拡管性に優れる油井用ステンレス鋼管の製造方法
【課題】腐食性と、拡管性とを兼備し、継手部からの漏れをも防止できる、油井用ステンレス鋼管の製造方法を提供する。
【解決手段】ステンレス鋼管を素管とし、該素管に熱処理として、焼入れ処理および焼戻処理を施したのち、鋼管の両端面側を、好ましくは３％以上の拡管率で拡管加工し、該拡管加工された部位に溶接用開先を形成する。これにより、焼戻マルテンサイト相を主相とし、第二相として体積率で５％以上のオーステナイト相と、あるいはさらに５％以下のフェライト相とを含む組織を有する鋼管となり、とくに溶接継手部での漏れが防止でき、油井内に挿入された状態での拡管性が向上し、かつ耐CO2腐食性が優れ、降伏強さ350MPa以上の高強度を有する鋼管となる。なお、ｎ値：0.08以上を有し、かつｎ値と均一伸びu-Elとが、ｎ＞0.007×（25−u-El）を満足することが、さらなる拡管性向上に寄与する。
【解決手段】ステンレス鋼管を素管とし、該素管に熱処理として、焼入れ処理および焼戻処理を施したのち、鋼管の両端面側を、好ましくは３％以上の拡管率で拡管加工し、該拡管加工された部位に溶接用開先を形成する。これにより、焼戻マルテンサイト相を主相とし、第二相として体積率で５％以上のオーステナイト相と、あるいはさらに５％以下のフェライト相とを含む組織を有する鋼管となり、とくに溶接継手部での漏れが防止でき、油井内に挿入された状態での拡管性が向上し、かつ耐CO2腐食性が優れ、降伏強さ350MPa以上の高強度を有する鋼管となる。なお、ｎ値：0.08以上を有し、かつｎ値と均一伸びu-Elとが、ｎ＞0.007×（25−u-El）を満足することが、さらなる拡管性向上に寄与する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、原油あるいは天然ガスの油井、ガス井に使用される油井管用として好適な油井用ステンレス鋼管の製造方法に係り、特に、拡管性の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
地表から地下の油田まで油井管を敷設するには、まず地表から所定の深さまで掘削し、その中にケーシングと呼ばれる鋼管を埋設し壁の崩壊を防止する。その後、ケーシングの先端からさらに地下を掘削してより深い井戸とし、先に埋設したケーシング内を通して新たなケーシングを埋設する。この作業を繰り返して、最終的に油田に到達する油井管（チュービング）が敷設される。深度の深い井戸を掘削する場合には、直径の異なる多種類のケーシングを必要とする。原油やガスを通す油井管（チュービング）の径は定められているため、深度の深い井戸を掘削する場合には、径方向における掘削面積を広くする必要があり、掘削に要する費用は増大することになる。このため、油井の掘削費を低減することが強く要望されている。
【０００３】
このような要望に対し、例えば特許文献１、特許文献２には、井戸中でケーシング（鋼管）を、押拡げ加工等により拡管する方法が記載されている。特許文献１、特許文献２に記載された技術によれば、井戸中でケーシング（鋼管）を、半径方向に膨張させることにより、多段構造になったケーシング毎の直径を小さく抑えることができ、井戸上部のケーシングサイズを小さく抑えて、油井の掘削費を低減することが可能となるとしている。
【０００４】
しかし、特許文献１、特許文献２に記載された技術を利用したケーシング（鋼管）は、拡管による加工を受けた状態のままで、原油やガスに晒されるため、井戸中で拡管加工を施される使途に用いられる油井用鋼管には、冷間加工ままで耐食性に優れることが要求されることになる。
近年、原油価格の高騰や、近い将来に予想される石油資源の枯渇化に対処するため、従来、省みられなかったような深層油田や、一旦は開発が放棄されていた腐食性の強いサワーガス田等に対する開発が、世界的規模で盛んになっている。このような油田、ガス田は一般に深度が極めて深く、またその雰囲気は高温でかつ、CO2、Cl−等を含む厳しい腐食環境となっている。したがってこのような油田、ガス田の採掘に使用される油井用鋼管としては、高強度で、しかも耐食性を兼ね備えた鋼管が要求されている。従来から、このような環境下で使用される油井用鋼管として、耐CO2腐食性に優れた13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管が使用されてきた。
【０００５】
しかし、更なる油井環境の厳しさのため、従来の13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管では、耐食性が不足するという問題があった。このような問題に対し、特許文献３には、CO2、Cl−等を含む180℃を超える高温の腐食雰囲気下においても優れた耐CO2腐食性を有する油井用ステンレス鋼管が提案されている。特許文献３に記載されたステンレス鋼管は、Cr：14〜18％、Ni：5.0〜8.0％、Mo：1.5〜3.5％、Cu：0.5〜3.5％、を含み、かつCr、Ni、Mo、Cu、Ｃからなる特定関係およびCr、Mo、Si、Ｃ、Mn、Ni、Cu、Ｎからなる特定関係を満足するように含有する組成を有する鋼管であり、降伏強さ654MPa以上の高強度を確保でき、耐CO2腐食性に優れるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表平７−507610号公報
【特許文献２】国際公開WO98/00626号公報
【特許文献３】再公表特許ＷＯ2004／001082公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、通常の焼入れ焼戻処理を施されて製造された13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管は、高強度であり、深層油田開発用として要求されるような十分な拡管性を具備していないという問題があった。このため、油井中の拡管という新技術を適用するためには、耐CO2腐食性、および拡管性がともに優れた油井用ステンレス鋼管が強く望まれていた。
【０００８】
またさらに油井では、例えば特許文献３に記載されたような油井用ステンレス鋼管同士をねじ継手で接続して使用している。最近では、ねじ継手に代えて、溶接継手で油井用鋼管同士を接続し、拡管する試みがなされている。しかし、溶接部は溶接時の熱サイクルの影響で、延性や靭性が低下している場合があり、拡管時に割れが生じ、溶接継手部からガスや原油が漏れ出すことが懸念されている。
【０００９】
本発明は、上記したような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、炭酸ガス（CO2）、塩素イオン（Cl−）等を含む苛酷な腐食環境下においても優れた耐CO2腐食性と、さらに厳しい拡管加工にも耐えられる優れた拡管性とを兼備し、さらに拡管後の継手部からのガス、原油等の漏れを防止できる、安価な、油井用ステンレス鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、まず、油井用ステンレス鋼管同士を溶接継手で接続することに着目し、溶接継手部からの漏れを防止する手段について鋭意研究した。その結果、溶接継手部の拡管を不要とするか、あるいは溶接継手部以外の部位（母管部）に比べて、拡管量を少なくすることに思い至った。そして、溶接継手部を母管部より少ない拡管量とするために、拡管性に優れたステンレス鋼管（母管）としたうえで、鋼管製造後に、予め、溶接接合される部位である、ステンレス鋼管の両端部を拡管し、その後、該両端部にそれぞれ溶接用開先を形成することに想到した。
【００１１】
さらに本発明者らは、拡管性を向上したステンレス鋼管（母管）とするために、13％Cr系鋼を基本組成として、母管の拡管性に及ぼす各種要因の影響について鋭意研究した。その結果、さらに優れた拡管性を確保するためには、材料因子として、所望の範囲内の降伏強さを有するとともに、所定値以上のｎ値を有することが重要であるという知見を得た。
また、所望の強度、耐食性（耐CO2腐食性等）さらには靭性を確保するために、Ｃ，Si，Mn，Cr，あるいはさらにCu，Ni，Mo，Ｖ，Nb、および／または、Ti，Zr，Ｂ，Ｗ、および／または、Caを適正含有量範囲内に調整し、さらに適正な組織とすることにより、所望の強度を有し、優れた耐食性、とくに優れた耐CO2腐食性と優れた拡管性とを兼備する油井用ステンレス鋼管とすることができることを知見した。
【００１２】
なお、ここで「拡管性に優れる」とは、限界拡管率が25％以上である場合をいい、また「耐CO2腐食性に優れる」とは、0.1MPa以上のCO2を含む100℃以上の苛酷な腐食環境下で問題なく使用可能である場合をいう。
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は、次のとおりである。
【００１３】
（１）ステンレス鋼管を素管として、該素管に、熱処理として、焼入れ処理および焼戻処理、または焼戻処理を施したのち、前記素管の端面側に拡管加工を施し、ついで該拡管加工を施された部位に溶接用開先加工を施すことを特徴とする拡管性に優れた油井用ステンレス鋼管の製造方法。
（２）（１）において、前記焼入れ処理を、800℃以上の加熱温度に再加熱し続いて空冷以上の冷却速度で冷却する処理とし、前記焼戻処理を、Ａc1変態点を超える温度に加熱し冷却する処理とすることを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【００１４】
（３）（１）または（２）において、前記焼戻処理が、Ac1変態点超え700℃以下の二相温度域に加熱し、冷却する処理であることを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記拡管加工の量が、次（１）式
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％）‥（１）
（ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）、素管内径：鋼管端面側の加工前内径（mm））
で定義される拡管率で３％以上であることを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【００１５】
（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記ステンレス鋼管が、質量％で、Ｃ：0.25％以下、Si：1.0％以下、Mn：0.10〜2.50％、Ｐ：0.05％以下、Ｓ：0.005％以下、Al：0.05％以下、Cr：10.5〜18.0％、Ｎ：0.09％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
（６）（５）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、次Ａ群〜Ｄ群
Ａ群：Cu：3.5％以下、
Ｂ群：Ni：7.0％以下、Mo：3.0％以下、Ｖ：0.20％以下、Nb：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｃ群：Ti：0.30％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｄ群：Ca：0.0005〜0.01％
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する組成とすることを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、CO2、Cl−を含む高温の厳しい腐食環境下においても、十分な耐食性、とくに優れた耐CO2腐食性を有し、かつ母管および継手部を含めて、油井における厳しい拡管加工にも耐えうる、優れた拡管性を有する、油井用ステンレス鋼管を安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の油井用ステンレス鋼管の概略形状を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の油井用ステンレス鋼管は、両端面側が拡管加工され、該拡管加工された部位（拡管部）の端面側に溶接用開先を有する、図１に示すような鋼管である。本発明では、ステンレス鋼管（素管）の両端面側に素管内径より大きい各種外径を有するプラグをそれぞれ押し込み、所定の拡管率となるように予め拡管して拡管部を形成し、該拡管部の端面側にはさらに溶接用開先加工を施し、開先加工部を形成する。これにより、溶接継手部における油井内での拡管量を低減することができ、油井内での拡管作業を軽減することが可能となるうえ、油井内における拡管による溶接継手部の特性劣化を防止、あるいは軽減でき、溶接継手部からの漏れを防止できることになる。
【００１９】
なお、拡管加工が施される領域は、鋼管の端面から管軸方向に所定の長さとする。ここでいう「所定の長さ」とは、鋼管の端部同士を適正に溶接接合するに必要な寸法形状の開先を、拡管部の端面側に加工できる長さを意味する。また、両端面側に形成する開先の形状はとくに限定する必要はないが、溶接方法に応じて、内容物（原油、ガス等）が漏れないような、溶接継手が形成できる形状とすることが好ましい。なお、鋼管同士の接続のための溶接（円周溶接）方法は、とくに限定する必要はなく、通常の円周溶接方法、たとえば、ＧＭＡＷ法、ＳＭＡＷ法、バット溶接等がいずれも適用できる。
【００２０】
また、ステンレス鋼管両端面側における拡管加工は、拡管率で３％以上とすることが好ましい。なお、拡管率は、下記（１）式
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％）‥（１）
（ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）、素管内径：鋼管端面部の加工前内径（mm））
で定義される。拡管率が３％未満では、油井内での高拡管に対応することができにくい。ここでいう「油井内での高拡管」とは、油井内での拡管率が25％以上の拡管をいうものとする。
【００２１】
本発明の油井用ステンレス鋼管は、好ましくは降伏強さ：350MPa以上を有する鋼管である。油井用鋼管を油井内に挿入した状態で行う拡管は、通常、当該ステンレス鋼管内に拡管用プラグを通して行う。油井用ステンレス鋼管の降伏強さが350MPa未満では、拡管用プラグを通す際に、座屈等の問題が生じ、適正な拡管を行うことができない場合がある。このため、十分な拡管性を確保するために、本発明では油井用ステンレス鋼管の降伏強さを350MPa以上に限定することが好ましい。なお、より好ましくは350〜550MPaである。
【００２２】
また、本発明の油井用ステンレス鋼管は、0.08以上のｎ値を有する鋼管とすることが、高拡管性を確保するうえで好ましい。ｎ値は、本発明者らの検討によれば、鋼管の拡管性に影響する重要な材料因子であり、優れた拡管性を確保するために、本発明ではｎ値を0.08以上に限定することが好ましい。ｎ値が0.08未満では、所望の拡管性を確保することが難しくなる。なお、好ましくは0.10以上である。なお、ここでいう「ｎ値」は、管軸方向を引張方向とする引張試験片をAPI規定または、JIS規定に準拠して採取し、該引張試験片を用いてJIS規定（JIS Z 2253）に準拠して測定した値とする。
【００２３】
また、油井用鋼管の均一伸びu-Elが十分に大きければ、ｎ値が低くても、高い拡管率の拡管が可能であるが、しかし、均一伸びu-Elが小さいと、十分な拡管性を確保できなくなる。本発明者らの検討によれば、優れた拡管性を確保するためには、上記した範囲のｎ値を有するとともに、均一伸びu-Elに関連した所定値、すなわち次（２）式
ｎ＞0.007×（25−u-El）‥‥‥（２）
（ここで、ｎ：ｎ値、u-El：均一伸び（％））
を満足するｎ値を有することが好ましいという知見を得ている。ｎ値が（２）式を満足できない場合には、所望の優れた拡管性を確保することが難しくなる。なお、均一伸びu-Elは、管軸方向を引張方向とするAPI規定またはJIS規定（JIS Z 2241）に準拠して採取した引張試験片を用いてAPI規定または、JIS規定（JIS Z 2241）に準拠して引張試験を実施して測定した値を用いるものとする。
【００２４】
つぎに、本発明の油井用ステンレス鋼管の好ましい組成範囲およびその限定理由について説明する。以下、とくに断らないかぎり、質量％は単に％と記す。
Ｃ：0.25％以下
Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼管の強度に関係する重要な元素であるが、0.25％を超えて多量に含有すると、鋼管製造時に焼割れを発生する恐れが増大する。また、Ｃの多量含有は、耐食性を低下させる。このため、Ｃは0.25％以下に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.20％の範囲である。
【００２５】
Si：1.0％以下
Siは、通常の製鋼過程において脱酸剤として有用な元素である。このような効果を得るために0.05％以上含有することが望ましいが、1.0％を超える含有は、熱間加工性、さらには靭性を低下させる。このため、Siは1.0％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.05〜0.50％である。
【００２６】
Mn：0.10〜2.50％
Mnは、固溶して鋼管強度を増加させる作用を有するとともに、ｎ値向上に有効に寄与する元素である。油井用マルテンサイト系ステンレス鋼管として所望の強度を確保するために0.10％以上含有することが好ましいが、2.50％を超える多量の含有は、靭性に悪影響を及ぼすとともに、鋼管製造時に焼割れを発生する恐れを増大させる。このため、Mnは0.10〜2.50％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.10〜1.00％である。
【００２７】
Ｐ：0.05％以下
Ｐは、熱間加工性を低下させるとともに、耐CO2腐食性、耐CO2応力腐食割れ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性をともに劣化させる元素であり、本発明ではその含有量は可及的に少ないことが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。そのため、本発明ではＰは、工業的に比較的安価に実施可能でかつ、熱間加工性、耐CO2腐食性、耐CO2応力腐食割れ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性を低下させない範囲である、0.05％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.02％以下である。
【００２８】
Ｓ：0.005％以下
Ｓは、パイプ造管過程における熱間加工性を著しく劣化させる元素であり、本発明ではその含有量は可及的に少ないことが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。そのため、本発明ではＳは、通常の工程でのパイプ製造が可能な範囲である0.005％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.003％以下である。
【００２９】
Al：0.05％以下
Alは、強力な脱酸剤として作用するとともに、Ｎと結合し結晶粒を微細化する作用をも有する元素である。このような効果を安定して確保するために0.005％以上含有することが望ましいが、0.05％を超える含有は、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Alは0.05％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.005〜0.03％である。
【００３０】
Cr：10.5〜18.0％
Crは、所望の耐CO2腐食性、耐CO2応力腐食割れ性を保持するために重要な元素であり、本発明が対象としている環境下における耐食性確保の観点からは、10.5％以上含有することが好ましいが、18.0％を超える含有は、フェライトが安定となり所望の鋼管強度を確保できなくなる。このため、Crは10.5〜18.0％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは11.0〜15.0％である。
【００３１】
Ｎ：0.09％以下
Ｎは、オーステナイト生成元素であり、鋼管強度の向上に有効に寄与する。また、耐孔食性を向上させる作用をも有する。このような効果を得るためには、0.005％以上含有することが望ましいが、0.09％を超えて含有すると、Cr窒化物等の種々の窒化物を多量に形成して靭性、耐食性を低下させる。このため、Ｎは0.09％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.01〜0.06％である。
【００３２】
上記した成分が基本の成分であるが、この基本の組成に加えて、さらに次Ａ群〜Ｄ群のうちから選ばれた１群または２群以上を選択して含有できる。
Ａ群：Cu：3.5％以下
Ａ群：Cuは、保護皮膜を強固にして鋼中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる作用を有する元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果は0.2％以上の含有で顕著となるが、3.5％を超える含有は、高温で粒界にCuSが析出し、熱間加工性を低下させる。このため、Cuは3.5％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.5〜2.5％である。
【００３３】
Ｂ群：Ni：7.0％以下、Mo：3.0％以下、Ｖ：0.20％以下、Nb：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Ni、Mo、Ｖ、Nbはいずれも、鋼管強度を増加させる作用を有し、必要に応じて選択して１種または２種以上含有できる。
Niは、靭性の向上に有効に寄与する元素であるが、Crを多量に含む場合には、マルテンサイト相を安定化して鋼管強度の増加に有効に寄与する。このような効果を得るためには0.1％以上含有することが望ましいが、7.0％を超えて含有すると、変態点が低下しすぎて、鋼管強度の著しい低下を招く。このため、Niは7.0％以下とすることが好ましい。なお、より好ましくは0.1〜6.5％である。
【００３４】
Moは、焼入れ性の向上を介して、鋼管強度の増加に寄与する元素であるが、硫化水素が存在する環境下では耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる元素でもある。このような効果を得るためには、0.5％以上含有することが望ましいが、3.0％を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなる。このため、Moは3.0％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.5〜2.5％である。
【００３５】
Ｖは、焼入れ性の向上を介して、鋼管強度の増加に寄与する元素であるが、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる元素でもある。このような効果を得るためには、0.01％以上含有することが望ましいが、0.20％を超える含有は、靭性を低下させる。このため、Ｖは0.20％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.02〜0.15％である。
Nbは、鋼の強度増加、靱性向上に有効に寄与する元素である。このような効果は0.01％以上の含有で顕著となるが、0.20％を超える含有は、靱性を低下させる。このため、Nbは0.20％以下とすることが好ましい。なお、より好ましくは0.02〜0.12％である。
【００３６】
Ｃ群：Ti：0.3％以下、Zr：0.2％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｃ群：Ti、Zr、Ｂ、Ｗはいずれも、鋼管強度を増加させ、耐応力腐食割れ性を改善する作用を有する元素であり、必要に応じて選択して１種または２種以上含有できる。このような効果は、Ti：0.01％以上、Zr：0.01％以上、Ｂ：0.0005％以上、Ｗ：0.1％以上の含有で顕著となる。一方、Ti：0.3％、Zr：0.2％、Ｂ：0.01％、Ｗ：3.0％、をそれぞれ超える含有は、靱性を劣化させる。このため、Ti：0.3％以下、Zr：0.2％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.0％以下にそれぞれ限定することが好ましい。
【００３７】
Ｄ群：Ca：0.0005〜0.01％
Ｄ群：Caは、ＳをCaSとして固定しＳ系介在物を球状化する作用により、介在物の周囲のマトリックスの格子歪を小さくして、水素のトラップ能を下げる作用を有する元素である。このような効果は0.0005％以上の含有で顕著となるが、0.01％を超える含有は、CaOの増加を招き、耐CO2腐食性、耐孔食性を低下させる。このため、Caは0.0005〜0.01％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.001〜0.005％である。
【００３８】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。
つぎに、本発明ステンレス鋼管の好ましい組織について説明する。
本発明ステンレス鋼管は、上記した組成を有し、焼戻マルテンサイト相を主相とし、第二相として体積率で、５％以上のオーステナイト相と、あるいはさらに５％以下のフェライト相を含む組織を有することが好ましい。ここでいう「主相」とは、体積率で50％以上の組織分率を有する相をいう。
【００３９】
焼戻マルテンサイト相を主相とする組織とすることにより、所望の高強度を確保することができる。焼戻マルテンサイト相が体積率で50％未満では、鋼管強度が低下し、所望の鋼管強度を確保できなくなる。そして主相に加えてさらに、第二相としてオーステナイト相を含む組織に限定することが好ましい。オーステナイト相の含有量を、体積率で５％以上となるように調整することが好ましい。これにより、所望の高い拡管性を兼備させることができる。オーステナイト相含有量の調整は、組成および熱処理の調整により行うことができる。また、第二相として上記したオーステナイト相に加えて、体積率で０〜５％のフェライト相を含有してもよい。フェライト相が５％を超えて多量になると、拡管性低下の原因となる。このようなことから、焼戻マルテンサイト相を主相とし、第二相を、体積率で、５％以上のオーステナイト相と、あるいはさらに、５％以下のフェライト相とを含む組織に限定することが好ましい。なお、それ以外の第二相としては、体積率で20％以下の焼入れマルテンサイトが許容される。
【００４０】
上記した組成と、上記した組織を有することにより、耐食性、とくに優れた耐CO2腐食性と、拡管性に優れた油井用ステンレス鋼管となる。
つぎに、本発明ステンレス鋼管の好ましい製造方法を、継目無鋼管を例にして説明する。なお、本発明では鋼管は、継目無鋼管に限定されるものではなく、熱延鋼板を素材とした溶接鋼管（電縫鋼管）としてもよいのは言うまでもない。
【００４１】
上記した組成を有する溶鋼を、転炉、電気炉、真空溶解炉等の通常の溶製方法で溶製し、連続鋳造法、造塊−分塊圧延法等の通常の方法でビレット等の鋼管素材とすることが好ましい。ついで、これら鋼管素材を加熱し、通常のマンネスマン−プラグミル方式、あるいはマンネスマン−マンドレルミル方式の製造工程を用いて熱間加工し造管して、所望の寸法の継目無鋼管とする。造管後、継目無鋼管は、通常工程と同様に、空冷程度の冷却速度で室温程度の温度まで冷却することが好ましい。
【００４２】
上記した本発明範囲の組成を有する継目無鋼管（ステンレス鋼管）であれば、熱間加工後、空冷程度の冷却速度で室温程度の温度まで冷却することにより、マルテンサイト相を主体とする組織とすることができるが、本発明では、造管ままのステンレス鋼管（素管）に、さらに熱処理を施すことが好ましい。熱処理としては、焼入れ焼戻処理、あるいは焼戻処理を施すことが好ましい。
【００４３】
焼入れ処理は、800℃以上の加熱温度に再加熱し続いて空冷以上の冷却速度で200℃以下の温度、好ましくは室温まで冷却する処理とすることが好ましい。なお、加熱温度での保持は５min以上とすることが好ましい。加熱温度が800℃未満では、組織を焼戻マルテンサイト相を主相とする組織とすることができない。
また、焼戻処理は、Ａc1変態点を超える温度に加熱し、好ましくは空冷程度あるいは空冷以上の冷却速度で冷却する処理とすることが好ましい。焼戻温度をＡc1変態点を超える温度とすることにより、オーステナイト相の析出、あるいは焼入れマルテンサイト相の生成が生じる。なお、焼入れ焼戻処理に代えて、上記した焼戻処理のみの熱処理としてもよい。このような熱処理を鋼管（ステンレス鋼管）に施すことにより、上記した組織を安定して確保できる。
【００４４】
また、上記した焼戻処理を、Ａc1変態点超え700℃以下の二相域の温度に加熱し、冷却する処理としてもよい。
上記したように、好ましくは熱処理を施された継目無鋼管（素管）は、ついで、両端面側に拡管を施される。拡管は、通常、当該鋼管内に拡管用プラグを通して行う。本発明では、素管の両端面側に素管内径より大きい各種外径を有するプラグをそれぞれプレス等で押し込み、好ましくは３％以上の、所定の拡管率となるように予め拡管加工して拡管部を形成する。なお、拡管加工が施される領域（拡管部）は、素管（ステンレス鋼管）の端面から管軸方向に、所望の寸法形状の溶接用開先が加工できる長さとする。
【００４５】
ついで、該拡管部に、適正長さ、適正寸法形状の溶接用開先を加工し、開先加工部を形成し、本発明の油井用ステンレス鋼管を得る。
本発明をさらに、実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例】
【００４６】
表１に示す組成の溶鋼を、真空溶解炉で溶製し、十分に脱ガスした後、100キロ鋼塊とし、研究用モデルシームレス圧延機により造管し、継目無鋼管（外径73mmφ×肉厚7.0mm）とした。なお、造管後、室温まで空冷とした。
次いで各鋼管に、表２に示す条件で、熱処理を施した。なお、一部の鋼管では熱間圧延まま（造管まま）とした。
【００４７】
ついで、上記した鋼管から、組織観察用試片を採取し、管軸方向断面を研磨して、腐食し組織観察に供した。組織観察は、走査型電子顕微鏡を用いて行った。組織を撮像（各５視野以上）し、各相の組織分率（体積％）を画像解析装置を用いて算出した。なお、オーステナイト相の組織分率は、Ｘ線回析により測定した。
また、上記した鋼管から、APIの規定に準拠して、管軸方向を引張方向とする引張試験片（弧状試験片：GL：25.4mm）を切り出し、APIの規定に準拠して、引張試験を実施し、引張特性（降伏強さYS、引張強さTS、均一伸びu-El）を求めた。また、同時に、JIS Z 2253の規定に準拠してｎ値を求めた。
【００４８】
また、上記した鋼管から、拡管試験片（鋼管：長さ300mm）を採取した。これら拡管試験片（鋼管）に、拡管試験片（鋼管）の内径より大きい各種外径を有するプラグを順次、プレスにより押し込み、亀裂が発生した時点のプラグ径を求め、次式
限界拡管率＝［｛（亀裂が発生したときのプラグ外径）−（試験材内径）｝／（試験材内径）］×100（％）
で限界拡管率を算出した。なお、使用したプラグの外径は、拡管率が５％刻みとなるように配慮した。
【００４９】
また、上記した鋼管から試験材（管状）を採取し、拡管率：30％の拡管加工を施した。該拡管加工を施された試験片（管状）から、腐食試験片（厚さ３mm×幅30mm×長さ40mm）を機械加工により採取した。腐食試験は、オートクレーブ中に保持された試験液：20％NaCl水溶液（液温：100℃、30気圧のCO2ガス雰囲気）に腐食試験片を浸漬し、浸漬期間を２週間として実施した。腐食試験後の試験片重量を測定し、腐食試験による試験片の重量減を求め、腐食速度を算出した。また、腐食試験後の試験片表面について10倍のルーペ観察を行い、孔食発生の有無も調査した。得られた腐食速度および孔食発生の有無で、耐CO2腐食性を評価した。
【００５０】
得られた結果を表２に示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
【表２】
【００５３】
本発明の好適範囲を満足する鋼管はいずれも、降伏強さ：350MPa以上の高強度を有し、限界拡管率が25％以上と優れた拡管性を有するとともに、腐食速度も0.127mm／y以下であり優れた耐CO2腐食性を有し、また孔食の発生もなく、優れた耐CO2腐食性を有する鋼管となっている。一方、本発明の好適範囲を外れる鋼管は、降伏強さが350MPa未満であるか、限界拡管率が低く拡管性が若干低下しているか、あるいは腐食速度が0.127mm／yを超えて大きくなっているか、あるいは孔食が発生し、耐CO2腐食性が若干低下している。
【００５４】
ついで、表２に示す特性を有する継目無鋼管（素管）の両端面部に、表３に示す拡管率となるように、各種外径を有するプラグをプレスで押し込み、端面側拡管加工を施した。この端面側拡管加工は、鋼管同士をねじ接合可能なように、同一条件で少なくとも２本の鋼管について行った。なお、拡管率は次（１）式
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％）‥（１）
（ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）、素管内径：鋼管端面部の加工前内径（mm））
を用いて算出した。
【００５５】
ついで拡管加工を施された拡管加工部の端面に、溶接開先加工を施した。加工された開先は、接続する鋼管同士で突合せ溶接が可能なように、Ｉ形開先とし、鋼管の一方の端部と、他方の端部にそれぞれ加工した。
得られた同一条件の鋼管の端部同士を突き合せて、溶接接合した。ついで、さらに端面側拡管加工を含め、合計で25％の拡管率となるように、拡管加工を施した後、水圧試験（圧力：８MPa）を実施し、溶接継手部からの漏れの有無を確認した。
【００５６】
得られた結果を表３に示す。
【００５７】
【表３】
【００５８】
本発明例はいずれも、継手部からの漏れは認められなかった。一方、本発明の範囲を外れる鋼管（比較例）は、溶接継手部からの漏れが認められた。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、原油あるいは天然ガスの油井、ガス井に使用される油井管用として好適な油井用ステンレス鋼管の製造方法に係り、特に、拡管性の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
地表から地下の油田まで油井管を敷設するには、まず地表から所定の深さまで掘削し、その中にケーシングと呼ばれる鋼管を埋設し壁の崩壊を防止する。その後、ケーシングの先端からさらに地下を掘削してより深い井戸とし、先に埋設したケーシング内を通して新たなケーシングを埋設する。この作業を繰り返して、最終的に油田に到達する油井管（チュービング）が敷設される。深度の深い井戸を掘削する場合には、直径の異なる多種類のケーシングを必要とする。原油やガスを通す油井管（チュービング）の径は定められているため、深度の深い井戸を掘削する場合には、径方向における掘削面積を広くする必要があり、掘削に要する費用は増大することになる。このため、油井の掘削費を低減することが強く要望されている。
【０００３】
このような要望に対し、例えば特許文献１、特許文献２には、井戸中でケーシング（鋼管）を、押拡げ加工等により拡管する方法が記載されている。特許文献１、特許文献２に記載された技術によれば、井戸中でケーシング（鋼管）を、半径方向に膨張させることにより、多段構造になったケーシング毎の直径を小さく抑えることができ、井戸上部のケーシングサイズを小さく抑えて、油井の掘削費を低減することが可能となるとしている。
【０００４】
しかし、特許文献１、特許文献２に記載された技術を利用したケーシング（鋼管）は、拡管による加工を受けた状態のままで、原油やガスに晒されるため、井戸中で拡管加工を施される使途に用いられる油井用鋼管には、冷間加工ままで耐食性に優れることが要求されることになる。
近年、原油価格の高騰や、近い将来に予想される石油資源の枯渇化に対処するため、従来、省みられなかったような深層油田や、一旦は開発が放棄されていた腐食性の強いサワーガス田等に対する開発が、世界的規模で盛んになっている。このような油田、ガス田は一般に深度が極めて深く、またその雰囲気は高温でかつ、CO2、Cl−等を含む厳しい腐食環境となっている。したがってこのような油田、ガス田の採掘に使用される油井用鋼管としては、高強度で、しかも耐食性を兼ね備えた鋼管が要求されている。従来から、このような環境下で使用される油井用鋼管として、耐CO2腐食性に優れた13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管が使用されてきた。
【０００５】
しかし、更なる油井環境の厳しさのため、従来の13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管では、耐食性が不足するという問題があった。このような問題に対し、特許文献３には、CO2、Cl−等を含む180℃を超える高温の腐食雰囲気下においても優れた耐CO2腐食性を有する油井用ステンレス鋼管が提案されている。特許文献３に記載されたステンレス鋼管は、Cr：14〜18％、Ni：5.0〜8.0％、Mo：1.5〜3.5％、Cu：0.5〜3.5％、を含み、かつCr、Ni、Mo、Cu、Ｃからなる特定関係およびCr、Mo、Si、Ｃ、Mn、Ni、Cu、Ｎからなる特定関係を満足するように含有する組成を有する鋼管であり、降伏強さ654MPa以上の高強度を確保でき、耐CO2腐食性に優れるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表平７−507610号公報
【特許文献２】国際公開WO98/00626号公報
【特許文献３】再公表特許ＷＯ2004／001082公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、通常の焼入れ焼戻処理を施されて製造された13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼管は、高強度であり、深層油田開発用として要求されるような十分な拡管性を具備していないという問題があった。このため、油井中の拡管という新技術を適用するためには、耐CO2腐食性、および拡管性がともに優れた油井用ステンレス鋼管が強く望まれていた。
【０００８】
またさらに油井では、例えば特許文献３に記載されたような油井用ステンレス鋼管同士をねじ継手で接続して使用している。最近では、ねじ継手に代えて、溶接継手で油井用鋼管同士を接続し、拡管する試みがなされている。しかし、溶接部は溶接時の熱サイクルの影響で、延性や靭性が低下している場合があり、拡管時に割れが生じ、溶接継手部からガスや原油が漏れ出すことが懸念されている。
【０００９】
本発明は、上記したような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、炭酸ガス（CO2）、塩素イオン（Cl−）等を含む苛酷な腐食環境下においても優れた耐CO2腐食性と、さらに厳しい拡管加工にも耐えられる優れた拡管性とを兼備し、さらに拡管後の継手部からのガス、原油等の漏れを防止できる、安価な、油井用ステンレス鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、まず、油井用ステンレス鋼管同士を溶接継手で接続することに着目し、溶接継手部からの漏れを防止する手段について鋭意研究した。その結果、溶接継手部の拡管を不要とするか、あるいは溶接継手部以外の部位（母管部）に比べて、拡管量を少なくすることに思い至った。そして、溶接継手部を母管部より少ない拡管量とするために、拡管性に優れたステンレス鋼管（母管）としたうえで、鋼管製造後に、予め、溶接接合される部位である、ステンレス鋼管の両端部を拡管し、その後、該両端部にそれぞれ溶接用開先を形成することに想到した。
【００１１】
さらに本発明者らは、拡管性を向上したステンレス鋼管（母管）とするために、13％Cr系鋼を基本組成として、母管の拡管性に及ぼす各種要因の影響について鋭意研究した。その結果、さらに優れた拡管性を確保するためには、材料因子として、所望の範囲内の降伏強さを有するとともに、所定値以上のｎ値を有することが重要であるという知見を得た。
また、所望の強度、耐食性（耐CO2腐食性等）さらには靭性を確保するために、Ｃ，Si，Mn，Cr，あるいはさらにCu，Ni，Mo，Ｖ，Nb、および／または、Ti，Zr，Ｂ，Ｗ、および／または、Caを適正含有量範囲内に調整し、さらに適正な組織とすることにより、所望の強度を有し、優れた耐食性、とくに優れた耐CO2腐食性と優れた拡管性とを兼備する油井用ステンレス鋼管とすることができることを知見した。
【００１２】
なお、ここで「拡管性に優れる」とは、限界拡管率が25％以上である場合をいい、また「耐CO2腐食性に優れる」とは、0.1MPa以上のCO2を含む100℃以上の苛酷な腐食環境下で問題なく使用可能である場合をいう。
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は、次のとおりである。
【００１３】
（１）ステンレス鋼管を素管として、該素管に、熱処理として、焼入れ処理および焼戻処理、または焼戻処理を施したのち、前記素管の端面側に拡管加工を施し、ついで該拡管加工を施された部位に溶接用開先加工を施すことを特徴とする拡管性に優れた油井用ステンレス鋼管の製造方法。
（２）（１）において、前記焼入れ処理を、800℃以上の加熱温度に再加熱し続いて空冷以上の冷却速度で冷却する処理とし、前記焼戻処理を、Ａc1変態点を超える温度に加熱し冷却する処理とすることを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【００１４】
（３）（１）または（２）において、前記焼戻処理が、Ac1変態点超え700℃以下の二相温度域に加熱し、冷却する処理であることを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記拡管加工の量が、次（１）式
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％）‥（１）
（ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）、素管内径：鋼管端面側の加工前内径（mm））
で定義される拡管率で３％以上であることを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【００１５】
（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記ステンレス鋼管が、質量％で、Ｃ：0.25％以下、Si：1.0％以下、Mn：0.10〜2.50％、Ｐ：0.05％以下、Ｓ：0.005％以下、Al：0.05％以下、Cr：10.5〜18.0％、Ｎ：0.09％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
（６）（５）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、次Ａ群〜Ｄ群
Ａ群：Cu：3.5％以下、
Ｂ群：Ni：7.0％以下、Mo：3.0％以下、Ｖ：0.20％以下、Nb：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｃ群：Ti：0.30％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｄ群：Ca：0.0005〜0.01％
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する組成とすることを特徴とする油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、CO2、Cl−を含む高温の厳しい腐食環境下においても、十分な耐食性、とくに優れた耐CO2腐食性を有し、かつ母管および継手部を含めて、油井における厳しい拡管加工にも耐えうる、優れた拡管性を有する、油井用ステンレス鋼管を安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の油井用ステンレス鋼管の概略形状を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の油井用ステンレス鋼管は、両端面側が拡管加工され、該拡管加工された部位（拡管部）の端面側に溶接用開先を有する、図１に示すような鋼管である。本発明では、ステンレス鋼管（素管）の両端面側に素管内径より大きい各種外径を有するプラグをそれぞれ押し込み、所定の拡管率となるように予め拡管して拡管部を形成し、該拡管部の端面側にはさらに溶接用開先加工を施し、開先加工部を形成する。これにより、溶接継手部における油井内での拡管量を低減することができ、油井内での拡管作業を軽減することが可能となるうえ、油井内における拡管による溶接継手部の特性劣化を防止、あるいは軽減でき、溶接継手部からの漏れを防止できることになる。
【００１９】
なお、拡管加工が施される領域は、鋼管の端面から管軸方向に所定の長さとする。ここでいう「所定の長さ」とは、鋼管の端部同士を適正に溶接接合するに必要な寸法形状の開先を、拡管部の端面側に加工できる長さを意味する。また、両端面側に形成する開先の形状はとくに限定する必要はないが、溶接方法に応じて、内容物（原油、ガス等）が漏れないような、溶接継手が形成できる形状とすることが好ましい。なお、鋼管同士の接続のための溶接（円周溶接）方法は、とくに限定する必要はなく、通常の円周溶接方法、たとえば、ＧＭＡＷ法、ＳＭＡＷ法、バット溶接等がいずれも適用できる。
【００２０】
また、ステンレス鋼管両端面側における拡管加工は、拡管率で３％以上とすることが好ましい。なお、拡管率は、下記（１）式
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％）‥（１）
（ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）、素管内径：鋼管端面部の加工前内径（mm））
で定義される。拡管率が３％未満では、油井内での高拡管に対応することができにくい。ここでいう「油井内での高拡管」とは、油井内での拡管率が25％以上の拡管をいうものとする。
【００２１】
本発明の油井用ステンレス鋼管は、好ましくは降伏強さ：350MPa以上を有する鋼管である。油井用鋼管を油井内に挿入した状態で行う拡管は、通常、当該ステンレス鋼管内に拡管用プラグを通して行う。油井用ステンレス鋼管の降伏強さが350MPa未満では、拡管用プラグを通す際に、座屈等の問題が生じ、適正な拡管を行うことができない場合がある。このため、十分な拡管性を確保するために、本発明では油井用ステンレス鋼管の降伏強さを350MPa以上に限定することが好ましい。なお、より好ましくは350〜550MPaである。
【００２２】
また、本発明の油井用ステンレス鋼管は、0.08以上のｎ値を有する鋼管とすることが、高拡管性を確保するうえで好ましい。ｎ値は、本発明者らの検討によれば、鋼管の拡管性に影響する重要な材料因子であり、優れた拡管性を確保するために、本発明ではｎ値を0.08以上に限定することが好ましい。ｎ値が0.08未満では、所望の拡管性を確保することが難しくなる。なお、好ましくは0.10以上である。なお、ここでいう「ｎ値」は、管軸方向を引張方向とする引張試験片をAPI規定または、JIS規定に準拠して採取し、該引張試験片を用いてJIS規定（JIS Z 2253）に準拠して測定した値とする。
【００２３】
また、油井用鋼管の均一伸びu-Elが十分に大きければ、ｎ値が低くても、高い拡管率の拡管が可能であるが、しかし、均一伸びu-Elが小さいと、十分な拡管性を確保できなくなる。本発明者らの検討によれば、優れた拡管性を確保するためには、上記した範囲のｎ値を有するとともに、均一伸びu-Elに関連した所定値、すなわち次（２）式
ｎ＞0.007×（25−u-El）‥‥‥（２）
（ここで、ｎ：ｎ値、u-El：均一伸び（％））
を満足するｎ値を有することが好ましいという知見を得ている。ｎ値が（２）式を満足できない場合には、所望の優れた拡管性を確保することが難しくなる。なお、均一伸びu-Elは、管軸方向を引張方向とするAPI規定またはJIS規定（JIS Z 2241）に準拠して採取した引張試験片を用いてAPI規定または、JIS規定（JIS Z 2241）に準拠して引張試験を実施して測定した値を用いるものとする。
【００２４】
つぎに、本発明の油井用ステンレス鋼管の好ましい組成範囲およびその限定理由について説明する。以下、とくに断らないかぎり、質量％は単に％と記す。
Ｃ：0.25％以下
Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼管の強度に関係する重要な元素であるが、0.25％を超えて多量に含有すると、鋼管製造時に焼割れを発生する恐れが増大する。また、Ｃの多量含有は、耐食性を低下させる。このため、Ｃは0.25％以下に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.20％の範囲である。
【００２５】
Si：1.0％以下
Siは、通常の製鋼過程において脱酸剤として有用な元素である。このような効果を得るために0.05％以上含有することが望ましいが、1.0％を超える含有は、熱間加工性、さらには靭性を低下させる。このため、Siは1.0％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.05〜0.50％である。
【００２６】
Mn：0.10〜2.50％
Mnは、固溶して鋼管強度を増加させる作用を有するとともに、ｎ値向上に有効に寄与する元素である。油井用マルテンサイト系ステンレス鋼管として所望の強度を確保するために0.10％以上含有することが好ましいが、2.50％を超える多量の含有は、靭性に悪影響を及ぼすとともに、鋼管製造時に焼割れを発生する恐れを増大させる。このため、Mnは0.10〜2.50％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.10〜1.00％である。
【００２７】
Ｐ：0.05％以下
Ｐは、熱間加工性を低下させるとともに、耐CO2腐食性、耐CO2応力腐食割れ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性をともに劣化させる元素であり、本発明ではその含有量は可及的に少ないことが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。そのため、本発明ではＰは、工業的に比較的安価に実施可能でかつ、熱間加工性、耐CO2腐食性、耐CO2応力腐食割れ性、耐孔食性および耐硫化物応力腐食割れ性を低下させない範囲である、0.05％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.02％以下である。
【００２８】
Ｓ：0.005％以下
Ｓは、パイプ造管過程における熱間加工性を著しく劣化させる元素であり、本発明ではその含有量は可及的に少ないことが望ましいが、極端な低減は製造コストの高騰を招く。そのため、本発明ではＳは、通常の工程でのパイプ製造が可能な範囲である0.005％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.003％以下である。
【００２９】
Al：0.05％以下
Alは、強力な脱酸剤として作用するとともに、Ｎと結合し結晶粒を微細化する作用をも有する元素である。このような効果を安定して確保するために0.005％以上含有することが望ましいが、0.05％を超える含有は、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Alは0.05％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.005〜0.03％である。
【００３０】
Cr：10.5〜18.0％
Crは、所望の耐CO2腐食性、耐CO2応力腐食割れ性を保持するために重要な元素であり、本発明が対象としている環境下における耐食性確保の観点からは、10.5％以上含有することが好ましいが、18.0％を超える含有は、フェライトが安定となり所望の鋼管強度を確保できなくなる。このため、Crは10.5〜18.0％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは11.0〜15.0％である。
【００３１】
Ｎ：0.09％以下
Ｎは、オーステナイト生成元素であり、鋼管強度の向上に有効に寄与する。また、耐孔食性を向上させる作用をも有する。このような効果を得るためには、0.005％以上含有することが望ましいが、0.09％を超えて含有すると、Cr窒化物等の種々の窒化物を多量に形成して靭性、耐食性を低下させる。このため、Ｎは0.09％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.01〜0.06％である。
【００３２】
上記した成分が基本の成分であるが、この基本の組成に加えて、さらに次Ａ群〜Ｄ群のうちから選ばれた１群または２群以上を選択して含有できる。
Ａ群：Cu：3.5％以下
Ａ群：Cuは、保護皮膜を強固にして鋼中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる作用を有する元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果は0.2％以上の含有で顕著となるが、3.5％を超える含有は、高温で粒界にCuSが析出し、熱間加工性を低下させる。このため、Cuは3.5％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.5〜2.5％である。
【００３３】
Ｂ群：Ni：7.0％以下、Mo：3.0％以下、Ｖ：0.20％以下、Nb：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Ni、Mo、Ｖ、Nbはいずれも、鋼管強度を増加させる作用を有し、必要に応じて選択して１種または２種以上含有できる。
Niは、靭性の向上に有効に寄与する元素であるが、Crを多量に含む場合には、マルテンサイト相を安定化して鋼管強度の増加に有効に寄与する。このような効果を得るためには0.1％以上含有することが望ましいが、7.0％を超えて含有すると、変態点が低下しすぎて、鋼管強度の著しい低下を招く。このため、Niは7.0％以下とすることが好ましい。なお、より好ましくは0.1〜6.5％である。
【００３４】
Moは、焼入れ性の向上を介して、鋼管強度の増加に寄与する元素であるが、硫化水素が存在する環境下では耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる元素でもある。このような効果を得るためには、0.5％以上含有することが望ましいが、3.0％を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなる。このため、Moは3.0％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.5〜2.5％である。
【００３５】
Ｖは、焼入れ性の向上を介して、鋼管強度の増加に寄与する元素であるが、耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる元素でもある。このような効果を得るためには、0.01％以上含有することが望ましいが、0.20％を超える含有は、靭性を低下させる。このため、Ｖは0.20％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.02〜0.15％である。
Nbは、鋼の強度増加、靱性向上に有効に寄与する元素である。このような効果は0.01％以上の含有で顕著となるが、0.20％を超える含有は、靱性を低下させる。このため、Nbは0.20％以下とすることが好ましい。なお、より好ましくは0.02〜0.12％である。
【００３６】
Ｃ群：Ti：0.3％以下、Zr：0.2％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｃ群：Ti、Zr、Ｂ、Ｗはいずれも、鋼管強度を増加させ、耐応力腐食割れ性を改善する作用を有する元素であり、必要に応じて選択して１種または２種以上含有できる。このような効果は、Ti：0.01％以上、Zr：0.01％以上、Ｂ：0.0005％以上、Ｗ：0.1％以上の含有で顕著となる。一方、Ti：0.3％、Zr：0.2％、Ｂ：0.01％、Ｗ：3.0％、をそれぞれ超える含有は、靱性を劣化させる。このため、Ti：0.3％以下、Zr：0.2％以下、Ｂ：0.01％以下、Ｗ：3.0％以下にそれぞれ限定することが好ましい。
【００３７】
Ｄ群：Ca：0.0005〜0.01％
Ｄ群：Caは、ＳをCaSとして固定しＳ系介在物を球状化する作用により、介在物の周囲のマトリックスの格子歪を小さくして、水素のトラップ能を下げる作用を有する元素である。このような効果は0.0005％以上の含有で顕著となるが、0.01％を超える含有は、CaOの増加を招き、耐CO2腐食性、耐孔食性を低下させる。このため、Caは0.0005〜0.01％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.001〜0.005％である。
【００３８】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。
つぎに、本発明ステンレス鋼管の好ましい組織について説明する。
本発明ステンレス鋼管は、上記した組成を有し、焼戻マルテンサイト相を主相とし、第二相として体積率で、５％以上のオーステナイト相と、あるいはさらに５％以下のフェライト相を含む組織を有することが好ましい。ここでいう「主相」とは、体積率で50％以上の組織分率を有する相をいう。
【００３９】
焼戻マルテンサイト相を主相とする組織とすることにより、所望の高強度を確保することができる。焼戻マルテンサイト相が体積率で50％未満では、鋼管強度が低下し、所望の鋼管強度を確保できなくなる。そして主相に加えてさらに、第二相としてオーステナイト相を含む組織に限定することが好ましい。オーステナイト相の含有量を、体積率で５％以上となるように調整することが好ましい。これにより、所望の高い拡管性を兼備させることができる。オーステナイト相含有量の調整は、組成および熱処理の調整により行うことができる。また、第二相として上記したオーステナイト相に加えて、体積率で０〜５％のフェライト相を含有してもよい。フェライト相が５％を超えて多量になると、拡管性低下の原因となる。このようなことから、焼戻マルテンサイト相を主相とし、第二相を、体積率で、５％以上のオーステナイト相と、あるいはさらに、５％以下のフェライト相とを含む組織に限定することが好ましい。なお、それ以外の第二相としては、体積率で20％以下の焼入れマルテンサイトが許容される。
【００４０】
上記した組成と、上記した組織を有することにより、耐食性、とくに優れた耐CO2腐食性と、拡管性に優れた油井用ステンレス鋼管となる。
つぎに、本発明ステンレス鋼管の好ましい製造方法を、継目無鋼管を例にして説明する。なお、本発明では鋼管は、継目無鋼管に限定されるものではなく、熱延鋼板を素材とした溶接鋼管（電縫鋼管）としてもよいのは言うまでもない。
【００４１】
上記した組成を有する溶鋼を、転炉、電気炉、真空溶解炉等の通常の溶製方法で溶製し、連続鋳造法、造塊−分塊圧延法等の通常の方法でビレット等の鋼管素材とすることが好ましい。ついで、これら鋼管素材を加熱し、通常のマンネスマン−プラグミル方式、あるいはマンネスマン−マンドレルミル方式の製造工程を用いて熱間加工し造管して、所望の寸法の継目無鋼管とする。造管後、継目無鋼管は、通常工程と同様に、空冷程度の冷却速度で室温程度の温度まで冷却することが好ましい。
【００４２】
上記した本発明範囲の組成を有する継目無鋼管（ステンレス鋼管）であれば、熱間加工後、空冷程度の冷却速度で室温程度の温度まで冷却することにより、マルテンサイト相を主体とする組織とすることができるが、本発明では、造管ままのステンレス鋼管（素管）に、さらに熱処理を施すことが好ましい。熱処理としては、焼入れ焼戻処理、あるいは焼戻処理を施すことが好ましい。
【００４３】
焼入れ処理は、800℃以上の加熱温度に再加熱し続いて空冷以上の冷却速度で200℃以下の温度、好ましくは室温まで冷却する処理とすることが好ましい。なお、加熱温度での保持は５min以上とすることが好ましい。加熱温度が800℃未満では、組織を焼戻マルテンサイト相を主相とする組織とすることができない。
また、焼戻処理は、Ａc1変態点を超える温度に加熱し、好ましくは空冷程度あるいは空冷以上の冷却速度で冷却する処理とすることが好ましい。焼戻温度をＡc1変態点を超える温度とすることにより、オーステナイト相の析出、あるいは焼入れマルテンサイト相の生成が生じる。なお、焼入れ焼戻処理に代えて、上記した焼戻処理のみの熱処理としてもよい。このような熱処理を鋼管（ステンレス鋼管）に施すことにより、上記した組織を安定して確保できる。
【００４４】
また、上記した焼戻処理を、Ａc1変態点超え700℃以下の二相域の温度に加熱し、冷却する処理としてもよい。
上記したように、好ましくは熱処理を施された継目無鋼管（素管）は、ついで、両端面側に拡管を施される。拡管は、通常、当該鋼管内に拡管用プラグを通して行う。本発明では、素管の両端面側に素管内径より大きい各種外径を有するプラグをそれぞれプレス等で押し込み、好ましくは３％以上の、所定の拡管率となるように予め拡管加工して拡管部を形成する。なお、拡管加工が施される領域（拡管部）は、素管（ステンレス鋼管）の端面から管軸方向に、所望の寸法形状の溶接用開先が加工できる長さとする。
【００４５】
ついで、該拡管部に、適正長さ、適正寸法形状の溶接用開先を加工し、開先加工部を形成し、本発明の油井用ステンレス鋼管を得る。
本発明をさらに、実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例】
【００４６】
表１に示す組成の溶鋼を、真空溶解炉で溶製し、十分に脱ガスした後、100キロ鋼塊とし、研究用モデルシームレス圧延機により造管し、継目無鋼管（外径73mmφ×肉厚7.0mm）とした。なお、造管後、室温まで空冷とした。
次いで各鋼管に、表２に示す条件で、熱処理を施した。なお、一部の鋼管では熱間圧延まま（造管まま）とした。
【００４７】
ついで、上記した鋼管から、組織観察用試片を採取し、管軸方向断面を研磨して、腐食し組織観察に供した。組織観察は、走査型電子顕微鏡を用いて行った。組織を撮像（各５視野以上）し、各相の組織分率（体積％）を画像解析装置を用いて算出した。なお、オーステナイト相の組織分率は、Ｘ線回析により測定した。
また、上記した鋼管から、APIの規定に準拠して、管軸方向を引張方向とする引張試験片（弧状試験片：GL：25.4mm）を切り出し、APIの規定に準拠して、引張試験を実施し、引張特性（降伏強さYS、引張強さTS、均一伸びu-El）を求めた。また、同時に、JIS Z 2253の規定に準拠してｎ値を求めた。
【００４８】
また、上記した鋼管から、拡管試験片（鋼管：長さ300mm）を採取した。これら拡管試験片（鋼管）に、拡管試験片（鋼管）の内径より大きい各種外径を有するプラグを順次、プレスにより押し込み、亀裂が発生した時点のプラグ径を求め、次式
限界拡管率＝［｛（亀裂が発生したときのプラグ外径）−（試験材内径）｝／（試験材内径）］×100（％）
で限界拡管率を算出した。なお、使用したプラグの外径は、拡管率が５％刻みとなるように配慮した。
【００４９】
また、上記した鋼管から試験材（管状）を採取し、拡管率：30％の拡管加工を施した。該拡管加工を施された試験片（管状）から、腐食試験片（厚さ３mm×幅30mm×長さ40mm）を機械加工により採取した。腐食試験は、オートクレーブ中に保持された試験液：20％NaCl水溶液（液温：100℃、30気圧のCO2ガス雰囲気）に腐食試験片を浸漬し、浸漬期間を２週間として実施した。腐食試験後の試験片重量を測定し、腐食試験による試験片の重量減を求め、腐食速度を算出した。また、腐食試験後の試験片表面について10倍のルーペ観察を行い、孔食発生の有無も調査した。得られた腐食速度および孔食発生の有無で、耐CO2腐食性を評価した。
【００５０】
得られた結果を表２に示す。
【００５１】
【表１】
【００５２】
【表２】
【００５３】
本発明の好適範囲を満足する鋼管はいずれも、降伏強さ：350MPa以上の高強度を有し、限界拡管率が25％以上と優れた拡管性を有するとともに、腐食速度も0.127mm／y以下であり優れた耐CO2腐食性を有し、また孔食の発生もなく、優れた耐CO2腐食性を有する鋼管となっている。一方、本発明の好適範囲を外れる鋼管は、降伏強さが350MPa未満であるか、限界拡管率が低く拡管性が若干低下しているか、あるいは腐食速度が0.127mm／yを超えて大きくなっているか、あるいは孔食が発生し、耐CO2腐食性が若干低下している。
【００５４】
ついで、表２に示す特性を有する継目無鋼管（素管）の両端面部に、表３に示す拡管率となるように、各種外径を有するプラグをプレスで押し込み、端面側拡管加工を施した。この端面側拡管加工は、鋼管同士をねじ接合可能なように、同一条件で少なくとも２本の鋼管について行った。なお、拡管率は次（１）式
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％）‥（１）
（ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）、素管内径：鋼管端面部の加工前内径（mm））
を用いて算出した。
【００５５】
ついで拡管加工を施された拡管加工部の端面に、溶接開先加工を施した。加工された開先は、接続する鋼管同士で突合せ溶接が可能なように、Ｉ形開先とし、鋼管の一方の端部と、他方の端部にそれぞれ加工した。
得られた同一条件の鋼管の端部同士を突き合せて、溶接接合した。ついで、さらに端面側拡管加工を含め、合計で25％の拡管率となるように、拡管加工を施した後、水圧試験（圧力：８MPa）を実施し、溶接継手部からの漏れの有無を確認した。
【００５６】
得られた結果を表３に示す。
【００５７】
【表３】
【００５８】
本発明例はいずれも、継手部からの漏れは認められなかった。一方、本発明の範囲を外れる鋼管（比較例）は、溶接継手部からの漏れが認められた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼管を素管として、該素管に、熱処理として、焼入れ処理および焼戻処理、または焼戻処理を施したのち、前記素管の端面側に拡管加工を施し、ついで該拡管加工を施された部位に溶接用開先加工を施すことを特徴とする拡管性に優れた油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【請求項２】
前記焼入れ処理を、800℃以上の加熱温度に再加熱し続いて空冷以上の冷却速度で冷却する処理とし、前記焼戻処理を、Ａc1変態点を超える温度に加熱し冷却する処理とすることを特徴とする請求項１に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【請求項３】
前記焼戻処理が、Ac1変態点超え700℃以下の二相温度域に加熱し、冷却する処理であることを特徴とする請求項１または２に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【請求項４】
前記拡管加工の量が、下記（１）式で定義される拡管率で３％以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
記
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％）‥‥（１）
ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）
素管内径：鋼管端面側の加工前内径（mm）
【請求項５】
前記ステンレス鋼管が、質量％で、
Ｃ：0.25％以下、 Si：1.0％以下、
Mn：0.10〜2.50％、 Ｐ：0.05％以下、
Ｓ：0.005％以下、 Al：0.05％以下、
Cr：10.5〜18.0％、 Ｎ：0.09％以下
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【請求項６】
前記組成に加えてさらに、質量％で、下記Ａ群〜Ｄ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項５に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
記
Ａ群：Cu：3.5％以下、
Ｂ群：Ni：7.0％以下、Mo：3.0％以下、Ｖ：0.20％以下、Nb：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｃ群：Ti：0.30％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｄ群：Ca：0.0005〜0.01％
【請求項１】
ステンレス鋼管を素管として、該素管に、熱処理として、焼入れ処理および焼戻処理、または焼戻処理を施したのち、前記素管の端面側に拡管加工を施し、ついで該拡管加工を施された部位に溶接用開先加工を施すことを特徴とする拡管性に優れた油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【請求項２】
前記焼入れ処理を、800℃以上の加熱温度に再加熱し続いて空冷以上の冷却速度で冷却する処理とし、前記焼戻処理を、Ａc1変態点を超える温度に加熱し冷却する処理とすることを特徴とする請求項１に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【請求項３】
前記焼戻処理が、Ac1変態点超え700℃以下の二相温度域に加熱し、冷却する処理であることを特徴とする請求項１または２に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【請求項４】
前記拡管加工の量が、下記（１）式で定義される拡管率で３％以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
記
拡管率＝［｛（プラグ外径）−（素管内径）｝／（素管内径）］×100（％）‥‥（１）
ここで、プラグ外径：拡管用工具（プラグ）の外径（mm）
素管内径：鋼管端面側の加工前内径（mm）
【請求項５】
前記ステンレス鋼管が、質量％で、
Ｃ：0.25％以下、 Si：1.0％以下、
Mn：0.10〜2.50％、 Ｐ：0.05％以下、
Ｓ：0.005％以下、 Al：0.05％以下、
Cr：10.5〜18.0％、 Ｎ：0.09％以下
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
【請求項６】
前記組成に加えてさらに、質量％で、下記Ａ群〜Ｄ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項５に記載の油井用ステンレス鋼管の製造方法。
記
Ａ群：Cu：3.5％以下、
Ｂ群：Ni：7.0％以下、Mo：3.0％以下、Ｖ：0.20％以下、Nb：0.20％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｃ群：Ti：0.30％以下、Zr：0.20％以下、Ｂ：0.0005〜0.01％、Ｗ：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｄ群：Ca：0.0005〜0.01％
【図１】
【公開番号】特開２０１２−４７０３７（Ｐ２０１２−４７０３７Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３２７１５（Ｐ２０１１−２３２７１５）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【分割の表示】特願２００８−１５０９１（Ｐ２００８−１５０９１）の分割
【原出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【分割の表示】特願２００８−１５０９１（Ｐ２００８−１５０９１）の分割
【原出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]