[发明专利]钢管的冷却方法

说明书

本发明涉及钢管的冷却方法，特别是涉及不发生淬裂地冷却耐碳酸气腐蚀性和耐硫化物应力腐蚀断裂性优秀的马氏体系不锈钢管的方法。

马氏体系不锈钢管，在要求强度和耐腐蚀性的种种用途中，特别是作为开采石油和天然气用的油井管，近年来使用量在增大。另一方面，对于石油和天然气的油井的钢材的腐蚀环境正变得越发苛刻。例如，随着采掘深度的增大，除了使用环境的高压化外，高浓度地含有潮湿的碳酸气、硫化氢、氯离子等腐蚀性成分的环境的井增多。因此，在高强度化的同时，腐蚀性成分引起油井管的腐蚀和脆化成了大问题，耐腐蚀性好的高强度油井管的必要性高起来。在以下的说明中，所谓“耐腐蚀性好”是指具有对腐蚀性成分引起的“腐蚀”和“脆化”二者的抵抗性。这里，所谓腐蚀成分引起的脆化是指硫化氢引起的硫化物应力腐蚀断裂等。在以下的说明中，“马氏体系不锈钢”是指冷却相变后的马氏体相占主相的钢，及加热时奥氏体相占主相的钢两方的钢。

马氏体系不锈钢管虽然对硫化氢引起的硫化物应力腐蚀断裂的抵抗性不足，但是对潮湿碳酸气引起的腐蚀具有优秀的抵抗性。因此，可在含有比较低温的潮湿的炭酸气的环境下被广泛地使用。作为其代表，可以举出AP1(美国石油协会)规定的L80级的马氏体系不锈钢的油井管。这是按重量％，含有C：0.15～0.22％、Si：1.00％以下、Mn：0.25～1.00％、Cr：12.0～14.0％、P：0.020％以下、S：0.010％以下、Ni：0.50％以下及Cu：0.25％以下的马氏体系不锈钢的油井管。该L80级油井管主要在含有硫化氢分压为0.003气压以下的比较低温的潮湿的碳酸气的环境下被广泛地使用。

马氏体系不锈钢管，也包括上述API的L80级在内，一般需进行淬火回火之后再供使用。但是，马氏体系不锈钢的马氏体相变开始温度(以下记为Ms点。另外，马氏体相变结束温度记为Mf点)为300℃左右，比低合金钢低，此外由于淬透性大而对淬裂的敏感性高。特别是，在钢管的淬火中，由于与板材与棒材的场合不同，高应力复杂地分布，所以通常的水淬往往引起淬裂。因此，在马氏体系不锈钢管的淬火中，必须采用空冷、强制空冷或鼓风冷却之类冷却速度低的小的冷却方法。但是，用该方法虽然能防止淬裂，但是由于冷却速度低，所以生产率不高，而且存在着机械性能和耐腐蚀性劣化的问题。在以下的说明中，所谓“冷却”，特别是只要未作说明，就是指“为淬火而冷却”。

一般来说，关于冷却速度对马氏体系不锈钢管的耐腐蚀性的影响，以下事项是公知的。①抗拉强度越高，则硫化物应力腐蚀断裂敏感性越大，与屈服极限无关。这意味着，在根据屈服极限进行强度设计的油井管中，如果不提高抗拉强度而使屈服极限提高，则可以不使耐腐性劣化而实现高强度化。因此，在马氏体系不锈钢管中，屈服比(屈服极限/抗拉强度)的提高被用作性能判断的指标，屈服比高则被判断成有利。②马氏体系不锈钢具有在冷却后容易残留奥氏体的倾向。该残留奥氏体由于回火而分解成铁素体和碳化物，使屈服比和耐腐蚀性下降。③为了减少该残留奥氏体，有必要使冷却速度从先有技术的空冷引起的冷却速度大幅度地提高。但是，通过喷雾冷却或油淬，不能得到把残留奥氏体减少到不成问题的范围。

作为这样的冷却方法，通过一边使钢管旋转一边在钢管的外表面用喷嘴喷射冷却水，向钢管全面而均匀地供给冷却水，以便不产生冷却不均匀性的方法已被提出(日本特开平3-82711号公报)。根据该方法，把冷却速度控制于1～20℃/sec的范围的水淬成为可能，与先有技术的空气冷却相比可以抑制残留奥氏体。但是，没有消除发生淬裂的危险性。

另外，作为效率高的冷却钢管的方法，一边使钢管旋转，一边从钢管的端部把冷却水送入钢管内，同时在钢管的外表面使板状的冷却水流下的冷却钢管的内外表面的方法被公开(日本特开平7-310126号公报)。根据该方法，冷却速度为40℃/sec以上的强冷却是可能的，可以效率高地进行冷却。但是，尚未达到完全防止淬裂。

此外，在特定的冷却条件下对特定的化学组成的马氏体系不锈钢进行冷却的方法的发明也被提出(日本特开昭63-149320号公报、特公平1-14290号公报、特开平2-236257号公报、特开平2-247360号公报、特开平4-224656号公报等)。

其中，在特公平1-14290号公报中公开，如果在固溶处理后以1～20℃/sec的冷却速度冷却油井管，则应力腐蚀断裂敏感性下降。但是，关于急速冷却时的淬裂什么也没有提及。