋼管内を水が充満するようにしている。したがって、内面を緩冷却することができない。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、通常の水焼入れ時の冷却速度より小さい冷却速度で、しかも厚み方向にも均一に鋼管を水冷却できるマルテンサイト系ステンレス鋼管の冷却方法を提供すること、またこれにより生産性を確保しつつ焼き割れを防止できるマルテンサイト系ステンレス鋼管の冷却方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼管の冷却方法は、水平に置かれたマルテンサイト系ステンレス鋼管をその管軸心まわりに回転させつつ、マルテンサイト系ステンレス鋼管の外面に冷却水を流下または噴射させ、かつその管断面内の内面ぬれ角度が９０〜１８０°となるようにマルテンサイト系ステンレス鋼管内に冷却水を通流させることを特徴としている。
【００１２】
なお、高温鋼管を水冷却する場合、一般に核沸騰時の冷却速度が膜沸騰時の冷却速度より大きいので、冷却過程を通じての最大冷却速度が３５℃／sec以下とするには、核沸騰時の冷却速度を３５℃／sec以下とすれば良い。
【００１３】
鋼管外面の水冷却に関しては、鋼管外面を流下または吹き付ける冷却水の水量を減少させることにより、冷却速度を小さくすることが容易である。
【００１４】
一方、鋼管内面の水冷却に関しては、冷却水が鋼管内を充満している状態では、冷却速度の制御が困難である。鋼材の水による冷却は、主に鋼材と水との接触時における熱移動によってなされるため、単位時間当りの固液接触時間が抜熱量すなわち冷却速度に影響する。冷却水が鋼管内を充満している状態では、鋼管を管軸方向に移動しても、また回転させても内面は常に冷却水と接触しているため、冷却速度を小さくすることができない。
【００１５】
本発明の鋼管の冷却方法によれば、鋼管をその管軸心まわりに回転させつつ、鋼管内に冷却水が充満しない状態で鋼管内に冷却水を通流させる。そうすることにより、鋼管内面の単位時間当りの固液接触時間を短くし、冷却速度を小さくし、緩冷却を実現することができる。しかも内外面同時に冷却するので、鋼管の肉厚方向に均一な緩冷却を実現することができる。
【００１６】
なお、マルテンサイト系ステンレス鋼管内に通流させる冷却水による管断面内の内面ぬれ角度（後述する図５参照）が９０゜〜１８０゜程度であることが好ましい。内面ぬれ角度をこの範囲にすることにより、目標とする緩冷却を実現しつつ安定して通水することができる。管断面内の内面ぬれ角度は、冷却水が管内面を覆う領域を管軸心から見た角度である。本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼管の内外面冷却方法を用いれば、鋼管の肉厚方向に均一な緩冷却を実現できるため、マルテンサイト系ステンレス鋼管を冷却する場合であっても、鋼管の内外面位置での冷却過程を通じての最大冷却速度を３５℃／sec以下とすれば焼き割れが生じない。また、マルテンサイト変態点近傍での鋼管の冷却速度を８℃／sec以上とすることにより、オーステナイトの残留を抑えて良好にマルテンサイト変態させることができる。
【００１７】
本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼管の冷却方法にあっては、鋼管の内外面から冷却するので、鋼管の内外面位置での冷却速度が鋼管の肉厚中心位置での冷却速度に比べて通常は大きくなる。したがって、マルテンサイト系ステンレス鋼管の内外面位置の冷却速度の下限は、鋼管の肉厚中心位置での冷却速度を８℃／sec以上とする条件から、また鋼管の肉厚中心位置での冷却速度の上限は、鋼管の内外面位置での冷却速度を３５℃／sec以下とする条件から、自ずと決まる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施に用いられるマルテンサイト系ステンレス鋼管の冷却装置の１例の模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。鋼管１は回転支持ロール４上で回転させられる。内面冷却用ノズル２から内面冷却水５が供給され、鋼管１の内面を冷却する。２列の外面冷却用ノズル３から板状の外面冷却水６が鋼管１の上部に流下させて鋼管１の外面を冷却する（２列スリットラミナ冷却）。
【００２０】
内面冷却水供給用ノズル２は、焼割れを生じ易い鋼管端部の過冷却を防止するために冷却水が直接端部に当たらないように工夫され、また鋼管寸法および冷却条件に合わせて水量および流速を調節できる構成を有している。
【００２１】
外面冷却水供給用ノズル３は、２列スリットラミナ冷却である必要はなく、１列スリットラミナ冷却でもスプレー冷却などでも良い。
【００２２】
本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼管の冷却方法の１例について説明する。
【００２３】
▲１▼鋼管１を回転支持ロール４上に載置し、回転支持ロール４を回転させることにより鋼管１を回転させる。
【００２４】
▲２▼２列の外面冷却水供給用ノズル３から板状の外面冷却水６を上部に流下させて冷却する。同時に、内面冷却水供給用ノズル２から所定の水量および流速の内面冷却水５を鋼管１の内部に供給し、鋼管１の内面を冷却する。
【００２５】
▲３▼外面冷却水６および内面冷却水５を所定時間だけ供給し、鋼管１が所定温度まで冷却された後、外面冷却水６および内面冷却水５を止める。
【００２６】
▲４▼鋼管１の回転を止める。
【００２７】
鋼管１の寸法および冷却条件に合わせて、この内面冷却水５の水量および流速を調節することにより、冷却水による管断面内の内面ぬれ角度を調節し、またそれに合わせて外面冷却条件を調節することにより、肉厚方向に均一な所望の緩冷却を実現することができる。
【００２８】
マルテンサイト系ステンレス鋼管を冷却する場合には、鋼管の内外面位置での冷却速度が３５℃／sec以下、鋼管の肉厚中心位置での冷却速度が８℃／sec以上となるように、内面冷却水５の水量および流速を調節し、また外面冷却条件を調節すれば良い。
【００２９】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
【００３０】
（実施例１）
図１に示す鋼管の冷却装置を用いて、普通鋼管の冷却試験を行った。冷却試験は、鋼管を加熱炉で９００℃に加熱し、８５０℃から外面を２列スリットラミナ流、内面を通水にて回転冷却し、鋼管の温度変化を測定することにより行なわれた。この鋼管の温度変化は、内外面に供給する冷却水量を変化させて測定された。
【００３１】
用いた鋼管は、直径１３９．７ｍｍ、肉厚１６．０ｍｍ、長さ１２００ｍｍの普通鋼管（組成、Ｃ：０．１％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：１．０％）である。２列スリットラミナ流のスリット間隔は１００ｍｍ、この外面冷却水供給用ノズル高さは、鋼管の上端から１２４５ｍｍとした。鋼管の回転速度は６０ｒｐｍとした。冷却水の水温は約３６℃であった。内面通水冷却は、水量を抑え、冷却水が鋼管内を満たすことのない条件で行った。鋼管内外面の温度は、図２に示す測温位置について熱電対により測定した。
【００３２】
表１は、冷却速度の測定結果を示すものである。冷却速度は、鋼管の温度変化を示す冷却曲線から読みとった。図３は、この冷却曲線の１例を示すものであり、表１の試験材ｇの測定結果である。冷却前半の直線部分の温度勾配から膜沸騰時の冷却速度を、冷却後半の直線部分の温度勾配から核沸騰時の冷却速度を求めた。
【００３３】
一般に、核沸騰時の冷却速度は膜沸騰時の冷却速度より大きく、緩冷却を実現するには、この核沸騰時の冷却速度を抑えることが重要となる。
【００３４】
図４は、核沸騰時の冷却速度の内面水量依存性を示すグラフである。外面水量が２６ｍ3／ｈｒのときの結果である。内面水量を減少させることにより冷却速度を小さくできることがわかる。
【００３５】
図５は、冷却水の流れの目視観察結果を示す図である。内面水量が１５ｍ3／ｈｒのとき、内面ぬれ角度は１６０°、内面水量が２５ｍ3／ｈｒのとき、内面ぬれ角度は１８０°、内面水量が３５ｍ3／ｈｒのとき、内面ぬれ角度は２２０°であった。
【００３６】
すなわち、鋼管をその管軸に対して回転させつつ、鋼管内に冷却水を通流させ際、内面ぬれ角度を小さくすることにより、冷却速度を小さくし、緩冷却を実現することができた。また、図３からわかるように鋼管内外面の温度差も抑えることができた。
【００３７】
【表１】
0004045605.tif 000002
【００３８】
（実施例２）
図１に示す鋼管の冷却装置を用いて、１３％Ｃｒ鋼管の冷却試験を行った。冷却試験は、鋼管を加熱炉で１０００℃に加熱し、９００℃から外面を２列スリットラミナ流、内面を通水にて回転冷却し、鋼管の温度変化を測定する方法によった。
【００３９】
用いた鋼管は、直径１３９．７ｍｍ、肉厚１６．０ｍｍ、長さ１２００ｍｍの１３％Ｃｒ鋼管（組成、Ｃ：０．１８％、Ｓｉ：０．２０％、Ｍｎ：０．７０％、Ｃｒ：１２．９％）である。マルテンサイト変態点は２９０℃である。内面に供給する冷却水量を１５ｍ3／ｈｒ、外面の冷却水量を２６ｍ3／ｈｒとした。内面ぬれ角度は、１６０゜であった。２列スリットラミナ流のスリット間隔は１００ｍｍ、この外面冷却水供給用ノズル高さは、鋼管の上端から１２４５ｍｍとした。鋼管の回転速度は６０ｒｐｍとした。冷却水の水温は約３６℃であった。温度測定は熱電対により行った。温度は、実施例１と同じく図２に示す位置で測定した。
【００４０】
なお、比較のため、外面の冷却水量を２６ｍ3／ｈｒとし、内面の水量を２５０ｍ3／ｈｒ（管断面に冷却水が充満した状態）とした従来例についても冷却試験を行った。
【００４１】
図６は、冷却曲線を示すグラフである。曲線Ａは本発明例の結果であり、曲線Ｂは従来例の結果である。曲線Ａの最大冷却速度は３１℃／secであるのに対し、曲線Ｂ内面の最大冷却速度は６０℃／secであった。本発明法によって緩冷却が実現していることが分かる。また、曲線Ａでは鋼管内外面の温度差は最大６０℃程度であり、曲線Ｂと比較して均一に冷却されていた。
【００４２】
本発明法および従来法を用いてそれぞれ鋼管１０本に同様の冷却を施した。その結果、従来法では焼割れが３本発生したのに対して、本発明法では焼割れが生じなかった。
【００４３】
【発明の効果】
本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼管の冷却方法によれば、通常の水焼入れの冷却速度より小さい冷却速度でしかも厚み方向にも均一に鋼管を水焼入れすることができる。マルテンサイト系ステンレス鋼管のように、従来空気焼入れされていた鋼管に対しても、焼き割れなく水焼き入れできるので、鋼管の生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼管の冷却装置の模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】鋼管の測温位置を示す図である。
【図３】鋼管の冷却曲線の１例を示すグラフである。
【図４】鋼管の冷却速度の内面水量依存性を示すグラフである。
【図５】冷却水の流れの目視観察結果を示す図である。
【図６】鋼管の冷却曲線を示すグラフである。曲線Ａは本発明例の結果であり、曲線Ｂは従来例の結果である。
【符号の説明】
１  鋼管
２  内面冷却水供給用ノズル
３  外面冷却水供給用ノズル
４  回転支持ロール
５  内面側冷却水
６  外面側冷却水
【図１】
0004045605.tif 000003
【図２】
0004045605.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004045605.tif 000008