DE2935690C2

DE2935690C2 - Verfahren zum Herstellen von Röhrenstahl

Info

Publication number: DE2935690C2
Application number: DE19792935690
Authority: DE
Inventors: Sadao Chita Aichi Hasuno; Kuniaki Chiba Motoda; Keiichiro Nagoya Aichi Takitani; Mitsukuni Chiba Aichi Yamagata
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1979-09-04
Filing date: 1979-09-04
Publication date: 1984-10-18
Also published as: DE2935690A1

Description

ίο a) der Stickstoffgehalt des Stahls auf maximal 0,003% begrenzt ist, und

b) der Stahl auf die Temperatur zwischen dem Aci-Umwandlungspunkt und dem A^-Umwandlungspunkt plus 50 K mit einer mittleren Aufheizgeschwindigkeit von 1 bis 30 K/s aufgeheizt wird.

2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl verwendet wird, welcher außerdem is einzeln oder zu mehreren 0,05 bis 1,5% Chrom, 0,05 bis 1,0% Molybdän, 0,01 bis 0,1% Niob, 0,01 bis 0,1% Vanadium, 0,05 bis 0,5% Kupfer, Rest im wesentlichen Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält.

uie trtindung betrifft ein Stahlherstellungsverfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen I

Gattung. Ein solches Verfahren ist bereits aus der DE-OS 26 49 019 bekannt. I

Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Stahlwerkstoff zum Herstellen nahtloser Rohre verwendet, welcher 0,0048 bis 0,0067% Stickstoff enthält.

Ferner enthalten die bei dem bekannten Verfahren benutzten Stahlzusammensetzungen mit 0,15 bis 0,5% Kohlenstoff stets Zusätze an Titas, um wegen der Neigung von Titan zur Nitri'.bildung die im Stahlmaterial vorhandenen Gehalte an ungebundenem Stickstoff zu vermindern.

jo Durch ein solches Entsticken mit Hilfe von Nitritbildenden wie Titan, wird jedoch im Gefüge der Anteil nichtmetallischer Einschlüsse erhöht, wodurch die Bearbeitbarkeit verschlechtert wird. Rohre für Ölbohrungen müssen jedoch mit Gewindeabschnitten versehen sein, was bei einer unbefriedigenden mechanischen Bearbeitbarkeit zu ProbL.rien führt. Bei dem bekannten Verfahren wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß sich die Härtbarkeit des Materials veit.^ssern läßt, wenn schädliche Bor-Ausscheidungen im Bereich der Korngrenzen vermieden werden und riafür gesorgt wird, daß Bor beim Abkühlen vor dem Abschrecken in den Austenitkorngrenzen ausseigeri. Zu diesem "'weck wird bei dem bekannten Verfahren das Rohr 3 bis 60 Minuten lang auf Temperaturen von 820 bis 1100⁰C gehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung so auszubilden, daß die erzielten Stahlwerkstoffe sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion durch Sulfide aufweisen. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Fachwelt stets davon ausgeht, daß Maßnahmen zum Erzielen einer hohen Festigkeit eine verschlechterte Beständigkeit des Stahlwerkstoffes gegen Spannungsrißkorrosion durch Sulfide zur Folge haben.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch ! angegebene Erfindung gelöst.

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Foitschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß durch die in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen der Borzusatz des Stahls in die Lage versetzt wird, seine volle Wirksamkeit unbehindert zu entfalten. Dadurch wird erreicht, daß das erfindungsgemäße Verfahrenserzeugnis sich ausgezeichnet durch eine gute Abschreckbeständigkeit, eine gute Bearbeitbarkeit, die für das Ausbilden von Gewindeabschnitten unbedingt erforderlich ist, und durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit.

Eine bevorzugte Zusammensetzung des beim erfindungsgemäßen Verfuhren verarbeiteten Stahlmaterials ist im Anspruch 2 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Ansicht eines Prüfkörpers aus dem auf erl'indungsgemäße Weise hergestellten Stahlwerkstoffes, der bei Untersuchungen der Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion in sulfidhaltigen Medien verwendet wurde.

Eine Legierungszusammensetzung des Röhrenstahls ist folgende:

Kohlenstoff 0,15 bis 0.50 Gew.-%

60 Silizium 0,1 bis l,0Gew.-%

Mangan 0,3 bis 1,5 Gew.-%

Aluminium 0,003 bis 0,10 Gew.· %

Bor 0,0005 bis 0,005 Gew.-%

p Stickstoff maximal 0,003

y Rest im wesentlichen Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.

U Die Gründe für die Wahl dieser Zusammensetzung sind folgende:

Kohlenstoff

Kohlenstoff ist eines der wirksamsten Bestandteile, um die Festigkeit eines Stahls zu erhöhen. Wenn der Kohlenstoffgehalt jedoch 0,5 Gew.-% übersteigt, zeigt der Stahl eine große Neigung zur Rißbildung beim Härten, auch wird es schwierig, den Kohlenstoff beim schnellen Aufheizen gleichmäßig in dem austenitischen Gefüge zu verteilen, was zur sogenannten »ungleichmäßigen Härtung« führt. Andererseits verliert der Stahl bei Kohlenstoffgehalten unter 0,i5 Gew.-% an Festigkeit und die Härtbarkeit wird erschwert Deshalb wurde der Kohlenstoffgehalt auf einer. Bereich von 0,15 bis 03 Gew.-% begrenzt

Silizium

Für eine bessere Desoxydation und einer Steigerung der Festigkeit des Stahls sind mindestens 0,1 Gew.-°/o Silizium erforderlich. Wenn jedoch ein Gehalt von 0,1 Gew.-% Silizium überschritten wird, nimmt der Zähigkeitsverlust des Stahls bedeutende Werte an. Deshalb wird der Siliziumgehalt auf einen Bereich zwischen 0,1 bis 1,0 Gew.-% begrenzt

Mangan

Mindestens 03 Gew.-% Mangan sind erforderlich, um die Festigkeit und Zähigkeit zu erhöhen und eine bessere Desoxydation des Stahls zu erreichen. Bei Gehalten über 1,5 Gew.-°/o Mangan tendiert der Stahl jedoch zunehmend zur Rißbildung beim Abkühlen während der Wärmebehandlung. Deshalb wird .yr Gehalt an Mangan auf einen Bereich zwischen 03 bis 1,5 Gew.-^0/o begrenzt

Aluminium

Aluminium ist ein starkes Desoxydationsmittel, mit Stickstoff zusammen werden Nitride gebildet, die eine Verbesserung der Zähigkeit bewirken. Außerdem wird es der Legierung zugesetzt, um einen für die Härtbarkeit nützlichen Borgehalt aufrechtzuerhalten. Weniger als 0,003 Gew.-% Aluminium sind wirkungslos, jedoch führen mehr als 0,1 Gew.-°/o Aluminium zu steigenden Aluminiumeinschlüssen, die den Stahl verspröden und zu Härterissen führen. Deshalb wird der Aluminiumgehalt auf einen Bereich zwischen 0,003 bis Cl Gew.-% begrenzt.

Bor

Ein sehr geringer Zusatz von Bor verbessert die Härtbarkeit des Stahls beträchtlich, v/obei für diesen Zweck mindestens 0,0005 Gew.-°/o erforderlich sind. Ein Borgehalt über 0,005 Gew.-% führt jedoch zu einem Absinken der Härtbarkeit und der Zähigkeit. Deshalb wird der Gehalt an Bor auf einen Bereich zwischen 0.0005 bis 0,005 Gew.-% beschränkt.

Stickstoff

Stickstoff gelangt während des Herstellungsprozesses des Stahls unbeabsichtigt in die Legierung. Um die Wirkung von Bor auf die Verbesserung der Härtbarkeit konstant zu halten, ist es notwendig, den Stickstoffgehalt auf unter 0,003 Gew.-% zu begrenzen. Wenn der Stickstotfgehalt 0.003 Gew.-% übersteigt, sinkt die Härtbarkeit sofort, was zu einem unvollständigen Härten und deshalb zu einer verminderten Korrosionsbeständigkeit führt.

Eine bevorzugte Legierungszusammensetzung beabsichtigt, durch Zugabe von einem der mehreren der Legierungselemente wie Chrom, Molybdän. Niob, Vanadium und Kupfer in bestimmten Gehaltsbereichen die Härtbarkeit und die Temperbeständigkeit des Stahls zu fördern und so die Vorteile der vorliegenden Erfindung noch zu steigern.

Chrom

Mindestens 0,05 Gew.-°/o Chrom sind erforderlich, um die Korrosions- und Temperbeständigkeit eines Stahls zu verbessern. Wenn der Gehalt von Chrom über 1.5 Gew.-% ar.*teigt, sind Nachteile hinsichtlich der Zähigkeitsabnahme und des Auftretens von Härterissen zu erwarten. Deshalb wird der Chromgehalt auf einen Bereich zwischen 0,05 bis 1,5 Gew.-% beschränkt.

Molybdän

Mindestens 0.05 Gew.-% Molybdän sind erforderlich, um eine Anlaßsprodigkeit zu verhindern und die Temperbeständigkeit eines Stahls zu verbessern. Wenn der Gehalt an Molybdän jedoch 0,1 Gew.-% übersteigt, hat der Stahl eine übermäßig hohe Festigkeit und eine beträchtlich abgesunkene Zähigkeit. Deshalb wird der Gehaltan Molybdän auf den Bereich zwischen 0,05 bis l,0Gew.-% beschränkt.

Niob, Vanadium «■-,

Sowohl Niob als au«-h Vanadium bewirken eine Feinkörnigkeit des Austenits und eine Verbesserung der Temncrbeständigkeit des Stahls. Diese Wirkungen treten auf bei 0.01 Gew.-% und mehr Niob oder Vanadium.

Wenn der Gehalt von Niob oder Vanadium jedoch 0,1 Gew.-% übersteigt, wird der Höhepunkt dieser günstigen Wirkung überschritten und die Zähigkeit bei weiter erhöhten Gehalten verringert. Deshalb wird d;r Gehalt an Niob oder Vanadium auf einen Bereich von 0,01 bis 1.0 Gew.-% beschränkt.

5 Kupfer

Nicht mehr als 0,015 Gew.-% Kupfer sind erforderlich, um die Korrosionsfestigkeit eines Stahls zu verbessern. Wenn der Kupfergehalt jedoch 0,5 Gew.-% übersteigt, neigt der Stahl bei hohen Temperaturen zur RiQbildung. Deshalb wird der Kupfergehalt auf einen Bereich von 0,05 bis 0,5 Gew.-°/o beschränkt.

ίο Nachdem der Röhrenstahl für Ölbohrungen mit der obengenannten Legierungszusammensetzung geschmolzen wurde, wird durch konventionelle Methoden ein Stahlrohr hergestellt. Die Temperaturen für die Wärmebehandlung werden abhängig von den entsprechenden Legierungsbestandteilen festgelegt.

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stahl wird im Induktionsofen auf eine Temperatur zwischen dem A,.|- und dem Acj-Umwandlungspunkt plus 50 K mit einer mittleren Aufheizgeschwindigkeil von

is I bis 30 K/s aufgeheizt. Speziell der Temperaturbereich vom A_irUmwandlungspunkt zum A_c)-Umwandlungspunkt plus 50 K übt einen entscheidenden Einfluß auf die Größe der Austenitkörner aus, und es ist beabsichtigt, durch rasches Aufheizen des Stahls in diesem Temperaturbereich eine feinere Kornausbildung zu erreichen. Wenn die Aufheizgeschwindigkeit weniger als 1 K/s beträgt, wird das Gefüge grobkörnig, die Zähigkeit sinkt, weiterhin neigen die groben Karbide während des nachfolgenden Anlassens zum Ausscheiden, wobei die Anlaßbeständigkeit geschwächt wird. Ein Anlassen bei hohen Temperaturen wird unmöglich und der Stahl neigt zur Ausbildung von Härterissen, was zu unannehmbaren Bedingungen führt. Wenn andererseits jedoch die Aufheizgeschwindigkeit 30 K/s überschreitet, erfolgt ein ungleichmäßiges Kristallwachstum, das eine gleichmäßige Ausbildung des Gefüges verhindert und unerwünscht ist. Deshalb wird in der vorliegenden Erfindung die Aufheizgeschwindigkeit auf einen Bereich zwischen 1 und 30 K/s beschränkt.

Es ist wünschenswert, daß die Temperatur, von der abgeschreckt wird, so hoch wie möglich innerhalb des Bereiches zwischen dem Umwandlungspunkt A_cj plus 50 K und der Anfangstemperatur des Kristallwachstums liegt. Der Stahl wird auf diesen Temperaturbereich weiter aufgeheizt und in Wasser oder öl abgeschreckt, nachdem sich ein vollständig austenitisches Gefüge ausgebildet hat.

Ein martensithaltiger Stahl, der auf diese Weise durch Abschrecken produziert wurde, kann korrosionsfest gemacht werden il'irch vollständiges Anlassen bei einer nicht oberhalb von A_ci liegenden Temperatur. Die inneren Spannungen, die durch das Abschrecken im Martensit auftreten, werden durch das A.-Iassen bei hohen Temperaturen abgebaut, und der Zementit wird kuglig, so daß der Stahl sowohl zäher wird aii. auch beständiger gegen Spannungskorrosion in sulfidhaltigen Medien.

Wie oben beschrieben, wird nach dem erfindungsgemäßen Vefahren die Legierungszusammensetzung des

Stahls begrenzt und der Wärmebehandlungsprozeß festgelegt, dabei wird ein Röhrenstahl für Ölbohrungen mit einer ausgezeichneten Festigkeit und Beständigkeit gegen Spannungskorrosion durch Sulfide erzielt.

Acht Typen von Stahlrohren für Ölbohrungen, entsprechend der vorliegenden Erfindung, wurden nach raschem Aufheizen durch Induktionsheizung abgeschreckt und danach im Induktionsofen oder im gasbefeuerte!! Ofen angelassen. Es wurden Versuche durchgeführt hinsichtlich der Bearbeitbarkeit, der Korrosionsbeständigkeit und dem Auftreten von Härterissen. Gleichzeitig wurden fünf andere Typen von Stahlrohren für Ölbohrungen, die die Anforderungen der vorliegenden Erfindung nicht erfüllen, denselben Prüfmethoden als Vergleichsproben unterworfen. Die Ergebnisse sind aus Tabelle 1 ersichtlich.

Tabelle 1

Si

Mn

Al

Cr

Mo

Nb

Cu

Ti

Wärmebehandlungs methoden A - B

Erfindungs-

gemäßer	0^1	0,31	1,46	0,011	0,009	0,035	0,0024	0.OD28
Stahl	032	0.24	Ul	0.026	0.009	0.031	0.0018	0.0016
1	031	0,26	136	0,018	0,011	0,086	0,0023	0.OD21
2	0,28	0,22	0,51	0,011	0,018	0,059	0,0009	0,0028
3	0,26	0,33	1,15	0,019	0,007	0,028	0,0031	O.O018
4	0,26	0,29	1.24	0,021	0,008	0,035	0,0021	0,0014
5	0,48	0,20	0,48	0,008	0,006	0,042	0,0034	O.O023
6	0,46	0,18	034	0,012	0,009	0,039	0,0029	0,0026
7
8
Vergleichs	0,26	Oil	1,18	0,016	0,010	0,031	0,0022	0,0064
stahl	0,29	0,24	1,31	0,019	0,00»	0,029	0,0021	0,0058
9	0,23	0,29	138	0,013	0,009	0,033	0,0022	0,0032
10 I 11 f	032	0,24	Ul	0,026	0,009	0,031	0,0018	0,0016
J 12
13

A Aufheizgeschwindigkeit (K/s) B Anlaßt« mperatur (° C) C Bearbeitbarkeit D KoiTosionsbeständigkeit E Absichreckrisse

0,94 0,21 - - -

- - 0.031 - -

_ _ _ 0,045 -

0,13 -

0,026

24	620	O	O	O	co
24	640	O	O	O
24	680	O	O	O	co
3	700	O	O	O	CJi
24	680	O	O	O	cn
24	680	O	O	O	co
12	660	O	O	O	O
12	680	O	O	O


0,7	580	O	X	O
0,7	660	X	O	X
24	670	χ	O	O
24	610	O	X	O
0,7	600	O	X	X

Zusätzlich wurde die Streckgrenze aller geprüfter Stahlrohre durch Einstellen der Tempertemperatur und -zeit auf 650 N/mm² eingestellt, und alle geprüften Stahlrohre wurden von einer Aufhei/temperatur von A_cj plus 150⁰C abgeschreckt. Die Abmessungen der geprüften Stahlrohre wurden einheitlich auf 140 mm Außendurchmesser und 11 mm Wandstärke festgelegt.

Die Bearbeitungszeit wurde folgendermaßen ausgewertet: Eine ausreichende Bearbeitbarkeit des Stahlrohres wurde attestiert, wenn die Standzeit eines Strehlers in einer gewöhnlichen Gewindeschneidmaschine mit rotierendem Schneidkopf 500 Zyklen überschreitet, was einer zweifachen Standzeit des Strehlers beim Bearbeiten der Stahlrohre aus dem Stand der Technik entspricht, und wenn keine durch nichtmetallische Einschlüsse verursachte Risse auf der bearbeiteten Oberfläche auftraten.

ίο Die Korrosionsbeständigkeit wurde wie folgt bestimmt: Genügende Korrosionsbeständigkeit wurde attestiert, wenn an einer dem zu prüfenden Stahlrohr entnommenen Probe von 11 mm Dicke und mit einem V-Kerb, wie aus der Zeichnung ersichtlich, die durch das Anziehen eines Bolzens mit Schraube 3 von 10 mm Durchmesser aus Kunstharz 2 verspannt und für 30 Tage in einer wäßrigen Lösung von gesättigtem Schwefelwasserstoff, die 0,5% Essigsäure und 5% Natriumchlorid enthält und einen pH-Wert von 3—4 aufweist, eingelagert wird, selbst

15 bei einer Belastung in Höhe der Streckgrenze des Rohres von 650 N/mm* keine Risse auftreten. Weiterhin wurde die Probe visuell auf Härterisse untersucht.

Wie aus Tab. 1 ersichtlich, ist der Vergleichsstahl Nr. 9 ein Beispiel dafür, daß. selbst wenn Bor im Stahl vorhanden ist, dieses Bor keinen wirksamen Beitrag zur Härtbarkeit des Stahis liefert, da gleichzeitig viel Stickstoff jedoch kein Titan enthalten ist. Deshalb bildet sich ein Mischgefüge aus Martensit und Bainit aus. Der

.»υ Siaiil kann >ciiicciH durch Härtung auf eine höhere Festigkeit gebracht werden, wobei es unmöglich ist, ein Hochtemperaturanlassen anzuwenden, um eine vorherbestimmte Festigkeit zu erhalten. Das daraus resultierende Niedrigtemperaturanlassen von 58O⁰C reicht zur vollständigen Bildung von Martensit nicht aus und die Aufheizgeschwindigkeit ist geringer als 1 K/s, was wiederum entscheidend die Korrosionsbeständigkeit vermindert. Weiterhin wurde am Vergleichsstahl Nr. 10, obwohl er sowohl Titan als auch Bor enthält, die Korrosionsbeständigkeit zwar verbessert, jedoch der Gehalt von nichtmetallischen Einschlüssen war sehr hoch, wobei die Bearbeitbarkeit verschlechtert und Härterisse festgestellt wurden.

Mit den erfindungsgemäßen Stählen Nr. 1 bis 8, in denen der Stickstoffgehalt reguliert und damit ohne Zusatz von Titan eine ausreichende Härtbarkeit gesichert wurde, und in denen durch rasches Aufheizen eine fein verteilte Abscheidung der Karbide während des Anlassens durch eine Feinkornbildurig im Material erleichtert wird, wurde es möglich, ein Anlassen bei hohen Temperaturen anzuwenden, um somit die Festigkeit zu stabilisieren; das wiederum erlaubt das Herstellen eines Röhrenstahls, der ausgezeichnet bearbeitbar ist, eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweist und nicht zu Härterissen neigt.

Aus dem obenerwähnten Beispiel ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren keine edlen Elemente, wie z. B. Titan, verwendet; es wurde vielmehr der Maximalgehalt an Stickstoff herabgesetzt und ein besonders einzigartiges Wärmebehandlung^. >_i fahren durchgeführt, wodurch die folgenden Vorteile erreicht werden.

a) Die Korrosionsbeständigkeit und im besonderen die Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion durch Sulfide wurde verbessert.

b) Die Bearbeitbarkeit wurde verbessert, so daß das Gewindeschneiden verbessert wurde. 40 c) Härteriss»· konnten vollständig vermieden werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Röhrenstahl für Ölbohrungen unter Verwendung stickstoffhaltigen Stahls mit 0,15 bis 0,5% Kohlenstoff, 0,1 bis 1,0% Silicium, 03 bis 1,5% Mangan, 0,003 bis 0,1% Aluminium und 0,0005 bis 0,005% Bor, bei welchem der Stahl von einer Aufheiztemperatur zwischen dem AcrUmwandlungspunkt plus 50 K und der Anfangstemperatur des Kristallwachstums abgeschreckt wird und der Stahl danach bei einer nicht oberhalb des Aci-Umwandlungspunktes liegenden Temperatur angelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß