(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
Ｃ ：０．３０％以下、
Ｓｉ：１．０％以下
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｃｒ：２．５〜２．９％
Ｐ ：０．０３％以下
Ｓ ：０．０２％以下
Ａｌ：０．１０％以下
Ｎ ：０．０１５％以下
を含有し、残部鉄及び不可避不純物からなり、かつ、その金属組織がマルテンサイトであることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼。
【請求項２】
質量％で
Ｃ ：０．３０％以下、
Ｓｉ：１．０％以下
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｃｒ：２．５〜２．９％
Ｐ ：０．０３％以下
Ｓ ：０．０２％以下
Ａｌ：０．１０％以下
Ｎ ：０．０１５％以下
を含有すると共に、さらに、
Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏの１種あるいは２種以上を１％以下含有し、残部鉄及び不可避不純物からなり、かつ、その金属組織がマルテンサイトであることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼。
【請求項３】
質量％で
Ｃ ：０．３０％以下、
Ｓｉ：１．０％以下
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｃｒ：２．５〜２．９％
Ｐ ：０．０３％以下
Ｓ ：０．０２％以下
Ａｌ：０．１０％以下
Ｎ ：０．０１５％以下
を含有すると共に、
Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏの１種あるいは２種以上を１％以下含有し、さらに、
Ｔｉ：０．００１〜０．２％
Ｎｂ：０．０１〜０．５％
Ｂ ：０．０００５〜０．００３％
を１種あるいは２種以上含む、残部鉄及び不可避不純物からなり、かつ、その金属組織がマルテンサイトであることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼。
【請求項４】
降伏強度が５５０MPa 以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼で製造された油井管であることを特徴とする耐食油井管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエネルギー分野で使用されるガス・石油等の産出・輸送用の油井管やラインパイプ、あるいはプラント用鋼として最適な耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼及び耐食油井管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油・ガス等の産出・輸送用の油井管やラインパイプ等では、炭素鋼、低合金鋼の材料が用いられているが、炭酸ガスを多く含む、腐食性の高い石油・ガス井に対しては、炭素鋼などを使用しながら、腐食抑制剤を油などに添加したり、材料自体を１３％Ｃｒ鋼などのステンレス鋼材にすることで、十分な使用期間を確保して来た。
【０００３】
しかし、ステンレス鋼は高価なため、残り寿命の少ない油井等に適用するには、費用対効果の点でオーバースペックとなる。一方、腐食抑制剤を使用することは、環境に対して悪影響があることから、避けるべきであるとの動向があり、腐食抑制剤を使用しないでも、ある程度の耐食性が確保できる鋼材の開発が待たれていた。これに対し、特開昭５７−５８４６号公報には、Ｃｒを０．５〜５％含有させた鋼が提案されている。しかし、この公報では、発明鋼としてＣｒを０．５〜２．１％含有させたもののみが実施例に記載されているに留まっている。
【０００４】
また、Ｃｒを含有する鋼を実際に使用する時には、強度と低温靱性のバランスを良好に保つ必要があり、強度と低温靱性のバランスは金属組織に大きく影響されるが、前記特開昭５７−５８４６号公報では鋼材の金属組織を規定していない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、エネルギー分野で使用されるガス・石油等の産出・輸送用の油井管やラインパイプ、あるいはプラント用鋼として最適な、強度と低温靱性が優れた耐炭酸ガス腐食性と耐海水腐食性に優れた耐食鋼及び耐食油井管を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼として最適のＣｒ含有量と金属組織に規定したことを特徴としており、その要旨は以下の（１）〜（５）である。
（１）  質量％で、
Ｃ ：０．３０％以下、
Ｓｉ：１．０％以下
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｃｒ：２．５〜２．９％
Ｐ ：０．０３％以下
Ｓ ：０．０２％以下
Ａｌ：０．１０％以下
Ｎ ：０．０１５％以下
を含有し、残部鉄及び不可避不純物からなり、かつ、その金属組織がマルテンサイトであることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼である。
（２）  質量％で、
Ｃ ：０．３０％以下、
Ｓｉ：１．０％以下
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｃｒ：２．５〜２．９％
Ｐ ：０．０３％以下
Ｓ ：０．０２％以下
Ａｌ：０．１０％以下
Ｎ ：０．０１５％以下
を含有すると共に、さらに、
Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏの１種あるいは２種以上を１％以下含有し、残部鉄及び不可避不純物からなり、かつ、その金属組織がマルテンサイトであることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼である。
（３）  質量％で
Ｃ ：０．３０％以下、
Ｓｉ：１．０％以下
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｃｒ：２．５〜２．９％
Ｐ ：０．０３％以下
Ｓ ：０．０２％以下
Ａｌ：０．１０％以下
Ｎ ：０．０１５％以下
を含有すると共に、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏの１種あるいは２種以上を１％以下含有し、さらに、
Ｔｉ：０．００１〜０．２％
Ｎｂ：０．０１〜０．５％
Ｂ ：０．０００５〜０．００３％
を１種あるいは２種以上含む、残部鉄及び不可避不純物からなり、かつ、その金属組織がマルテンサイトであることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼である。
（４）  降伏強度が５５０MPa 以上であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼である。
（５）  （１）〜（４）のいずれかに記載の耐炭酸ガス腐食性に優れた耐食鋼で製造された油井管であることを特徴とする耐食油井管である。
【０００７】
ここでマルテンサイト組織とは焼き入れままのマルテンサイト組織および焼き戻しマルテンサイト組織を示すが、通常は低温靱性を高め、所望の強度域の材料をえるために焼き戻しが施されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明鋼の鋼成分の作用効果とそれらの含有量の限定理由について述べる。以下％はいずれも質量％である。
Ｃ：Ｃは鋼の強度増加に対し有効な元素であり、特にマルテンサイト組織を得るためには必要不可欠な元素である。Ｃ量が増すと一般には低温靱性や耐食性が低下するが、組織がマルテンサイトであるとＣ量が０．３０％以下では低下率は小さい。しかし、添加量が０．３０％を超えると焼き戻し過程で粒界に多量の炭化物が生成して低温靱性が劣化し、また耐食性も低下する。従ってＣ含有量は０．３０％以下とした。特に良好な低温靱性と耐食性のバランスが要求される場合には０．２５％以下であることが望ましい。ラインパイプやプラント管などに使用する場合は、良好な溶接性が要求されるので０．１０％以下とすることが望ましい。また、油井管として使用する場合には溶接性は要求されないので、Ｃ量を高くした方がマルテンサイト組織を得るのが容易になるが、望ましい範囲は０．１０％〜０．２５％である。
【０００９】
Ｓｉ：Ｓｉは脱酸のために添加する。しかし、添加量が１．０％超では低温靱性が劣化する。従って上限は１．０％とする。鋼の脱酸はＡｌでもＴｉでも十分可能であり、Ｓｉは必ずしも添加する必要はない。
Ｍｎ：Ｍｎは低温靱性を向上させ、またマルテンサイトを得るための焼き入れ性を向上させる効果を有するため添加する。しかし添加量が０．２％未満では効果が十分で無く、２．０％を超えるとかえって靱性が低下する。従って、Ｍｎは０．２〜２．０％とする。
【００１０】
Ｃｒ：Ｃｒは炭酸ガス腐食を低減させるとともに、海水腐食を低減させるのに有効な元素である。しかし、本発明が対象にしている利用分野での典型的な腐食条件である、温度８０℃、圧力０．１〜０．３MPa 程度、及び海水の流動環境において十分な耐食性を得るには、２．１％未満では十分な耐食性が得られず、５．０％以上では、添加量に見合うだけの耐食性が得られない。図１は、温度８０℃、炭酸ガス圧力０．３MPa で、塩素濃度５％の地層水模擬溶液中における腐食試験の結果を示したものであるが、２．１％以上、特に２．５％以上のＣｒ添加量で必要な耐食性レベルを得ることが出来ている。さらに、発明者らの研究において、溶液中の溶存酸素量が５ppb 以下と非常に低い場合には、図２の如く、Ｃｒを０．５％〜２．１％未満含有する鋼はＣｒを含有しない鋼よりもかえって腐食量が大きくなる傾向があり、Ｃｒ量を２．１％以上とする事により初めて環境によらず良好な耐食性の効果が得られることが判明した。従って、Ｃｒの添加量は２．１％〜５．０％未満とする。特に良い耐食性が必要とされるときは２．５％以上のＣｒ添加が望ましい。なお、Ｃｒ量の上限は、実施例の表１の本発明鋼３、５、１５〜１８番に基づき、２．９％とする。
【００１１】
Ｐ：Ｐは不純物元素として鋼中に存在し、鋼を脆化させるので、上限を０．０３％とする。
Ｓ：Ｓも不純物元素として鋼中に存在し、鋼を脆化させ、また耐食性にも悪影響するので、上限を０．０２％とする。
Ａｌ：Ａｌは脱酸のために添加する。しかし、０．１０％超では鋼の清浄度を下げ、低温靱性劣化の原因となる。従って、Ａｌは０．１０％以下とする。脱酸はＴｉあるいはＳｉでも可能であり、必ずしもＡｌを添加する必要はない。
【００１２】
Ｎ：Ｎは除去不可能な元素として鋼中に残存する。しかし、０．０１５％を超えると低温靱性劣化が著しいので、上限を０．０１５％とした。
さらに、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏの１種あるいは２種以上を１％以下含有させることによりＣｒ添加により安定化した耐食性皮膜の安定性をさらに増すことが出来る。これらの元素は単独添加した場合と複合添加した場合の差はないので、必要な耐食性に応じて１種あるいは２種以上添加することが出来る。
【００１３】
Ｔｉ，Ｎｂ，Ｂ：これらの元素は強度上昇を図るために添加する。それぞれの添加量下限未満では強度上昇効果に乏しく、上限を超えると靱性を損なう。従って、Ｔｉ：０．００１〜０．２％，Ｎｂ：０．０１〜０．５％，Ｂ：０．０００５〜０．００３％の添加範囲とする。これらの元素は単独添加した場合と複合添加した場合の差はないので、必要強度に応じて１種あるいは２種以上添加することが出来る。
【００１４】
以上の成分を含有する本発明鋼は、使用に際して熱処理により金属組織を調整して必要な強度・低温靱性バランスを得ることが可能であるが、特にその金属組織をマルテンサイト組織とすることで良好な強度・低温靱性バランスを得ることが出来る。特にその降伏強度が５５０MPa 以上となる様な高強度鋼では、良好な低温靱性を確保するためにマルテンサイト組織とすることが必須である。
【００１５】
耐食性の観点からも、マルテンサイトに一部フェライトの混じった組織や、フェライト−パーライト組織などでは、微視的な組織不均一性から、マルテンサイトとフェライト、あるいは、フェライトとパーライトなどの間で腐食反応のミクロセルが生じ、腐食速度を増加させるが、マルテンサイト単相の場合、組織が均一なため、こういったミクロセルが存在せず、他の組織に比べ耐食性に優れている。
【００１６】
マルテンサイト組織は一般に熱間圧延後直ちに、または再加熱後急速冷却することで得られる。Ｃ量が０．１５％以下の場合には水冷により、Ｃ量が０．１５％より多い場合には加速冷却でマルテンサイト組織にすることが可能であると考えられるが、鋼材の厚みや冷却条件により多少は変化する。
上記の様な耐食性と強度・低温靱性に優れた本発明鋼は、耐炭酸ガス腐食性を要求されるさまざまな機器に使用可能であるが、特に高強度を前提とされる油井管分野で、炭酸ガスの分圧が大きいため通常の炭素鋼油井管では十分な寿命を確保できない油井において、耐食油井管として使用することができる。
【００１７】
【実施例】
表１に鋼の化学組成、金属組織、機械的性質及び耐食性試験の結果を示す。金属組織は、マルテンサイト単相をＭ、フェライトの混在したマルテンサイト組織をＭ−Ｆとし、フェライト−パーライト組織をＦＰと表した。低温靱性の評価は−３０℃のシャルピー衝撃試験での吸収エネルギーを測定した。１２０Ｊ以上は非常に優れており◎、５０Ｊ以下は劣っていると見なされ×、その中間を○で示した。耐食性は、温度８０℃、炭酸ガス圧力０．３MPa で、塩素濃度５％の地層水模擬溶液中における腐食試験により、炭素鋼の腐食量を１として、０．５以下を◎、０．５〜０．７の腐食量のものを○とし、これ以上の腐食量のものを×で示した。番号１〜１８の鋼は本発明鋼であり、焼き入れ熱処理によりマルテンサイト組織とし、焼き戻し熱処理により強度を調整した。１９〜２２番の鋼は比較鋼であり、化学成分の範囲外であるか、その組織がマルテンサイト単相でない。本発明鋼はいずれも、５５０MPa 以上の高強度でありながら、良好な靱性を示し、かつ良好な耐食性を示した。比較鋼においては、低温靱性において不良であったり、耐食性が不十分であり本発明鋼の優位性が明らかである。
【００１８】
さらに、表１の番号：７，１６，１７，１８の組成の鋼を通常のシームレス圧延により造管し、表１に用いたのと同様の焼き入れ、焼き戻し熱処理を行うことで、ＡＰＩ規格におけるＬ−８０グレードの油井管を製造することが出来た。これらの油井管より採取した腐食試験片を腐食試験により評価した結果、全て良好な耐食性、評価「◎」が得られ、耐食油井管として長期の寿命を耐えうることを示した。
【００１９】
【表１】
0004203143.tif 000002
【００２０】
【発明の効果】
本発明により、耐炭酸ガス腐食性に優れ、かつ強度・低温靱性のバランスにも良好な耐食鋼が得られ、効率的なエネルギー産業の機器装置設計に寄与するところ大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度８０℃、炭酸ガス圧力０．３MPa で、塩素濃度５％の地層水模擬溶液中における腐食試験の結果を示した図である。
【図２】温度８０℃、炭酸ガス圧力０．１MPa で、溶液中の溶存酸素量３ppb 、流速１ｍ／ｓで、塩素濃度５％の地層水模擬溶液中における腐食試験の結果を示した図である。
【図１】
0004203143.tif 000003
【図２】
0004203143.tif 000004