DE10023488B4

DE10023488B4 - Verfahren zur Herstellung von geschweißten Stahlrohren hoher Festigkeit, Zähigkeits- und Verformungseigenschaften

Info

Publication number: DE10023488B4
Application number: DE10023488A
Authority: DE
Inventors: Gerold Hohl; Gerhard Knauf
Original assignee: Europipe GmbH
Current assignee: Europipe GmbH
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2020-05-10
Also published as: DE10023488A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung geschweißter Stahlrohre hoher Festigkeit, Zähigkeits- und Verformungseigenschaften, insbesondere Großrohre nach dem UOE-Verfahren, bei dem, ausgehend von einem warmgewalzten Blech, ein Rohr kalt eingeformt, verschweißt und auf Solldurchmesser kalibriert und nach dem Schweißen und Kalibrieren einer Wärmebehandlung mit einer Temperatur im Bereich von 100–300°C unterworfen wird,
wobei ausgehend von einem TM-gewalzten Blech aus einem Stahl mit (in Gew.-%)
0,02 bis 0,20% Kohlenstoff
0,05 bis 0,50% Silizium
0,50 bis 2,50% Mangan
0,003 bis 0,06% Aluminium
sowie fakultativ
bis 0,02% Phosphor
bis 0,06% Titan
bis 0,20% Chrom
bis 0,50% Molybdän
bis 0,30% Nickel
bis 0,10% Niob
bis 0,08% Vanadin
bis 0,50% Kupfer
bis 0,030% Stickstoff
bis 0,005% Bor
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, die Wärmebehandlung für das Rohr in der Qualität ≥ X80 mit einer Mindeststreckgrenze von 550 MPa mit einer Temperatur im...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschweißten Stahlrohren hoher Festigkeit, Zähigkeits- und Verformungseigenschaften insbesondere Großrohre nach dem UOE-Verfahren.
Durch Kaltformgebung, z. B. nach dem UOE-Verfahren hergestellte Rohre benötigen am Blech Streckgrenzen in Höhe des spezifizierten Mindestwertes, um am fertigen Rohr die geforderten Sicherheiten gegen Fließen zuverlässig zu erfüllen.
Für Rohre aus hochfesten Stählen mit einer Streckgrenze R_t0,5 ≥ 550 MPa (X80 entsprechend API-5L) sind diese Anforderungen aufgrund der gleichzeitig geforderten Zähigkeits- und Verformungseigenschaften in der Praxis nur mit vergleichsweise hohem Ausgangsstreckgrenzenverhältnis darstellbar, so daß eine Einhaltung der nach geltendem Regelwerk maximal zulässigen Streckgrenzenverhältnisse z. B. max. 0,93 nach API5L infolge der Kaltverfestigung beim Einformen und Kalibrieren der Rohre in der Großserie kaum oder nur mit erhöhtem technischen Aufwand und entsprechend hohen Produktionskosten zu bewerkstelligen ist. Darüber hinaus nimmt die integrale Verformungsreserve durch die Kaltformgebung als Folge der hohen Ausgangsstreckgrenzenverhältnisse mit steigendem Gütegrad ab, so daß in der Praxis die am Bauteil erforderliche integrale Verformungsreserve ε_up ≥ 2% im Rahmen der üblichen Streuungen an Röhren aus Stahl mit einer Streckgrenze R_t0,5 ≥ 550 MPa (X80) nur knapp und an Rohren aus Stahl mit einer Streckgrenze R_t0,5 ≥ 620 Mpa (X90) bislang nicht erreicht werden konnte. Mit "integraler Verformungsreserve ε_up" ist die mittlere plastische Umfangsdehnung des Rohres vor Beginn der Wandeinschnürung analog der Gleichmaßdehnung im Laborzugversuch gemeint (Hohl, G. A. and Vogt, G. H: Allowable strains for high strength line pipe. 3R international, 31. Jhg., Heft 12/92, S. 696–700).
Zur Überwindung dieses Problems hat es in der Vergangenheit Überlegungen gegeben durch Veränderung der Legierungszusammensetzung und/oder der Walztechnik die geforderten höheren Verformungskennwerte zu erreichen. Diesen Möglichkeiten sind aber in der Praxis Grenzen gesetzt, da zum einen bestimmte Zulegierungen wie z. B. Nickel das Produkt erheblich verteuern oder deren Zugabe verformungstechnische Probleme bereitet wie z. B. Bor und zum anderen die Technologie des thermomechanischen Walzens hinsichtlich des einzustellenden Temperaturfensters, der Abkühlgeschwindigkeiten und der Umformgrade nur begrenzt veränderbar ist.
Aus der 196 10 675 C1 ist ein unter der Bezeichnung "bake hardening" lautendes Verfahren zur Erhöhung der Bauteilfestigkeit bekannt. Darunter wird eine künstliche Alterung infolge des Einbrennlackierens verstanden. Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise in einem Zinkbad, das von dem zuvor kaltgewalzten Band durchlaufen wird. Die Zinkbadtemperaturen liegen im Bereich von 450–470°C. Damit die Oberflächenveredelung konventioneller DP(Dualphasen)-Stähle betriebssicher möglich ist, wird ein Stahl folgender Zusammensetzung in Gew.-% vorgeschlagen
0,05 bis 0,3% Kohlenstoff
0,8 bis 3,0% Mangan
0,4 bis 2,5% Aluminium
0,01 bis 0,2% Silizium
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Nach dem Kaltwalzen schließt sich eine Wärmebehandlung vorzugsweise in einer Feuerverzinkungsanlage oder in einem Durchlaufglühofen an.
Das Gefüge besteht aus einer ferritischen Matrix, in die inselförmig Martensit eingelagert ist. Die Mindestkennwerte die mit dem bekannten Verfahren erreichbar sind

Dehngrenze (R_p0,2) ≥ 200 MPa

Zugfestigkeit (R_m) ≥ 550 MPa

Bruchdehnung (A₈₀) ≥ 25%

Streckgrenzenverhältnis (R_p0,2/R_m) ≤ 0,7
Die wesentlichen das vorgeschlagene Verfahren begünstigenden Elemente sind Aluminium und Silizium. Das letztgenannte Element Si wird niedrig gehalten, um die Bildung von rotem Zunder beim Warmwalzen zu unterdrücken. Roter Zunder birgt die Gefahr von Zundereinwalzungen, die beim Beizen des Bandes zu Oberflächeninhomogenitäten führen. Hohe Al-Gehalte fördern die Ferritbildung bei der Glühung zwischen den Umwandlungstemperaturen A_C1 und A_C3. Die Perlitbildung wird zu deutlich längeren Zeiten verschoben, so dass sie bei den realisierbaren Abkühlraten unterdrückt werden kann. Die Haftbedingungen sowohl der Zinkschicht als auch der Zink-Eisen-Legierunsschicht werden durch Al verbessert.
Das bekannte Verfahren ist für geschweißte Rohre aus hochfesten Stählen z. B. der Güte X80 mit einer Mindestreckgrenze von 550 MPa nicht anwendbar, da eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 450–470°C wegen der langen Aufwärm- und Haltezeiten unwirtschaftlich ist. Das Streckgrenzenverhältnis dieser hochfesten Stähle liegt beispielsweise für eine Güte X65 bei > 0,70, ansonsten im Bereich zwischen 0,80–0,93.
Aus der DE 43 18 931 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung von geschweißten Profilrohren aus Stahl bekannt. Ausgehend von einem TM-gewalztem Band wird über Kalteinformung zuerst ein Schlitzrohr und anschließend mittels HF-Schweißen ein Rundrohr erzeugt.
Nach kurzzeitiger induktiver Erwärmung auf eine Temperatur im Bereich zwischen 600°C und < Ac₁ erfolgt in Linie die direkte Umformung vom Rundrohr zur gewünschten Endprofilabmessung.
Zum Nachweis, dass bei Anwendung dieser Verfahrensweise die möglicherweise eintretende natürliche Alterung nicht zu einer signifikanten Verschlechterung der Werkstoffkennwert, insbesondere der Zähigkeit führt, werden Proben einer künstlichen Alterungsbehandlung – 2 h bei 250°C – unterworfen. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Zähigkeitswerte nur unmerklich abfallen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung geschweißter Stahlrohre hoher Festigkeit, Zähigkeits- und Verformungseigenschaften insbesondere Großrohre nach dem UOE-Verfahren anzugeben, mit dem insbesondere Qualitäten ≥ X80 mit einer Mindeststreckgrenze von 550 MPa sowie sauergasbeständige Güten wirtschaftlich und prozeßsicher unter Einhaltung der vom Regelwerk festgelegten Obergrenze für das Streckgrenzenverhältnis darstellbar sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß dem Lösungsvorschlag wird ausgehend von einem Blech aus einem Stahl der Zusammensetzung in Gew.-%
0,02 bis 0,20% Kohlenstoff
0,05 bis 0,50% Silizium
0,50 bis 2,50% Mangan
0,003 bis 0,06% Aluminium,
sowie den fakultativ im Patentanspruch 1 aufgeführten Elementen,
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen das Rohr nach dem Schweißen und Kalibrieren einer Wärmenachbehandlung im Temperaturbereich von 100–300 Grad Celsius und einer der Rohrwanddicke angepassten Haltezeit mit anschließender Abkühlung an Luft oder durch Zwangskühlung unterworfen. Die Haltezeit richtet sich vorwiegend nach der durchzuwärmenden Erzeugniswanddicke und hängt von der Art der Wärmezufuhr ab. Dies bedeutet, daß die Haltezeiten in einem Extremfall nur Sekunden und im anderen Extremfall mehrere Stunden betragen kann. Das so erzeugte Rohr weist bei gleich hoher Festigkeit gegenüber konventionell hergestellten Erzeugnissen um mehr als doppelt so hohe Verformungsreserven auf, ohne die vom aktuellen Regelwerk festgelegte Obergrenze für das Streckgrenzenverhältnis zu überschreiten. Optimale Ergebnisse werden erreicht, wenn die Mindestausgangsstreckgrenze am Blech der um den Streckgrenzenanstieg durch Kaltformgebung und Wärmeeffekt verminderten Mindeststreckgrenze am Rohr entspricht. Ein so hergestelltes Rohr zeichnet sich durch Alterungsbeständigkeit und besonders hohe Homogenitäten der Eigenschaften am Rohrumfang aus, wobei die angegebene Stahlanalyse hinsichtlich der Hauptelemente den Bereich der hochfesten Großrohrstähle abdeckt. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können optional noch weitere Elemente bis zur angegebenen Höchstgrenze zulegiert werden, um besonderen Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Erzeugniswanddicke zu genügen.
Untersuchungen haben ergeben, daß mit der vorgeschlagenen Wärmebehandlung die mechanischen Werkstoffkennwerte insbesondere die Streckgrenze in einem Maße erhöht werden, so daß die geforderten Mindestwerte prozeßsicher erreicht werden. Mit prozeßsicher ist gemeint, daß die Erhöhung eine Reserve bedeutet, die es gestattet die üblichen Schwankungen hinsichtlich Legierungszusammensetzung, Wanddicke, Walzparameter usw. zuzulassen, ohne Gefahr zu laufen auch beim Zusammentreffen mehrerer ungünstig liegender Parameter den geforderten Mindestwert zu unterschreiten. Die ansonsten üblichen Sondermaßnahmen können dadurch entfallen.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß durch eine solche Wärmebehandlung konditionierte Rohre sich bei Betriebstemperatur unterhalb der Wärmebehandlungstemperatur, z. B. 200 Grad Celsius, als alterungsbeständig verhalten, so daß für Leitungen aus solchen Rohren während der betrieblichen Einsatzdauer keine weiteren Veränderungen der mechanischen Eigenschaften zu erwarten sind. Naturgemäß gilt diese Aussage auch für Rohre aus Stahlgüten < X80, deren Eigenschaften am Umfang und in der Fertigungsserie mittels einer solchen Wärmebehandlung mit größerer Prozeßsicherheit und kleineren Streuungen einzustellen sind.
Die Wärmebehandlung kann in einem Durchlaufofen oder beim Durchlauf einer Induktionsspule erfolgen. Das letztgenannte Verfahren ist vorzugsweise in eine Rohraußenisolierungsanlage integrierbar. Dies bedeutet, daß die für die Aufbringung der ein-oder-mehrlagigen Isolierung erforderliche Erwärmung des Rohres gleichzeitig zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften auf das erforderliche Niveau genutzt werden kann, da die für die Isolierung erforderliche Temperatur in dem vorgeschlagenen Bereich von 100–300 Grad Celsius liegt.
Der Vorteil ist, daß die im Abnahmeversuch nach der Isolierung ermittelten Festigkeits- und Verformungseigenschaften damit für die gesamte Nutzungsdauer einer Rohrleitung maßgebend sind. Der Einsatz von Blechen und Bändern mit niedriger Ausgangsstreckgrenze erscheint auch in der Weise vorteilhaft nutzbar, indem zur Einformung zum Schlitzrohr kleinere Umformkräfte benötigt werden. Dieser Vorteil ist insbesondere bei dickwandigen Rohren von Bedeutung.
Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Wärmebehandlung ist darin zu sehen, daß sie einen Beitrag zur reproduzierbaren Darstellung der Streckgrenzenverhältnisse auf niedrigem Werteniveau sowie einer Homogenisierung der Festigkeitseigenschaften in der Fertigungsserie leistet, so daß gegenüber konventionell hergestellten Rohren am Bauteil höhere Verformungsreserven gegen duktilen Bruch erreichbar sind.
Den Effekt einer Homogenisierung der Festigkeitseigenschaften kann man noch dadurch steigern, wenn man bei dem nach dem UOE-Verfahren hergestellten Großrohren vor der Wärmebehandlung eine Konditionierung der Rohre entsprechend dem in der DE 195 22 790 A1 vorgeschlagenen Verfahren vornimmt. Die hierdurch ganz gezielt je nach Anwendungszweck für Innen- oder Außendruckbelastung darstellbaren Rohreigenschaften bringen in Verbindung mit der hier vorgeschlagenen Wärmenachbehandlung hinsichtlich Streuung der Werte am Rohrumfang und von Rohr zu Rohr sowie in bezug auf die potentionell am Bauteil darstellbare Formänderungsreserve die besten Ergebnisse.
Das vorgeschlagene Verfahren ist anwendbar für längsnahtgeschweißte und schraubennahtgeschweißte Rohre (auch Spiralrohre genannt) nach dem HFI- und nach dem UOE-Verfahren.
Um z B. ein Rohr mit 56'' Außendurchmesser und 19.1 mm Wand aus Stahl X100 nach üblicher Verfahrensweise herzustellen, wird am Blech eine 2.0%-Dehngrenze von Rp2.0 ≥ 710 MPa und eine Zugfestigkeit von Rm ≥ 770 MPa gebraucht. Da die finalen Festigkeitseigenschaften durch die Ausgangswerte am Blech und die Kaltverfestigung beim Einformen und Kalibrieren der Rohre auf Solldurchmesser festgelegt sind, werden am fertiggestellten Rohr Streckgrenzenverhältnisse erreicht, die für das Formänderungsvermögen des innendruckbeaufschlagten Bauteils eine Einschränkung darstellen. Dadurch bedingt war an hochfesten Rohren die üblicherweise bei ε_up ≥ 2% geforderte integrale Dehnung nach konventionellem Verfahren in der Praxis bisher kaum oder nicht sicher genug darstellbar.
Um ein Rohr gleicher Güte und Abmessung nach neuem Verfahren herzustellen, benötigt man am Blech nur eine 2.0%-Dehngrenze von Rp2.0 ≥ 640 MPa statt der ≥ 710 MPa und eine Zugfestigkeit von Rm ≥ 770 MPa, wobei insbesondere die Streckgrenze in Abhängigkeit von der Analyse der eingesetzten Stahlgüte und dem Verformungsgrad bei der Umwandlung vom Blech zum Rohr um den angegebenen Wert schwankt. Beispielsweise weist die eingesetzte Stahlgüte folgende Analyse in Gew.-% auf:
C 0,096; Si 0,383; Mn 1,95; Al 0,035; P 0,015; Ti 0,019; Cr 0,062;
Mo 0,011; Ni 0,045; Nb 0,042; V 0,005; Cu 0,045; N 0,005; B 0,001.
Da hier die in Umfangsrichtung benötigten Festigkeitseigenschaften simultan durch die Wärmenachbehandlung des Rohres erreicht werden, genügen am Blech zur Darstellung der spezifizierten Rohrgüte niedrigere Ausgangswerte der Dehngrenzen und Streckgrenzenverhältnisse, wodurch eine Erhöhung der Gleichmaßdehnungen auf Werte Ag ≥ 8.5% am Blech und auf Werte Ag ≥ 6.5% am Rohr ermöglicht wird. Gegenüber konventionell hergestellten Rohren ist dadurch ein doppelt so hohes Formänderungsvermögen realisierbar, so daß die notwendigen Voraussetzungen für eine produktionssichere Darstellung der integralen Bauteilreserve ε_up ≥ 2% im Rahmen der herstellungsbedingten Streuungen auch für Rohrguten eines X 100 zuverlässig erfüllbar sind.
Das Ausmaß der durch die Wärmenachbehandlung in Rohrumfangsrichtung erreichbaren Steigerungen der Rt0.5-Dehngrenzen hängt von der Stahlzusammensetzung, den C- und N-Anteilen in Zwangslösung und den Parametern des Rohrherstellungsprozesses ab und beträgt nach heutigem Stand der Erkenntnisse bis zu 18% der am expandierten Rohr an Rundzugproben nachgewiesenen Rt0.5-Dehngrenze. Für unexpandierte Rohre wie z. B. HFI-Rohre werden Steigerungen von bis zu 12% nach den bisherigen Erfahrungen erreicht. Die Zugfestigkeiten Rm nehmen durch die Wärmenachbehandlung um ca. 20 MPa zu.

Claims

Verfahren zur Herstellung geschweißter Stahlrohre hoher Festigkeit, Zähigkeits- und Verformungseigenschaften, insbesondere Großrohre nach dem UOE-Verfahren, bei dem, ausgehend von einem warmgewalzten Blech, ein Rohr kalt eingeformt, verschweißt und auf Solldurchmesser kalibriert und nach dem Schweißen und Kalibrieren einer Wärmebehandlung mit einer Temperatur im Bereich von 100–300°C unterworfen wird, wobei ausgehend von einem TM-gewalzten Blech aus einem Stahl mit (in Gew.-%) 0,02 bis 0,20% Kohlenstoff 0,05 bis 0,50% Silizium 0,50 bis 2,50% Mangan 0,003 bis 0,06% Aluminium sowie fakultativ bis 0,02% Phosphor bis 0,06% Titan bis 0,20% Chrom bis 0,50% Molybdän bis 0,30% Nickel bis 0,10% Niob bis 0,08% Vanadin bis 0,50% Kupfer bis 0,030% Stickstoff bis 0,005% Bor Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, die Wärmebehandlung für das Rohr in der Qualität ≥ X80 mit einer Mindeststreckgrenze von 550 MPa mit einer Temperatur im Bereich von 100–300°C und einer der Rohrwanddicke angepassten Haltezeit mit anschließender Abkühlung an Luft oder durch Zwangskühlung erfolgt und das so erzeugte Rohr alterungsbeständig ist und bei gleich hoher Festigkeit eine ausreichend integrale Verformungsreserve gegen Bruch aufweist, ohne die für herkömmliche Stähle festgelegte Obergrenze von 0,93 für das Streckgrenzenverhältnis zu überschreiten, wobei die Mindestausgangsstreckgrenze am Blech der um den Streckgrenzenanstieg durch Kaltformgebung und Wärmebehandlung verminderten Mindeststreckgrenze am Rohr entspricht, wobei die Wärmebehandlung im Rahmen der Anbringung einer ein- oder mehrlagigen Außenisolierung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem Durchlaufofen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung beim Durchlauf durch eine Induktionsspule erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung von Großrohren nach dem UOE-Verfahren die längsnahtgeschweißten Rohre vor der Wärmebehandlung durch eine kombinierte Anwendung von Kaltaufweiten und Kaltreduzieren vorkonditioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Anforderungsprofil die Reihenfolge und der Grad des Aufweitens und des Reduzierens festgelegt wird.