DE2520812C2

DE2520812C2 - Verfahren zum Herstellen von Stahlrohren mit großem Durchmesser

Info

Publication number: DE2520812C2
Application number: DE19752520812
Authority: DE
Inventors: Hisashi Gondo; Hajime Nakasugi; Masatoki Nakayama; Masanobu Kisarazu Chiba Yamaguchi
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1975-05-09
Filing date: 1975-05-09
Publication date: 1984-04-19
Also published as: DE2520812A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Rohre zur Herstellung von Fernleitungen für Erdöl oder Erdgas müssen neben einem großen Durchmesser, großer Zähigkeit und großer Spannungsfestigkeit besonders maßhaltig angefertigt sein, da ein Nachrichten der Rohre beim Verlegen wegen des großen Formates kaum möglich ist und da die Belastungen der Verbindungsstellen auf ein Mindestmaß reduziert sein sollten. Die Rohre sollten ferner möglichst spannungsfrei sein, um sicherzustellen, daß das Rohr auch nach Abtrennen eines Abschnitts formhaltig bleibt. Es ist daher erforderlich, daß ein nach einem herkömmlichen Verfahren hergestelltes Rohr einer besonders gleichmäßigen Wärmebehandlung unterzogen wird, um sicherzustellen, daß nicht noch etwa durch die erforderliche Wärmebehandlung Fehler an Form, Abmessung und Spannungsverhalten auftreten.

Um dieses Ziel zu erreichen, verwendet das eingangs genannte, bekannte Verfahren (US-PS 38 04 390) eine radial zum Rohr angeordnete Induktionsspule, um das Rohr zu erwärmen, sowie nachgeschaltet eine Sprüheinrichtung, welche ebenfalls radial auf das Rohr einwirkt, um dieses abzuschrecken. Die bekannte Anordnung soll hierbei bezwecken, daß alle Wandteile des Rohres, die in einer gemeinsamen Radialebene liegen, jeweils gleichzeitig die gleiche Wärmebehandlung erfahren.

Die durch das bekannte Verfahren hergestellten Rohre genügen aber nicht höheren Anordnungen an Formgenauigkeit, Zähigkeit, Spannungsfestigkeit und Restspannungsfreiheit, weswegen bereits vorgeschlagen wurde, die Rohre nach abgeschlossener Wärmebehandlung radial aufzuweiten, wie dies etwa durch die DE-OS 15 83 392 bekannt ist.

Kombiniert man die beiden bekannten Verfahren miteinander und optimiert man zusätzlich die erforderlichen Verfahrensparameter, wonach bei der Wärmebehandlung das Rohr auf 850 bis 1000° C aufgeheizt, s anschließend um mindestens 10 K pro Sekunde gekühlt und gegebenenfalls nachfolgend bei 450 bis 70ü°C angelassen wird, dann gelingt es, Rohre der erforderlichen Qualität herzustellen, wobei allerdings die Aufweitung des Rohres, bezogen auf den Rohrdurchmesser,

ίο in der Größenordnung von 1,5% liegen muß. Beim Aufweiten muß allerdings zum Erreichen dieser bleibenden Verformung das Rohrwandmaterial stark belastet werden, wobei die Gefahr von Schäden insbesondere bei Schweißnähten um so höher wird, je größer die Aufweitung ist

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, die Kombination der beiden eingangs genannten, bekannten Verfahren dahingehend zu verbessern, daß trotz wesentlich geringerer Aufweitung des Rohres dessen oben genannte, erreichbare Qualitätseigenschaften beibehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man das Rohr vor der Wärmebehandlung bzw. vor der ersten Wärmebehandlung mindestens an den zur Kühlwasserbeaufschlagung vorgesehenen Oberflächen zusätzlich derart entzundert, daß diese Oberflächen zu mindestens 90% zunderfrei sind.

Es hat sich nämlich herausgestellt, daß trotz einer möglicherweise bereits weit fortgeschrittenen Entzunderung der Materialoberflächen bei der vorausgehenden Herstellung des Rohrrohlings Zunder in meist ungleichmäßiger Verteilung verbleibt, der dann an den betreffenden Stellen den Wärmeübergang zwischen Rohrwandmaterial und Kühlwasser beeinträchtigt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit eine gleichmäßigere Abkühlung erzielt, als dies ohne die zusätzliche Entzunderung erreichbar wäre. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß ein derart behandeltes Rohr nach der Wärmebehandlung nur um höchstens 0,8% aufgeweitet zu werden braucht, um die erforderlichen Eigenschaften zu erreichen.

Um das Maß der Entzunderung festzustellen, können herkömmliche Verfahren Anwendung finden, wie sie etwa zur Feststellung des anteiligen Rostbefalles lackierter Stahlflächen verwendet werden (American National Standard ANSI/ASTM D 610-68).

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Zunder bis zu 98% entfernt, wobei vorzugsweise das Rohr durch Kugelstrahlen entzundert und anschließend in wäßriger Kupfersulfatlösung nachbehandelt wird. Bei einer derartigen Rohrbehandlung kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Aufweitung auskommen, die einen Wert von 0,8% unterschreitet und bis zu 0,1% erreichen kann.

Der Gegenstand der Erfindung ist anhand nachfolgender, praktischer Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen noch näher erläutert; es zeigt:

F i g. 1 ein Diagramm, in welchem die beim Abkühlen einer Probe erreichte Wärmeübergangszahl in Abhängigkeit von der Verzunderung der Probenfläche dargestellt ist,

F i g. 2 ein Diagramm, in welchem die Restspannungen über der Aufweitrate aufgetragen sind und
F i g. 3 schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Nachfolgend werden die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Stahlrohres unter Bezug auf die Zeichnung im einzelnen erläutert.

I. Ausgangsmaterial

Das eifindungsgemäß behandelte Stahlrohr mit großem Durchmesser kann durch gewöhnliche Rohrherstellungsverfahren, wie das UO-Rohrherstellungsverfahren (Schlitzrohrfertigung durch Biegepressen), das Spiralrohr-Herstellungsverfahreti, das Biegewalzformverfahren oder dergleichen hergestellt werden. Es besteht keine spezielle Beschränkung für die Materialqualität, und die folgenden Abmessungen des Rohres werden vorzugsweise und beispielsweise gewählt:

Wanddicke .mindestens 6 mm

(vorzugsweise 6 bis 25 mm)

Durchmesser mindestens 450 mm

(vorzugsweise 450 bis 2000 mm)

Länge mindestens 2 m

(vorzugsweise 6 bis 20 m)

Die obigen Abmessungsbereiche sind im Hinblick auf die Wirksamkeit der Induktionsheizung für ein schnelles Aufheizen gewählt, sowie im Hinblick auf die Beschränkungen für die Herstellung des Rohrmateriales und des Rohres.

II. Entzundern

Wenn Zunder an dem Rohr während des Erwärmens und Kühlens haftet, wird die Kühlwirksamkeit beträchtlich verringert (vgl. Tabelle 1), so daß nur unzureichend abgeschreckt werden kann und für dieselbe Zusammensetzung nur abgesenkte Festigkeits- und Zähigkeitswerte erhalten werden können. Die zweite Aufgabe des Entzunderungsverfahrens besteht darin, ein gleichförmiges Abkühlen zu gewährleisten und dadurch eine Verformung des Rohres zu verhindern (Tabelle 1). Im allgemeinen platzt der Walzzunder örtlich durch die Verformung ab, wenn ein Stahlrohr aus Stahlplatten durch Kaltverformung hergestellt wird. Es entstehen daher Unterschiede in der Kühlwirkung zwischen den Teilen, an denen der Walzzunder noch dicht anhaftet, und den Teilen ohne Walzzunder, so daß die Abkühlgeschwindigkeit innerhalb desselben Querschnitts wegen der ungleichmäßigen Kühlwirkung variiert und dadurch eine beträchtliche Deformation verursacht wird.

Als Entzunderungsverfahren können das mechanische Entzundern, wie Kugelstrahlen oder Sandstrahlen, und Säurebeizen angewendet werden, wobei unter dem Gesichtspunkt der Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit sowie des Einflusses auf die Stahlqualität das Kugelstrahlen bevorzugt wird. Das Entzundern kann bereits bei einer Stahlplatte vor der eigentlichen Rohrherstellung geschehen.

Es wird derart vorgenommen, daß mehr als 90% der behandelten Oberflächen zunderfrei sind. Diese werden zur Feststellung des Maßes der Entzunderung in wäßriger Lösung von Kupfersulfat gebeizt.

Es reicht aus, nur die Außenfläche des Stahlrohres zu entzundern, falls bei der Wärmebehandlung nur die Außenfläche abgeschreckt wird.

F i g. 1 zeigt das Verhältnis zwischen der Entzunderung und der Kühlwirkung.

Die experimentellen Bedingungen fur die Bestimmung des Verhältnisses gemäß Fig. 2 waren wie folgt:

Rohrqualität SM 50 (s. Tabelle im Anhang) Rohr- Wandstä^rke 10 mm,

abmessungen Durchmesser 762 mm. Länge 12 000 mm

Glüh- bei 910° C für 2,5 min

bedingungen

Kühl- Anfangstemperatur beim Kühlen

bedingungen 880° C, Endtemperatur beim
Kühlen 42° C

Kühlwasser 4 m³/min (40 N/cm²)
(Druck)

Kühlverfahren Anwendung einer zylindrischen

Schlitzdüse

Vorschubge- 1 m/min
schwindigkeit

III. Örtliches schnelles Aufheizen

Das entzunderte Stahlrohr wird vor dem Aufweiten einer lokal stattfindenden Wärmebehandlung unterworfen. Deren Aufgabe besteht darin, für ein gerades Rohr, welches horizontal abgestützt ist, Deformationen aufgrund der Schwerkraft zu verhindern, die Zähigkeit zu verbessern und die erneute Bildung von dichthaftendem Zunder zu verhindern. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff »lokal« eine Teillänge des Stahlrohres in Axiairichtung, und für die Erfindung ist diese Teillänge insbesondere und vorzugsweise kleiner als das 5fache des Außendurchmessers D des Stahlrohres. Vorzugsweise geschieht das schnelle Aufheizen auf über 600° C durch mindestens zwei kombiniert angeordnete

in Induktionsspulen.

Für das Abschrecken oder Härten wird das Stahlrohr auf einen Temperaturbereich von 850° C (nicht geringer als der Punkt Ar.i) bis 1000° C (geringerals die Temperatur, bei der Austenitkornvergröberung einsetzt), und zum Anlassen auf einen Temperaturbereich von 450 bis 700° C (nicht höher als An) aufgeheizt, welcher höher ist als die geringste Temperatur, die zur Verbesserung der Zähigkeit erforderlich ist.

Es wird insbesondere oberhalb 600° C eine Erwärmung von mindestens 100 K/min bevorzugt. Eine bewegliche Heizeinrichtung wird bevorzugt.

IV. Abschrecken

Das auf das lokale Aufheizen erfolgende Abschrekken wird vor dem Aufweiten des Rohres durchgeführt. Durch gleichmäßiges Kühlen zur Verhinderung der Deformation während des Kühlens (die Kühlwirkung ist oben anders als unten, wenn das Kühlen in Luft durchgeführt wird) und durch Steuerung der Kühlung kann

so auch ein Korrigieren der Geradheit des Stahlrohres erreicht werden.

Als Einrichtung zum Abschrecken ist wenigstens ein zylindrischer Kühlring in gerader Linie koaxial zur Länge des Rohres angeordnet, der Kühlmittel, wie Wasser oder ein Gemisch von Dampf und Wasser, ausspritzt. Zur Erzielung der angestrebten Wirkung wird der Kühlring in eine gegenüber der koaxialen Linie exzentrische Lage versetzt, so daß der Winkel des Wasserstromes beispielsweise zur Außenfläche des

bo Stahlrohres in der Umfangsrichtung des Stahlrohres gesteuert wird, um die Ausrichtung des Stahlrohres zu korrgieren; es kann somit beispielsweise eine Verbiegung des Rohres, die während der Rohrherstellung aufgetreten ist, durch exzentrisches Versetzen der Düse

b5 des zylindrischen Ringes begradigt werden, indem die konvexe Seite der Verbiegung schneller als die gegenüberliegende, konkave Seite gekühlt wird.
Die Kühlbedingungen sind so einzustellen, daß das

Kühlen bei einem mittleren Wärmeübergangskoeffizient von mehr als 2325 W/m² · K und bei einer mittleren Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 10 K/s von 800° C bis auf 500° C durchgeführt wird. Wenn die Abkühlung den obigen Bedingungen nicht genügt, kann für den Umfangsquerschnitt des Rohres im Fall der Verwendung des zylindrischen Kühlringes die konstante Abkühlung und die Formhaltigkeit beeinträchtigt werden.

Der zylindrische Kühlring kann aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt sein. Durch Steuerung der Wasserstrahlmenge von jedem Düsenabschnitt können ähnliche Ergebnisse erhalten werden, wie das oben beschriebene exzentrische Versetzen der Kühldüse.

F i g. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung für die Wärmebehandlung gemäß der Erfindung. In F i g. 3 entspricht das Bezugszeichen 1 Induktionsheizspulen, die kombiniert angeordnet sind. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet jeweils einen zylindrischen Kühlring mit einer Düse zum Ausspritzen von Kühlwasser entlang seines gesamten Innenumfangs. In der aus F i g. 3 ersichtlichen Ausführungsform sind zwei Kühlringe vorgesehen, so daß das Stahlrohr in zwei Kühlabschnitten gekühlt wird. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Entwässerungsvorrichtung zum Entfernen von am Rohr 6 anhaftendem Wasser. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet Einspannvorrichtungen für das Rohr, wie ζ. Β. Walzen. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet Rollgangrollen für das Vorschieben des Rohres 6. Die Rolle 5' ist eine nichtmagnetische Rollgangrolle.

Kühlverfahren

Vorschubgeschwindigkeit
Entzunderung

zylindrische Schlitzdüse Kühlen der Außenfläche 6 mm/min

Kugelstrahlen (98% entzundert)

Aus Tabelle 2 sind die ausgezeichneten Ergebnisse der erfmdungsgemäß behandelten Rohre hinsichtlich ίο der Formhaltigkeit und Restspannung ersichtlich.

Tabellen

Beispiel für die Zusammensetzung des SM 50-Stahles:

Stahlrohrqualität

Stahlrohrabmessung
Glühen
Kühlen

Kühlwasser

SM 50 (s. Tabelle im Anhang) 15 mm X 762 mm Χ 12 000 mm

910° C für 2,5 min

Anfangstemperatur 890° C Endtemperatur 42° C 4 mVmin

40

45 Si

Mn

Al

V. Aufweiten des Rohres

Das Aufweiten des Rohres beseitigt Unrundheit und Restspannungen. Als Verfahren zum Aufweiten des Rohres kann ein mechanisches oder hydraulisches Verfahren entsprechend DE-OS 15 83 392 angewendet werden. Das Aufweiten liegt erfmdungsgemäß im Bereich von 0,1 bis 0,8%, vorzugsweise 0,3 bis 0,5% des Durchmessers in bleibender plastischer Verformung und erbringt die Wirkungen, die aus F i g. 2 ersichtlich sind.

F i g. 2 zeigt Änderungen (in der Umfangsrichtung des Rohres, gemessen durch das Spannungsdehnverfahren) der Restspannungen aufgrund des Aufweitens nach der Wärmebehandlung, welche unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wurde:

0,14 0,27 1,37 0,018 0,010 0,025

Tabelle 1

Jeweils ein im UO-Verfahren hergestelltes Stahlrohr aus SM 50 (siehe oben) mit einer Länge von 12 000 mm, einem Außendurchmesser von 762 mm und einer Wandstärke von 10 mm wird induktiv erwärmt, bei 910° C geglüht und bei 880° C beginnend bis auf 42° C abgekühlt. Vor der Behandlung betragen die Rundheit in der Mitte 761 bis 763 mm, die Geradheit (mm pro 12 m) 11 mm und die Außenumfangstoleranz in der Mitte 2391 ± 2 mm. Das Rohr a wird nicht entzundert, während das Rohr b zu 99% entzundert wird.

Rohr a

Rohr b

754-775 765-773

2410 ±8 2412 ±3

50

55

Entzunderung nein 99%

Wärmeübergangskoeffizient 4300 9900

(W/m² · K)
Rundheit in der Mitte (mm)

nach der Behandlung
Geradheit (mm pro 12 m)

nach der Behandlung
Aufweitverhältnis in % 1,5 0,3

nach der Wärmebehandlung

Tabelle 2

Alle Rohre aus SM 50 (JIS) (siehe oben), 12 000 mm lang, Außendurchmesser 762 mm, mehr als 98% durch Kugelstrahlen mit anschließender Behandlung mit wäßriger Lösung von Kupfersulfat entzundert, durch Induktionsheizung erstmals auf 910° C und im zweiten Durchgang auf 650° C erwärmt und nach dem Kühlen auf 42° C zum Korrigieren der Rundheit aufgeweitet.

Rohr Nr.

Herstellungsverfahren	UO	UO	UO	SP
Wandstärke (mm)	10	15	20	10
Anfangstemperatur	880	890	900	880
beim Abkühlen (°C) **)	620	625	630	620
Aufweitverhältnis (%)	0,4	0,8	0,5	0,5

25 20812	7	Fortsetzung	1	2	8	3	±4	±6	4
Rohr Nr.	762-765	761-765		762-766	±2	±4	761-763
Rundheit (mm): beide Enden	763-765	762-765	761-764			763-764
Rundheit (mm): Mitte	1,4	1,2	0,8	-7,8	-6,9	1,1
Formhaltigkeit API (mm/1000 mm)			auf ein Grundmaß von 2395 mm:	+ 1,0	+ 2,9
Außenumfangstoleranz (mm), bezogen		±4		±4
beide Enden		±2		±2
Mitte
Restspannung (N/mm²) *):	- i 1,8	- 11,3
Innenoberfläche	+ 2,0	+ 2,0
Außenoberfläche

*) Restspannung in Radialrichtung, im Mittelteil in Längsrichtung, durch Spannungsdehnungs messung ermittelt;

+ bedeutet Zugspannung, - bedeutet Druckspannung *) Zweimaliges Aufheizen

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen |J

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Stahlrohren mit großem Durchmesser und hoher Formgenauigkeit, Zähigkeit und Zugfestigkeit, wobei das bereits teilweise entzunderte Rohr mindestens einer Wärmebehandlung unterworfen wird, welche das vom einen Ende zum anderen des Stahlrohres in axialer Richtung fortschreitende lokale Erwärmen des Stahlrohres und dessen nachfolgendes Abschrecken umfaßt, dadurch gekennzeichnet,

- daß zumindest die Außenoberfläche des Stahlrohres zusätzlich vor der Wärmebehandlung derart entzundert wird, daß diese Oberfläche zu 90% zunderfrei ist, und

- daß das Stahlrohr nach abgeschlossener Wärmebehandlung um 0,1 bis 0,8%, bezogen auf den Rohrdurchmesser, aufgeweitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr um 0,3 bis 0,5% aufgeweitet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlrohr durch Kugelstrahlen entzundert und mit wäßriger Kupfersulfatlösung gebeizt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlrohr mindestens zu 98% entzundert wird.