高温・高 CO2 ガス環境で優れた耐食性を有する
シームレス17Cr ステンレス油井用鋼管 UHP17CR
石 黒 康 英
鈴 木 健 史
中橋1)1)
石 川 和 俊
佐 藤 秀 雄3)
2)

哲
2)

で使用可能なシームレス油井用鋼管の開発を目標に，耐食性.

は じめにの向上を図り，冷牽なしでの 110 ksi 級， 125 ksi 級の高強度化を検討した． 17 Cr 成分を主とした材料開発により，世界的にエネルギー需要が増え，石油・天然ガスの開発この両立を図ることに成功したので紹介する．

は，これまで以上に，深井戸化かつ過酷化した腐食環境へ挑戦する方向へ向かっている．シームレス油井管材料には，こ.

開発のコンセプト

うした使用環境に十分に対応できるよう期待されている．
具体的には，耐 CO2 腐食に強い材料，および， H2S が含UHP15CR よりも苛酷な腐食環境で利用可能な鋼材がまれた環境での耐 SSC 性を有し，高強度を有する材料が求必要となっており，この特性を凌駕すると共に，冷牽無しでめられている．もはや汎用的になってきた 13Cr マルテン

高強度化を実現するため，マルテンサイト主体の組織の作りサイト系ステンレス(API13Cr)では対応できない井戸も増込みが目標になる．具体的な開発ターゲットは以下の通りで加し(1)，改良型 13Cr マルテンサイト系ステンレス(Modある．

13Cr)(2)(3)でも使用に耐えない環境が目立つようになった．



その上位鋼種の， 15 Cr マルテンサイト系ステンレス鋼管

(UHP15CR)も開発され，適用され始めている(4)．

YS≧110 ksi 級(≧758 MPa)

製造方法冷牽なしで YS を実現する(マンネスマン穿孔法，および QT プロセスで製造可

しかしながら，年々，腐食環境が厳しくなり，つまり，高能とする)

温，高 CO2 分圧，高塩化物イオン濃度の条件が厳しくなる組織マルテンサイト主体の組織とする条件下では，これらの材料でも十分に対応できない環境が増

高 CO2 腐食での使用限界温度＞ 200 °C ( CO2 分圧

えてきている．そのため， 22 Cr 以上の 2 相ステンレス，Ni 基合金を提案せざるをえない状況も多くなっている．これらの材料は，汎用的なシームレス圧延技術であるマンネン10 MPa)


耐 SSC 性 pH 4 ～ 4.5 ( H2S 分圧 0.01 MPa )にて SSC無し

マン穿孔法では製造が困難であることが多い．また，マルテ

本開発の課題は， UHP15CR をもとに成分の最適化をンサイトを含まないため， 110 ksi 級( YS  758 MPa ～)，図るとしても，従来の延長線上の成分設計を実質的に使えな125 ksi 級(YS862 MPa～)強度を実現するには，焼入焼戻い点である．これまで実施してきた耐食性向上の手段は，製プロセス(QT)では実現できず，冷牽(冷間にて外径縮径加工造性を確保しつつ，不動態皮膜の改良を図るに際し， Cr 当および減肉・肉厚を均質化)して強度を増加させる必要があ

量， Ni 当量も，共に増量してきた歴史に立っている．図る．そのため，これらの材料の需要は限定されたものになっに示すように，このまま，Cr 当量，Ni 当量を増量すると，ている．

SUS329J3L, J4L(順に 22Cr, 25Cr)のような 2 相ステンレス

この解決策として， UHP15CR よりも厳しい腐食環境鋼と同様に，焼入れ・焼戻しプロセス(以下では QT と略す)では作り込みができず，冷牽無しという目標が達成しえない．

JFE スチール株式会社 1)スチール研究所主任研究員
2)知多製造所 商品技術部主任部員
3)知多製造所 製造部主任部員
17Cr Stainless Seamless OCTG ``UHP17CR'' with HighCorrosion Resistance at High Temperature and at High CO2Pressure; Yasuhide Ishiguro, Takeshi Suzuki, Tetsu Nakahashi,Kazutoshi Ishikawa and Hideo Sato (JFE Steel Corporation).
2012年10月31日受理

ま て り あ 第52巻 第 3 号(2013)
Materia Japan

よって，図 1 の UHP15CR に対して，新開発材 UHP
17CR では，右下向きの方向性を成分設計の主体とした．つまり，フェライト安定元素の Cr, Mo の増量を図って不動態皮膜を安定させると共に，オーステナイト安定元素の Ni を減量してオーステナイトが主体な組織にならないように工夫した．一方で，耐 CO2 腐食性および耐 SSC 性の低下は，W



表1

本開発材17Cr ステンレス鋼管の化学成分/mass．
CCrNiMoCuW

0.03

16.5

3.9

2.4

1.01.0表2

図1

本開発材17Cr ステンレス鋼管の材験値．
YS/MPa (ksi)

TS/MPa (ksi)El/

125 ksi 級

925(134)

1052(153)25

110 ksi 級

857(124)1014(147)

25

本開発材 UHP17CR の組成と成分設計思想．

や Cu で補強する考え方に立った．つまり，従来のマルテンサイト単相の組織から，発想を変えて，マルテンサイト主体
ではあるが，発想を変え，マルテンサイト主体ではあるが，第 2 相としてフェライトおよびオーステナイトも含む組織を ベ ー ス に 合 金 元 素 量 を 最 適 化 し て ， 0.03C 17Cr 4Ni 2Mo1Cu1W とした．

この成分設計は，シームレス熱間加工性にとっても，従来以上に有利になる．従来の成分設計では，Cr 当量，Ni 当量

図2

光学顕微鏡組織(ビレラ腐食)．

を共に増量してきたため，シームレス圧延時の熱間加工性が，悪化する方向にあった．更に，フェライトが微量混入することがあるために，フェライトに加工歪が集中してキズの発生源になることを抑制する必要があった．しかし，UHP17CR の開発に当たっては，設計思想を変えて，フェライトを 15 ～ 60 含有させる組織にしたために，熱間加工性が改善されると共に，フェライトの微量混入に起因したキズの発生もなくなった．

.

開発鋼管の諸特性



成分と機械的性質

ラボでの成分設計に基づき，表に示す成分を実機出鋼し，マンネスマンプロセスによりシームレス鋼管を実機製造した．圧延加重は増加せず，表面のキズも抑制された．造管

図3

後に，QT プロセスによって材質を作り込み，表に示すよ高温強度(UHP17CR と 25Cr(冷牽有SUS329J4L)との比較)．

うに，冷牽なしで， YS  110 ksi 級， 125 ksi 級の材料が実現できた．図に組織を示すが，白い色調のフェライトと，黒め色調のマルテンサイトが確認できる．この写真では確認

シャルピー衝撃試験値を図に示す．－ 60 °C で 70 J を超できないがオーステナイトも含まれた組織から構成されていえる値を示し，本開発材 UHP17CR は高温強度にも関わる．

らず，優れた低温靱性を示している．

本材料は 200°C以上での高温環境での使用を想定している
ため，25Cr 系 2 相ステンレス鋼(冷牽あり，125 ksi 級)の

耐食性，および，耐 SSC 性結果を合わせて，図に高温強度をプロットした．2 相ステ

図に，20 NaCl 水溶液にて，CO2 分圧と温度で整理しンレスは，室温→200°Cで 200 MPa弱の強度低下があるが，た 炭 酸 ガス 腐 食 マッ プ を ，従 来 の API 13Cr, Mod 13Cr,

UHP17CR は強度の低下が約 100 MPa 程度に留まっておUHP15CR と共に，本開発鋼 UHP17CR について示しり， 200 °C 以上の使用環境においては， UHP17Cr の方がた．なお，油井管分野で，通常使われる「≦0.127 mm/年」有利である．2 相ステンレスが，高い常温強度を持つのは冷を耐食性良好の判断基準とした．この順で耐 CO2 腐食性は牽に起因していて，高温ほど歪が解放されるが， UHP

向上 し， CO2 分 圧 3 MPa で比較す ると，適 用限界温度 は17CR はマルテンサイト主体の組織ゆえに強度低下少ないこ

130°
C, 165°C, 200°C, 230°Cとなり，本開発鋼 UHP17CRとから説明できる．

は優れた高温耐 CO2 腐食性を示す．



新技術・新製品

図7

図 4 シャルピー衝撃試験値．

18～20NaCl 環境下での SSC 試験．

耐 SSC 性については，深海の石油・ガス田開発には期待される特性であり， 18 ～ 20  NaCl という高 Cl 環境下において， UHP15CR の 125 ksi 級と比較する形で， UHP
17CR の 125 ksi の結果を図に示した．H2S 分圧 0.01 MPa

において，pH 4.0 まで利用可能範囲が拡大している．
耐 CO2 腐食性，耐 SSC 性を含め，目標とした高耐食性基準を満足でき，マルテンサイトを主体とするステンレス油井管材料としては，最も優れた特性を示すものになっている．

.

今 後 の 展 開

本開発鋼 UHP17CR は，従来以上の高強度化と高耐食性の両立を図るため，これまでの成分設計とは異なる視点から，マルテンサイト主体の組織コントロールを図り，合金元
図5

炭酸ガス腐食マップ(温度－CO2 分圧)．

素の適正化を図ることによって，深井戸化かつ過酷化した腐食環境のシームレス油井管として必要特性をクリアできた．
本材料は，深海の石油・ガス田開発への適用が具体的に検討され始めており，今後の利用拡大が期待されている．

.

特許国内特許として，特開2005336595号(※特許査定)，特許4470617 号，特開 4893196 号他，米国や中国他の海外分を含め，多数の特許を既に取得している．

文
図6

耐孔食指数と孔食電位の関係．

図には， 20  NaCl 水溶液， CO2 分圧 0.1 MPa, 25 °Cの時の孔食電位と耐孔食指数を， Mod 13Cr, UHP15CR ，本開発鋼 UHP17CR を比較したものである．この順で，耐孔食指数が増加し，かつ，それに伴い，孔食電位が貴になっている．

ま て り あ 第52巻 第 3 号(2013)
Materia Japan献( 1 ) M. B. Kermani, D. Harrop, M. L. R. Truchon and J. L. Crolet:
Proc. Corrosion 91, NACE International, (1991), Paper No.
21.
( 2 ) K. Tamaki: Proc. Corrosion 89, NACE International, (1989),Paper No. 469.
( 3 ) S. Hashizume, T. Takaoka, Y. Minami and Y. Ishizawa: Proc.
Corrosion 92, NACE International, (1992), Paper No. 54.
( 4 ) M. Kimura, Y. Yamazaki, T. Tamari, K. Sakata and R.
Mochizuki: Proc. Corrosion 2005, NACE International,(2005), Paper No. 05108.

