地下 4000〜 万メートルに達するまで特殊なパイプで掘り進め︑採掘火力発電や都市ガスなどの燃料として利用される天然ガスは︑ガス田で天然ガス開発に貢献する革新技術

高合金油井管高合金油井管エネルギーの安定供給に貢献している︒

されている︒新日鉄住金は過酷な採掘条件に耐える高合金油井管を開発し︑

1© Photographic Services, Shell International Limited

28季刊 新日鉄住金

Vol.7

増え続ける
天然ガスの可採埋蔵量

で採掘には︑クロム︑ニッケル︑モリブデン大量に含んだ高圧高温の地層にある︒そこ

け 口 径 が 大 き く 長い 鋼 管 が 求 め ら れ る よ う

代前半から︑超高強度化と大径長尺の高合（天然ガス生産）

チュービング

ガス層

過酷な大深度ガス田の開発
天 然 ガスは 多 くの 場 合︑地 下 4000〜リーンエネルギーと言われ︑使用 量が増 え

な ど の 高 価 な 合 金 を 多 く 含 む 二 相 ス テ ンレ

6000 メートルの硫化水素や炭酸ガスをx硫 黄 酸 化 物︶や煤て い る︒燃 焼 時 に SO︵ス鋼やニッケル合金︵ 〜 ％ニッケル︶など

天 然 ガス は 燃 焼 時 の 環 境 負 荷 が 小 さいク

塵 を 発 生 す る こ と が な い︒さ ら に CO 2や耐食性に優れた高合金油井管が使用される︒になりました︒これまで以上に非常に厳し

境 負 荷 が 他 の 化 石 燃 料 と 比 較 し て 小 さ く︑

（地層倒壊防止）ガス井戸深さ通常：4,000〜6,000m
最深：1 万 m

x窒素酸化物︶の排出量も︑石油や石炭NO︵に比べ少ない︒

一般的な採掘方法︵図 ︶は︑まず目的の天管で井戸をつくる︒ケーシングは地層が崩れ然ガス層の深さまでケーシングと呼ばれる鋼

天然ガスは︑数千万〜数億 年 前の動 物や植物の死がいが海底で積み重なり︑砂や泥るのを防ぐ壁となる︒次にチュービングという︑の 中 に 留 ま り 長い 年 月 を 経 て 熱 や 圧 力 を 受けながら気化して︑地層のある部分に溜ま火薬で孔を開け︑チュービングを通して地上内面に天然ガスが通る油井管をセットし︑ケー年 だ が︑シングの内側から目的のガス層の部分に向け︑可 採 年 数 はる こ とでつく ら れ る︒2012 年 現 在︑世兆界 で 確 認 さ れ てい る 天 然 ガ ス の 可 採 埋 蔵 量は 208・に天然ガスを汲み上げている︒

ま た 採 掘・生 産 技 術の 進 化 は︑かつて回い腐 食環境に耐えるとともに︑採掘される﹁近年︑天然ガスを増産するため︑大深度収が難しいと考 えられていたシェールガスのガス田が開 発されています︒そこで生産の商業 生産を可能とし︑アメリカを中心に天然ガスによる高い内圧や︑地層からの外産量は年々増加している︒埋蔵地域も中東

カ ナ ダ︑中 国︑オ ー ス ト ラ リ ア︑東 欧 な ど

う したニーズにいち 早 く 応 え︑2000 年

圧に耐える超高強度も必要とされます︒この効 率 化と開発費用削減のため︑できるだで開 発 機 運が 高 まっている︒このほかメタ分散し︑安定的な生産・供給が見込める︒︶ 注 目 さ れ る な ど︑環ンハイ ドレー ト︵※ も金油井管の研究開発に乗り出しました﹂︵鉄相良 雅之主幹研究員

60

鋼研究所・相良雅之主幹研究員︶

技術開発本部 鉄鋼研究所 鋼管研究部

25

1

を は じ めロシア︑ア ジア︑アメリ カ な ど に

各 地で新しいガス田が発 見されており︑生64

埋蔵 量が豊富な天然ガスは︑エネルギー資源の柱として期待を集めている︒

Vol.7季刊 新日鉄住金

29m3

1

出荷を待つ高合金油井管※ 1 メタンハイドレート：低温高圧の海底下などに固体で存在するメタン

4

図 1 天然ガス掘削の概要

海底ケーシング全く新しい技術発想でブレークスルー挑みました︒そのブレークスルーとなったでした﹂︵和歌山製鉄所・のは希土類元素︵※ ︶窒素を加えることで強度を高めたニッケ乙咩陽平主査︶
ル合金に︑希土類元素を添加したのだ︒ニッ

万ケル合金は︑耐食性を備えた皮膜が腐食環

天 然ガス田開 発は︑最 も 深いもので︶138 メガパスカル︑1379psi︵※ ︵メートルに達する︒その世界は地層圧力 万気圧︶以上︑地層温度 200℃以上︒良く知しかし窒素 を加 えたニッケル合 金は︑材 料

境 で 初 期 破 壊 さ れ て も 修 復 し 腐 食 を 防 ぐ︒

して発生し︑腐食が大きく修復が間に合わ

組織のすべり変形が一部のすべり面に集中られているように︑水圧は深さ メートルでに超 高圧 高 温 環 境であることがわかる︒さとで︑すべり 変 形が分 散し︑修 復 が容 易になくなる︒そこへ希土類元素を添加するこなる︒この現 象 はナノレベルの観 察でも 明︶︒こ れ に よ り︑強 度 を 従類以上の元素が互いに溶け合い材料を強化さル︶級に高めるとともに︑耐食性と加工性もル︶級 か ら 140ksi︵965 メ ガ パ ス カ︵862 メ ガ パ ス カ
来 の 最 高 125 ksi

らかにした︵図せる﹁固溶強化﹂という特性があり︑加工によ改善することに成功した︒

め窒素を添加することで高合金油井管の強超高強度と高耐食性を両立できたが︑続安価に利用できるという特長も持っている︒

度を向上させることができる︒さらに窒素はし か し そ のア イ デ ア を 進 め る に は 大 き な

尺 鋼 管 を 安 定 し て 製 造 す る 技 術 の 確 立 だ︒

いて第二の関門が待 ち構 えていた︒大径 長
従来︑高合金油井管の外径は金油井管には亀裂が発生し︑その亀裂が時以下が主流で︑それ以上は量産 品としてはインチ か ら︶間と共に進展する応力腐食割れという現象

つく られていな かった︒

・

インチ︵※が 起 きることがわかったのだ︒一般 的に 応田開 発 費 を約インチに外 径を広げることで︑天然ガス腐食の進行を抑え耐食性を強化する︒

ある︒そこで外径 インチ超えと︑長さ メー制 御することによって︑応力 腐 食割れに耐％削減できるという試算が﹁高価な合金元素を使うと︑当然コストがモリブデンなどの高価な合金元素を添加して︑力 腐 食 割 れ 対 策 と し て ク ロ ム や ニッ ケ ル︑障 害があった︒窒 素 を添 加したニッケル合量産技術を確立

り変形が進むほど硬さを増していく︒そのたムが着目したのは窒素だった︒窒素には 種を開発するため︑新日鉄住金の研究開発チー

この過酷な環境に耐え得る高強度油井管

鉄にとって最悪の腐食環境となる︒

らに硫化水素や炭酸ガスを大量に含むため︑・5psi︵ 気圧︶であることから︑いか10アップし ま す︒そこで︑材 料 組 織の構 造 をトル超えの両立を目指した︒
そ こ で 和 歌 山 製 鉄 所 の シ ー ムレス パイ プ
製 造 に 適 用 し ている 穿 孔 圧 延 製 管 法︵写 真

腐食面積が小さく、応力が集中しない⇨ 応力腐食割れが発生しない

腐食面積が大きく、応力が集中⇨ 応力腐食割れが発生する

引張

引張

引張1えるという全く新しい発想で新材料開発に

10歪み

引張497

REM添加材REM非添加材

7

すべり線が分散しているため変形が小さい

すべり線が集中し変形

2730

小転位

226（b）REM 添加材
不動態被膜（a）REM 非添加材

13214

図 2 希土類元素（REM ※ 3）添加が耐応力腐食割れに及ぼす効果

材料表面

腐食部

大すべり変形が集中

和歌山製鉄所 カスタマー技術部

乙咩 陽平主査※ 2 psi（pound per square inch）：パスカルは国際標準で、アメリカでよく使われるのが psi という単位。1,000psi を 1ksi（kilopound of forceper square inch）と呼ぶ※ 3 希土類元素：REM（Rare Earth Metal）、レア・アース。蓄電池や磁石などのエレクトロニクス製品に不可欠な元素※ 4 インチ：1 インチは 25.4 ミリメートル
Vol.7 季刊 新日鉄住金 30︶︒腐食 ･ 防 食に関 連 す る 先 進 的 革 新 的 な 開 発に2014 年 技 術 革 新 賞 を 受 賞︵写真課題となったのは︑圧延による品 質不 良のげ たソリューションに 与 え られる賞で︑国より︑現行の技術を大きく超える躍進を遂︶で︑量 産 する 技 術の開 発に取 り 組んだ︒

発 生だ︒高ニッケル合 金は炭 素 鋼やステン際的に高い評価を得た︒
数々の難題をクリアした新製品は︑グローで予測し︑圧延条件を変えて数限りなく試研究開発力に加え︑他社に比べてデリバリー﹁超高強度高合金油井管で見せた革新的なバル市場で着実に足場を築き始めている︒

作 した︒その結 果︑キズと引 き 抜 き不 良 をいています︒また︑この製品開発によって︑が安定している点もお客様から評価いただ

インチ・長 さ業界トップレベルの多様な油井管ラインナップを取りそろえることができ︑お客 様のさ
ま ざ ま な 要 求 に 応 え ること がで き る よ う に

こうして開発した新製品の最後のハードていきたいと考えています﹂︵和歌山製鉄所・て世界の天然ガス生産と安定供給に貢献しも可 能で︑幅 広い製 品ラインナップを通じな り ました︒シェールガス田 開 発への適 用ルは実用化だった︒大径長尺の高 合 金油井天谷尚上席主幹︶

グローバル市場で実用化成功した︒

え る 高 合 金 油 井 管 を 量 産 す る 技 術の 確 立に防 ぎ︑口 径メートルを 超に どの よ う に 変 形 す るの か 三 次 元 数 値 解 析

ど製 造が 非 常に難 しい︒現 場では︑圧 延 時ができたり︑引き抜きがうまくいかないなレス鋼に比べて硬く︑圧延中に内面にキズ

2管 に 対 す るニー ズ が あ る こ と は 確 信 し て い

写真 2 アメリカ腐食学会（NACE International）
2014 年技術革新賞受賞トロフィー

たし︑お 客 様の反 応 も よかった︒しかし 実際にはそこまで高いスペックが求められる大深度ガス田開発がなかなか進まず︑採用されることが ないま ま２年 経 過 した︒それでもあきらめずにＰＲを続けたところ︑大径長尺の高合金油井管は 2011 年︑中東のオイルカンパニーに採 用され︑中 東 沖 合の 大 深 度 天 然 ガス 田 開 発 で 適 用 さ れ る こ ととなった︒
そしてエネルギー産業への貢 献が認められ︑2013 年 に は 高 合 金 油 井 管 と そ の製 造 技 術開 発が大河 内 記 念 生産 賞 を 受 賞しVol.7

季刊 新日鉄住金

3110た︒さ ら に︑140ksi 級 の 超 高 強 度 高天谷 尚上席主幹

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合金油井管についてはアメリカ腐食学会で

和歌山製鉄所 カスタマー技術部

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写真 1 穿孔圧延製管法ライン

高級鋼管の製造拠点である和歌山製鉄所に設置。加熱した棒状の材料を交叉穿孔機で中空の管にし、その後延伸圧延する。