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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten Stahlrohrs.
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Ebenso betrifft die Erfindung ein hochverschleißfestes Stahlrohr und dessen vorteilhafte Verwendung.
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Die von Dr.-Ing. Karl-Heinz Brensing et al. verfassten, von der Mannesmannröhren-Werke AG veröffentlichte Broschüre „Herstellverfahren für Stahlrohre“ (s. http://www.smrw.de/Deutsch/messen-undmedien/publikationen/publikationen.html) enthält eine Übersicht über die üblichen Verfahren zur Herstellung von Stahlrohren. Demnach werden geschweißte Stahlrohre mit Durchmessern von 6 - 2500 mm bei Wanddicken von 0,5 - 40 mm üblicherweise in Längsnahtausführung oder mit schraubenlinienförmigem Nahtverlauf hergestellt. Als Ausgangsmaterial kommen dabei in der Regel gewalzte Bleche zur Anwendung, die je nach Herstellungsverfahren, Rohrabmessung und Verwendungszweck aus warm- oder kaltgewalztem Bandstahl, warmgewalztem Breitband oder Grobblech bestehen können. Die am Rohr geforderten physikalischen Eigenschaften und Oberflächenbeschaffenheiten liegen in vielen Fällen bereits am gewalzten Flachprodukt vor, können aber erforderlichenfalls auch durch eine der Rohrformung nachgeschaltete Wärmebehandlung oder durch eine Kaltverfestigung am Rohr eingestellt werden. Dabei kann die Umformung des jeweiligen Blechmaterials zu dem Rohr warm oder kalt in einer kontinuierlichen Rohrformung und in einer Einzelrohrformung erfolgen. Bei der kontinuierlichen Rohrformung wird abgehaspeltes Bandmaterial von einem Speicher abgezogen, während ein neues Band am Ende des abgehaspelten Bandes angeschweißt wird. Das derart „endlose“ Band wird in einem kontinuierlichen Prozess zu dem Rohr geformt. Bei der Einzelrohrfertigung erfolgen Rohrformungs- und Schweißprozess dagegen nicht in Mehrfachlängen, sondern in Einzelrohrlängen. Bei der Formgebung wird das Blechmaterial zu einer rohrförmigen Vorform geformt, bei der sich die Längskanten des Blechs gegenüber stehen und zwischen sich eine Schweißfuge begrenzen, die durch Einsatz konventioneller, für diesen Zweck seit langem bekannter Schweißverfahren geschlossen wird.
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Ein Verfahren, das es in der Einzelrohrfertigung ermöglicht, Rohre aus Blechen mit großer Dicke von beispielsweise mindestens 15 mm („Grobblechen“) zu formen, ist das im Kapitel 4.2.3 der Broschüre „Herstellverfahren für Stahlrohre“ beschriebene „U-O-Verfahren“. Bei diesem Verfahren wird das jeweilige Blech in einem ersten Schritt zu einer Vorform mit U-förmigem Querschnitt geformt, aus der dann in einem zweiten Schritt eine Vorform mit einem O-förmigen Querschnitt geformt wird, bei der die Längskanten des Blechzuschnitts einen sich über die Länge der Vorform erstreckenden Fugenschlitz begrenzen. Die so erhaltene Vorform wird in der Fachsprache auch als „rundes Schlitzrohr“ bezeichnet.
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Die Spiralrohrherstellung ist im Kapitel 4.2.4 der Broschüre „Herstellverfahren für Stahlrohre“ beschrieben. Dieser Herstellweg geht von einem Blechzuschnitt aus, der bandförmig ist und eine Breite aufweist, die kleiner als die Umfangslänge des herzustellenden Rohres ist, wogegen seine Länge deutlich größer als die Länge des herzustellenden Rohres ist. Das so bemessene Blech wird spiralförmig zu einem im Querschnitt kreisrunden Hohlkörper gewickelt, bei dem die durch die einander gegenüberliegenden Längskanten des Blechzuschnitts begrenzte Fuge entsprechend spiralförmig um den Hohlkörper umläuft. Die Spiralrohrherstellung eignet sich insbesondere für die kontinuierliche, „endlose“ Rohrherstellung.
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Der Bedarf an Großrohren für den Transport von mechanisch verschleißenden, abrasiven Verschleiß bedingenden Medien nimmt stetig zu. Diese Medien, beispielsweise Schwemmsande, werden durch Rohrleitungen über weite Strecken transportiert, um die Landgewinnung voranzutreiben. Dabei kommen die harten, schnell fließenden Sandkörner mit der Innenseite der Rohrleitung in Kontakt und es entsteht ein beträchtlicher Verschleiß. Die so entstehende abrasive Belastung der Rohre führt zu kurzen Lebensdauern und hohen Investitions- und Instandhaltungskosten für die Rohrleitungssysteme.
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Andere Anwendungen von Großrohren der hier in Rede stehenden Art sind beispielsweise der Transport von Ölsanden oder anderen Fluiden, die körnige, harte Bestandteile umfassen und eine dementsprechend hohe materialabtragende Belastung der Leitungsrohre verursachen.
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Für die voranstehend erwähnten Zwecke bestimmte Rohre werden herkömmlich im Dickenbereich bis 25 mm aus Warmbandgüten mit Festigkeiten bis ca. 350 N/mm2 durch Spiralnahtrohrschweißung mittels Unterpulver- Schweißverfahren (UP-Schweißen) hergestellt. Im Dickenbereich oberhalb von 25 mm erfolgt die Herstellung aus Grobblechen, die im Einzelverfahren mittels U/O-Umformung zu Rohren geformt und längsnahtgeschweißt wird.
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Ein Ansatz zur Verbesserung der Lebensdauer von im Einsatz abrasiv belasteten Stahlrohren bestünde in der Verwendung bekannter, hochverschleißfester Stähle. Solche Stähle erhalten ihre Verschleißfestigkeit durch eine spezielle Legierungszusammensetzung und eine darauf abgestimmte Wärmebehandlung. Ein Beispiel für einen solchen Stahl ist die unter der Bezeichnung „XAR 450“ bekannte Stahllegierung, die neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) weniger als 0,22 % C, weniger als 1,5 % Mn, weniger als 0,8 % Si, weniger als 1,3 % Cr und weniger als 0,5 % Mo enthält. Bei einer maximalen Blechdicke von 100 mm weist dieser Stahl im abgeschreckten Zustand eine Härte HB von 410 - 480 auf (s. Broschüre „Steel XAR“, Ausgabe Oktober 2016 - Bestell-Nr. 0606 - broschueren.steel@thyssenkrupp.com).
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Ein anderer für die Herstellung von hochverschleißbeständigen Rohren bestimmter Stahl ist aus der
DE 34 14 477 C2 bekannt. Dieser Stahl besteht aus (in Gew.-%) 0,7 - 1 % Mn, 0,7 - 2,2 % Cr, 0,3 - 0,6 % Mo, 0,5 - 2,2 % Ni, max. 0,45 % C und als Rest aus Eisen und üblichen Beimengungen und soll die Herstellung von schweißbaren Rohren ermöglichen, die beispielsweise im Ölfeld oder an anderen vergleichbaren Einsätzen hohen abrasiven Belastungen ausgesetzt sind. Die mechanischen Eigenschaften der aus dem Stahl bestehenden Bleche werden in einem Wärmebehandlungsverfahren eingestellt, bei dem ein aus dem Stahl hergestelltes Stahlblech auf eine etwa 860 °C betragende Austenitisierungstemperatur erwärmt, anschließend aus dieser Temperatur bis zu einer Temperatur von 90 °C abgeschreckt und dann bei einer Temperatur von 350 - 450 °C angelassen wird. Nachdem aus den so vergüteten Stahlblechen Schlitzrohre geformt worden sind, sollen diese Schlitzrohre lokal auf eine Temperatur von etwa 250 °C erwärmt und dann mit einer mehrlagigen Schweißnaht versehen werden. Die erste Schweißlage soll dabei bei einer Temperatur von etwa 250 °C und die folgende Lage bei einer Temperatur von 200 °C gelegt werden. Auf diese Weise soll eine Wärmenachbehandlung der Schweißnaht eingespart werden können.
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Aus der
US 5,397,654 A ist ein anderes Konzept für ein hoch verschleißfestes, geschweißtes Stahlrohr beschrieben. Das Stahlrohr ist dabei hergestellt aus einem Stahl, der aus (in Gew.-%) 0,05 - 0,2 % C, 0,5 - 2 % Si, 0,5 - 2,5 % Mn, 0,02 - 2 % Al, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen besteht und jeweils optional 0,05 - 1 % Cu, 0,05 - 2 % Ni, 0,05 - 2 % Cr, 0,05 - 1 % Mo, 0,005 - 0,1 % Nb, 0,005 - 0,1 % V, 0,005 - 0,1 % Ti oder 0,0003 - 0,002 % B enthalten kann. Das Stahlrohr hat eine Vickershärte HV von 200 - 350 und wird hergestellt, indem ein aus dem Stahl bestehendes Blech durch Warmumformung zu dem Rohr geformt und anschließend längsnaht geschweißt wird. Vor oder nach dem Schweißen wird das Rohr einer Wärmebehandlung unterzogen. Bei dieser Wärmebehandlung wird das Rohr auf eine zwischen der AC3- und der AC1 - Temperatur liegende Temperatur erwärmt, um es dann mit Wasser abzuschrecken.
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Unabhängig von der Art und Weise der Herstellung besteht bei verschweißten Rohren aus gehärteten Blechen das grundsätzliche Problem, dass es in Folge des Wärmeeintrags in die so genannte „Wärmeeinflusszone“, der mit dem Verschweißen der Rohre unvermeidbar einhergeht, zu einem lokalen Anlassen kommt, durch das die Härte des Rohrstahls in der Umgebung der Schweißnaht gegenüber der Härte außerhalb der Wärmeeinflusszone stark abfällt. Durch diese Erweichung erfolgt eine lokale Verringerung der Verschleißbeständigkeit, welche die Lebensdauer des gesamten Bauteils verringert. Zwar weist auch das Schweißgut in der Regel eine relativ geringe Härte und damit Verschleißbeständigkeit auf. Dieser Umstand wird jedoch in der Praxis durch die so genannte „Naht-Überhöhung“, d.h. einer größeren Schweißgutansammlung auf der Innenseite des Rohres im Bereich der Schweißnaht, ausgeglichen. Die verminderte Härte des Stahls in der Wärmeeinflusszone führt dagegen zu einem lokal verstärkten Materialabtrag, welcher sich in einer stark strukturierten Oberfläche äußert (wechselnde Abfolge von an der Innenseite des Rohres im Bereich der Naht entstehenden Bergen und Tälern). Die Strömung des entlang der Innenseite des Rohres geförderten Mediums wird hierdurch negativ beeinflusst, was wiederum einen erhöhten lokalen Verschleiß, die so genannten Auskolkungen, in diesen Zonen nach sich zieht.
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Ein weiteres Problem bei der Verarbeitung von verschleißbeständigen Stählen ergibt sich daraus, dass sich diese Stähle im zum Blech verarbeiteten und gehärteten Zustand nur schwer verformen lassen. Die Einstellung einer hohen Härte zur Erzielung der Verschleißbeständigkeit geht in der Regel mit einer hohen Streckgrenze einher, so dass verschleißbeständige Stähle im gehärteten oder vergüteten Lieferzustand in der Regel nicht für die Umformung zum Rohr geeignet sind.
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Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe darin, ein großtechnisch nutzbares Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Stahlrohren mit optimierter Lebensdauer zu entwickeln.
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Darüber hinaus sollte ein Stahlrohr mit optimierter Verschleißbeständigkeit angegeben werden.
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Schließlich sollten vorteilhafte Verwendungen eines solchen Stahlrohrs genannt werden.
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In Bezug auf das Verfahren hat die Erfindung diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Herstellung von hochverschleißbeständigen Stahlrohren mindestens die in Anspruch 1 angegebenen Arbeitsschritte absolviert werden.
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Die Merkmale eines die voranstehend genannte Aufgabe lösenden Stahlrohrs sind in Anspruch 13 genannt.
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Praxisgerechte Verwendungen des erfindungsgemäßen Rohrs ergeben sich aus Anspruch 15.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Stahlrohrs umfasst demnach folgende Arbeitsschritte:
- a) Bereitstellen eines Stahlblechs, das aus einem verschleißfesten, härtbaren Stahl besteht, wobei das Stahlblech in einem ungehärteten oder angelassenen Zustand bereitgestellt wird;
- b) Formen des Stahlblechs zu einer rohrförmigen Vorform, bei der zwei Längskanten des Stahlblechs einander gegenüberliegend positioniert sind und zwischen sich eine Schweißfuge begrenzen;
- c) Verschweißen der einander gegenüberliegend angeordneten, die Schweißfuge begrenzenden Längskanten unter Ausbildung einer die Schweißfuge schließenden Schweißnaht;
- d) Wärmebehandeln des nach dem Arbeitsschritt c) erhaltenen Stahlrohrs, wobei die Wärmebehandlung folgende Arbeitsschritte umfasst:
- d.1) Erwärmen des Stahlrohrs mit einer mittleren Aufheizrate von 5 - 400 K/s auf eine Haltetemperatur, die mindestens gleich der Ac3-Temperatur des Stahls ist und höchstens 1100 °C beträgt;
- d.2) Halten des Stahlrohrs bei der Haltetemperatur für 1 - 120 s
und
- d.3) Abkühlen des Stahlrohrs mit einer mittleren Abkühlrate von 10 - 600 K/s auf Raumtemperatur.
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Das in Arbeitsschritt a) bereitgestellte Stahlblech kann aus an sich bekannten verschleißfesten und härtbaren Stählen der eingangs erläuterten Art bestehen.
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Als für die erfindungsgemäßen Zwecke geeignet haben sich jedoch insbesondere Stahlbleche aus einem Stahl herausgestellt, der aus (in Gew.-%)
| C: | 0,2 - 0,4 %, |
| Si: | 0,1 - 0,9 %, |
| Mn: | 1,0 - 2,0 %, |
| S: | bis zu 0,03 %, |
| P: | bis zu 0,04 %, |
sowie jeweils optional einem Element oder mehreren Elementen aus der Gruppe „Cr, Mo, Ni, Ti, B,“ mit der Maßgabe
| Cr: | 0,1 - 2,0 %, |
| Mo: | 0,3 - 0,7 %, |
| Ti: | bis zu 0,04 %, |
| Ni: | bis zu 2,0 %, |
| B: | bis zu 0,004 %, |
und als Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
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C-Gehalte von 0,2 - 0,4 Gew.-% stellen im erfindungsgemäß verwendeten Stahl die Härtbarkeit sicher.
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Der Si-Gehalt im erfindungsgemäß verarbeiteten Stahl von mindestens 0,1 Gew.-% bewirkt eine ausreichende Desoxidation und Härtbarkeit des Stahls. Indem der Si-Gehalt auf höchstens 0,9 Gew.-% beschränkt wird, wird gleichzeitig eine ausreichende Rotzunderbeständigkeit und Zähigkeit gewährleistet. In Bezug auf diese Eigenschaften optimiert werden kann der erfindungsgemäß verarbeitete Stahl dadurch, dass der Si-Gehalt höchstens 0,4 Gew.-% beträgt. Wird dagegen der Si-Gehalt auf mindestens 0,6 Gew.-% erhöht, so stellt sich eine optimierte Härtbarkeit ein.
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Mn-Gehalte von 1,0 - 2,0 Gew.-% tragen im erfindungsgemäß verwendeten Stahl zu einer guten Härtbarkeit und Duktilität bei. Um diesen Effekt besonders sicher nutzen zu können, kann es zweckmäßig sein, den Mn-Gehalt auf mindestens 1,1 Gew.-% anzuheben. Indem der Mn-Gehalt auf höchstens 1,5 Gew.-% beschränkt wird, kann die Neigung zur Seigerungszeiligkeit verringert werden.
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S und P sind unerwünschte Begleitelemente im erfindungsgemäßen Stahl. Um ihren störenden Einfluss sicher zu vermeiden, ist der S-Gehalt des Stahls auf max. 0,03 Gew.-% und der P-Gehalt des Stahls auf max. 0,04 % beschränkt.
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Durch optionale Zugabe von Cr in Gehalten von 0,1 - 2,0 Gew.-% kann beim erfindungsgemäß verarbeiteten Stahl eine erhöhte Verschleißbeständigkeit erreicht werden. Hierbei kann es zweckmäßig sein, den Cr-Gehalt auf mindestens 1,0 Gew.-% anzuheben, um eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit zu erreichen. Wird dagegen der Cr-Gehalt auf max. 0,5 Gew.-% beschränkt, können tendenziell bessere Dehnungswerte erreicht werden.
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Durch eine ebenso optionale Zugabe von 0,3 - 0,7 Gew.-% Mo kann eine Kornfeinung bewirkt werden und die kritische Abkühlgeschwindigkeit verringert werden.
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Ti kann dem erfindungsgemäßen Stahl ebenfalls optional zugegeben werden, um Stickstoff abzubinden und so die härtbarkeitsfördernde Wirkung von Bor zu verbessern. Dabei haben sich Ti-Gehalte von mindestens 0,025 Gew.-% in dieser Hinsicht als besonders günstig herausgestellt.
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Optional vorhandene Gehalte an Ni von bis zu 2,0 % können zu einer Erhöhung der Streckgrenze und Zugfestigkeit beitragen.
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Des Weiteren kann dem erfindungsgemäßen Stahl optional B in Gehalten von bis zu 0,004 % zugegeben werden, um die Härtbarkeit zu verbessern. Hierzu haben sich B-Gehalte von mindestens 0,0008 Gew.-% als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Die erfindungsgemäß bereitgestellten Stahlbleche können in konventioneller Weise erzeugt werden, indem eine entsprechend legierte Stahlschmelze zu einem Vorprodukt (Bramme, Dünnbramme oder gegossenes Band) vergossen und dieses Vorprodukt nach Durchlauf der üblichen Vorbehandlungen zu einem warmgewalzten Flachprodukt warmgewalzt wird. Bei dem Flachprodukt kann es sich um ein Stahlband oder ein Stahlblech größerer Dicke, so genanntes „Grobblech“, handeln.
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Wesentlich für die Erfindung ist, dass sich das im Arbeitsschritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellte Stahlblech im ungehärteten oder angelassenen Zustand befindet. Stahlbleche, die sich in diesem Zustand befinden, lassen sich wesentlich einfacher und stärker vorformen als die bei den konventionellen Verfahren zu Rohren geformten gehärteten Stahlbleche.
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Die im Arbeitsschritt b) erfolgende Umformung des Stahlblechs zu der Vorform lässt sich dementsprechend mit vergleichbar geringem Aufwand durchführen. Dabei handelt es sich bei der Vorform insbesondere im Fall eines in Einzelfertigung hergestellten Stahlrohrs typischerweise um ein Schlitzrohr, bei dem sich die Schweißfuge über die Länge des Rohrs parallel zu dessen Längsachse erstreckt, oder, insbesondere bei einer kontinuierlichen Herstellung, um einen gleichmäßig um die Längsachse des Rohrs gewickelten Spiralwickel, bei dem die Schweißfuge nach Art einer Helix mit optimalerweise gleichmäßiger Steigung um den von dem Spiralwickel ummantelten Hohlraum umläuft.
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Die Formgebung des Rohres selbst kann in jeder der bekannten, beispielsweise in den in der eingangs genannten Broschüre beschriebenen Weisen erfolgen. So kann der Arbeitsschritt b) erforderlichenfalls in zwei oder mehreren Teilschritten absolviert werden. Dies kann insbesondere bei der Verarbeitung von besonders dicken, beispielsweise eine Dicke von mehr als 40 mm, aufweisenden Blechen angezeigt sein.
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Für die Einzelfertigung kann das Stahlblech im Arbeitsschritt a) als Blechzuschnitt bereitgestellt werden, dessen Breite der Umfangslänge und dessen Länge der Länge des herzustellenden Stahlrohrs entspricht. Ein solches Stahlblech kann dann im U-O-Prozess zu dem Rohr geformt werden, indem in einem ersten Arbeitsteilschritt aus dem Stahlblech eine im Querschnitt U-förmige Vorform geformt und in einem zweiten Arbeitsteilschritt aus der U-förmigen Vorform eine im Querschnitt kreisförmige oder ellipsoide Vorform geformt wird.
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Alternativ ist es selbstverständlich ebenso denkbar, das Stahlblech insbesondere für ein kontinuierlich ablaufendes Herstellverfahren im Arbeitsschritt a) als Bandabschnitt mit einer Breite, die geringer ist als die Umfangslänge des herzustellenden Stahlrohres, und mit einer Länge, die größer ist als die Länge des herzustellenden Stahlrohres, bereitzustellen und dann dieses Stahlblech im Arbeitsschritt b) einer Schraubenlinie folgend zu der rohrförmigen Vorform zu wickeln.
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Erforderlichenfalls kann das Formen des Stahlblechs im Arbeitsschritt b) zu der Vorform zumindest in einem Arbeitsteilschritt als Warmumformen durchgeführt werden. Dies kann zweckmäßig sein, um die für das Formen des Stahlblechs benötigten Umformkräfte zu beschränken.
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Die Erfindung geht in Bezug auf Arbeitsschritt b) von der Erkenntnis aus, dass die Umformung bei der Herstellung spiralnahtgeschweißter oder längsnahtgeschweißter Großrohre nicht durch das Umformvermögen der Werkstoffe bestimmt wird. So liegt unter Berücksichtigung der großen Rohrdurchmesser und Wandstärken die für die Formgebung der Rohre erforderliche Dehnung deutlich unter 3 %. Begrenzender Faktor bei der Durchführung des Umformprozesses ist vielmehr die benötigte Umformkraft, welche sich aus der Geometrie (Radius, Wandstärke) und den Werkstoffeigenschaften (Legierung, Gefüge und der Streckgrenze) des Stahlblechs ergibt, aus dem das Stahlrohr gefertigt werden soll.
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So erlaubt es die Erfindung problemlos, Stahlbleche mit einer Dicke von mindestens 15 mm, insbesondere von mindestens 25 mm oder sogar von mindestens 40 mm, zu Stahlrohren zu formen.
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Dabei können die erfindungsgemäßen Rohre problemlos Durchmesser von mehr als 450 mm aufweisen.
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Der Vorteil der Erfindung besteht hier in der Minimierung der für die Formung des Rohres erforderlichen Umformkraft auch bei Einsatz von hoch verschleißfesten Legierungen, da die Gefügeeinstellung im abschließenden Arbeitsschritt d) erfolgt.
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Dieser Arbeitsschritt d) kann auch als „homogenisierende Wärmebehandlung“ bezeichnet werden, weil durch diese Wärmebehandlung ein gleichmäßiges Gefüge im Stahl mindestens des Stahlblechs, aus dem das Rohr geformt ist, erhalten wird und zwar insbesondere auch in der vom Wärmeeintrag während des Schweißens beeinflussten Zone. Dabei kann eine weitestgehende Gefügehomogenität über das gesamte Bauteil einschließlich der Schweißnaht dadurch erzielt werden, dass die Legierungszusammensetzung des zum Schließen der Schweißfuge zugeführten Schweißgutes an die Zusammensetzung des Stahls des Stahlblechs, aus dem das Rohr geformt ist, angepasst ist, so dass auch aus Legierungssicht ein homogenerer Zustand des Bauteils erreicht ist und ein insgesamt gleichmäßiges Verhalten der in der Schweißnaht zusammentreffenden Werkstoffe während der Wärmebehandlung gesichert ist.
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Mit der Erfindung gelingt es somit, eine Erweichung des Stahlwerkstoffs in der Wärmeeinflusszone zu vermeiden. Stattdessen liegen bei einem erfindungsgemäß erzeugten Stahlrohr allenfalls nur vergleichbar geringe Härteunterschiede zwischen der Schweißnaht sowie den an sie angrenzenden Bereichen des Stahlrohrs einerseits und den anderen Bereichen des Stahlrohrs andererseits vor.
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Mit diesem Effekt einhergehend wird die Verschleißbeständigkeit auch im an die Schweißnaht angrenzenden Bereich des Stahlrohrs so erhöht, dass eine insgesamt gesteigerte Lebensdauer eines erfindungsgemäß erzeugten Stahlrohrs gesichert ist. Gleichzeitig ist bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise der für die Formgebung des Rohres erforderliche Aufwand minimiert. Dies erlaubt es, für die erfindungsgemäßen Zwecke hoch verschleißfeste Stähle zu verwenden, die bei konventioneller Vorgehensweise nicht oder nur sehr schwer verformbar wären.
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Ein erfindungsgemäßes Stahlrohr mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm, einer Wandstärke von mindestens 15 mm und mit einer sich linear in Längsrichtung des Stahlrohrs erstreckenden oder spiralförmig um die Längsachse des Stahlrohrs umlaufenden Schweißnaht ist dementsprechend dadurch gekennzeichnet,
- dass es aus einem Stahlblech geformt ist, welches aus
| C: | 0,2 - 0,4 %, |
| Si: | 0,1 - 0,9 %, |
| Mn: | 1,0 - 2,0 %, |
| S: | bis zu 0,03 %, |
| P: | bis zu 0,04 %, |
sowie jeweils optional einem Element oder mehreren Elementen aus der Gruppe „Cr, Mo, Ni, Ti, B,“ mit der Maßgabe
| Cr: | 0,1 - 2,0 %, |
| Mo: | 0,3 - 0,7 %, |
| Ti: | bis zu 0,04 %, |
| Ni: | bis zu 2,0 %, |
| B: | bis zu 0,004 %, |
und als Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und
- dass der Unterschied zwischen der Härte der an die Schweißnaht des Stahlrohrs angrenzenden Wärmeeinflusszone und der Härte des Stahlblechs außerhalb der Wärmeeinflusszone höchstens 30 HV10 beträgt.
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Wenn hier von dem „Unterschied“ zwischen der Härte der die Schweißnaht des Stahlrohrs umgebenden Wärmeeinflusszone und der Härte des Stahlblechs außerhalb der Wärmeeinflusszone die Rede ist, ist damit die betragsmäßige Abweichung der für die Wärmeeinflusszone und den außerhalb der Wärmeeinflusszone liegenden Bereich ermittelten Härtewerte gemeint.
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Der Vorteil, der sich daraus ergibt, dass der betragsmäßige Härteunterschied zwischen Grundwerkstoff und der Wärmeeinflusszone höchstens 30 HV10 beträgt, liegt darin, dass der Verschleißprozess in die Tiefe des Materials im unmittelbar an die Schweißnaht angrenzenden Bereich auf das Niveau des Grundwerkstoffs angehoben wird und damit gleichmäßig erfolgt, wodurch die Lebensdauer des Bauteils voll ausgenutzt werden kann.
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Dabei beträgt die Härte der erfindungsgemäß verwendeten Stahlbleche vor der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung typischerweise 180 - 210 HV10 und nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung typischerweise 450 - 550 HV10.
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Die hier angegebenen Vickershärte-Werte werden dabei in an sich bekannter Weise gemäß DIN EN ISO 6507-1:2006-03 bestimmt.
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Optimal erzeugen lässt sich ein erfindungsgemäßes Stahlrohr durch Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein erfindungsgemäß beschaffenes Stahlrohr weist eine optimale Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß auf, die sich in einem deutlich verringerten Materialabtrag pro Zeiteinheit und damit einer verlängerten Lebensdauer des Bauteils niederschlägt.
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Die Verschweißung kann im Arbeitsschritt c) in jeder hierzu aus dem Stand der Technik bekannten und geeigneten Weise durchgeführt werden. Als besonders geeignet erweist sich hier das Schweißen im Unterpulverfahren, welches sich im großtechnischen Einsatz bewährt und eine hohe Abschmelzleistung und eine gute Wirschaftlichkeit aufweist.
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Die erforderliche Härte und Festigkeit erhält der Stahl eines erfindungsgemäß beschaffenen und erzeugten Stahlrohrs durch die im Arbeitsschritt d) absolvierte Wärmebehandlung.
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Bei dieser Wärmebehandlung wird das Rohr zunächst mit einer ausreichenden Aufheizrate auf eine Haltetemperatur erwärmt, bei der es so lange gehalten wird, bis das Rohr vollständig durcherwärmt ist, sich also insgesamt auf der Haltetemperatur befindet. Die Untergrenze der mittleren Aufheizrate ist dabei so gewählt, dass die Gefahr eines Verziehens des Rohres in Folge der Erwärmung vermieden und gleichzeitig auch unter wirtschaftlich-energetischen Gesichtspunkten ein optimales Erwärmungsergebnis erzielt wird. Gleichzeitig ist die mittlere Aufheizrate auf höchstens 400 K/s begrenzt, weil damit eine durch Wärmeleitung bedingte ausreichende Durchwärmung auch dann sichergestellt ist, wenn der Wärmeeintrag, wie beispielsweise bei einer induktiven oder konduktiven Erwärmung, lokal begrenzt erfolgt.
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Die Haltetemperatur und die Haltedauer sind so gewählt, dass einerseits auch unter Berücksichtigung der großen Wanddicke eines erfindungsgemäß erzeugten Stahlrohrs eine sichere Durchwärmung gewährleistet ist und andererseits ein weitestgehend vollständig austenitisches Gefüge im Stahl vorliegt, welches die Voraussetzung für die Erzielung einer maximalen Härte ist. Gleichzeitig ist die Haltetemperatur auf maximal 1100 °C beschränkt, um einer ungünstigen Vergrößerung des Korns entgegenzuwirken. Ebenso ist die Haltedauer auf 120 s beschränkt, um die Grobkornbildung und die Entstehung einer übermäßig starken Verzunderung zu vermeiden.
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Nach dem Halten wird das Rohr auf Raumtemperatur abgeschreckt, wobei die mittlere Abkühlrate mindestens 10 K/s beträgt, um die geforderte Härte zu erreichen. Die mittlere Abkühlrate beträgt höchstens 600 K/s, weil eine höhere Abkühlgeschwindigkeit technisch schwer realisierbar und bei über 600 K/s liegenden Abkühlraten keine Erhöhung der maximalen Härte zu erwarten ist.
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Die Erwärmungsparameter im Arbeitsschritt d) sind erfindungsgemäß so gewählt, dass sich die Erwärmung mittels einer hierzu an sich bekannten, induktiv arbeitenden Erwärmungseinrichtung bewerkstelligen lässt. Bei der induktiven Erwärmung wird das zu erwärmende Rohr kontinuierlich durch einen oder mehrere ringförmige Induktoren geleitet und so einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt. Auf diese Weise werden in dem von dem Wechselfeld erfassten Stahlmaterial des Rohrs berührungslos Wirbelströme erzeugt und es entsteht Wärme.
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Auch wenn es grundsätzlich möglich ist, ein in den Arbeitsschritten b) und c) des erfindungsgemäßes Verfahren geformtes und verschweißtes Rohr in einen Ofen einzusetzen, um es auf Haltetemperatur zu bringen und dort zu halten, sieht deshalb eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung vor, dass die Erwärmung auf die Haltetemperatur und das Halten bei der Haltetemperatur mittels induktiver Erwärmung vorgenommen wird, wobei eine solche induktive Erwärmung typischerweise im kontinuierlichen Durchlauf erfolgt, das Rohr in diesem Fall also erfindungsgemäß nicht in einem Stück auf die Haltetemperatur erwärmt, dort gehalten und abgekühlt wird, sondern die Wärmebehandlung gemäß Arbeitsschritt d) sukzessive, beispielsweise von einem Ende des Stahlrohrs ausgehend, in einem kontinuierlichen Ablauf über dessen Länge durchgeführt wird.
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Alternativ zu einer induktiven Erwärmung ist auch eine entsprechend der induktiven Erwärmung im kontinuierlichen Durchlauf durchgeführte erfolgende konduktive Erwärmung denkbar, bei der der jeweils zu erwärmende Abschnitt des Rohres selbst einen Teil des für den Wärmeeintrag vorgesehenen Stromkreises bildet.
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Erfindungsgemäß hergestellte oder beschaffene Stahlrohre eignen sich aufgrund ihrer maximalen Verschleißbeständigkeit insbesondere für den Transport von durch sie strömenden Schüttgütern, Fluiden oder Mischungen daraus.
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Dabei lassen sich erfindungsgemäß hergestellte oder beschaffene Rohre für die Landgewinnung, bei beispielsweise zum Anspülen von Sand eingesetzten Offshorebaggern, für die Abfallentsorgung, in oder an Extrudern, beim Transport von Schnee- oder Eistransport, beim Schüttguttransport in der Chemie oder der Lebensmittelindustrie (z.B. für den Transport von Getreide), im Bereich von Kraft- oder Zementwerken, bei der Nutzung von Wasserkraft, bei der Erzgewinnung oder dem Transport von Erzen und vergleichbaren Gesteinsanwendungen, beim Transport von Ölsand, in der Bergbauindustrie, beim Fracking, in allen industriellen Anwendungen, bei denen partikelbelastete Fluide geleitet werden, bei Betonpumpen und im allgemeinen Kohlebergbau einsetzen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine frontale Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten längsnahtgeschweißten Stahlrohrs;
- 2a den Härteverlauf im Bereich der Längsschweißnaht des Stahlrohrs gemäß 1 nach dem Verschweißen und vorder Wärmebehandlung;
- 2b den Härteverlauf im Bereich der Längsschweißnaht des Stahlrohrs gemäß 1 nach der Wärmebehandlung;
- 2c einen Ausschnitt von 1.
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Das in 1 dargestellte im Querschnitt kreisrunde Stahlrohr 1 mit einem Außendurchmesser D von 800 mm ist aus einem Blechzuschnitt mit einer Dicke d von 20 mm hergestellt, dessen Breite der Umfangslänge des Stahlrohrs 1 und dessen Länge der Länge des herzustellenden Stahlrohrs 1 entsprach.
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Das Stahlblech
2 bestand dabei aus einem Stahl mit der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung.
Tabelle 1
| C | Si | Mn | P | S | Cr | B | Ti | Mo | Ni |
| 0,3 | 0,25 | 1,3 | 0,02 | 0,01 | 0,3 | 0,0025 | 0,032 | 0,05 | 0,05 |
| Angaben in Gew.-%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen |
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Das derart zusammengesetzte und im ungehärteten Anlieferungszustand bereitgestellte Stahlblech 2 ist in an sich bekannter Weise in Einzelfertigung zunächst zu einer nach Art eines Schlitzrohres ausgebildeten Vorform geformt worden, bei der die Längskanten des Stahlblechs 2 einander gegenüberliegend angeordnet waren und zwischen sich eine sich über die Länge des Stahlrohrs 1 erstreckende Schweißfuge begrenzt haben.
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Anschließend ist die Vorform verschweißt worden, indem die Schweißfuge unter Ausbildung einer sich über die Länge des Stahlrohrs 1 erstreckenden Längsschweißnaht 3 mittels Unterpulverschweißen in an sich bekannter Weise geschlossen worden ist. In Folge des Verschweißens und des damit einhergehenden Wärmeeintrags ist es in den Wärmeeinflusszonen HAZ, die sich über die seitlich an die Schweißnaht 3 angrenzenden Längsrandbereiche des Stahlblechs 2 erstrecken, zu Aufhärteffekten gekommen, durch die die Härte des Stahlblechs 2 in den Wärmeeinflusszonen HAZ höher war als in den außerhalb dieser Zonen HAZ liegenden und von der eingetragenen Schweißwärme unbeeinflussten Bereichen 4 des Stahlblechs 2 (2a).
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Nach dem Verschweißen ist das Stahlrohr 1 mittels induktiver Erwärmung mit einer Aufheizrate von 9 K/s auf eine Haltetemperatur von 930 °C erwärmt worden, bei der es für 20 Sekunden gehalten worden ist, um eine sichere Durcherwärmung zu erzielen.
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Im Anschluss an das Halten ist das Stahlrohr 1 mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 30 K/s auf Raumtemperatur (25 °C) abgekühlt worden.
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Am so wärmebehandelten Stahlrohr 1 sind in den Wärmeeinflusszonen HAZ und den außerhalb liegenden Bereichen 4 des Stahlrohrs die Härte HV10 gemäß DIN EN ISO 6507-1:2006-03 in Übereinstimmung mit der in der DIN EN ISO 3183:2012 festgelegten Vorgehensweise bestimmt worden. Dabei sind die Härteeindrücke 1,5 mm unter der Oberfläche angeordnet worden. Der dabei ermittelte Härteverlauf ist in 2b dargestellt. Es zeigte sich, dass der betragsmäßige Unterschied zwischen der Härte in den außerhalb liegenden Bereichen 4 und der Härte in den Wärmeeinflusszonen HAZ höchstens 20 HV10 betrug.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3414477 C2 [0010]
- US 5397654 A [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 6507-1:2006-03 [0051, 0071]
- DIN EN ISO 3183:2012 [0071]
