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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verhüttungsprodukt und dessen Herstellungsverfahren, insbesondere ein Mantelrohr für Erdöl und dessen Herstellungsverfahren.
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Technischer Hintergrund
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Die Gewinnung von Erdöl und Gas aus tiefen und ultratiefen Lagerstätten gewinnt weltweit an zunehmender Bedeutung. Die Erdölfelder in Westchina zeichnen sich durch sehr tiefe Lagerstätten und komplizierte geologische Strukturen aus, wobei die tiefsten Erdöl- und Gasbohrungen bereits eine Tiefe von über 8000 m haben und somit wesentlich erhöhte Anforderungen an die Stärke der bei Erdöl- und Gasbohrungen eingesetzten Mantelrohre stellen. Es ist allgemein bekannt, dass mit der Zunahme der Stahlsorte und der Streckgrenze sich die Härte des Werkstoffs auch entsprechend erhöht und die Zähigkeit des Werkstoffs allmählich verringert, während die Anfälligkeit des Werkstoffs für Oberflächenfehler ferner gesteigert wird. Die bei tiefen und ultratiefen Bohrungen eingesetzten Mantelrohre stellen eine hohe Anforderung hinsichtlich der Stärke und Zähigkeit, so dass zum Sicherstellen der Sicherheit bei Produktion und Verwendung neben dem Bereitstellen einer hohen Stärke auch die Zähigkeit möglichst erhöht werden soll.
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Jedoch steht die Stärke des Stahls in der Regel in einem negativen Verhältnis zu seiner Zähigkeit und Plastizität, so dass hochfester Stahl oft eine niedrige Plastizität und Zähigkeit aufweist, wobei zum Erzielen einer hohen Plastizität und Zähigkeit die Stärke des Stahls reduziert werden muss. Daher fällt die Entwicklung eines Stahlwerkstoffs sowohl mit hoher Zähigkeit als auch mit hoher Stärke äußerst schwierig. Zurzeit lassen sich für Industrieanwendungen Mantelrohre mit einer Stärke von bis zu 170 ksi verwirklichen, die jedoch lediglich eine Schlagzähigkeit von 50 J bis 80 J aufweisen. Einschlägige normative Vorgaben weisen darauf hin, dass die Schlagzähigkeit eines Stahlwerkstoffs hoher Stärke für Druckbehälter 10% seiner Streckgrenze erreichen soll. Daher stellen auch große Ölfelder in China, beispielsweise das Ölfeld Tarim, ähnliche Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der bei tiefen und ultratiefen Bohrungen verwendeten Mantelrohre, wobei die Schlagzähigkeit bestehender hochfester Stahlwerkstoffe mit einer Stärke von 150 ksi (entsprechend einer Streckgrenze von 1034 MPa) weit unter dieser Anforderung liegt.
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Die am 27. August 2008 offenbarte chinesische Patentschrift mit dem Titel „Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit sowie dessen Herstellungsverfahren” und der Veröffentlichungsnummer
CN 101586450 A betrifft eine Stahlsorte für Erdöl-Mantelrohre, die aus folgenden chemischen Elementen (in Gew.-%) besteht: C: 0,22%–0,4%, Si: 0,17%–0,35%, Mn: 0,45%–0,60%, Cr: 0,95%–1,10%, Mo: 0,70%–0,80%, Al: 0,015%–0,040%, Ni < 0,20%, Cu < 0,20%, V: 0,070–0,100%, Ca > 0,0015%, P < 0,010%, S < 0,003%, wobei der übrige Anteil aus Eisen besteht. Diese chinesische Patentschrift stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Erdöl-Mantelrohres bereit, welches folgende Schritte umfasst: 1) Stoffzubereitung und Verhütten, 2) Strangguss und Tandemwalzen und 3) Rohrbearbeitung. Die dabei offenbarte Stahlsorte weist eine Stärke von 1100 Mpa und eine Schlagzähigkeit in Querrichtung von lediglich 90 J auf, so dass das Merkmal Zähigkeit schlecht abschneidet.
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Die am 25. November 2009 offenbarte chinesische Patentschrift mit dem Titel „Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit sowie dessen Herstellungsverfahren” und der Veröffentlichungsnummer
CN 101250671 A betrifft ein Erdöl-Mantelrohr und dessen Herstellungsverfahren, welches Erdöl-Mantelrohr aus folgenden chemischen Elementen unter Angabe deren Massenanteile in Prozent (in Gew.-%) besteht: C: 0,16–0,28, Si: ≤ 0,5, Mn: 0,3–1,10, Cr: 0,3–1,10, Mo: 0,60–0,95, Al: 0,015–0,060 (wobei säurelösliches Als/Al ≥ 0,8, Ni: < 0,60, Cu: 0,05–0,25, V: 0,06–0,20, Ca > 0,0015, Nb: ≤ 0,05, Ti: ≤ 0,05, P < 0,010, S < 0,002, O: < 0,0024, H: < 0,0002, N: < 0,008, B: 0,0–0,005, wobei der übrige Anteil aus Fe besteht. Das von dieser chinesischen Patentschrift offenbarte Erdöl-Mantelrohr weist eine Schlagzähigkeit in Querrichtung von lediglich 80 J auf, so dass das Merkmal Zähigkeit ebenfalls schlecht abschneidet.
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Die am 18. Mai 1999 offenbarte japanische Patentschrift mit dem Titel „Herstellungsverfahren für Stahlrohre” und der Veröffentlichungsnummer
JP H11-131189 A offenbart ein Herstellungsverfahren für Stahlrohre. Bei diesem Herstellungsverfahren wird vorgeschlagen, dass ein Erhitzungsvorgang bei einer Temperatur zwischen 400°C und 750°C und dann ein Walzvorgang bei einer Verformungsrate von über 20% oder 60% erfolgt, um somit ein Stahlrohrprodukt mit einer Streckgrenze von über 950 Mpa und einer guten Zähigkeit herzustellen. Jedoch fällt der Walzvorgang bei dieser Prozesstechnik schwierig aufgrund der niedrigen Erhitzungstemperatur, die zudem auch die Bildung eines Martensitgefüges leicht verursacht, die bei Erdöl-Mantelrohrprodukten nicht erlaubt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit bereitzustellen, welches sowohl eine ultrahohe Stärke als auch eine ultrahohe Zähigkeit aufweist, wobei seine Stärke 150 ksi und mehr erreichen kann und seine Kerbschlagarbeit in Querrichtung bei 0°C nicht geringer als 10% der Streckgrenze der 150 ksi Stahlsorte beträgt, was der Anforderung an die Stärke und Zähigkeit von Ölbohrungsrohren bei tiefen und ultratiefen Erdöl- bzw. Gasfeldern gerecht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit, welches sich aus folgenden chemischen Elementen mit Angabe der Massenanteile in Prozent zusammensetzt:
C: 0,12%–0,18%;
Si: 0,1%–0,4%;
Mn: 1,1%–1,6%;
Cr: 0,1%–0,4%;
Mo: 0,2%–0,5%;
Nb: 0,02%–0,04%;
Ti: 0,02%–0,05%;
B: 0,0015%–0,005%;
Al: 0,01%–0,05%;
Ca: 0,0005%–0,005%;
N ≤ 0,008%,
wobei 0 < (Ti – 3,4N) ≤ 0,02%, Ti/B ≥ 10 und der übrige Anteil aus Fe sowie anderen unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
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In der vorliegenden technischen Ausgestaltung handelt es sich bei den unvermeidlichen Verunreinigungen vor allem um die Elemente P und S, wobei P ≤ 0,015% und S ≤ 0,003% gesteuert werden.
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Die Konstruktion der chemischen Elemente in dem erfindungsgemäßen Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit erfolgt nach dem folgenden Prinzip:
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C: Als Karbidbildner kann C die Stärke des Stahls erhöhen. Bei einem C-Anteil von geringer als 0,12 Gew.-% wird die Härtbarkeit des Stahls reduziert und somit die Zähigkeit des Stahls verringert, wobei jedoch bei einem C-Anteil von höher als 0,18 Gew.-% die Seigerung des Stahls wesentlich verschlimmert und somit auch die Zähigkeit des Stahls reduziert wird. Zum Erfüllen der Anforderung an hohe Stärke und hohe Zähigkeit des Mantelrohrs für Erdöl soll der Anteil des Elements C bei der erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung zwischen 0,12 Gew.-% und 0,18 Gew.-% gesteuert werden.
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Si: Si ist in Ferriten gelöst und kann die Streckgrenze des Stahls erhöhen, wobei jedoch die Zugabemenge des Elements Si nicht zu hoch sein soll und ansonsten die Bearbeitbarkeit und Zähigkeit des Stahls verschlimmert werden könnten, während ein Si-Anteil von geringer als 0,1 Gew.-% leicht zur Oxidierung des Mantelrohrs führen kann, weshalb der Si-Anteil zwischen 0,10 Gew.-% und 0,40 Gew.-% gesteuert werden soll.
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Mn: Als Bildner eines Austenits kann Mn die Härtbarkeit des Stahls steigern. Bei dem Stahlsortensystem für Mantelrohre für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit nach der vorliegenden Erfindung wird bei einem Mn-Anteil von geringer als 1,1 Gew.-% die Härtbarkeit des Stahls wesentlich verringert und somit der Anteil des Martensits im Stahl reduziert, was wiederum zu einer geringeren Zähigkeit beiträgt. Bei einem Mn-Anteil von größer als 1,6 Gew.-% wird hingegen die strukturelle Seigerung im Stahl wesentlich verstärkt, was die Gleichmäßigkeit und Schlagleistung des Warmwalzgefüges beeinträchtigt. Daher wird der Mn-Anteil bei der erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung zwischen 1,10 Gew.-% und 1,60 Gew.-% gesteuert.
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Cr: Als ein starker Karbidbildner kann Cr die Härtbarkeit des Stahls wesentlich erhöhen. Das beim Anlassvorgang abgeschiedene starke Karbid von Cr kann die Stärke des Stahls erhöhen. Bei einem Cr-Anteil von höher als 0,4 Gew.-% wird jedoch leicht an Kristallgrenzen ein grobes Karbid M23C6 abgeschieden, was die Zähigkeit des Stahls verringert, während bei einem Cr-Anteil von geringer als 0,1 Gew.-% die Härtbarkeit des Stahls schwer zu erhöhen ist und die Auswirkung der Zugabe nicht offensichtlich scheint. Bei dem Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit nach der vorliegenden Erfindung wird der Cr-Anteil zwischen 0,1 Gew.-% und 0,4 Gew.-% eingestellt.
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Mo: Mo steigert die Stärke und Anlassstabilität vor allem durch Karbide und Verstärkung über Lösungsglühen. Aufgrund des geringen Karbonanteils bei der erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung fällt Mo bei einem Mo-Anteil von über 0,5 Gew.-% schwierig, zusammen mit C mehr Karbide in abgeschiedener Phase zu bilden, was zum Verschleudern der zugegebenen Legierung führt. Bei einem Mo-Anteil von geringer als 0,2 Gew.-% kann die Stärke des Mantelrohres für Erdöl die Anforderung an hohe Stärke nicht erfüllen. Daher wird bei der vorliegenden Erfindung der Mo-Anteil zwischen 0,2 Gew.-% und 0,5 Gew.-% gesteuert.
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Nb: Mit Nb kann Stahl durch Kornfeinung und Abscheidung verstärkt werden, wodurch die durch reduzierten Karbonanteil bedingte Senkung der Stärke ausgeglichen werden kann. Bei einem Nb-Anteil von geringer als 0,02 Gew.-% scheint die Auswirkung der Zugabe nicht offensichtlich, während ein Nb-Anteil von höher als 0,04 Gew.-% leicht zur Entstehung einer groben Verbindung Nb(CN) führt, wodurch die Zähigkeit des Stahls reduziert wird. Aus diesem Grund soll bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Nb-Anteil zwischen 0,02 Gew.-% und 0,04 Gew.-% gesteuert werden.
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Ti: Als ein starker Karbonitridbildner kann Ti die Austenitskristallkörner im Stahl wesentlich verfeinern und somit die durch reduzierten Karbonanteil bedingte Senkung der Stärke ausgleichen. Bei einem Ti-Anteil von größer als 0,05 Gew.-% wird leicht eine grobe Verbindung TiN gebildet, wodurch die Zähigkeit des Werkstoffs reduziert wird, während bei einem Ti-Anteil von geringer als 0,02 Gew.-% Ti nicht durch ausreichende Reaktion mit N die Verbindung TiN bilden kann, so dass das Element B im Stahl mit N reagiert und die Verbindung BN in Sprödphase erzeugt, wodurch die Zähigkeit des Werkstoffs verringert wird. Daher soll bei dem Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit nach der vorliegenden Erfindung der Ti-Anteil zwischen 0,02 Gew.-% und 0,05 Gew.-% gesteuert werden.
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B: B kann ebenfalls die Härtbarkeit des Stahls wesentlich erhöhen. Bei Stahlsorten mit geringem C-Anteil kann B das Problem der durch reduzierten C-Anteil bedingten unzureichenden Härtbarkeit lösen. Jedoch scheint die Auswirkung hinsichtlich der Steigerung der Härtbarkeit des Stahls bei einem B-Anteil von geringer als 0,0015 Gew.-% nicht offensichtlich, während bei einem B-Anteil von höher als 0,005 Gew.-% die Verbindung BN in Sprödphase leicht entsteht und somit die Zähigkeit des Stahls reduziert. Daher wird bei der erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung der B-Anteil zwischen 0,0015 Gew.-% und 0,005 Gew.-% eingestellt.
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Al: Al stellt ein gutes Element zur Desoxidierung und Stickstofffixierung dar und kann Kristallkörner verfeinern. Ein Gewichtsanteil von 0,01% bis 0,05% wird empfohlen.
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Ca: Ca kann Stahlschmelze reinigen, zum Kugelglühen der Verbindung MnS beitragen und die Schlagzähigkeit des Stahls erhöhen, wobei jedoch ein zu hoher Ca-Anteil leicht zum Bilden grober nichtmetallischer Verunreinigungen im Stahl führt. Daher wird bei der erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung der Ca-Anteil zwischen 0,0005 Gew.-% und 0,005 Gew.-% gesteuert.
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N: In der vorliegenden technischen Ausgestaltung soll der N-Anteil möglichst gering gehalten werden.
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Gleichzeitig sollen die Elemente Ti, B und N auch der folgenden Formel entsprechen, um eine ausreichende Kombination von Ti und N sicherzustellen und somit die Verringerung der Zähigkeit des Stahls infolge der Bildung von BN in Sprödphase durch B und N zu vermeiden: 0 < (Ti – 3,4N) ≤ 0,02%, und Ti/B > 10.
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Ferner enthält das erfindungsgemäße Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit auch das Element V, wobei die Menge der Anforderung 0 < V ≤ 0,1 Gew.-% entspricht.
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Das Element V kann die Kristallkörner im Stahl verfeinern und das damit gebildete Karbid kann die Stärke des Stahls wesentlich erhöhen. Jedoch scheint die Verstärkungswirkung nicht offensichtlich, wenn die Zugabemenge von V ein bestimmtes Niveau erreicht, weshalb in der technischen Ausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung bei Zugabe des Elements V dessen Zugabemenge ≤ 0,10 Gew.-%.
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Noch ferner ist vorgesehen, dass die Mikrostruktur in dem erfindungsgemäßen Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit ein temperierter Sorbit ist.
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Um ein gutes Gleichgewicht zwischen der Stärke und Zähigkeit des Mantelrohres zu schaffen, ist die Mikrostruktur im Stahl ein temperierter Sorbit, wobei eine derartige Mikrostruktur die optimale Stärke und Zähigkeit aufweist und sich aus einer Umwandlung von einem Martensitgefüge ergibt. Je mehr Martensitgefüge nach Abschrecken des Stahls entstehen, desto mehr temperierte Sorbitgefüge ergeben sich danach aus der Umwandlung.
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Da im Zuge der Erstarrung eines Stahlrohr-Rohlings eine dendritische Seigerung zu zahlreichen Seigerungszonen an dem Rohrkörper nach Walzen führt, an welchen Seigerungszonen sich C, Mn, Cr, Mo und andere Legierungselemente ansammeln, was zu ungleichmäßiger Verteilung der Legierungsbestandteile führt, weshalb an solchen Seigerungszonen zahlreiche grobe Karbide gebildet werden. Zudem weist der Stahl an Seigerungszonen eine hohe Härte und Stärke auf, was zu einer geringen Zähigkeit führt. Zur verringerten Seigerung der Bestandteile eines Mantelrohres können die Anteile der Legierungselemente C, Mn, Cr, Mo, usw. reduziert werden. Mit anderen Worten stellt die Mikrostruktur des Stahlwerkstoffs zum Schaffen eines guten Gleichgewichts zwischen Stärke und Zähigkeit einen temperierten Sorbit dar, welcher die optimale Stärke und Zähigkeit aufweist und sich aus einer Umwandlung von einem Martensitgefüge ergibt. Je mehr Martensitgefüge nach Abschrecken des Stahls entstehen, desto mehr temperierte Sorbitgefüge ergeben sich danach aus der Umwandlung. Daraus wird ersichtlich, dass die Erhöhung der Härtbarkeit zum Bilden von mehr Martensitgefügen wichtig für die Sicherstellung der Stärke und Zähigkeit des Werkstoffs ist. Durch die Maßnahme, bei der durch verringerte Anteile der Legierungselemente C, Mn, Cr, Mo, usw. ein Gefüge niedriger Seigerung zum Erhöhen der Zähigkeit des Stahls erhalten wird, werden die Härtbarkeit des Stahls und somit auch die Stärke und Zähigkeit des Stahls unvermeidlich reduziert. Daher soll ein angemessenes Gleichgewicht zwischen der Seigerung und Härtbarkeit des Stahls geschaffen werden. Bei der technischen Ausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung eines Bestandteilsystems niedrigen Karbons und niedriger Legierung eine Mikrostruktur niedriger Seigerung erhalten, wobei gleichzeitig durch Zugabe von B und Ti die Härtbarkeit und somit auch die Zähigkeit des Stahls erhöht werden, um einen gleichmäßigen temperierten Sorbit erhalten zu können.
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Dementsprechend schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit vor, welches die Schritte Verhütten, Strangguss, Bohren, Walzen, Durchmesserbestimmung und thermische Behandlung umfasst.
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Ferner ist vorgesehen, dass im Schritt Strangguss bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit die Überhitzungstemperatur der Stahlschmelze auf unter 30°C und die Gießgeschwindigkeit beim Strangguss auf 1,8 bis 2,2 m/min gesteuert werden.
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Die Steuerung der Gießgeschwindigkeit beim Strangguss auf 1,8 bis 2,2 m/min zielt sich darauf ab, die Seigerung der Bestandteile im Stahl zu reduzieren.
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Ferner ist vorgesehen, dass im Schritt Bohren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit ein Rundrohling nach dem Schritt Strangguss in einem Ofen bei 1200°C bis 1240°C gleichmäßig erhitzt wird, wobei die Bohrungstemperatur bei 1180°C bis 1240°C liegt.
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Noch ferner ist vorgesehen, dass im Schritt Walzen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit die Fertigwalztemperatur auf 900°C bis 950°C gesteuert wird.
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Noch ferner ist vorgesehen, dass im Schritt Durchmesserbestimmung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit die Durchmesserbestimmungstemperatur auf 850°C bis 900°C gesteuert wird.
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Noch ferner ist vorgesehen, dass im Schritt thermische Behandlung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit die Austenitierungstemperatur auf 900°C bis 930°C gesteuert wird, nach Beibehalten der Temperatur für 30 bis 60 Minuten ein Abschreckvorgang erfolgt, wonach ein Anlassvorgang bei 450°C bis 550°C erfolgt, und nach Beibehalten der Temperatur für 50 bis 80 Minuten schließlich ein thermischer Durchmesserbestimmungsvorgang bei 400°C bis 550°C erfolgt.
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Mit einer niedrigeren Anlasstemperatur wird eine höhere Stärke des Stahls ermöglicht, so dass bei einer erhöhten Stärke bzw. Zähigkeit auch die Kosten der Legierungszugabe erheblich verringert werden.
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Das Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit nach der vorliegenden Erfindung kann zur Herstellung eines Mantelrohres aus einer Stahlsorte von 150 ksi und höher für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit eingesetzt werden.
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Das aus dem erfindungsgemäßen Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit hergestellte Mantelrohr aus einer 150 ksi Stahlsorte weist eine Streckgrenze von 1034 bis 1241 MPa, eine Zugfestigkeit von ≥ 1103 MPa, eine Dehnungsrate von 20% bis 30%, eine Kerbschlagarbeit von nicht geringer als 10% der Streckgrenze der Stahlsorte 150 ksi in Querrichtung bei 0°C (≥ 120 J) und eine Spröd-Duktil-Übergangstemperatur von ≤ –70°C auf.
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Das aus dem erfindungsgemäßen Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit hergestellte Mantelrohr aus einer 155 ksi Stahlsorte weist eine Streckgrenze von 1069 bis 1276 MPa, eine Zugfestigkeit von ≥ 1138 MPa, eine Dehnungsrate von 20% bis 25%, eine Kerbschlagarbeit von nicht geringer als 10% der Streckgrenze der Stahlsorte 155 ksi in Querrichtung bei 0°C (≥ 120 J) und eine Spröd-Duktil-Übergangstemperatur von ≤ –60°C auf.
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Aufgrund der Zugabe von B in dem erfindungsgemäßen Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit zum Erhöhen der Härtbarkeit des Stahls werden die bei herkömmlichen Stahlsorten zugegebenen Legierungselemente wie z. B. Cr und Mo ersetzt, so dass die Kosten der Legierungszugabe in Mantelrohren für Erdöl verringert und zugleich eine hohe Stärke und Zähigkeit sichergestellt werden.
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Das Verfahren zum Herstellen eines Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit nach der vorliegenden Erfindung erzielt sowohl eine hohe Stärke als auch eine hohe Zähigkeit für den Stahlwerkstoff durch eine Steuerung des thermischen Behandlungsprozesses und zeichnet sich durch einfache Bedienung, gute Serienfreundlichkeit und wirtschaftliche Vorteile aus.
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Darstellung der Abbildungen
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Es zeigen
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1 die metallurgische Struktur des Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit im Ausführungsbeispiel A5,
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2 das Muster abgeschiedener Phase des Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit im Ausführungsbeispiel A5,
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3 die metallurgische Struktur des Mantelrohres im Vergleichsbeispiel B1,
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4 das Muster abgeschiedener Phase des Mantelrohres im Vergleichsbeispiel B2 und
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5 das Muster abgeschiedener Phase des Mantelrohres im Vergleichsbeispiel B3.
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Konkrete Ausführungsformen
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele näher auf das erfindungsgemäße Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit sowie dessen Herstellungsverfahren eingegangen, wobei die konkreten Ausführungsbeispiele und deren Beschreibung keine Einschränkung der Ausgestaltungen der Erfindung darstellen.
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Ausführungsbeispiele A1 bis A5 und Vergleichsbeispiele B1 bis B4
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Es werden die Mantelrohre in den Ausführungsbeispielen A1 bis A5 und den Vergleichsbeispielen B1 bis B4 nach den nachfolgenden Schritten hergestellt:
- 1) Verhütten: Steuern der Massenanteile der einzelnen chemischen Elemente in den Ausführungsbeispielen A1 bis A5 und den Vergleichsbeispielen B1 bis B4 nach Tabelle 1,
- 2) Strangguss: Strangguss zu Rohrrohlingen, wobei die Überhitzungstemperatur der Stahlschmelze auf unter 30°C und die Gießgeschwindigkeit beim Strangguss auf 1,8 bis 2,2 m/min gesteuert werden,
- 3) Bohren: ein Rundrohling wird nach dem Schritt Strangguss in einem Ringofen bei 1200°C bis 1240°C gleichmäßig erhitzt, wobei die Bohrungstemperatur bei 1180°C bis 1240°C liegt.
- 4) Walzen: Steuern der Fertigwalztemperatur auf 900°C bis 950°C,
- 5) Durchmesserbestimmung: Steuern der Durchmesserbestimmungstemperatur auf 850°C bis 900°C,
- 6) Thermische Behandlung: Steuern der Austenitierungstemperatur auf 900°C bis 930°C, wobei nach Beibehalten der Temperatur für 30 bis 60 Minuten ein Abschreckvorgang erfolgt, wonach ein Anlassvorgang bei 450°C bis 550°C erfolgt und nach Beibehalten der Temperatur für 50 bis 80 Minuten schließlich ein thermischer Durchmesserbestimmungsvorgang bei 400°C bis 550°C erfolgt.
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Tabelle 1 gibt die Massenanteile der einzelnen chemischen Elemente in den Ausführungsbeispielen A1 bis A5 und den Vergleichsbeispielen B1 bis B4 an. Tabelle 1 (in Gew.-%, mit dem übrigen Anteil aus Fe sowie anderen unvermeidlichen Verunreinigungen)
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In Tabelle 2 sind die jeweiligen Prozessparameter in den Ausführungsbeispielen A1 bis A5 und den Vergleichsbeispielen B1 bis B4 aufgeführt. Tabelle 2
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Der Tabelle 3 sind mechanische Eigenschaften der Mantelrohre in den Ausführungsbeispielen A1 bis A5 und den Vergleichsbeispielen B1 bis B4 zu entnehmen. Tabelle 3
| Nr. | Streckgrenze (MPa) | Zugfestigkeit (MPa) | Dehnungsrate (%) | Schlagenergie in Querrichtung bei 0°C (J) | Spröd-Duktil-Übergangstemperatur (°C) |
| A1 | 1050 | 1090 | 25 | 142 | –80 |
| A2 | 1070 | 1110 | 23 | 136 | –70 |
| A3 | 1090 | 1140 | 24 | 138 | –70 |
| A4 | 1120 | 1160 | 23 | 131 | –60 |
| A5 | 1100 | 1150 | 23 | 128 | –60 |
| B1 | 940 | 1010 | 23 | 125 | –60 |
| B2 | 960 | 1040 | 26 | 110 | –55 |
| B3 | 1090 | 1160 | 25 | 57 | –25 |
| B4 | 1070 | 1110 | 21 | 75 | –30 |
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Wie sich aus Tabelle 3 ergibt, gilt es für Mantelrohre in allen der Ausführungsbeispiele A1 bis A5, dass die Streckgrenze ≥ 1050 MPa (entspricht bereits der Stärke der Stahlsorte von über 150 ksi), die Zugfestigkeit ≥ 1090 MPa, die Schlagenergie in Querrichtung bei 0°C ≥ 128 J, die Dehnungsrate ≥ 23% und die Spröd-Duktil-Übergangstemperatur ≤ –60°C, so dass die Mantelrohre in den Ausführungsbeispielen A1 bis A5 eine ultrahohe Stärke und ultrahohe Zähigkeit aufweisen und sich für die Herstellung der bei tiefen und ultratiefen Bohrungen eingesetzten Erdölrohre eignen. Hingegen erfüllt mindestens eine der mechanischen Eigenschaften der Mantelrohre in den Vergleichsbeispielen B1 bis B4 nicht die Kriterien für Erdöl-Mantelrohre mit hoher Stärke und Zähigkeit, da bei dem Vergleichsbeispiel B1 die Anteile an Mn und Cr über die in der technischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung definierten Bereiche hinausgehen, bei dem Vergleichsbeispiel B2 die Elemente B und Ti nicht zugegeben werden, bei dem Vergleichsbeispiel B3 die Anteile an C, Mn, Cr und Mo über die in der technischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung definierten Bereiche hinausgehen und bei dem Vergleichsbeispiel B4 die Elemente Ti und N die Anforderung 0 < (Ti – 3,4N) ≤ 0,02% und Ti/B ≥ 10 nicht erfüllen.
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Es zeigen 1 die metallurgische Struktur des Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit im Ausführungsbeispiel A5 und 2 das Muster abgeschiedener Phase des Mantelrohres für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit im Ausführungsbeispiel A5.
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Wie 1 zu entnehmen ist, wird an der metallurgischen Struktur des Mantelrohres für Erdöl im Ausführungsbeispiel A5 kein durch Seigerung der Bestandteile hervorgerufenes streifenförmiges Gefüge erkannt. Wie sich aus 2 ergibt, sind die Karbide in abgeschiedener Phase bei dem Mantelrohr für Erdöl im Ausführungsbeispiel A5 feinkörnig ausgebildet und gleichmäßig verteilt, weswegen das Mantelrohr für Erdöl mit ultrahoher Stärke und Zähigkeit im Ausführungsbeispiel A5 eine Stärke von über 150 ksi Stahlsorte und eine Schlagzähigkeit in Querrichtung bei 0°C von über 120 J aufweisen kann.
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3 zeigt die metallurgische Struktur des Mantelrohres im Vergleichsbeispiel B1.
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Die niedrigeren Anteile an C und Mn im Vergleichsbeispiel B1 führen zu einer geringen Härtbarkeit des Stahls, wobei, wie sich aus 3 ergibt, in der metallurgischen Struktur beim Vergleichsbeispiel B1 eine große Menge ferritischer Gefüge bestehen und das Mantelrohr nach thermischer Behandlung eine unzureichende Stärke und eine geringe Schlagenergie in Querrichtung bei 0°C aufweist, so dass es sich nicht für die Bearbeitung zum Herstellen eines Mantelrohres für Erdöl mit hoher Stärke und Zähigkeit eignet.
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Darüber hinaus zeigt 4 das Muster abgeschiedener Phase des Mantelrohres im Vergleichsbeispiel B2 und 5 das Muster abgeschiedener Phase des Mantelrohres im Vergleichsbeispiel B3.
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Da im Zuge der Erstarrung eines Stahlrohr-Rohlings eine dendritische Seigerung zu zahlreichen Seigerungszonen an dem Rohrkörper nach Walzen führt, an welchen Seigerungszonen sich C, Mn, Cr, Mo und andere Legierungselemente ansammeln, wie dies in 4 dargestellt ist, was zu ungleichmäßiger Verteilung der Legierungsbestandteile führt, weshalb an solchen Seigerungszonen zahlreiche grobe Karbide gebildet werden.
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Wie sich ferner aus 5 ergibt, gehen bei dem Vergleichsbeispiel B3 die Anteile der Legierungselemente C, Cr, Mo usw. über die in der technischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung definierten Bereiche hinaus, was zu erheblicher Seigerung des Mantelrohres nach thermischer Behandlung und somit wiederum zu unzureichender Zähigkeit des Mantelrohres führt, wodurch die Zähigkeit des Stahls reduziert wird.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass bisher lediglich konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung angegeben wurden, wobei solche Ausführungsbeispiele die Erfindung keineswegs einschränken und zahlreiche ähnliche Abänderungen möglich sind. Alle von Fachleuten auf diesem Gebiet vorgenommenen Varianten, die unmittelbar von dem offenbarten Inhalt der Erfindung abgeleitet werden oder darauf basieren, sollen von dem Schutzumfang der Erfindung umfasst werden.
