DE3101319A1

DE3101319A1 - "verfahren zum kuehlen von stahlrohren"

Info

Publication number: DE3101319A1
Application number: DE19813101319
Authority: DE
Inventors: Etuji Kitakyushu Fukuoka Kajiki; Kazushi Maruyama; Heiji Fukuoka Morise; Kyohei Kitakyushu Fukuoka Murata; Haruyuki Nagayoshi; Yoichi Yazaki
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1980-01-16
Filing date: 1981-01-16
Publication date: 1981-11-19
Also published as: FR2473555B1; IT8119170A0; CA1169338A; JPS56108829A; JPS5853695B2; FR2473555A1; US4421575A; IT1135063B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von Stahlrohren mit einer Verbesserung des KühlVermögens des Kühlbetts, in_dem die angelassenen Rohre einer Zwangskühlung unterworfen werden und/oder die Knickfestigkeit oder die Zerfallsfestigkeit der Rohre ohne Erhöhung ihrer Zugfestigkeit verstärkt wird.

Zur Wärmebehandlung von Stahlrohren sind verschiedene Abschreckverfahren vorgeschlagen worden. Bei diesen werden die zunächst auf eine Temperatur über die Ac₃~Transformationstemperatur (z.B. 850⁰C) erhitzten Stahlrohre auf unter etwa 100°C abgekühlt, in dem die Rohre durch einen oder mehrere Ringköpfe geführt werden, die zum Versprühen von Kühlwasser mehrere Düsen aufweisen. Um den Zusatz von kostspieligen, die Härte erhöhenden Elementen zu verringern, erfordern diese Abschreckverfahren solche Techniken, die außerordentlich hohe Kühlkapazitäten sicherstellen können (beispielsweise mindestens 35 bis 4O°C/Sek. als mittlere Kühlgeschwindigkeit an der inneren Rohrwandungsfläche).

Hierfür sind verschiedene Techniken vorgeschlagen worden, bei denen der mittlere Wasserfluß mindestens 3 m³/min χ m² und der mittlere Wärmeübergangskoeffizient mindestens 8 000 kcal/m² . h . ⁰C betragen. Hier bedeutet der mittlere Wasserfluß die Wassermenge, die der Kühlzone zugeführt wird, dividiert durch die in der Kühlzone gekühlte äußere Ober-

fläche des Rohrs, d.h. der mittlere Wasserfluß q (m³/min . m ) kann als q = Q/tiDL ausgedrückt werden, wobei D (m) = Außendurchmesser des Rohrs L (m) = Länge der Kühlzone (oder des Rohrteils, der dem Wasser ausgesetzt ist),

Q (m /min) = Volumen des zugeführten Wassers.

L 130047/0603 -

1 q ist somit die Kühlwassermenge, die pro Zeiteinheit auf die Flächeneinheit der Rohraußenfläche aufgesprüht wird.

Bei diesem rüschen Abschrecken wird das Rohr wieder auf 5OO bis 700⁰C erwärmt, wo es zum sogenannten Tempern für einen kurzen Zeitreium gehalten wird. Dann kann sich das Rohr gewöhnlich auf dem Kühlbett sehr langsam bis auf etwa 100⁰C oder auf Umgebungstemperatur abkühlen, und zwar unter einer Bedingung analog zur natürlichen Konvektionskühlung. Dieses Abkühlen der getemperten Rohre auf dem Kühlbett erfordert jedoch einen langen Zeitraum, so daß eine Verbesserung der Kühlbettkapazität oder die Entwicklung eines neuen, effizienteren Kühlverfahrens erforderlich wird, um der jüngsten Nachfragesteigerung für qualitativ hochwertige, wärmebe-

¹⁵ handelte Rohre gerechb zu werden.

Wenn ferner die Zerfallfestigkeit des Rohrs durch geeignet gewählte Abkühlung nach dem Tempern erhöht werden kann, so ist ein derartiges Verfahren zur Herstellung von etwa Erd-

2° ölrohren bevorzugt, auf die sehr leicht ein hoher Druck

einwirkt. Zum Abkühlen von erwärmten Rohren sind verschiedene Verfahren entwickelt worden; der Zweck dieser Verfahren bestand jedoch nicht im Härten. So beschreiben beispielsweise die JP-PSen 94 416/79 und 34 667/70 Verfahren zum Kühlen erwärmter Rohre von innen. Zweck dieser Verfahren ist es, die Korngröße der Stahlrohrkristalle zu verkleinern oder die Korrosionsbeständigkeit des Rohrs zu verbessern, indem der Innendruck durch Einwirken einer kompressiv wirkenden Restzugspannung auf der Innenseite des Rohrs zu ver-

³^ mindern. Diese Verfahren können daher nicht die obigen Bedingungen erfüllen. Die JP-PS 80 211/79 beschreibt ein Verfahren zum Abkühlen eines Rohrs von außen. Dies bezieht sich ebenso wie die vorliegende Auffindung auf ein von außen einwirkendes Zwangskühlverfahren, wobei jedoch der Zweck dieses bekannten Verfahrens die Verkleinerung der Kristallkorngröße wie bei den vorstehenden zwei Innenkühlverfahren ist.

130-047/0503

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abkühlen getemperter Stahlrohre anzugeben, das in einem kurzen Zeitraum auf einem Kühlbett mit relativ kleiner Größe ausgeführt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Stahlrohre mit hoher Zerfallsfestigkeit oder Knickfestigkeit hergestellt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß zunächst das gehärtete Stahlrohr während eines bestimmten Seitraums auf einer Anlaßtemperatur gehalten, und dann wird das Rohr relativ rascher als bei den üblichen Verfahren abgekühlt. Insbesondere wird Kühlwasser mit einem mittleren Wasserfluß von mindestens 0,05 m³/min . m² und von höchstens 2 m³/min . m² auf die Außenfläche des Rohrs aufgesprüht, das in Richtung seiner Längsachse transportiert wird. Die Abkühlung beginnt bei einer Temperatur zwischen 400 und 700°C und endet zwischen der Umgebungstemperatur und 35O°C.

Eine derartig rasche Zwangskühlung ermöglicht eine Verringerung der Fläche des Kühlbetts und der Kühldauer.

Erfindungsgemäß beträgt die mittlere Kühlgeschwindigkeit von 5 bis 4O°C/Sek. Bei einer Abkühlung mit einer derarti-

sich
gen Geschwindigkeit entwickelt'auf deren Innenwandfläche des Rohrs eine Umfangsrestzugspannung, und dadurch verstärkt sich die Zerfallsfestigkeit des Rohrs.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für die Charakteristika beim Abkühlen nach dem Tempern im Vergleich mit dem üblichen Abschrecken ,

Fig. 2 eine Vorderansicht eines Kühlkopfes mit dem Ausstoß von Kühlwasser,

130047/0503

310131a

Fig. 3 Seitenansichten einer Kühlvorrichtung mit unterschiedlichem Ausstoß von Kühlwasser, und zwar mit flachen Sprühdüsen (Fig. 3a) und mit voll konischen Sprühdüsen (Fig. 3b),

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Größe der Restspannung, die vom Abkühlen nach dem Tempern herrührt, sowie die Auswirkungen der Kühlbedingungen,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Spannungsverteilung, die sich bei Einwirkung eines äußeren Drucks auf das Rohr einstellt, wobei die ümfangsdruckspannung über die Wanddicke des Rohrs von außen nach innen zunimmt ,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis (Abszisse) des Außendurchmessers zur Dicke des Stahlrohrs mit konstanter Festigkeit und

der Stärke des Zerfalldrucks (kg/cm² - Ordinate), 20

Fig. 7 graphische Darstellungen der Restspannungen, die sich durch die kontrollierte, erfindungsgemäßen Außenkühlung im Innern eines Rohrs ausbilden (die drei graphischen Darstellungen oben, in der Mitte und unten zeigen die Verteilung der Restspannung (kg/mm²) in Umfangsrichtung, axial bzw. in Dickenrichtung; in den drei Teilfiguren sind die Rohr wanddicke als Abszisse und die Restspannung in Umfangsrichtung, in Axialrichtung und in Dickenrich-

30 tung als Ordinate dargestellt.

Fig. 8 Mises'sche Ellipsen der Streckspannung für ein restspannungsfreies Rohr, sov/ie für die Umgebung der Innen- und Außenflächen eines Rohrs, das der erfindungsgemäßen, kontrollierten Außenkühlung unterworfen worden ist (die umfänglich einwirkende Spannung

130047/0503

Ι ist als Abszisse und die axial einwirkende Spannung

als Ordinate (jeweils in kg/mm²) aufgetragen),

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der scheinbaren Streckgrenze aufgrund der erfindungsgemäßen gesteuerten Außenkühlung und der durch den Außendruck hervorgerufenen Spannung an verschiedenen Teilen über die Rohrwandungsdicke hinweg (die Rohrwandungsdicke ist als Abszisse und die Streckgrenze oder die anliegende Speinnung als Ordi

nate aufgetragen) und

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Umfangsrestspannung an der Innenfläche und der Zerfallsfestigkeit (Die umfangsrestspannung an der Innenfläche (kg/mm²) ist als Abszisse und die Verhältnisse der Zerfallsfestigkeiten von Rohren, auf die verschiedene Restspannungen einwirken, zur 2erfallsfestigkeit eines restspannungsfreien Rohrs sind

20 als Ordinate aufgetragen.

Wie vorstehend ausgeführt, sind verschiedene Abschreckverfahren zum Härten untersucht und vorgeschlagen worden. Wenn überhaupt, ist allenfalls wenig über die Kühlcharakteristika nach dem Tempern berichtet worden. Experimentelle Vergleichsuntersuchungen im Rahmen der Erfindung führten zu den Kühlcharakteristika nach dem Tempern gemäß Fig. 1 im Vergleich mit dem Abkühlen zum Härten. Die gefundenen Ergebnisse, die nachstehend zusammengefaßt werden, zeigen die Notwendigkeit für die Entwicklung neuer Kühltechniken. Fig. 1 zeigt graphisch die Beziehung zwischen dem mittleren Wasserfluß und dem Index für die Kühlkapazität. Der Index der Kühlkapazität ist proportional zu dem mittlerem Wärmeleitungskoeffizienten multipliziert mit dem mittleren Durchmesser der Kühlsprühdüsen und dividiert durch die thermische Leitfähigkeit des Kühlmittels.

130047/0503

1 Man erhält die nachstehenden Charakteristika.

1. Beim Härtekühlen tritt zunächst das Filmsieden ein,

da das Kühlen bei hoher Temperatur ( ^* 35O°C) beginnt, so daß de j- Wärmeübergang für den gleichen Wasser fluß stärker eingeschränkt ist, als bei dem Kühlen nach dem Tempern.

2. Beim Kühlen nach dem Tempern überwiegt das Kernsieden (nuclear boiling), das einen guten Wärmeübergang ermöglicht, da die Anfangstemperatur niedrig liegt (zwischen 400 und 700⁰C). Daher kann ein hoher Wärmeübergang mit einer geringen Wassermenge erreicht werden.

3. in beiden Fällen wird die Wärmeübergangsrate fast gesättigt, wenn der Wasserfluß etwa 4 bis 5 m³/min . in² erreicht. Beim Kühlen nach dem Tempern wird der Wärmeübergang durch den Wasserfluß im Bereich von 0,5 bis

4 m³/min . m² nicht so stark beeinflußt. 20

4. Daher stellt das Kühlen nach dem Tempern technisch hohe Ansprüche, insbesondere hinsichtlich der Steuerung der Kühlgeschwindigkeit.

Gemäß Fig. 1 kommt die Kühlkapazität in die Sättigung, wenn der Wasserfluß 4 bis 5 m³/min . m² erreicht. In diesem Zusam menhang wurden im Rahmen der Erfindung Untersuchungen zur Einsparung von Wasser und Leistung der Motorpumpe gemacht. Diese Untersuchungen zeigen, daß bei Kühlbeginn mit einer Temperatur zwischen 400 und 700°C selbst bei großer Rohrwandungsstärke es ausreichend ist, die Kühlvorrichtung und deren Hilfseinrichtungen so zu gestalten, daß ein maximaler Wasserfluß von 2 m³/min . m² sichergestellt wird. Hierbei ist es vorteilhaft, nach dem Tempern eine Zwangskühlung vorzunehmen, um die Kühlkapazität des Kühlbetts zu erhöhen (wo bisher Luftkühlung vorgenommen worden ist). Diese gesteuer-

130047/0503

te Zwangskühlung nach dem Tempern sorgt für eine ausreichende Restspannung, was zu einer Erhöhung der Zerfallsfestigkeit führt.

Ferner hat sich gezeigt/ daß ein Wasserfluß von höchstens 1 m³/min . m² ausreicht, wenn die äußere Wasserkühlung nach dem Tempern auf übliche nahtlose oder andere Rohre mit einer Wanddicke von höchstens 25,4 ram zusätzlich zur oder anstelle der üblichen Luftkühlung auf dem Kühlbett angewendet wird.

Der untere Grenzwert für den mittleren Wasserfluß beträgt 0,05 m³/min . m². Um die Zerfallsfestigkeit durch Erteilung von Restspannungen zu erhöhen, sollte die aufgesprühte Kühlwassermenge nicht unter diesem Grenzwert liegen. Wenn der mittlere Viasserfluß diesen Viert nicht erreicht, kann auch die Kühlbettkapazität nicht erhöht werden.

Bei einem im Rahmen der Erfindung durchgeführten Versuch wurden getemperte Stahlrohre durcn/Kalibrierwarmwalzwerk hindurchgeführt, das unmittelbar im Anschluß an einen Anlaßofen vorgesehen war; danach wurden diese Stahlrohre erfindungsgemäß abgekühlt. Die erhaltenen Rohre waren besser geformt als die nach dem üblichen Verfahren ähnlich dem natürliehen Konfektionskühlen auf dem Kühlbett abgekühlten Rohren, wobei kein Ausrichten und Entspannungsanlassen erforderlich sind (oder Beseitigen der beim Ausrichten entwickelten Restspannung).

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens mit einem oder mehreren Ringköpfen 3, die entlang der Längsachse des Rohrs 4 angeordnet sind und jeweils einen Satz Düsen, z.B. 2 oder 3, aufweisen, die auf einem Umfang konzentrisch zum Rohr 4 in regelmäßigen Abständen, jedoch versetzt zu den Düsen eines anderen Ringkopfes angeordnet sind. Die Düsen 2 an dem vor-

130047/0503

deren Kopf und das aus diesen abgegebene Kühlwasser 5 sind mit durchgezogenen Linien eingezeichnet, während die Düsen 3 an einem weiter hinten liegenden Kopf und das dort austretende Kühlwasser 6 gestrichelt eingezeichnet sind. Vorzugs-

5 weise sind innerhalb des Kopfes 1 Ausrichtschaufeln oder -flügel vorgesehen, die jedoch in der Figur nicht dargestellt sind.

Aus den Düsen wird das Kühlwasser entweder in Form eines

Schirms oder relativ großer Tropfen ausgeworfen. Ferner können entweder ausschließlich Wasser oder ein verstäubtes Gemisch von viasser und Luft versprüht werden. Selbst in Falle eines zerstäubten Luft-Wasser-Gemisches wird die Kühlkapazität im wesentlichen durch den mittleren Wasserfluß bestimmt.

Unabhängig von der Art der Abgabe sichert dieses Verfahren eine hohe Kühlkapazität, da, wie vorstehend ausgeführt, die Abkühlung bei einer Temperatur beginnt, die unterhalb der beim üblichen Härtungskühlen liegt, und das Kernsieden überwiegt. Da die Dampfschicht instabil ist, muß der Düsenüberdruck ebenfalls nicht höher als 3 kg/cm² liegen. Jeder höhere Düsendruck beinhaltet eine Energievergeudung. Die Fig. 3a und 3b zeigen Seitenansichten mit den Sprühbedingungen bei der Kühlvorrichtung. Goinüß Fig. 3a sprüht eine flache Düse 7 einen schirmartigen Strom von Kühlwasser 9 gegen ein zu kühlendes Rohr 8. Nach dem Auftreffen auf dem Rohr 8 fließt das Kühlwasser entlang dessen Oberfläche, wie durch das Bezugszeichen 10 angedeutet. Gemäß Fig. 3b sprüht eine Vollkonus-Düse 7 fein verstäubte Tröpfchen des Kühlwassers 11.

Im Rahmen der Erfindung sind ferner umfangreiche Untersuchungen hinsichtlich der Auswirkungen der Zwangswasserkühlung nach dem Tempern auf die Eigenschaften wärmebehandelter Stahlrohr durchgeführt worden. Dabei hat sich ergeben, daß die Zwangswasserkühlung zu einer Umfangs-Restzugspannung sowie zu Restdruckspannungen an der Innen- bzw. der Außen-

130047/0503

^Γ -10-

seite des Rohrs führt, und daß diese Spannungen mit der Kühlintensität variieren. Ein typisches Beispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Ferner hat sich gezeigt, daß die Restspannungen durch variieren der Kühlintensität gesteuert werden können, indem man einen Vorteil aus der Tatsache zieht, daß sich die Kühlkapazität gemäß Fig. 1 mit dem mittleren Wasserfluß (oder der mittleren Wärmeübergangsrate) ändert.

Bei Stahlrohren, die sich auf dem Kühlbett ähnlich dem Kühlen durch natürliche Konvektion langsam abkühlen können, ergeben sich keine größeren Restspannungen als etwa 5 kg/mm² (raeist sind dies Zugspannungen, jedoch sind dies in einigen Fällen auch Kompressions- oder Druckspannungen).

Jedenfalls üben derartige begrenzte Spannungen praktisch keinerlei Wirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Rohrs aus.

Wenn sich in Umfangsrichtung eines Rohrs eine Zugrestspannung ausbildet, so zeigt sich, daß sich die Zerfallsfes cigkeit des Rohrs ohne Erhöhung der Festigkeit des Stahls selbst erhöht. Derartige Rohre mit erhöhter Zerfallsfestigkeit können möglicherweise besonders wirkungsvoll in tiefen Ölbohrlöchern bei hohem Druck und hoher Korrosion, die in den letzten Jahren ausgebaut worden sind, und bei anderen ähnlich schwierigen Einsatzgebieten angewendet werden.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Untersuchungen und Experimente mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kühlen nach dem Tempern zur Herstellung von Stahlrohren mit hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Zerfallsfestigkeit durchgeführt worden. Dabei hat sich gezeigt, daß übermäßige Kühlung nach dem Terapern (Anlassen) zu einer großen Restzugspannung entlang dem Umfang der Innenfläche führt. Gleichzeitig verbleibt jedoch auf der Außenfläche eine große Druckspannung. Daher wird die Zerfallsfestigkeit (Knick-

L J

130047/0503

- 11 ¹ festigkeit) des gesamten Rohrs nicht erhöht.

Erfindungsgemäß kann die Zerfallsfestigkeit des gesamten Rohrs dadurch erhöht werden, indem die mittlere Kühlgeschwindigkei L. auf der Innenfläche des Rohrs (zwischen der Temperatur, Lei der die Wasserkühlung sowie die Kühlung mit dem zerstäubten Gemisch aus Wasser und Luft beginnt, und 350⁰C) im Bereich von 5 bis 4O°C/Sek. gehalten und die Temperatur, bei der die Kühlung endet, gesteuert wird. 10

Bei Einwirken eines Außendrucks auf ein Stahlrohr entwickelt sich auf dem Umfang eine Druckspannung gemäß Fig. 5. Diese Druckspannung ist größer auf der inneren Wandungsseite als auf der äußeren Wandungsseite, wobei der Unterschied mit der Zunahme der Rohrwandungsdicke ebenfalls zunimmt.

oder Zerfall
Unter Knicken/vorsteht man ein Phänomen, bei dem ein Rohr unter der Einwirkung eines äußeren Drucks ausbeult oder knickt. Insbesondere gibt es zwei Knickbereiche, und zwar einen elastischen Knickbereich und einen Streckknickbereich (vgl. Fig. 6). Im elastischen Knickbereich erfolgt das Ausbeulen, bevor sich der Stahl unter der'kombinierten Wirkung des Verhältnisses der Rohrwandungsdicke zum Aussendurchmesser und der Streckgrenze des Stahls streckt. Im Streckknickbereich erfolgt das Ausbeulen nach dem Strecken (Fließen). In diesem Bereich fließt das Material fortschreitend von der Innenfläche zur Außenfläche, wobei der Widerstand gegen Deformation in dem beeinflußten Bereich bemerkenswert langsam wächst. Daher fällt die Steifigkeit des gesamten Rohrs gegen äußeren Druck ebenfalls ab und führt zu einem Knick.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Erhöhung der Knickfestigkeit im Streckknickbereich ausgenutzt werden. Wenn nach dem Anlassen Wasser oder ein Gemisch von Wasser und Luft von außen aufgesprüht wird, ergeben sich Restzug- und

1 30047/0503

Restdruckspannungen auf der Innen- bzw. Außenseite des Rohrs gemäß Fig. 7. Diese Kombination der Spannungen erhöht die Streckgrenze des Rohrs gegen äußeren Druck. Daher erreicht das gleiche Rohr eine größere Steifigkeit gegen einen höheren äußeren Druck und gewinnt daher eine höhere Knickfestigkeit als bei .restspannungsfreien Rohren.

Wie nachstehend näher erläutert wird, können die Restspannungen die Streckgrenze gegen äußeren Druck lediglich innerhalb eines bestimmten begrenzten Bereichs erhöhen. In diesem Zusammenhang besteht ein erfindungsgemäßer Hauptvorteil darin, daß die Restspannungen in der gewünschten Weise kontrolliert werden können.

in den nachstehenden Abschnitten werden der Bereich und die Auswirkungen der Restspannungen erläutert, wo die äußere, kontrollierte Wasserkühlung gemäß der Erfindung eine hohe Knickfestigkeit erzeugen kann.

Die sich aus der äußeren V7asserkühlung ergebende Restspannungsverteilung (Fig. 7) zeigt zwei Charakteristika:

a) Sowohl die Restzugspannung auf der Innenfläche als auch die Restdruckspiinnung auf der Außenfläche ändern sich

25 über die Dicke des Rohrs hinweg linear;

b) Die Restspannungen in Umfangs- und Axialrichtung sind im wesentlichen hinsichtlich ihrer Größe und ihres Musters gleich.

■30 Ferner erstreckt sich praktisch keine Restspannung in Dickenrichtung. Daher kann die Streckbedingung (Fließbedingung) des Stahls auf der Basis der Mises'schen Ellipse für die biaxiale Streckspannung betrachtet werden. Fig. 8 vergleicht die Mises'sche Ellipsen der Streckdehnung für ein angelassenes Stahlrohr, das einer äußeren Kühlung unterworfen worden ist, mit der eines angelassenen, restspannungsfreien Stahlrohrs .

130047/0503

Wenn die axiale Restspannung und die Umfangsrestspannung gleich sind, wie mit dem erfindungsgemäßen Außenkühlen, bewegt sich das Zentrum der Streckellipse entlang einer Linie d, die den ersten und den dritten Quadranten in Fig. 8 anterteilt. Wenn b ' ispielswei.se auf der Innenfläche eines Rohrs die Restzugspa-inung 1O kg/mm² beträgt, so kann das Zentrum der Streckellipse für diesen Teil durch die Koordinaten (-10, -10) ausgedrückt werden. Bewegt man die Streckelliose c für ein restspannungsfreies Rohr entlang ihrer größeren Achse in Richtung des dritten Quadranten um einen Wert, der um das -yZ-fache größer ist als die Restspannung, so erhält man eine Streckellipse a für ein Rohr mit einer axialen Restzugspannung und einer Umfangs-Restzugspannung. In ähnlicher Weise erhält man bei Bewegen der gleichen Streckellipse c in die entgegengeseLz te Richtung oder in den ersten Quadranten um den gleichen Betrag eine Streckellipse b für ein Rohr mit axialer Druckrestspannung und Umfangs-Restdruckspannung In dem Rohr, auf das ein äußerer Druck einwirkt, bildet sich eine Spannung in Richtung des Pfeils (OP) aus. Daher nimmt die Streckgrenze des von außen gekühlten Rohrs auf der Innenseite um einen Betrag Λ zu, während sich die Streckgrenze auf der Außenseite um den Betrag B vermindert. Die Abnahme gleicht daher die Zunahme aus, so daß sich keinerlei Vorteil ergibt. Tatsächlich ist jedoch die durch den Außendruck hervorge-

25 rufene Umfangs-Druckspannung größer auf der Innenseite als auf der Außenseite. Daher kann gemäß Fig. 9 die negative Wirkung der Restspannung auf der Außenseite durch die Verteilung der anliegenden Spannung kompensiert v/erden. Wenn jedoch aufgrund einer übermäßigen Kühlung sich eine große

Restspannung entwickelt, so fällt die Streckgrenze unter den Wert der restspannungsfreien Rohre. Dies bedeutet, daß die Restspannung in einem bestimmten geeigneten Bereich gehalten werden sollte, der mit dem Verhältnis des Rohraußendurchmessers zur Rohrdicke variiert. Bei den bei der Erdölgewinnung gegenwärtig eingesetzten Rohre liegt die geeignete Restspannung im Bereich von 10 bis 15 kg/mm².

130047/0503

Um eine derartige Restspannung zu erzielen, sollte die mittlere Kühlgeschwindigkeit vorzugsweise in den nachstehenden Bereich fallen:

Wenn die mittlere Kühlgeschwindigkeit nicht höher als 5°C/Sek. ist, ist die erhaltene Restspannung zu klein. Wenn die mittlere Kühlgeschwindigkeit 4O°C/Sek. übersteigt, wird die Restspannung zu groß. In jedem Fall erhöht sich die Knickfestigkeit des gesamten Rohrs nicht. Die geeignete Kühlgeschwindigkeit und die Kühlendtemperatur hängen von der mittleren Kühlgeschwindigkeit, der chemischen Zusammensetzung, den Abmessungen des Rohrs sowie anderen Faktoren ab. Dabei sollte sichergestellt werden, daß die Restspannung nicht durch die Glühentspannung geändert wird, die bei dem Luftkühlen nach dem Wasserzwangskühlen auftritt; ferner sollte sichergestellt werden, daß das Rohr sich während der Luftkühlung aufgrund partieller Temperaturdifferenzen nicht verformt. Empirisch sollte unter Berücksichtigung aller Gegebenheiten der obere Grenzwert für die Kühlendtemperatur bei 35O°C liegen.

Die erfindungsgemäße, kontrollierte Kühlung erfolgt hinter dem Anlaßofen oder bei Verwendung eines Kalibrierwarmwalzwerks zwischen einem Anlaßofen und einem Kühlbett, vorzugsweise hinter dem Kalibrierwalzwerk. Bei im Rahmen der Erfindung durchgeführten Versuchen differierten jedoch die Verteilung und die Größe der Restspannungen der Rohre selbst dann nur in geringem Maße, wenn die gleiche gesteuerte Kühlung zwischen dom Anlaßofen und dem Kalibrierwalzwerk erfolgte, soweit die relative Verringerung des Rohraußendurchmessers auf dem Kalibrierwalzwerk bei etwa 2 bis 3 % verblieb. Ferner wurde die Anwendung der gleichen kontrollierten Kühlung innerhalb des Kalibrierwalzwerks untersucht. Es war jedoch außerordentlich schwierig, die Kühlwirkung

und damit die Restspannungen zu kontrollieren. 35

130047/0603

¹ Ein Ausrichten nach dem kontrollierten Kühlen verursacht möglicherweise eine Änderung der Restspannungsverteilung in dem Rohr. So kann beispielsweise die Umfangs-Restzugspannung auf der Innenfleiche sich zu einer Restdruckspan-5 nung ändern, naher sollte das Richten, insbesondere der

Hauptrichtgang, vermieden werden. Bei einem derartig stark eingeschränkten oder praktisch verbotenen Richten sollte eine besondere Sorgfalt darauf verwendet werden, das Auftreten von unregelmäßigen Wandungsdickenverteilungen bein ^O Warmwalzen und Fornion und oinc unregelmäßige TemperaLurverteilung im Anlaßofen zu verhindern, sowie eine gleichförmige, kontrollierte Kühlung vorzunehmen, so daß sich keine Formunregelmäß igke.i. ten ergeben.

Es hat sich gezeigt, daß die Kühlvorrichtung mit der Hilfseinrichtung zur Sicherstellung eines maximalen, mittleren Wasserflusses von 2 m³/min . ra² für die kontrollierte Kühlung nach dem Anlassen ebenfalls ausreichend ist.

Die Untersuchungen mit: gleichförmig kontrollierter Kühlung zeigen, daß beim Versprühen von zerstäubtem Wasser allein oder eines Wasser-Luft -Goiiii.seiles aus einem vollen Konus oder anderen ähnlichen Dih-.on zu einer höheren Gleichförmigkeit und zu einer besseren Kontrollierbarkeit der Kühlwirkung führen, als bei sch.Lrmartigem Versprühen oder in Tropfenform durch flache oder andere ähnliche Düsen.

Da der Dampffilm instabil und der Wasserfluß gering ist, beeinflußt letzterer die Kapazität des erfindungsgemäßen, ³^ kontrollierten Kühlverfahrens sehr stark. Daher muß der Abgabedruck für das Kühlwasser nicht sehr hoch sein. Daher sollte die Kühlvorrichtung so ausgebildet sein, daß ein maximaler Abgabeüberdruck von 3 kg/cm² sichergestellt ist,

der jedoch von dem Düsentyp und dem Abgabemodus abhängt. 35

13 0 0 47/0503

γ ι

- 16 -

In den nachstehenden Abschnitten wird beispielhaft die erfindungsgemäße Herstellung von hochknickfesten Stahlrohren erläutert.

Gehärtete Rohrproben werden für 30 Hinuten bei einer Anlaßtemperatur gehalten und dann unter verschiedenen Bedingungen unter Verwendung einer äußeren Kühlvorrichtung abgekühlt, die an der Auslaßseite eines Anlaßofens angeordnet ist. Die verwendeten Wasserkühldüsen sind gemäß Fig. 3b voll konisch.

Die Tabelle I gibt die Abmessungen, die Festigkeit (API-Dehngrenze) sowie die chemische Zusammensetzung der Rohrproben an. Die Tabelle II gibt die Kühlbedingungen, die Restdehnungen sowie die Knickfestigkeiten der Rohrproben an, die unter den verschiedenen Bedingungen abgekühlt bzw. nach dem

15 Kühlen in einer Richtwalze bearbeitet worden sind.

130047/0503

σι

Tabelle I
Abmessungen, Festigkeit und chemische Zusammensetzung der Rohrproben

Abmessungen	Wand dicke	Festigkeit	C	Si	Chemise	he Zusammensetzung (%)	S	Ti	B
Außendurch messer	10,4 ^m	(API- Dehngrenze)	0,18	0,27	Mn	ρ	0,012	0,038	0 ,0012
178,0™	- , ic er/TjE² 60 - b4 -		1,50	0,015

O CTT O OJ

ω αϊ

Ν5

cn

co O O

O cn O

Tabelle II Kühlbedingungen, Restdehnung und Knickfestxgkeit

Pro- ben- Nr.	luftgekühlt nach dem An lassen	Äußere Kühlbedingung	Kühlan- fangs- temp. (⁰C)	Abgabe über druck (kg/cm² )	mittlere Kühlge schwin digkeit * (°C/Sek.)	Kühl- end- temp. (⁰C)	Rohreigenschaften	Knickfe stxgkeit (kg/cm²)	Knickfe stigkeits- verhältnis
1	Äußere Was serkühlung nach dem Anlassen	mittlerer Wasser fluß (m³ /min .m²)	670	-	-	-	Innere Um- fangs-Rest- spannung (kg/mm²)	654	1
2	Äußere Was serkühlung nach dem An lassen mit anschließen dem Richt walzen	-	11	0,5	20,0	365	0	713	1,09
3	0,150	It	Il	24,4	286		759	1,16
4	0,194	Il	Il	25,3	315	11	706	1,08
5	It	U	I!	25,8	343	13	759	1,16
6	Il	It	It	30,2	256	14	680	1,04
7	0,312	tt	Il	29,8	212	21	667	1,02
8	M	II	Il	43,6	175	23	556	0,85
9	0,453	11	Il	42,8	143	28	582	0,89
10	tt	ti	Il	42,2	102	31	517	0,79
11	It	It	Il	24,2	277	32	602	0,92
12	0,194	II	Il	24,8	309	-5	562	0,86
13	It	II	Il	25,4	338	-9	549	0,84
14	It	II	It	32,3	109	-11	504	0,77
15	0,388	II	Il	33,0	133	-11	543	0,83
	It	-11,5

*) Mittlere Kühlgeschwindigkeit von 650 bis 35O⁰C (an der Innenseite)

. CD

Als Knickfestigkeitsverhältnis in der am weitesten rechten Spalte ist der Wert verglichen mit der Basiszahl (1) für das restspannungsfreie Rohr und repräsentiert die Auswirkung der anliegenden Restspannung. Die Probe Nr. 1 wurde nach dem bekannten' Verfahren abgekühlt, während die Proben-K'r. 2 bis 10 erfindungsgcniäß gekühlt: wurden. Die Proben Nr. 11 bis 15 wurden zum Vergleich richtgewalzt.

D i.e Fig. 10 zeigt die He/.iehung zwischen dem Knickfestig- ^O keitsverhältnis und der Restspannung. Die Knickfestigkeit erreicht den maximalen Wert, wenn die Umfanv7S-Restzugspannuncj an der Innenfläche von 10 bis 15 kg/mm² beträgt.

Das erfindungsgemße Kühlverfahren ist besonders wirkungsvoll bei Stahlrohren, deren Dicke/Außendurchmesser-Verhältnis etwa von 12 bis 30, vorzugsweise von 15 bis 25 beträgt. Damit ist das erfindung.sgemäße Verfahren im besonderem Maße bei Rohrprodukten für die Erdölgewinnung, für Rohrleitungen und dergl. geeignet. Ferner sind die Stähle, auf die das erfindungsgeiviäße Verfahren anwendbar ist, getempert, gehärtet und getempert oder normal__geglüht und getempert.

130047/0503

Claims

VOSSIUS-VOSSIUS- TA UCH N Ei R · HEUNEMAN N · RAUH PATENTANWÄLTE SIEBERTSTRASSE 4 · 8OOO MÜNCHEN B6 · PHONE: (O89) 474O75 CABLE: B ENZOLPATENT MDNCHEN ■ TELEX 5-29 4-5 3 VOPAT D u.Z.: P 959 (He/IG) 16. Januar 1981 Case: NIPPON STEEL CORPORATION, Tokio, Japan " Verfahren zum Kühlen von Stahlrohren " Patent _a_ n_ s ρ r ü ο h ο

1. Verfahren zum Kühlen geh.'irl el rr IM ahl rohre, nach_dem das Rohr über einen bestimmten Zeitraum nuf einer Anlnß-

20 I empor al. ur gehalten worden 1st , <j e k e η η ν. e 1 c h η e t ■ Im eh

a) Aufsprühen von Kühlw.iüsci von außen aiii die Außenfläche dos in der Richtung seiner l.an<j:;ael)i;e transport ic>r ten Rohrs mit einer Sprührate von 0,0'S bis 2 m³/min χ m² , ²⁵ b) Beginn des Abkühlvorgangs bei einer Rohrtemperatur von

400 bis 70O⁰C und durch

c) Fortsetzen des Kühlvorgangs bis die Rohrtemperatur auf Umgebungstemperatur bis 35O°C abgefallen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlgeschwindigkeit von 5 bis 40°C/Sek. beträgt.

^L 130047^0503