高強度高合金シームレス油井管
SM2535140TM の開発
相 良 雅 之乙陽 平澤 渡 直 樹1)
2)
3)
天谷尚五十嵐正晃
4)
5)

表1

.

は じめに開発合金の機械的特性目標．

グレード

YS, ksi(耐力)TS, ksi(引張強さ)

伸び，

近年，石油および天然ガスの需要は世界的に増加し続けてSM2535110

110140≧115≧12いる．需要増加に伴う原油価格の高騰により，開発困難な井SM2535125

125145≧130≧10戸でも採算が取れるようになるため，深井戸開発が進むこと

SM2535140140165≧145≧10がトレンドとして挙げられる．深井戸化により材料には一層の強度および耐食性が求められ，高合金シームレス油井管のニーズ，中でも高強度グレードの需要が増加している．

井戸から引き揚げられた後，環境中で吸蔵した水素により脆従来の高合金油井管材料の強度グレードとしては 0.2 耐化割れが起こった(1) ．そこで，応力腐食割れへの耐性に優力で 110 ksi(758 Mpa), 125 ksi(862 MPa)級が主体で， 140れ，かつ水素脆化感受性が低いという特徴からオーステナイksi ( 965 MPa )級の材料は実用例がほとんどない．これは応ト単相系 Ni アロイによる材料の高強度化を開発の設計指針

力腐食割れや水素脆化の観点から使用上の制約が大きいためとした．と考えられるが，苛酷環境の深井戸開発には高強度グレード

高強度化には固溶強化，加工硬化能に優れる N を積極的の高合金油井管は不可欠であり，材料開発によるユーザーメに活用した．通常，高合金シームレス油井管では冷間加工にリットは大きい．この度当社では，炭酸ガス・硫化水素ガスよって強度を上昇，制御する．冷間加工のみでは強度上昇にを含有する環境で使用可能な世界最高強度 140 ksi 級の高も限界があり，また材料の延性低下にもつながる．そこで本

合金シームレス油井管材料を開発したので以下に紹介する．

開発では，固溶強化元素である N を活用することで材料の常温延性や耐食性を維持しつつ高強度材を得た．一方で，N.

開発材の設計思想添加によって高温での延性低下が懸念されるため，Nd の添加技術を活用することで製造性の課題を克服した．これらの炭酸ガス・硫化水素ガスを含有する石油・ガス開発環境で使用される高合金油井管で高強度の材料としては，2 相系ス材料設計指針を基に，表に示す機械的性質を有する高強度の高合金シームレス油井管の開発に取り組んだ．

テンレス鋼，析出強化型ステンレス鋼が挙げられる．しかし，これらの材料では高温での応力腐食割れに加えて，使用

.


の特徴
SM2535

方法によっては水素脆化割れの懸念がある． 1989 年には140 ksi グレードの 2 相系ステンレス鋼が 3 年間の使用後に
住友金属工業株式会社
1)総合技術研究所 鋼管研究開発部 主任研究員
2)和歌山製鉄所 カスタマー技術部 継目無管材料開発室
3)特殊管事業所 特殊管カスタマー技術部 製品技術室 担当副長
4)和歌山製鉄所 カスタマー技術部 継目無管材料開発室室長
5)総合技術研究所 副所長
Development of SM2535 140, High strength Corrosion
Resistant Alloy for OCTG Material; Masayuki Sagara, Youhei
Otome, Naoki Sawawatari, Hisashi Amaya, Masaaki
Igarashi(Sumitomo Metal Industries, LTD.)

ま て り あ 第51巻 第 3 号(2012)Materia Japan

N お よ び Nd 添 加 を 特 徴 と す る 高 合 金 油 井 管 で あ る
SM2535 140 を 開 発 し た ． 主 成 分 は  25 mass  Cr 32massNi3 massMo である．


N 添加合金の強度延性特性

N は固溶強化元素であるだけでなく，加工硬化能にも優れた元素である．図は冷間加工材の常温強度と延性のバランスに及ぼす N の影響を示したものであるが， N 量の高い材料では同じ強度レベルでも延性の優れた材料となる．これは高 N 材では目標強度に対して必要な冷間加工度が低いため であり， N 量と冷 間加工度 を制御して 延性に優 れた高YS140 ksi(965 MPa)級の材料を得ることができた．


Nd 添加による性能向上

次に，合金への N 添加によってシームレス鋼管製造時の熱間加工性が劣化するため，Nd の活用により熱間加工性の確保を図った．図に熱間延性と合金中の N 量および Nd

図3

Nd 無添加合金の熱間引張試験後破面．

図4

Nd 添加合金の介在物 EDS スペクトル．

添加有無の関係を示す． N の増加により高温での絞りが劣化すること， Nd の添加により絞りが回復することがわかる．これは， N 添加により劣化する熱間加工性を補填する手段として，粒界に濃化する S を Nd により固定したものである．図に示すように，高温引張試験後の粒界破面には Sが濃化していることがわかる．Nd 添加材では図に示すように合金中で Nd によって S が介在物として捕捉されており，高温での絞りの劣化をもたらす粒界への S 偏析度合いが小さくなる．
一方で Nd は転位構造も変化させる．図(3)に転位構造に及ぼす Nd の影響を示す．材料への Nd 添加により加工時の転位構造はプラナー構造からセル構造に変化する．このことは耐 SCC 性の向上に寄与する． Nd 添加材の耐 SCC 性は図のように向上し，その改善機構は転位構造と皮膜破壊時の活性面の関係から図(3)のように説明される．


開発合金の耐環境割れ性

使用環境の一例を再現して長時間応力腐食割れ試験を実施

図5

転位構造に及ぼす Nd の影響．

図7

転位構造と SCC 感受性の概念．

した．試験は， 4 点曲げ試験法にて 100 の実 YS 相当の応力を材料に付与し，溶液 25 NaCl ＋ 0.5 CH3COOH，ガス雰囲気 0.7 MPa H2S ，温度 150 °C の環境で実施し，SCC 感受性の有無を評価した． 1 ヶ月毎にマクロ観察で割れ判定を行い，最終の 6 ヶ月目完了後に断面ミクロ観察にて割れの有無を最終判定した．表に結果を示す．硫化水素ガス環境で開発材が十分な耐 SCC 性を有することが確かめられた．また，材料の強度および N 量と SSRT(Slow StrainRate Test)(4)による耐応力腐食割れ評価の結果を図(2)に示す．同一強度レベルの材料では N 量の高い材料の耐 SCC 性が優れていることがわかる．
次に開発材の耐水素脆化特性について評価した．ノッチ付与型の 4 点曲げ試験片に 100実 YS 相当の応力を付与し，NACE Test Solution A(5)を用いて 1 ヶ月間の浸漬試験を実施し，取り出し後に断面のミクロ観察を実施して割れの有無

図6
図1
延性バランス(2)．
N 添加合金の強度

図2

高 Ni 合金の熱間加工性．

耐 SCC 性に及ぼす Nd の影響．
(SSRT(4), 0.7 MPa H2S, 25NaCl＋0.5CH3COOH)

新技術・新製品を判定した．図に長時間の実機使用を想定した時効熱処理材，炭素鋼との接触を模擬したカップル材を含めた水素脆性.

特許および実用化状況

試験後の断面ミクロ写真を示す．開発材は 140 ksi を超える高強度を有するが，水素脆性の感受性は十分低いことが確認された．

新 製 品 に 関 連 す る 技 術 は 特 許 第 4288528 号 ， 特 許 第4553073号，特許第4656007号，特開200930153号などが国

内，海外にて特許化，公開されている．
表2SM2535140の長時間応力腐食割れ試験結果．

No.

材料

11開発材122比較材YS(ksi)

マクロ判定（月毎）

123456

また，実用化に関しては Gulf of Mexico ( GOM )での深井戸開発用に既に 100 Ton 以上の製品を出荷済みである．図ミクロ観察
割れ判定

にメキシコ湾陸棚の地層構造を示す(6)．深さ35000フィー
今後，大深度油井の開発が活発に行われる見通しで，これらト級のリザーバーが多数存在することがわかる．GOM では

151◯ ◯ ◯ ◯ ◯ ◯◯ ◯ ◯ ◯ ◯ ◯0/2166◯ ◯ ◯ ◯ ◯ ◯◯ ◯ ◯ ◯ ◯ ◯0/2120◯ ◯ ◯ ◯ ◯ ◯◯ ◯ ◯ ◯ ◯ ◯0/2には 140 ksi 級の材料が不可欠であるため，今後，年間数千トン規模の受注を見込んでいる．

.

まとめ◯マクロ観察で割れなし

炭酸ガス・硫化水素ガスを含有する石油・ガス開発環境で使用可能な世界最高強度 140 ksi ( 965 MPa )級の高合金シームレス油井管材料の開発を完了した．本技術開発により，これまで採掘不可能であった大深度・過酷環境の油井・ガス井が採掘可能となり，また，鋼管を薄肉にできるため軽量化を通して経済性にも寄与する．本材料は，近年の需要増大により高騰するガソリンを始めとした石油エネルギーの安価で安定な供給に大きく貢献するものである．

文

図8

材料の強度および N 量と SSRT による耐応力腐食割れ性評価結果(2)．

図9SM2535 140 の水素脆性試験結果(ノッチ付き 4点曲げ)．

図10

ま て り あ 第51巻 第 3 号(2012)Materia Japan献( 1 ) P. Sentance: ``Hydrogen Embrittlement of Cold Worked
Duplex Stainless Steel Oilfield Tubulars'' Duplex StainlessSteels '91. Vol. 2; Bourgogne; France; 2830 Oct. 1991. pp.
895903. 1992.
( 2 ) M. Sagara, Y. Otome, H. Amaya, S. Kimura, M. Igarashi andM. Ueda: Corrosion 2011, Paper No. 11109, NACE, Houston,(2011).
( 3 ) Y. Otome, H. Okada, H. Amaya and M. Igarashi: Proceedingsof the 2nd International Symposium on Steel Science (ISSS2009) Oct. 2124 (2009), Kyoto.
( 4 ) NACE Standard TM01982004 Item No. 21232, NACE International (2004).
( 5 ) NACE Standard TM01772005 Item No. 21212, NACE International (2005).
( 6 ) McMoRan 社資料( 2010 )中水 勝，石油・天然ガスレビュー，44(2010) 73より抜粋．

メキシコ湾陸棚の地層構造(6)．

