Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahl mit hoher
Zähigkeit und ausgezeichneter Resistenz gegen Sauergas-
Korrosion der geeignet ist zur Herstellung von widerstandsge schweißten Stahlrohren (ERV/-Rohre). Insbesondere hat der
Stahl ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen die Rißbildung, die durch Kontakt mit feuchtem Schwefelwasserstoff verursacht
v/erden kann, was beim Bohren nach Erdöl- oder Erdgas-Lagern und der dann folgenden Förderung wichtig ist« Der
Stahl hat auch eine hervorragende Tieftemperaturzähigkeit.
Erdöl und Erdgas, wie sie in den vergangenen Jahren gefördert
wurden, enthalten Schwefelwasserstoff , und wenn zusätzlich Seewasser oder Frischwasser einwirkt, wird der Stahl
von Rohren durch Korrosion an der Oberfläche abgebaut (gedünnt); es wird, dabei V/asserstoff frei, der in den Stahl
eindringt und zu verstärkter Rißbildung führt. Daraus ergeben sich viele Probleme. Solche Risse unterscheiden sich von ,
Sulphid-Spannungs-Rissen, die man in hochfesten Stählen kennt; ihr Auftreten kann sogar dann festgestellt werden,
wenn .gar keine äußere Spannung anliegt.
Dieser Typ von Rissen v/ird durch den Hp - Gasdruck verursacht, welcher durch Ansammlung und Vergasung von Hp
erzeugt wird. Dieses Hp stammt aus dem Grenzbereich zwischen
Stahlmatrix und Sulfideinschlüssen vom JIS-A Typ, z.B. MnS,
in
wie sie als/Walzrichtung gestreckte Einschlüsse vorkommen.
JIS A Sulfid-Einschlüsse, z.B. MnS, haben eine Kerbwirkung und dienen so als Keime für Risse; die so verursachten
Risse bilden sich parallel zur Blechebene aus, sie verbinden sich dann in Richtung senkrecht zur Blechebene. Solche Risse
werden in folgenden als wasserstoffinduzierte Risse bezeichnet.
Es wurden bisher verschiedene Untersuchungen an Stählen durchgeführt, die resistent gegen die wasserstoffinduzierten
Risse sind, und viele entsprechende Stähle wurden empfohlen. Es v/erden Zusatzelemente wie Cu und Co zur Behinderung der
Rißbildung vorgeschlagen; ferner reduziert man den S-Gehalt auf extrem niedrige tferte, um den MnS-Gehalt zu verringern
oder man bindet S durch Zugabe von Elementen wie Ca oder seltene Erden; vgl. JP-A-57-1.6184 und JP-A-57-17065. Danach
wurden Stähle entwickelt, die unter mäßig strengen Bedingungen ausreichend beständig sind.
Derzeit werden EEW-Eohre durch Formen von warm aufgehaspelten
Blechen und durch Widerstandsverschweißen (ERV/) hergestellt. Im Gegensatz zum Stahlblech hat daher ein ERW-Rohr einen
geschweißten Bereich und eine durch Schweißen wärmebehandelte Zone.
Die Resistenz des Stahles gegen Sauergas-Korrosion in und nahe der geschweiften Zone ist bisher kaum untersucht worden,
weil man im Falle von sogenannten Einstreifen-ERW-Rohren Msher^-nnahm, da 1 die Säurebeständigkeit der Schweißzone
und ihrer Umgebung zufriedenstellend sei. Bei diesen Rohren werden nur die Kanten vom Bandstahl durch Widerstandsschweißung
verbunden. Die Anreicherungen der JIS-A Sulfide, wie MnS, liegen jedoch beim Blockguß im Bereich der V- und umgekehrten V-Segregation,
beim Strangguß im Bereich der Mittensegregation. Dementsprechend findet man solche Einschlüsse kaum an den Kanten des
Stahlbleches. Ein weiterer Grund ist , daß es fast keine
Mikrosegregation von-Mn und P an den Kanten gibt (die auch
die Bildung von Rissen parallel zur Blechebene beschleunigt), da solche Mikrosegregationen ebenfalls dort stattfinden, wo
sich die JIS-A Sulfide bilden.
Andererseits kann die wasserstoffinduzierte Rißbildung im Falle von sogenannten haspelgeteilten BRW-Rohren auftreten,
v/o das Blech einer Haspel in Breitenrichtung in mehrere Streifen aufgeteilt wird, und wo eine oder beide zu schweißende
Kanten aus dem Bereich der V- oder der Mittensegregation stammen können, die sehr anfällig für die wasserstoffindu- '
zierte Rißbildung sind. In diesem Fall kann man eine Verminderung der Rißbildung nur durch die Reduzierung der Menge
der JIS-A Sulfide oder durch Behinderung der Mikrosegregation
erreichen.
im Gegensatz dazu haben die Erfinder nach ausführlichen
Untersuchungen der Resistenz gegen Sauergas-Korrosion der geschweißten Zone von ERVZ-Rohren gefunden, daß sich wasserstoffinduzierte
Risse manchmal auch ohne Hilfe von Sulfideinschlüssen wie MnS bilden können; sie können dann im
geschweißten Gebiet senkrecht zur Blechebene wachsen, und dies geschieht ganz im Gegensatz zu dem Verhalten in den
nicht geschweißten Blechgebieten. Ferner haben sie gefunden, daß es auch im ?:.lle von Einstreifenblechen, wo die Mikrosegregation
an den Kanten selten ist, zu wasserstoffinduziert er Rißbildung konunt. Diese Art der Rißbildung war bisher
unbekannt. Sie bildet ein Problem, das ähnlich ernst oder noch wichtiger als das der oberflächenparallelen
wasserstoffinduzierten Risse im 31ech ist. Ferner wurde gefunden,
daß derartige Risse auch in ERW--Rohren aus Stählen auftreten, bei denen die herkömmlichen Maßnahmen gegen
v/asserstoffinauzierte Risse getroffen worden waren. Diese
Risse können auf herkömmliche V/eise nicht verhindert v/erden.
Andererseits haben sich die geographischen Gebiete, in denen Erdöl und Erdgas gefördert werden, in den letzten Jahren
in extrem kalte Gebiete wie Alaska, Sowjetunion und Nordmeer
verlagert. Die dort zu verwendenden Rohrleitungen müssen im Grundmaterial und in den geschweißten Zonen eine hervorragende
Tieftemperaturzähigkeit haben; d.h. daß Resistenz gegen Sauergas-Xorrosion in Kombination mit der Tieftemperaturzähigkeit
gefordert wird, wenn Schwefelwasserstoffe
in den zu fördernden Flüssigprodukten enthalten sind.
*3'54*
In einem SRW-Rohr hat der geschweißte Teil gewöhnlich eine
schlechtere Zähigkeit als das Grundmaterial. Daher sind viele Untersuchungen über die Herstellung von ERW-Rohren
mit ausgezeichneter Zähigkeit, auch im geschweißten Teil, durchgeführt worden$ es sind in diesem Zusammenhang etliche
Methoden und Stahlrohre vorgeschlagen worden; vgl. JP-A-54-136512,
JP-A-57-140823, JP-B-58-53707 und JP-B-58-53708.
Dort wird vorgeschlagen, die Zähigkeit
von Blechen zu verbessern durch die Begrenzung der End- und Haspeltemperatur beim Warmwalzen, die Begrenzung der Abkühlgeschwindigkeit
nach der Rohrherstellung zur Steuerung der Korngröße, die Verringerung des im Stahl gelösten Stickstoffs
und eine Methode zur Kornfeinung durch Zugabe von Nb oder V. Folglich sind bis heute SRV/- Rohre mit hinreichend guter
Zähigkeit entwickelt worden, indem obige Methoden angewendet wurden. Diese SRVi-Ro hre sind jedoch für den Gebrauch in
gewöhnlicher Umgebung gedacht und nicht für Anwendung in sogenannter Sauergas-Ungebung und bei Auftreten von Schwefelwasserstoff
und v/asser.
Nach ausführlichen Untersuchungen auch über die Zähigkeit
der geschweißten Zone des ER-.'/-Rohr es, wurde
gefunden, daS die geschweifte Zone eines säurefesten SRW-Rohres
in mehrfacherHinsicht deutlich schlechter ist als das Grundmaterial; auch wurde gefunden, daß ein solches
Stahlrohr nicht durch die oben genannten herkömmlichen Methoden verbessert werden kann.
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Als Ergebnis weiterer Untersuchungen in Richtung auf die Entwicklung neuer SRVZ-Rohre, die eine ausgezeichnete
Widerstandsfähigkeit gegen diesen neuen Typ von wasserstoff induzier ten Rissen senkrecht zur Blechebene und
außerdem eine besonders gute Zähigkeit haben sollten, wurde festgestellt, daß der Grund für das Auftreten
wasserstoffinduzierter Risse und die Erniedrigung der Zähigkeit im geschweißten Teil der SRW-Rohre in flachen
in
Oxideinschlüssen besteht, die/der geschweißten Zone und in den angrenzenden wärmebehandelten Bereichen, etwa 100 um
zu beiden Seiten, vorliegen. Es wurde ferner gefunden, daß diese flachen Oxideinschlüsse im Bereich bis zu 100 pn
um die Schweißzone herum als Keime für wasserstoffinduzierte Risse wirken, wenn ihre Ausdehnung in Blechdickenrichtung
mehr als doppelt so groß ist als in den anderen Richtungen und wenn ihr Durchmesser größer als 10 ym ist. Wenn darüber
hinaus pro mraa Querschnittsfläche mehr als 5 Oxideinschlüsse
mit einem größeren Durchmesser über 10 μΐη gefunden
werden, dann können sich die dadurch entstehenden wasserstoff induzierten Risse zu einem makroskopischen Riß verbinden
.
Ferner wurde gezeigt, daß die
im Grundmaterial zunächst kugelförmig vorliegenden Oxid-Einschlüsse
während des Widerstandsschweißvorganges nahezu auf die Schmelztemperatur des Stahles erhitzt und dann
an beiden Seiten der Schweißnaht durch eine Quetschwalze zu einer flachen Gestalt deformiert werden.
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JP-A-59-70546 beschreibt ERW-Rohre rait ausgezeichneter
Sauergas-Korrosionsfestigkeit. Der Kern dieser Erfindung ist, daß in einem Bereich von 100 μπι beiderseits der Schweißnaht
nicht mehr als 5 Oxideinschlüsse je mm2 Querschnittsfläche vorliegen dürfen, die in Blechdickenrichtung mehr als
doppelt so groß wie in den anderen Richtungen sind und deren größter Durchmesser 10 μια übersteigt.
Während die Desoxidation in diesem Fall, wie üblich, durch Al erfolgte, wurden in Hinblick auf die Resistenz
gegen Sauergas und auf die Zähigkeit der geschweißten Zone Legierungsmaßnalnnen untersucht; außer den Zusatzelementen,
die oben erwähnt wurden, wurden verschiedene andere Elemente untersucht und schließlich als Ergebnis die
Verwendung von Ti und Zr empfohlen.
Ti war herkömmlich selten als Desoxidationselement verwendet
worden. Kürzlich wurde jedoch in der JP-A-58-204117 ein Verfahren vorgeschlagen, demgemäß
man einen Stahl produzieren kann, der selbst bei starker iSrhitaung in der '.irärmebehandeltsn Zone außerordentlich
zäh bis ibt; dies wird durch die Zugabe verschiedener
Elemente, einschließlich Ti, zur Oxidbildung erreicht. Diese Methode ist jedoch ungünstig für die Widerstandsfähigkeit
gegen Sauergaskorrosion. Außerdem ist in diesem Fall der Sauerstoffgehalt, den man normalerweise so niedrig
v/ie möglich anstrebt, um die Widerstandsfähigkeit gegen
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Sauergas-Korrosion zu erhalten, sehr hoch, nämlich im Bereich von (150 - 50) ppm. Daher kann offensichtlich ein
Stahl mit hoher Zähigkeit und ausgezeichneter Resistenz gegen Sauergas-Korrosion für SRW-Rohre nach dieser Methode
nicht hergestellt werden.
In JP-A-59-14536 wird ein
ERW-Hohr beschrieben, in welchem die Resistenz gegen selektive
Korrosion in der geschweißten Zone dadurch verbessert wird, da3 der Al-Gehalt unter 0,01 % liegt und daß eines
oder mehrere der Elemente 1Ii, Zr, Y in einem Gesamtgehalt
von 0,05 bis 0,3 % vorliegen. Bei dieser Technik ist jedoch
der Grund für die Absenkung des Al-Gehaltes, daß in der Nähe der Schweißzone die Kornfeinung verhindert werden soll, und
Ti, Zr und Y werden zulegiert, damit diese ihre unlöslichen Sulfide bilden. Dort ist also beabsichtigt, den Widerstand
gegen selektive Korrosion in der Schweißzone zu verbessern;
die Verbesserung der Resistenz gegen Sauergaskorrosion und die Verbesserung der Zähigkeit des Grundmaterials und der
Schweißzone hat man dort nicht beabsichtigt. Bei dieser Technik wird die Zähigkeit eher verschlechtert, da man die
Kornfeinung um die Schweißzone herum verhindert. Ferner
wird überhaupt keine Maßnahme gegen die Oxideinschlüsse ergriffen, welche die Verbesserung von Zähigkeit und
Resistenz gegen Sauergas-Korrosion behindern. So kann man schließlich mit dieser Methode keinen Stahl mit hoher
Zähigkeit und guter Resistenz gegen Sauergaskorrosion herstellen, der für ERW-Rohre geeignet wäre.
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Es ist in der Technik wohl bekannt, da3 die Zugabe von Ti
zum Stahl die Zähigkeit in der durch Schweißen erhitzten Zone im Grund— wie im Schweißmaterial wirksam verbessern
kann. Allerdings beabsichtigt man, wenn man Ti in den Stahl oder in das SchweiSgut einbringt, hauptsächlich die Bildung
von TiN und TiC; um sowohl den Sauerstoffgehalt im Stahl genügend abzusenken als auch die Oxidation von Ti zu verhindern,
muß man, wie in herkömmlicher Technik, Al verwenden.
Nach ausführlicher Analyse wurde nun gefunden, daß die Deformation
der Oxideinschlüsse stark ist, wenn die Oxide
aus komplexen Oxiden von CaO und Al3O3 bestehen, und
daß sie besonders stark ist, wenn Verbindungen wie CaS und SiO2 beigemengt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stahl mit hoher Zähigkeit und ausgezeichneter Sauergasbeständigkeit
bereitzustellen, der sich zur Herstellung von ERW-Rohren
eignet, in deren Schweißzone nicht nur die Resistenz gegen Sauergas, sondern auch die Zähigkeit hervorragend ist.
Diese Aufgabe wird durch den überraschenden Befund gelöst,
daß beiden Eigenschaften in der Schweißzone bemerkenswert
durch eine Senkung des Al-Gehaltes verbessert werden können, welches herkömmlich hauptsächlich zum Zweck der Desoxidation
beigegeben wird. Eine weitere Verbesserung der Zähigkeit und Resistenz gegen Sauergas-Korrosion in der Schweißzone
erhält man, indem man Ti oder Zr statt Al zur Desoxidation einsetzt.
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Gegenstand der Erfindung ist sanit ein Stahl mit hoher Zähigkeit und
ausgezeichneter Resistenz gegen Sauergas-Sorrosion, der für
die Herstellung von ERW-Rohren geeignet ist und der folgende
Zusammensetzung hat (Angaben in Gewichtsprozent): 0,01 - 0,35 % C; 0,02 - 0,5 % Si; 0,1 - 1,8 # Mn;
0,0005 - 0,008 % Ca; 0,006 - 0,2 % insgesamt von einem oder
beiden der Elemente Ti und Zr; weniger als 0,005 % Al;
weniger als 0,015 % P; weniger als 0,00 3 % S ; Rest
Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen. Ferner kann eines oder mehrere der folgenden Elemente enthalten
sein: 0,20 - 0,60 % Cu; 0,1 - 1,0 JS-Ni; 0,2 - 3,0 ρ Cr,
Ferner darf eines oder mehrere der folgenden Elemente enthalten sein: 0,10 - 1,0 % Mo; 0,01 - 0,15 # Nb; 0,01 - 0,15 % V.
Die wichtigsten Merkmale der Erfindung sind: Der Al-Gehalt muß unter 0,005 % liegen, damit beim Widerstandsschweißen
keine leicht deformierbaren Oxide entstehen; statt Al
werden als Desoxidationseleniente Ti und/oder Zr zulegiert.
Es werden nun die erfindungsgemäßen Konzentrationsbereiche
der Zusatzelemente definiert und begründet:
C ist das Hauptelement für die Verbesserung der Festigkeit vom Stahl. Er muß zu diesem Zweck wenigstens mit 0,01 c/o
vorhanden sein. C hat jedoch einen unerwünschten Einfluß auf die Zähigkeit des Stahles, wenn er in mehr als 0,35 %
vorliegt. Daher fyird der C-Gehalt auf den Bereich 0,01 -0,35%
begrenzt.
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i
Si ist ein wichtiges Element zur" Festigkeitssteigerung,
es sollte hierzu wenigstens mit 0,02 fs vorliegen; um die
Zähigkeit zu sichern, v/ird jedoch eine obere Grenze von 0,5 # angegeben.
Mh ist ebenfalls wichtig für die Verbesserung der Festigkeit·,
wenigstens 0,1 $ Mn sollten vorhanden sein. Sine obere Grenze liegt bei 1,8 #, um die Schweißbarkeit und
Zähigkeit zu sichern.
Ga ist für die Verbesserung der Sauergas-Korrosionsfestig- <
keit sehr wirksam, da es im Stahl S zu CaS bindet und die Bildung von MnS verhindert. So sollte sein Gehalt über·
0,0005 # liegen. Sein Gehalt sollte nicht über 0,008 ",Ό
liegen, da sonst groSe Einschlüsse, hauptsächlich aus *
CaS - CaO gebildet werden.
Ti und Zr sind als Ersatz von Al für die Desoxidation wichtig.
Biese Elemente müssen insgesamt im Bereich von 0,006 - 0,2 ΐ&
vorliegen; mit einem Gesamtgehalt von weniger als O5CCS ^
sind sie für die Desoxidation praktisch unwirksam; wenn ihr Gesamtgehalt 0,2 p übersteigt, verschlechtern sie die
Zähigkeit des Stahles.
Daß eines von beiden oder beide Elemente Ti und Zr statt Al eingesetzt werden können, ergibt sich in dieser
Erfindung auch aus folgendem: Es wurde bei der Untersuchung von Schliffen der Stahlrohre, insbesondere an wasserstoffinduzierten
Rissen und an Bruchflächen von Kerbschlagproben, gefunden, daß die Mischoxide von Ca, Ii und/oder Zr, die
man nach der Desoxidation mit Ti und/oder Zr findet, nur
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schwer durch den MW-Prozeß deformiert werden können und daß diese Einschlüsse mit einer Größe von 1 pm oder weniger
sehr fein sind.
Andererseits bildet Al beim SRW-Prozeß in Verbindung mit
Ca und O leicht deformierbare Einschlüsse, so daß sein Gehalt auf weniger als 0,005 %·>
besser aber so niedrig wie möglich begrenzt sein sollte.
Der P-Gehalt sollte auf unter 0,015 % begrenzt werden, da
dies ein Element ist, das die Ausbreitung der wasserstoffinduzierten Risse im Grundmaterial fördert.
S verbindet sich mit Mn zu MnS, welphes als Keimstelle für
die wasserstoffinduzierten Risse wirkt. Um eine gute Sauergas-Korrosionsfestigkeit sicherzustellen, sollte der
S-Gehalt daher unter 0,003 % liegen.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch in der Verbindungsstelle und
deren Umgebung des ERW-Rohres denjenigen Bereich, in dem
die plattenförmig deformierten Cxideinschlüsse liegen.
Fig. 2 zeigt den Bereich des Rohres, aus dem Probestücke entnommen wurden.
Fig. 3 zeigt die Richtung des ÜST-Tests (Ultraschalltest),
Fig. 4 und 5 zeigen den Zusammenhang zwischen Al- oder
Ti-Gehalt im Stahl und dem Flächenanteil von wasserstoffinduzierten
Rissen, die senkrecht zur Blechebene in der Schweißzone liegen.
Fig. 6 und 7 zeigen den Einfluß des Al- oder Ti-Gehaltes
im Stahl auf die Kerbschlag-ifoergangstemperaturdifferenz
Δ vTrs zwischen Grundmaterial und Schweißzone·
In Fia. 1 ist ein Ausschnitt aus einem widerstandsgeschweiS-
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ten Stahlrohr/gezeigt, das eine elektrogeschweißte Naht (2)
enthält. Oxideinschlüsse treten in der wärmebehandelten Zone (3) auf, beidseitig von der Naht (2); die Oxideinschlüsse,
die als Keime für wasserstoffinduzierte Risse wirken, treten in den Zonen Z* und Zp auf, die sich beidseitig etwa
100 ym weit an die Naht (2) anschließen. Diese Risse treten
auf, wenn die Einschlüsse ein Plattendicken: Plattendurchmesser-Verhältnis von mehr als 2 haben und wenn die größte
Dimension-mehr als 10 um lang ist. Wenn die so beschriebe-
2 nen Einschlüsse in einer Häufigkeit von mehr als 5 de mm
Schuffflache auftreten, dann verbinden sich die angekeimten
Risse miteinander und bilden einen makroskopischen Riß.
Nun wird erläutert, warum der Al-Gehalt in dem oben angegebenen
Bereich liegen muß. Das ergibt sich aus den folgenden Versuchen.
Es wurde der Einfluß von Al4 Ti und Zr auf die Sauergas-Korrosionsfestigkeit
und die Zähigkeit an Stählen mit der folgenden Zusammensetzung untersucht:
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0,09 - 0,11 % C; 0,20 - 0,22 % Si;
0,87 - 1,01 % Mn; 0,005 - 0,007 % P; 0,001 - 0,002 c/o S ; 0,0020 - 0,0031 % Ca;
Aus den so zusammengesetzten Stählen wurden Testproben hergestellt; sie wurden erschmolzen, auf 11 mm Dicke warm
gewalzt und nach gewöhnlichem ERW-Prozeß zu ERW-Rohren verarbeitet. Die Schweißnähte wurden bei 1020°C normalgeglüht.
Aus diesen MW-Rohren mit V/anddicken t^= 11 mm (siehe Fig. 2)
wurden Testproben (5) entnommen, die die Schweißnaht enthielten. An diesen Proben von der Dicke t~ = 9 nim, der
Breite w = 20 mm und der Länge 1 = 100 mm wurde die Sauergas-Korrosionsfestigkeit
geprüft. In der Figur zeigt (4) die Richtung der Schweißung an. Zusätzlich wurden für die
gleiche Untersuchung Proben der gleichen Größe und Form auch aus dem Grundmaterial entnommen.
Zur Prüfmethode der Sauergas-Korrosionsfestigkeit:
Um die Bildung der Risse festzustellen, wurden die oben beschriebenen Testproben für 96 Stunden bei 25°C mit folgender
Lösung benetzt: wässrige Lösung von 5 % NaCl;
gesättigt mit H2S; 0,5 % CH5COOH; pH-Wert 2,8 - 3,8.
Um die Rißbildung festzustellen, wurden die Testproben (5)
mit der Schweißnaht in den Richtungen P und R (siehe Fig. 3) mit Ultraschall beschallt und hinterher wurden die entspre-
#< K »ft
chenden Querschliffe mikroskopisch untersucht. ? zeigt
in der Figur die Pdähtung an, in der mit der US1T-Me t ho de die
Risse parallel zur Blechebene untersucht wurden. In Dichtung
R wurden die entsprechenden Untersuchungen der Risse senkrecht zur Blechebene vorgenommen. An den Testproben
aus dem Grundmaterial wurden mit der UST-Methode nur Risse
in Richtung P gesucht.
Außerdem wurden Kerbschlaguntersuchungen mit JIS Nr. 4· Testproben
zur Prüfung der Zähigkeit durchgeführt. Die Testproben wurden in Richtung C quer zum ERW-Rohr hergestellt,
indem eine Kerbe in das Grundmaterial oder die Schweißnaht eingearbeitet wurde. Dann wurde die Differenz
der Übergangstemperatur zwischen Grundmaterial und Schweißzone, Δ vTrs, bestimmt. Es gilt:
Δ vTrs = vTrs (Grundmaterial) - vTrs (Schweißzone)
Die Fig. 4 und 5 zeigen den Sinfluß von Al- oder Ti-Gehalt
im Stahl auf den Flächenanteil der wasserstoffinduzierten Risse, die in der Schweißzone senkrecht zur 31-echebene
verlaufen. Fig. A- zeigt, daß der Flächenanteil der wasserst
off induzier ten Risse deutlich sinkt, wenn der Al-Gehalt
im Stahl sinkt; er kann sogar praktisch gleich null werden, wenn der Al-Gehalt unter 0,005 % liegt. Im Gegensatz dazu
bleibt der Flächenanteil der wasserstoffinduzierten Risse, die senkrecht zur Blechebene in der Schweißzone verlaufen,
sogar dann praktisch null, wenn man zu einem erfindungsgemäßen
Stahl mit weniger als 0,005 % Al mehr als 0,006 % Ti
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zulegiert. Dies zeigt Fig. 5 deutlich. Es wird so klar
belegt, daß die Sauergas-Korrosionsfestigkeit ausgezeichnet
Verringerung der
ist. Die/wasserstoffinduzierten Risse in Richtung parallel
zur Blechebene ist ausgezeichnet sowohl in der Schweißnaht als auch dem Grundmaterial, wenn der genannte Flächenanteil
unter 5 % liegt.
Die Fig. 6 und 7 zeigen den Einfluß des Al-oder Ti-Gehaltes
auf die Übergangsteinperatur-Differenz zwischen
Grundmaterial und Schweißnaht, ^ vTrs. Wie Fig. 6 zeigt, beginnt Λ vTrs größer zu werden,wenn der Al-Gehalt 0,005 % übersteigt
und die Erhöhung wird stark, wenn er auch 0,010 # übersteigt. Das bedeutet, daß vTrs in der Schweißzane im
Vergleich zum Grundmaterial deutlich steigt. Ferner wird die Zähigkeit nicht verschlechtert sondern verbessert,
wenn man den Al-Gehalt auf 0,005 % begrenzt und den Ti-Gehalt
auch auf mehr als 0,006 cß>
steigert. Dies wird in Fig. deutlich gezeigt. Ähnliche Ergebnisse erhält man, wenn Zr
statt Ti verwendet wird oder eine Kombination von beiden. Durch das Zugeben von Ti und/oder Zr und das Begrenzen des
Al-Gehaltes kann man also gleichzeitig in Grundmaterial
und Schweißzone die gewünschte ausgezeichnete Resistenz
gegen Sauergas-Korrosion und die hohe Zähigkeit erhalten.
Die Grundzusammensetzung des hier vorgeschlagenen Stahles ist vorher angegeben worden. Es ist aber erfindungsgemäß
auch zulässig, eines oder mehrere der Elemente Cu, Ni, Cr oder auch eines oder mehrere der Elemente Mo, Nb, V zuzugeben,
je nach der beabsichtigten Verwendung des Stahles.
36Γ4ΊΤ075
Cu, Ni, Cr sind alle geeignet, die Korrosionsfestigkeit
des Gründmaterials zu steigern und den Wasserstoffeintritt
in den Stahl zu verhindern.
Der Cu-Gehalt wird auf 0,20 - 0,60 % begrenzt, weil
weniger als 0,20 # praktisch nicht wirksam ist und weil mehr als 0,60 % ungünstige Einflüsse auf die Warmumformbarkeit
haben.
Der Ni-Gehalt wird auf 0,1 - 1,0 % begrenzt, weil weniger
als 0,1 % praktisch unwirksam sind und weil mehr als 1,0 %
die Bildung von Sulfid-Spannungsrissen fördern. Ki kann zusammen mit Cu in den oben angegebenen Grenzen zugegeben
werden, um die durch Cu verursachte Hochtemperaturversprödung zu verhindern. Die Zugabe von ITi zu diesem Zweck führt
nicht vom Zweck dieser Erfindung weg.
Cr hat keine Wirkung, wenn es in weniger als 0,2 % vorliegt,
und es senkt die Zähigkeit des Stahles, wenn sein Gehalt 3,0 % übersteigt; daher ist sein Gehalt auf 0,2 bis 3,0 %
begrenzt. Cr kann außerdem praktisch zur ?estigkeits- und
Zähigkeitssteigerung eines Stahles dann verwendet werden, wenn man zur Vermeidung von MnS-Bildung den Mn-Gehalt auf
unter 0,6 % begrenzt. Die festgelegten Grenzen für den Cr-Gehalt zum Zweck der Festigkeits- und Zähigkeitsverbesserung
führen nicht vom Zweck dieser Erfindung weg.
• * 1
-2° - 3S'4T075
Jedes der Elemente Mo, Nb, V ist zur Steigerung der Festigkeit des Stahles tauglich. Mehr als 0,10 $ Mo
und mehr als 0,01 $ Nb oder V oder von beiden steigern.
die festigkeit gleichermaßen. Demgegenüber wird die Zähigkeit verschlechtert, wenn der Mo-Gehalt 1,0 %
oder der Nb-'oder V-Gehalt 0,15 % übersteigen. Daher
werden der Mo-Gehalt auf 0,10 - 1,0 ^, der Nb- oder V-Gehalt auf 0,01 - 0,15 % begrenzt.
Die Verwendung der oben genannten Elemente in den genannten . Konzentrationsbereichen, seien sie einzeln oder
gemeinsam zulegiert, steht den Zwecken und Auswirkungen der Legierungsmaßnahmen des erfindungsgemäßen Stahles in
keiner Weise entgegen.
Zu den Verunreinigungen im erfindungsgemäßen Stahl ist folgendes zu sagen:
Mehr als 0,010 % N ist unerwünscht, weil dadurch die
Schweißbarkeit verschlechtert wird, wogegen weniger als 0,010 % N keinen merkbaren Einfluß auf die Stahlqualität
hat. Denkt man an den N-Einfluß auf die Reckalterung und die Zähigkeit von lanfangsgeschweißten Teilen, so ist es
wünschenswert, den N-Gehalt so tief wie möglich zu halten. Der Sauerstoffgehalt muß unter 0,004 #, möglichst noch
tiefer, liegen, damit das zugegebene Ca nicht etwa Ca-Oxide bildet, sondern sich mit S zu Ca-SuIfiden verbinden
kann.
Z-ur Herst ellung des erfindungsgemäßen Stahles ist zu
bemerken, daß er grundsätzlich warm gewalzt v/erden kann. Auch die in der Stahlherstellung üblichen Prozeduren wie
gesteuerte Abkühlung direkt nach dem V/armwalzen, Normalglühen, Anlassen und Vergüten können sowohl am Stahlblech
als auch an ERW-Rohr durchgeführt werden.
Die Auswahl der geeigneten Maßnahmen wird sich daran orientieren, in welchen Grenzen die charakteristischen
Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit einzustellen sind.
Sin erfindungsgemäßes Ziel der Zulegierung von Ti und/oder Zr als Desoxidationsmittel ist es, den Op-Gehalt
in der Schmelze zu senken, damit das Ca für die S-Abbindung wirksam bleibt. Daher muß die Desoxidation des Stahles
mit Ti und/oder Zr erfolgen, bevor das Ca zulegiert wird. Es ist nach der Zugabe von Ti und/oder Zr ferner erwünscht,
den Op-Gehalt in der Schmelze durch eine 'Vakuum-Behandlung,
z.B. eine RH-Behandlung zu senken.
Einige Beispiele für die erfindungsgemäßen Stähle werden
nun im einzelnen beschrieben.
Stähle mit den Zusammensetzungen, wie sie Tabelle I zeigt, wurden in üblicher V/eise erschmolzen, zu Blechen von
12,7 mEi Dicke warmgewalzt und zu SRWr-Rohren mit einem
Außendurchmesser von 4-o6 mm verarbeitet. In Tabelle II
werden die Ergebnisse zur Sauergas-Korrosionsfestigkeit der so erhaltenen Rohre gezeigt, wie sie nach der vorher
beschriebenen Methode erhalten worden waren. Diese Tabelle
zeigt, daß bei den erfindungsgeiüäüen Stahlrohren weder
im Grundmaterial noch in der SchweiSzone wasserstoffinduzierte
Risse erkennbar sind und daß die Verschlechterung der Zähigkeit selbst in der Schwei3zone sehr klein ist.
Die ERW-Rohre aus den Vergleichsstählen dagegen zeigen nicht nur wasserstoffinduzierte Risse senkrecht zur Blechebene in der Schweißzone, sondern auch eine wesentliche
Anhebung von vTrs und damit Absenkung der Zähigkeit im Vergleich mit dem Grundmaterial.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen klar, da2 diese Erfindung einen Stahl liefert, der eine hohe Zähigkeit
hat, eine ausgezeichnete Resistenz gegen Sauergas-Korrosion hat und für die Herstellung von ERW-Rohren geeignet ist;
der Stahl bleibt völlig frei von wasserstoffinduzierten Rissen, selbst wenn er in agressiver Umgebung mit niedrigem
pH-Wert eingesetzt wird, und er hat eine ausgezeichnete Tieftemperaturzähigkeit. Somit ergeben sich für die Industrie
aus dem erfindungsgemäBen Stahl große Vorteile.
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