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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines vergüteten, nahtlos warmgewalzten Stahlrohres, bei dem ein auf Umformtemperatur erwärmter Hohlblock zu einem Rohr mit einem Fertigdurchmesser nach dem Walzen in einem Walzwerk gewalzt und nachfolgend vergütet wird und während der Vergütung mit entsprechenden Vergütungsparametern der Durchmesser des Rohres anwächst.
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Nach der Erfindung der Brüder Mannesmann, aus einem erwärmten Block ein dickwandiges Hohlblockrohr zu erzeugen, hat es verschiedene Vorschläge gegeben, dieses Hohlblockrohr in gleicher Hitze in einer weiteren Warmarbeitsstufe zu strecken, auf das ein Reduzieren des Außendurchmessers auf den Fertigdurchmesser des Walzwerks erfolgt.
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Stichworte dazu sind das Kontiwalzverfahren, das Stoßbankverfahren, das Stopfenwalzverfahren und das Pilgerschrittverfahren (Stahlrohr-Handbuch, 10. Auflage, Vulkan-Verlag Essen 1986, III. Herstellverfahren).
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Alle genannten Verfahren haben für verschiedene Abmessungsbereiche und Werkstoffe ihre Vorzüge, wobei es auch Überschneidungen gibt. Für den mittleren Abmessungsbereich von 5“ bis 18“ kommen das Konti- und Stopfenwalzverfahren, für den Abmessungsbereich bis 26“ das Pilgerschrittverfahren zum Einsatz. Bei dickerer Wand im Bereich von > 30 mm sind das Konti- und Stopfenwalzverfahren weniger geeignet, während das Pilgerschrittverfahren zwar keine Probleme mit der Wanddicke hat, aber im Fertigungstakt langsamer ist.
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Insbesondere für den Einsatz von Rohren für die Erdöl- oder Erdgasindustrie ist beispielsweise aus der
DE 3127373 A1 bekannt, die Rohre nach dem Reduzierwalzen auf Fertigdurchmesser einer Vergütungsbehandlung zu unterziehen, um die geforderten mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Zähigkeit und Dehnung zu erreichen. Die Vergütungsbehandlung selbst besteht bekanntermaßen aus einer Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur, Abschrecken und Anlassen.
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Bekannt ist außerdem, dass im Zuge dieser Vergütungsbehandlung ein Kornwachstum im Gefüge des Stahls stattfindet, was zu einer Durchmesservergrößerung des Rohres führt und bezüglich des geforderten Fertigdurchmessers des Fertigrohrs nach dem Vergüten beachtet werden muss.
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Desweiteren dehnt sich das Rohr bei der Erwärmung aus und eine anschließende Behinderung der Schrumpfung unter anderem bei der Gefügeumwandlung während des Abschreckvorgangs kann ebenfalls den Durchmesser des Fertigrohres beeinflussen.
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Für Ölfeld- und Leitungsrohre werden durch Normen wie beispielsweise von der API (American Petroleum Institute) abhängig vom Verwendungszeck und Abmessung für das Fertigrohr Vorgaben bezüglich Durchmessertoleranzen, Durchmesserovalität, Wanddickentoleranzen, Metergewicht, Driftbarkeit etc. gemacht.
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Diese Vorgaben führen dazu, dass für die Fertigung der Zieldurchmesser des Rohres nach dem Walzen bei gleichem beispielsweise. durch eine Norm vorgegebenem Durchmesser nicht immer gleich gewählt wird, da dieser aus einem Kompromiss zwischen Fertigungsmöglichkeiten und Produktspezifikationen besteht. Hinzu kommt, dass werkstoffabhängig bedingt durch die Korngrößenänderung und die Schrumpfungsbehinderung beim Vergüten der Rohrdurchmesser mehr oder weniger wächst.
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Die einfachste und gängigste Methode diesem Problem gerecht zu werden, insbesondere für Durchmesser von gleich oder größer 5 1/2“, ist mit Hilfe eines Maßwalzwerkes ein leichtes Reduzieren des Durchmessers bei Anlasstemperatur vorzunehmen. Diese Vorgehensweise ist beispielsweise aus der
JP 57155325 A oder der
JP 2006307245 A bekannt. Ein solches Maßwalzwerk hat meist drei Gerüste, in denen die geforderten Fertigdurchmesser nach dem Vergüten der Rohre hergestellt werden.
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Die Nachteile dieser Methode sind vielfältig. Neben den Investitions- und Betriebskosten für das Maßwalzwerk fallen höhere Energieverbräuche an, da für das Maßwalzen höhere Anlasstemperaturen benötigt werden, damit bei der gewünschten geringen Durchmesserreduktion im Maßwalzwerk eine plastische Verformung stattfinden kann. Die höheren Anlasstemperauren verursachen zudem einen zusätzlichen Bedarf an Legierungsanteilen im Werkstoff, um die geforderten mechanisch-technologischen Eigenschaften zu erreichen.
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Alternativ könnte auch bereits im Walzwerk ein jeweils dem Rohr nach dem Vergüten angepasster Rohrdurchmesser gewalzt werden. Dies würde jedoch zu einer deutlich erhöhten Anzahl von zu walzenden Rohrdurchmessern und zu einem entsprechend umfangreichen Gerüstpark führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für vergütete nahtlos warmgefertigte Stahlrohre anzugeben, das unter Einhaltung der geometrischen Anforderungen an das vergütete Fertigrohr eine wirtschaftlichere Herstellung solcher Rohre ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Nach der Lehre der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines vergüteten, nahtlos warmgewalzten Stahlrohres, bei dem ein auf Umformtemperatur erwärmter Hohlblock zu einem Rohr mit einem Fertigdurchmesser nach dem Walzen in einem Walzwerk gewalzt und nachfolgend vergütet wird und während der Vergütung mit entsprechenden Vergütungsparametern der Durchmesser des Rohres anwächst, dadurch verbessert, dass unter Kenntnis des Durchmesserwachstums des Rohres beim Vergüten der Fertigdurchmesser des zu vergütenden Rohres nach dem Walzen in dem Walzwerk eingestellt wird. Der innovative Ansatz der Erfindung liegt darin, dass die Kenntnis des Einflusses der Vergütungsparameter auf die Durchmesserveränderungen des Rohres durch das Vergüten für unterschiedliche Werkstoffgüten und Abmessungen (Durchmesser, Wanddicke) zur Festlegung des Fertigdurchmessers für das Walzwerk genutzt wird.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Vergütungsparameter derart eingestellt werden, dass ein Rohr mit einem Zieldurchmesser, der einem Fertigdurchmesser nach dem Vergüten in einem vorgegebenen Toleranzbereich entspricht, erzeugt wird. Als Vergütungsparameter sind insbesondere die Parameter zu verstehen, die Einfluss auf die Abkühlgeschwindigkeit des auf Austenitisierungstemperatur erwärmten Rohres haben. Die Abschreckung des erwärmten Rohres erfolgt erfindungsgemäß mittels einer Durchlaufkühlung, da nur bei dieser Art der Kühlung gezielt Einfluss auf die Abkühlgeschwindigkeit und damit auf die Durchmesserveränderung genommen werden kann. Wesentlich ist ebenfalls die Messung und Kontrolle der beeinflussenden Abkühlparameter. Diese Wachstumsraten sind zum einen abhängig von der spezifischen Bauart der Abschreckeinheit (beispielsweise Ringbrause oder Ringspaltdusche), den Produktparametern Werkstoff, Durchmesser/Wanddickenverhältnis und zum anderen von den Parametern des Abschreckprozesses (mit und ohne Innenkühlung), Rohrgeschwindigkeit, Wasserdruck, Volumenstrom etc.
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Eine weitere Vereinfachung des Herstellungsverfahrens wird dadurch erreicht, dass der Fertigdurchmesser nach dem Vergüten ohne Zuhilfenahme durch Maßwalzen erreicht wird. Das vorgeschlagene Verfahren hat den Vorteil, dass mit diesem Verfahren auf das Maßwalzen nach dem Vergüten des Rohres verzichtet werden kann, so dass einerseits die Herstellungskosten deutlich reduziert und andererseits die Investition für das teure Maßwalzwerk und die damit verbundenen Kosten für Instandhaltung und Energie vermieden werden. Außerdem können für diverse Materialgüten günstigere Einsatzwerkstoffe eingesetzt und niedrigere Anlaßofentemperaturen mit entsprechend geringerem Energieverbrauch erreicht werden. Eine höhere Anlasstemperatur ist für das Maßwalzen notwendig, weil das Rohr plastisch verformt werden muss und die elastische Rückfederung klein zu halten ist. Damit bei den höheren Anlasstemperauren die geforderten Materialeigenschaften eingestellt werden können, muss wiederum ein sogenanntes „fetteres“ Vormaterial mit einen höheren Gehalt an Legierungsbestandteilen eingesetzt werden als an sich notwendig.
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Das Festlegen des Zieldurchmessers nach dem Vergüten erfolgt wie bisher auch. Jedoch wird dieser nicht durch ein Maßwalzen nach dem Anlassen erzielt sondern durch eine Kombination von Fertigdurchmesser des Walzwerks nach dem Walzen und eines gezielt eingestellten Durchmesserwachstums beim Vergüten.
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Eine besondere Vereinfachung des Herstellungsverfahrens kann dadurch erreicht werden, dass unter Kenntnis des Durchmesserwachstums des Rohres beim Vergüten eine Gruppe von Rohrtypen mit gleichem Nominaldurchmesser aber voneinander abweichenden Wanddicken, Materialgüten oder Spezifikationen ermittelt wird, für die ein einheitlicher Fertigdurchmesser des zu vergütenden Rohres nach dem Walzen eingestellt wird. Hierdurch können ohne eine aufwendige Umrüstung des Walzwerkes verschiedene Rohrtypen mit einem einheitlichen Fertigdurchmesser des zu vergütenden Rohres nach dem Walzen gewalzt werden, obwohl diese Rohrtypen unterschiedliche Zieldurchmesser nach dem Vergüten aufweisen. Zumindest kann durch eine entsprechende Gruppenbildung von Rohrtypen die Anzahl von Fertigdurchmessern des zu vergütenden Rohres nach dem Walzen minimiert werden und somit die Häufigkeit eines Umrüstens des Walzwerks minimiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Vergütungsparameter derart eingestellt werden, dass ausgehend von dem einheitlichen Fertigdurchmesser für jeden Rohrtyp in der Gruppe ein Rohr mit seinem Zieldurchmesser erzeugt wird.
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Um das Herstellungsverfahren zu optimieren, wird der Fertigdurchmesser des Rohres nach dem Walzen gemessen und als Eingangsgröße für das Vergüten verwendet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Vergüten aus einem Erwärmen in einem Ofen, anschließender Durchlaufkühlung in einer Kühlstrecke und einem Anlassvorgang besteht, die Vergütungsparameter auf Basis der Bandbreite vorher ermittelter Zusammenhänge zwischen Durchmesser, Rohrwanddicke, Werkstoffgüte, Vergütungsparametern und Durchmesserwachstum eingestellt werden und dass anschließend auf Basis des gemessenen Fertigdurchmessers des aktuell gewalzten Rohres die Vergütungsparameter im Hinblick auf den zu erreichenden Zieldurchmessers des Rohrs nach dem Vergüten feinjustiert werden. Besonders vorteilhaft und fertigungssicher wird dieses Verfahren, wenn der Vergüterei die im Rohrwalzwerk aktuell gemessenen Zieldurchmesser der zu vergütenden Rohre zur Verfügung stehen und auf Grund der Abhängigkeiten des Durchmesserwachstums vom Rohrwerkstoff und den Abschreckparametern die Vorgaben für die gewählten Stellgrößen feinjustiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Zieldurchmesser des Rohres nach dem Vergüten durch Veränderung der Abkühlgeschwindigkeit in der Kühlstrecke eingestellt wird.
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Bei der Durchlaufkühlung wird üblicherweise das auf Austenitisierungstemperatur erwärmte, über einen Rollgang kontinuierlich transportierte Rohr mittels stationärer Wasserbeaufschlagung bis auf die zu erreichende Endtemperatur abgeschreckt. Als maßgebliche Einflussgrößen auf die Höhe der Abkühlgeschwindigkeit sind neben den Rohrabmessungen insbesondere die Temperatur des Kühlwassers, die Intensität der Wasserkühlung als Menge pro Zeiteinheit und die Transportgeschwindigkeit des Rohres über den Rollgang zu nennen.
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Als vorteilhaft hat sich für die Parameter des Abschreckprozesses herausgestellt, wenn bei der Außenkühlung die auf das abzukühlende Rohr aufgegebene Wassermenge regelbar zwischen 50 und 300m3/h, die Kühlwassertemperatur auf unter 40°C und die Transportgeschwindigkeit des Rohres in der Kühlstrecke auf Werte zwischen 0,1 und 1 m/s eingestellt werden.
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Falls erforderlich, kann zusätzlich zur Außenkühlung eine Innenkühlung des Rohres erfolgen, wobei die Kühlwassermenge zwischen 50 und 250 m3/h betragen sollte.
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Während die Außenkühlung vorteilhaft über zwei oder mehr Ringduschen oder Ringbrausen erfolgen kann, wird die Innenkühlung vorzugsweise über eine in das Rohr einführbare Lanze realisiert.
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Alternativ kann die Erwärmung zum Härten beziehungsweise Austenitisieren auch in einem Ofen stattfinden, welcher über die Ofenlänge mindestens zwei Zonen aufweist und wovon die erste zum Aufheizen und die zweite zum Temperaturausgleich im Rohr dient.
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Auch ist vorteilhafter Wese vorgesehen, dass die Erwärmung zum Härten beziehungsweise Austenitisieren des Rohres in einem ersten Ofen und der Temperaturausgleich im Rohr in einem zweiten Ofen stattfindet.
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Wirtschaftlich besonders vorteilhaft ist es zudem, wenn die Erwärmung zum Härten beziehungsweise Austenitisieren in einem Hubbalkenofen mit drei Zonen erfolgt, wobei die erste Zone zum Vorheizen, die zweite Zone zum Aufheizen und die dritte Zone dem Temperaurausgleich im Rohr dient und wobei sich die unterschiedlichen Zonen in einem oder mehreren Öfen befinden können.
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Beim Vergüten sollte die Haltezeit auf Austenitisierungstemperatur mindestens 3 Minuten betragen, wobei die Haltezeit dann beginnt, wenn die tiefste im Rohr erzielte Temperatur den Wert „Rohrsolltemperatur minus 20°C“ erreicht. Auf diese Weise werden optimale Ausgangsbedingungen für homogene Werkstoffeigenschaften des Rohres nach dem nachfolgenden Abschreckprozess geschaffen.
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Anhand der im Anhang dargestellten Figuren wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Einflussfaktoren auf den Zieldurchmesser nach dem Vergüten,
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2 den Einfluss des Rohrdurchmessers auf das Wachstum mit Innenkühlung,
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3 den Einfluss des Rohrdurchmessers auf das Wachstum ohne Innenkühlung,
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4 den Einfluss der Durchlaufgeschwindigkeit auf das Wachstum ohne Innenkühlung,
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5 den Einfluss der Durchlaufgeschwindigkeit auf das Wachstum mit Innenkühlung.
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In 1 ist schematisch dargestellt, wie das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, um für verschiedene zu erreichende Zieldurchmesser nach dem Vergüten ein einheitlicher Fertigdurchmesser für das Walzwerk festgelegt wird. Unter Zieldurchmesser wird eine Soll-Größe verstanden. Der Fertigdurchmesser nach den Walzen oder der Fertigdurchmesser nach dem Vergüten wird als bestimmte Ist-Größe verstanden. Die 1 zeigt Durchmesserwerte beziehungsweise –bereiche von fünf beispielhaften Rohrtypen, die qualitativ durch die Einflussfaktoren Wanddicke W, Materialgüte G und Spezifikation S definiert sind. Unter Materialgüte G sind im Wesentlichen die Werkstoffeigenschaften und unter Spezifikation S im Wesentlichen die Abmessungen und Toleranzen zu verstehen.
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Ob verschiedene Rohrtypen in einem Walzwerk mit einem einheitlichen Fertigdurchmesser gemäß der vorliegenden Erfindung gewalzt werden können, obwohl das nachfolgende Vergüten zu einen unterschiedlichen Durchmesserwachstum führt, wird an Hand der 1 erläutert. Hierzu werden für die fünf Rohrtypen mit dem gleichen Nominaldurchmesser im Sinne einer Nennweite die unterschiedlichen Zieldurchmesser nach dem Vergüten (siehe die mit „x“ markierten Stellen in 1) eingetragen. Diese Ergeben sich aus der Spezifikation S des jeweiligen Rohrtyps, da dort alle Abmessungen und Toleranzen festgehalten sind. Entsprechend haben die ersten und zweiten beziehungsweise dritten und vierten Rohrtypen mit der gleichen Spezifikation X oder Y jeweils den gleichen Zieldurchmesser nach dem Vergüten. Innerhalb der erlaubten Toleranzen der Spezifikation könnten diese auch leicht voneinander verschieden gewählt werden. Über Versuche und Produktionsergebnisse wird jetzt für jeden Rohrtyp das minimale und das maximale Durchmesserwachstum in Absolutwerten ermittelt und ausgehend von dem Zieldurchmesser nach dem Vergüten im Sinne einer Durchmesserverkleinerung aufgetragen. Das minimale Durchmesserwachstum ist in Form des weiß hinterlegten Bereiches mit der Legende „Mindestwachstum des Rohrdurchmesser beim Vergüten“ eingetragen und ergibt sich für diesen Rohrtyp aus den minimal erforderlichen Vergütungsparametern wie beispielsweise eine Mindest-Abkühlgeschwindigkeit, um das gewünschte Zielgefüge beim Vergüten zu erreichen. Durch Verändern der Vergütungsparameter kann ausgehend Bereich „Mindestwachstum des Rohrdurchmesser beim Vergüten“ mit dem minimal sich ergebenden Durchmesserwachstum vergrößert werden und entsprechend ein größeres Durchmesserwachstum erreicht werden. Dieser Bereich des zusätzlichen Durchmesserwachstums ist als schraffierter Bereich mit der Legende “Einflussbereich des Durchmesserwachstums“ eingetragen. Ein Vergleich der Bereiche „Mindestwachstum des Rohrdurchmesser beim Vergüten“ und “Einflussbereich des Durchmesserwachstums“ für die fünf Rohrtypen zeigt, dass es eine Art Schnittbereich gibt, der mit dem Pfeilsymbol und der Legende „erlaubter Bereich für den Durchmesser vor dem Vergüten“ eingetragen ist. Der Durchmesser vor dem Vergüten entspricht dem bisher beschriebenen Fertigdurchmesser nach dem Walzen. Der „erlaubte Bereich für den Durchmesser vor dem Vergüten“ ist nach oben begrenzt durch den kleinsten Durchmesser der fünf Bereiche „Mindestwachstum des Rohrdurchmesser beim Vergüten“ (siehe vierter Rohrtyp von links, Wert zwischen den Bereichen „Mindestwachstum des Rohrdurchmesser beim Vergüten“ und „Einflussbereich des Durchmesserwachstums“). Nach unten ist der „erlaubte Bereich für den Durchmesser vor dem Vergüten“ durch den größten Durchmesser der jeweiligen unteren Grenzwerts der fünf Bereiche „Einflussbereich des Durchmesserwachstums“ begrenzt (siehe erster Rohrtyp von links, unterster Grenzwert vom „Einflussbereich des Durchmesserwachstums“).
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Hiervon ausgehend wird nun der Fertigdurchmesser des Walzwerks auf einen Wert innerhalb des „erlaubten Bereich für den Durchmesser vor dem Vergüten“, vorzugweise in der Mitte des „erlaubten Bereich für den Durchmesser vor dem Vergüten“ eingestellt. Alle fünf Rohrtypen können nun einheitlich auf diesem Walzwerk gewalzt werden und die am Ende voneinander abweichenden Zieldurchdurchmesser nach dem Vergüten werden durch eine entsprechende Einstellung der Vergütungsparameter erreicht. Der „erlaubte Bereich für den Durchmesser vor dem Vergüten“ weist eine ausreichende Bandbreite auf, um auch etwaige Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen. Für andere Gruppen von Rohrtypen mit gleichem Nominaldurchmesser kann sich ergeben, dass der sich ergebende „erlaubte Bereich für den Durchmesser vor dem Vergüten“ sehr schmal ist oder sich kein entsprechender Bereich im Sinne eines Schnittbereiches ergibt. Für diesen Fall sind dann die Gruppen anders zu wählen oder Untergruppen von Rohrtypen zu bilden, für die dann wieder sich ein „erlaubter Bereich für den Durchmesser vor dem Vergüten“ mit einer ausreichenden Bandbreite ergibt.
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Die 2 bis 5 zeigen beispielhaft die Abhängigkeit des Durchmesserwachstums des Rohres von den Vergütungsparametern, insbesondere den Abkühlparametern. Mit Hilfe der angepassten Abschreckparameter insbesondere der Rohrgeschwindigkeit, des Volumenstroms und mit oder ohne Innenkühlung gelingt es, für einen gleichen Fertigdurchmesser des Walzwerks, der innerhalb vorgegebener Toleranzen von beispielsweise +/–0,5 % liegt, den gewünschten Zieldurchmesser nach dem Vergüten je nach Rohrtyp zu erreichen.
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So zeigt 2, wie das Wachstum des Durchmessers beim Vergüten abhängig von der Durchmessergröße bei konstanter Rohrwanddicke für eine Materialfamilie A aus dem Ölfeldrohrbereich (OCTG) steigt.
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Konstant gehalten ist hierbei die Durchlaufgeschwindigkeit des Rohres durch die Abkühlstrecke mit 35% des Maximalwertes, die Abschreckbedingungen außen also die Wassermenge, die Anzahl von Ringduschen und der Wasserdruck. Zusätzlich wurden hier die Rohre auch innen mit konstanter Wassermenge pro Zeit abgeschreckt.
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3 zeigt die gleiche Abhängigkeit wie in 2 allerdings ohne zusätzliche Innenkühlung und für eine gewählte Durchlaufgeschwindigkeit von 22% des Maximalwertes.
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In den 4 und 5 ist dargestellt, wie die gewählte Durchlaufgeschwindigkeit das Durchmesserwachstum des Rohres für die Nominalabmessung 406,4 × 14,6 mm aus der Materialgruppe B beeinflusst. Auch hier sind die Abkühlbedingungen außen konstant gehalten. Bei den Versuchen gemäß 4 wurde ohne zusätzliche Innenkühlung gearbeitet, bei den Versuchen gemäß 5 jedoch mit Innenkühlung.
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In den Wertetabellen der 4 und 5 sind das minimale und das maximale Wachstum innerhalb praktikabler Werte für die Vergüteparameter, wie Durchlaufgeschwindigkeit und „mit“ oder „ohne“ Innenkühlung, dargestellt. Für die Nominalabmessung 406,4 × 14,6 mm ergibt sich aus 5 ein minimales Wachstum des Durchmessers von 0,9 mm und aus 4 ein maximales von 1,46 mm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3127373 A1 [0005]
- JP 57155325 A [0010]
- JP 2006307245 A [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Stahlrohr-Handbuch, 10. Auflage, Vulkan-Verlag Essen 1986, III. Herstellverfahren [0003]