DE3614482A1 - Verfahren und verwendung eines stahles zur herstellung von stahlrohren mit erhoehter sauergasbestaendigkeit - Google Patents

Description

Verfahren und Verwendung eines Stahles zur Herstellung von Stahlrohren mit erhöhter Sauergasbeständigkeit.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von für den Transport saurer Gase und/oder Öle verwendbaren geschweißten Stahlrohren mit auf der dem sauren Gas und/oder Öl zugewandten Innenseite vorhandenen Druckspannungen sowie die Verwendung eines Stahles.

In geschweißten Leitungsrohren werden oft Öle und Gase transportiert, die Schwefelwasserstoff (H2S) enthalten und deshalb mit "sauer" bezeichnet werden. Die H2S-haltigen Medien führen in den Rohren zu Rissen, die man mit "wasserstoffinduzierter Spannungsrißkorrosion" bezeichnet. Es wird zwischen den sogenannten HIC- Fehlern (Hydrogen-Induced-Cracking) und den SCC- Fehlern (Stress-Corrosion-Cracking) unterschieden. Schadensfälle durch Sauergas und Saueröl sind bereits in den verschiedensten Ländern wenige Wochen nach Betriebsaufnahme aufgetreten, wobei die Rißbildung besonders neben der Schweißnaht im unteren Teil des Rohres beobachtet werden konnte. Von diesen Schäden sind sowohl längsnahtgeschweißte als auch spiralnahtgeschweißte Leitungsrohre betroffen.

Bekannt ist, vgl. "Stahl und Eisen" 1984, S. 1357 bis 1360, daß für Sauergasleitungen ein sehr niedriger Schwefelgehalt und ein hoher oxidischer Reinheitsgrad erforderlich sind, wozu im einzelnen eine pfannenmetallurgische Behandlung, insbesondere eine Calzium- Behandlung in einer basisch ausgemauerten Pfanne bekannt ist. Bekannt ist es weiterhin, einen Stahl zur Erzielung bestimmter mechanischer Eigenschaften, insbesondere zur Erzielung einer gut aufeinander abgestimmten Kombination von Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften thermomechanisch zu walzen, vgl. "Stahl und Eisen" 1981, S. 483 bis 491 und S. 593 bis 600.

Aus der US-PS 39 92 231 ist ein Verfahren zum Herstellen von Ölfeldrohren mit verbesserten Sauergaseigenschaften bekannnt. Nach diesem bekannten Verfahren werden aus einem Stahl mit 0,28 bis 0,42% C, 0,8 bis 1,2% Cr, 0,6 bis 1,0% Mo, 0,025 bis 0,05% Nb, 0,4 bis 1,0% Mn, 0,2 bis 0,6% Si, Rest Eisen und übliche unvermeidliche Verunreinigungen zunächst nahtlose Rohre hergestellt, die nach einem Austenitisierungsglühen abgeschreckt werden. Zur Erzeugung einer Druckspannung auf der Rohrinnenseite werden die nahtlosen Rohre darauf in einem Ofen auf eine Temperatur von 540°C bis unterhalb der Umwandlungstemperatur, d. h. 690°C mehrere Stunden erwärmt und anschließend die Rohrinnenwand schnell mit Wasser abgeschreckt. Bei den nach diesem bekannten Verfahren hergestellten Rohren handelt es sich um typische Ölfeldrohre mit einer Schraubverbindung, wie sie nahtlos bis ca. 500 mm Durchmesser hergestellt werden können. Großrohre für Fernleitungen können dagegen verfahrensbedingt nicht nahtlos hergestellt werden. Darüber hinaus hat ein Stahl der genannten Zusammensetzung eine mangelnde Feldschweißbarkeit zur Folge, ferner ist die langdauernde Wärmebehandlung, für die entsprechend große Wärmeöfen erforderlich sind, technisch und wirtschaftlich aufwendig.

Ganz abgesehen davon, wird durch die vorgesehene Wärmebehandlung die Streckgrenze des hergestellten Rohres erniedrigt, so daß höherwertige Güten nur durch entsprechende zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. erhöhte Legierungszugaben von teuren Legierungselementen erzielbar sind.

Bekannt ist ebenfalls aus der DE-OS 34 22 781 ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer bestehenden Rohrleitung, bei dem eine außen um die Rohrleitung gelegte Induktionsspule und ein kontinuierlich das Rohr durchströmendes Kühlmittel die zur Erzeugung von Druckspannungen auf der Innenoberfläche notwendige Temperaturverteilung über die Wanddicke aufbauen. Die Regelung der Temperaturverteilung erfolgt durch eine mechanische Änderung der Induktionsspulengeometrie (Durchmesser und Teilung), welche wiederum eine Änderung der magnetischen Flußdichte hervorruft. Mit diesem Verfahren sollen in einem stationären Prozeß indbesondere die in einer senkrecht zur Rohrachse befindlichen Ebene liegenden Verbindungsrundnähte zwischen zwei Rohren einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Diese, durch den jeweiligen Aufbau eines definierten Beharrungszustandes im zu behandelnden Bereich stark diskontinuierlichen Verfahrensweise läßt eine kontinuierliche Behandlung einer schraubenlinienförmigen oder achsparallelen Naht eines geschweißten Rohres einzelnen Rohres insbesondere während des Fertigungsprozesses nicht zu.

Zudem ist die vorgesehene kontinuierliche Innendurchströmung mit dem Kühlmedium bei der Einzelrohrfertigung anlagentechnisch nur sehr aufwendig zu realisieren und durch einen hohen Bedarf an Kühlmedium und hohen Energieeinsatz gekennzeichnet.

Nachteilig ist weiterhin, daß bei kontinuierlichem Kühlmitteldurchfluß im Beharrungszustand neben der magnetischen Flußdichte keine weitere Regelungsmöglichkeit zur Optimierung der Wärmebehandlung zur Verfügung steht!

Bekannt ist weiterhin aus der DE-PS 27 16 081 die Verwendung eines kontrollierten Stahls mit einer Streckgrenze von mindestens 40 HB, bestehend aus 0,01 bis 0,13% Kohlenstoff, 0,1 bis 1,0% Silizium, 0,7 bis 2,0% Mangan, höchstens 0,1% Gesamtaluminium, 0,004 bis 0,03% Titan, 0,001 bis 0,009% Gesamtstickstoff, 0,01 bis 0,10% Niob, sowie 0,01 bis 0,15% Vanadium und/oder 0,05 bis 0,40% Molybdän bei einem Gesamtgehalt an Niob und Kohlenstoff von höchstens 0,005% und mindestens 0,004% Titannitrid mit einer Teilchengröße von höchstens 0,02 µm, 0 bis 0,6% Chrom, 0 bis 1,0% Kupfer, 0 bis 4,0% Nickel unter der Bedingung

[(% Cu) + (% Ni)] : 5 + (% Cr) + (% Mo) 0,90%

Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, nach einem Glühen bei höchstens 1.150°C und einem sich anschließenden Warmwalzen mit einer Querschnittsabnahme von mindestens 50% bei einer Temperatur von höchstens 930°C und einer Endtemperatur von höchstens 830°C als Werkstoff für Gegenstände, die wie Rohre für arktische Pipelines eine hohe Kaltzähigkeit besitzen müssen.

Zwar sind dort 5 mm dicke und auf beiden Seiten 1 mm geschliffene Proben dieses Stahles auf Wasserstoffrisse nach einem Eintauchen in eine H2S-Lösung geprüft worden, jedoch sind aus den Ergebnissen dieser Prüfungen keine Rückschlüsse weder auf eine durch Wasserstoff induzierte Rißbildung noch auf eine durch Wasserstoff induzierte Spannungsrißkorrosion im Schweißnahtbereich von geschweißten Rohren, insbesondere spiralnahtgeschweißten Großrohren zu ziehen, da es sich offenbar um Proben aus dem Band handelt.

Verschiedene Normen. z. B. die US-Norm NACE Standard TM-02-84, sind ausdrücklich für die Prüfung von Proben geschaffen worden, die aus geschweißten Rohren entnommen werden. Hierzu ist in Fig. 1a ein Querschnitt eines geschweißten Rohres dargestellt, aus dem Proben 1,2 entnommen werden. In Fig. 1b ist eine Vergrößerung der Probe 1 aus Fig. 1a im Querschnitt dargestellt, und zwar sind dort schematisch verschiedene Rißtypen gezeigt, wobei mit

• I Risse entlang der Grenze zwischen Grundmaterial und HAZ,
• II HIC ähnliche Risse, SCC-Risse in der HAZ bei Stählen, die noch etwas HIC empfindlich sind, parallel zur Oberfläche und treppenartige durch die Wand,
• III Risse von der geometrischen Kerbe der Nahtüberhöhung ausgehend durch die Rohrwand bei Q + T behandelten Rohren und
• IV Risse - Schwächung der Korngrenzen durch Schweißwärme - entlang der Schweißnaht bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoff- und Niobgehalt,

bezeichnet sind.

Unter "HAZ" ist dabei die wärmebeeinflußte Zone neben der Schweißnaht (Heat Affected Zone). zu verstehen. HIC-Fehler können an Proben ohne Spannung und SCC-Fehler an Proben mit Spannung auftreten.

Die HIC-Fehler werden gemäß der vorgenannten US-Norm entsprechend der Darstellung in Fig. 1c (Probe gemäß Fig. 1a) definiert als

• CSR - "Crack Sensitivity Ratio", Verhältnis der rißbehafteten Fläche zur Probenfläche in Prozent,
• CLR - "Crack Length Ratio", Verhältnis der Rißlänge zur Probenlänge in Prozent und
• CTR - "Crack Transverse Ratio", Verhältnis der Rißbreite zur Probenbreite in Prozent,

wobei für die sogenannte Sauergas- bzw. -ölrohre für diese Fehlerarten die Einhaltung der nachfolgend genannten oberen Grenzwerte an Kleinproben gemäß dem Stand der Technik gefordert wird:
CSR 1,5%
CLR 15%
CTR 5%

Werden Kleinproben von 100 mm × 20 mm × Wanddicke von einwandfrei hergestellten, geschweißten Rohren geprüft, so entsprechen sie den vorgenannten Anforderungen. Werden jedoch ganze Probenrohrringe in eine Korrosionslösung nach der US-Norm NACE TM-01-77 (National Assosiation of Corrosion Engineers) gelegt, dann treten gemäß Fig. 1b Risse im Bereich der Schweißnaht auf. Diese Risse werden - wie eigene Untersuchungen ergaben - insbesondere bei Vorliegen von Perlitzeilen im Gefüge durch die hohen Zugspannungen aus dem Schweißprozeß verursacht. Die Risse lassen sich nach verschiedenen Typen I bis IV gemäß Fig. 1b unterscheiden und werden mit SCC (Stress Corrosion Cracking) bezeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mittels dessen die Nachteile der Verfahren nach dem Stand der Technik vermieden werden und mittels dessen geschweißte Stahlrohre mit verbesserter Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion, d. h. insbesondere Beständigkeit gegen den Angriff saurer Gase wie Schwefelwasserstoff, Kohlensäure und saurer Öle für Fernleitungen einfach herstellbar sind und darüber hinaus eine gute Feldschweißbarkeit aufweisen. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen die vorstehend ausführlich erläuterten Fehler in den fertiggestellten, geschweißten Rohren für den Transport saurer Gase und Öle vermieden werden sollen, ohne durch ein solches Verfahren die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Streckgrenze zu verschlechtern, d. h. zu erniedrigen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 genannten Merkmale.

Eine Verbesserung des Stahlgefüges durch globulare Einformung der entstehenden Sulfide wird bevorzugt durch die Ca-Zugabe erreicht. Anstelle oder zusätzlich zu dem Calzium können Titan, Zirkon und/oder seltene Erden einzeln oder zu mehreren in üblichen Mengen zugegeben werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Demgemäß wird entweder das Rohr und damit auch die Schweißnaht außen fortlaufend abschnittsweise mit Hilfe eines Mittelfrequenz-Ringinduktors - betrieben mit 0,1 bis 5,0 MW - auf die erforderliche im Vergleich zur Temperatur der Innenseite um mindestens 100°C höhere Temperatur von 300 bis 680°C erwärmt und anschließend mit einem Wasser- oder Luftsprühteller oder nur der Schweißnahtbereich mit der unmittelbar benachbarten Zone außen mit Hilfe eines Mittelfrequenz-Linieninduktors - betrieben mit 0,1 bis 5,0 MW - auf eine im Vergleich zur Temperatur der Innenseite um mindestens 100°C höhere Temperatur von 300 bis 680°C erwärmt und anschließend mit Wasser- oder Luftdüsen abgekühlt. In besonderen Fällen kann die Erwärmung der verschweißten Bandkanten bzw. der Schweißnaht autogen mit Gas erfolgen.

Wesentlich ist die Regelung der wechselseitigen Beeinflussung von Wärmeleistung, behandelter Fläche und Nahtvorschubgeschwindigkeit auf der einen Seite und der von Wärmeleitfähigkeit, Wärmeübergang und Wärmestrahlung abhängigen Temperaturverteilung über die Rohrwand sowie der partiellen Wärmeabfuhr bei Nahtvorschubgeschwindigkeit auf der anderen Seite. Erfindungsgemäß erfolgt diese Regelung so, daß das Produkt aus Leistungsdichte in Watt pro Quadratmeter und Nahtvorschubgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde einen Grenzwert von 10.000 W/(m × sec) nicht unterschreitet bei einer von innen erfolgenden patiellen Wasser- oder Luftkühlung von 1-2.0000 Litern pro Meter Rohrlänge.

Erfindungswesentlich ist weiterhin die Verwendung eines Stahls mit einer Zusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, der thermomechanisch zu einem Band gewalzt, zu einem Rohr geformt und längsnaht- oder spiralnahtgeschweißt wird, an dessen Innenoberfläche Druckeigenspannungen aufgebaut werden und ein perlitisch-ferritisches und/oder bainitisches Gefüge aufweist, für den Transport saurer Gase und/oder Öle; ebenso ist als erfindungswesentlich die Verwendung eines gemäß Anspruch 6 zusammengesetzten Stahls zu sehen, der gemäß Anspruch 6 behandelt wird, wobei die Druckeigenspannungen in der Innenoberfläche des Rohres bis zu mindestens einem Drittel der Rohrwanddicke aufgebaut werden als Rohre für den Transport saurer Gase und/oder Öle.

Die Vorteile nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag sind insbesondere darin zu sehen, daß geschweißte Stahlrohre, HF- oder Unter-Pulver-geschweißt, mit durch den Aufbau einer Druckspannung auf der dem sauren Medium zugewandten Seite von bis zu 30% der Streckgrenze bei Verwendung der beanspruchten Stähle erheblich verbesserten Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion, d. h. insbesondere Beständigkeit gegen den Angriff saurer Gase und saurer Öle für Fernleitungen herstellbar sind, die darüber hinaus eine gute Feldschweißbarkeit sowie gute mechanische Eigenschaften aufweisen und technisch einfach herstellbar sind.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen stellen dar, in

Fig. 1a bis c Definition und Darstellung der Rißgrößen, wie zum Stand der Technik erläutert,

Fig. 2a bis bb eine schematische Darstellung der Wärmebehandlungseinrichtung in zwei Varianten,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen autogenen Wärmebehandlung,

Fig. 4 Fehlertypen an Rohrproben nach unterschiedlichen Wärmbehandlungen mit Darstellung der Eigenspannungen in der HAZ

Fig. 5 Eigenschaften eines erfindungsgemäß behandelten HF- geschweißten Rohres,

Fig. 6 Eigenschaften eines erfindungsgemäß behandelten UP-geschweißten Rohres,

Fig. 7 Tabelle Stahl- und Rohrdaten.

Ein Stahl, der nach dem Abstich mittels einer Kalk- Flußspat-Schlacke und Spülung mit Argon in der Pfanne behandelt und anschließend abgeschlackt wird, wird weiterhin zur Erzeugung von Vormaterial mit höchstem Reinheitsgrad mit Calcium in einer Pfanne homogenisiert. Wie bei der Stahlentschwefelung wird der Stahl schlackenfrei in die basische Pfanne abgestochen und nach der Zugabe einer synthetischen Schlacke einige Minuten gespült; nach Zugabe von stückigem CaSi wird die Spülbehandlung fortgesetzt.

Nach dieser Behandlung weist der Stahl folgende Schmelzanalyse auf:
C 0,09%
Si 0,38%
Mn 0,80%
P 0,010%
S 0,0011%
Al 0,049%
Cu 0,26%
Ni 0,20%
Nb 0,20%
O2 0,002%
N 0,0050%
Ca 0,0014%
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.

Der Stahl wird in einer Stranggießanlage zu Brammen mit einer Abmessung von 200 mm Dicke und 1.300 mm Breite vergossen und anschließend die auf eine Temperatur von 1.170 bis 1.250°C wiedererwärmte Bramme thermomechanisch zu einem Stahlband von 11,9 mm Dicke und 1.300 mm Breite bei einer Walzendtemperatur von 850 bis 910°C ausgewalzt.

Die Walzung erfolgt in drei Vorgerüsten, mit einem Stich im ersten und dritten Vorgerüst und mit 3 bis 5 Stichen reversierend im zweiten Vorgerüst. In der Fertigstaffel wird kontinuierlich in sieben Gerüsten gewalzt.

In einem nicht dargestellten Spiralrohrwerk wird das besäumte Stahlband zu einem Spiralrohr mit einer Abmessung von 609,6 mm × 11,9 mm (API-Werkstoff X 60) eingeformt und die aneinanderliegenden Kanten des Stahlbandes durch Heftschweißung miteinander verbunden und dann das Rohr in einer Länge von z. B. 18 m abgetrennt. Auf einem separaten Schweißstand wird heftgeschweißte Rohr durch doppelseitiges Unter-Pulver- Schweißen fertiggeschweißt. Zum Schweißen werden Drähte und Schweißpulver mit hohem Reinheitsgrad und geringer Wasserstoffabgabe verwendet.

Aus den geschweißten Rohren wurden Kleinproben entnommen und nach dem eingangs beschriebenen HIC- Prüfverfahren in NACE-Prüflösung geprüft. In allen Fällen wurden mit CLR = 6% und CSR = 0,5% die üblichen Anforderungen mit CLR = 15% und CSR = 1,5% sicher erfüllt.

Nachdem die Prüfung von Kleinproben (HIC-Prüfverfahren) und diejenige von Rohrringen bekannterweise unterschiedliche Ergebnisse insbesondere wegen der durch das Schweißen eingebrachten Eigenspannungen aufweist, wurden 300 mm lange Rohrringe in einem Großbehälter mit den Abmessungen 850 mm × 850 mm × 450 mm einer Schwefelwasserstoff-Belastung in NACE-Lösung mit einer Angriffsmöglichkeit des Rohres von außen und von innen unterzogen. Die Oberflächen der Prüfbereiche, etwa 100 mm beidseitig der Schweißnaht sowie etwa 200 mm breit gegenüber der Schweißnaht, wurden entsprechend der Vorschrift für den HIC-Test an Kleinproben geschliffen, um einen temporär schützenden Einfluß des Zunders auszuschließen. Zur Simulation des Betriebsdruckes von Rohrleitungen wurden mit Hilfe eines Gestänges Spannungen im Rohr innen aufgebracht. Im Bereich der Schweißnaht und gegenüberliegend im Grundmaterial wurden Zugspannungen von 44% der Mindeststreckgrenze aufgebracht. Nach 96 Stunden Lagerung der Rohrringe in der NACE-Lösung wurden diese in den geschliffenen Bereichen ultraschallgeprüft und anschließend metallographisch untersucht.

Die Untersuchung ergab im Schweißnahtübergangsbereich zur Rohrinnenseite hin Risse, die als Kombination von HIC-Fehlern und SCC-Fehlern anzusehen sind.

Zusätzlich zu diesen Ringversuchen, bei denen die NACE- Lösung von innen und außen angreifen konnte, wurden weitere Versuche durchgeführt, bei denen die Angriffsmöglichkeit der Lösung nur vom Rohrinnern gegeben war. Die Aufgabe von Spannungen zur Simulation eines Innendruckes wurde in der gleichen Weise vorgenommen wie vorher beschrieben, und zwar jeweils mit 44% der Mindeststreckgrenze. Wiederum wurden bei Unter-Pulver- geschweißten Rohren Rißsysteme im Schweißnahtübergangsbereich nach 96 Stunden festgestellt. Zusätzlich traten im Schweißgut Risse auf.

Um die als Ursache für das Auftreten der Risse im Schweißgut und in den benachbarten wärmebeeinflußten Zonen vermuteten Eigenspannungen abzubauen, wurden die Rohre mittels einer in Fig. 2a dargestellten Einrichtung wärmebehandelt.

Fig. 2a zeigt dabei ein spiralnahtgeschweißtes Rohr 1, das auf Führungsrollen 2 aufliegt und mittels weiterer Führungsrollen 3 an der Wärmebehandlungseinrichtung 4 spiralförmig mit einer Geschwindigkeit von 0,4 m bis 30 m pro Minute vorbeigeführt wird. Die Wärmebehandlungseinrichtung 4 besteht zunächst aus einem Mittelfrequenz- Ringinduktor 5, der das Rohr 1 in einer Breite von 50 mm mit einem Abstand von 50 mm ringförmig umgibt und mit etwa 0,1 bis 5,0 MW zur ringförmigen Erwärmung des Rohres 1 auf eine Temperatur von 300 bis 680°C betrieben wird. Im Innern des Rohres 1 ist axial eine Wasser- oder Luftlanze 6 angeordnet, an deren Kopfende ein Sprühteller 7 im Abstand von 5 bis 500 mm vom Ringinduktor 5 vorgesehen ist, mittels dessen die unmittelbar vorher mit dem Ringinduktor 5 erwärmte Umfangs- Zone des Rohres 1 durch Wasser oder Luft in einer Menge von 1 bis 2.000 Liter pro m Rohr besprüht und damit abgekühlt wird.

In Fig. 2aa ist eine Vorderansicht des um das Rohr 1 angeordneten Mittelfrequenz-Ringinduktors 5 sowie des innerhalb des Rohres 1 angeordneten Sprühtellers 7 schematisch dargestellt.

In Fig. 2b ist ebenfalls ein spiralnahtgeschweißtes Rohr 1 dargestellt, daß auf Führungsrollen 2 aufliegt und mittels weiterer Führungsrollen 3 an einer anderen Wärmebehandlungseinrichtung 8 spiralförmig, der Schweißnaht 9 folgend mit einer Geschwindigkeit von 0,4 bis 30 m pro Minute vorbeigeführt wird. Die Wärmebehandlungseinrichtung 8 besteht in diesem Fall aus einem Mittelfrequenz-Linieninduktor 10 - betrieben mit 0,1 bis 5,0 MW - mit einer Breite von 400 mm, an dem die Schweißnaht 9 vorbeigeführt und dabei auf eine Temperatur von 300 bis 680°C erwärmt wird. Im Inneren des Rohres 1 ist wiederum axial eine Wasser- oder Luftlanze 6 angeordnet, deren Ende knieförmig zur Rohrinnenoberfläche abgebogen und am Ende mit Düsenkopf 11 in einer Breite, die etwa der Breite des Linieninduktor 10 entspricht, zum Aufspritzen von Wasser oder Luft in einer Menge von 1 bis 2.000 Liter pro m Rohr auf die Rohrinnenseite versehen ist.

In Fig. 2bb ist eine Vorderansicht des Rohres 1 mit Linieninduktor 10 und abgebogener Wasser- oder Luftlanze 6 mit Düsenkopf 11 dargestellt.

In gleicher Weise wie mit einem Ring- oder Linieninduktor kann das Rohr 1, wie Fig. 3 zeigt, auch autogen mit Gasbrennern 12 links und rechts von der Schweißnaht 13 erwärmt und anschließend, ähnlich wie in Fig. 2bb, mit einer Wasser- oder Luftbrause 14 abgekühlt werden. Der Pfeil 15 gibt die Vorschubrichtung des Rohres 1 an.

In Fig. 4 sind der Ausgangszustand und die nach verschiedenen Verfahren erhaltenen Werte der Eigenspannungen im Rohrinnern absolut und bezogen auf die Streckgrenze der behandelten und geprüften spiralnahtgeschweißten Rohe der Abmessung 609,6 × 11,9 mm aus Werkstoffqualität X 60 in einem Balkendiagramm dargestellt, wobei unterhalb dieses Balkendiagrammes zu dem Ausgangszustand (A) und den Verfahren (B), (D), (E), (H) und (I) schematisch die Proben mit den auftretenden Rißtypen zugeordnet sind. Geprüft wurden Abschnitte aus Rohren, die wie vorhergehend beschrieben dargestellt bzw. behandelt waren. Die Rohrabschnitte wurden in H2S-gesättigter Lösung 96 Stunden bei Raumtemperatur gehalten. Dabei wurde eine Zugspannung von 44% der gemessenen Streckgrenze (Rp) des Rohres auf die Rohrinnenseite durch eine Ovalisierung des Rohrabschnittes aufgebracht. Dieser Ausgangszustand ist in Fig. 4 mit A bezeichnet, wobei aus der zugeordneten Probendarstellung hervorgeht, daß sowohl in der Schweißnaht als auch in der wärmebeeinflußten Zone zahlreiche Risse festgestellt wurden.

In dem Diagramm geben dabei die Balkenhöhen, die Längsspannungs- und die Querspannungswerte an, gemessen nach dem Zerlegeverfahren.

Unterhalb des Balkendiagramms sind für den Anfangszustandes A und für die verschiedenen Verfahren B bis N wichtige Parameter sowie die Kennzeichnung und die Prüfergebnisse für die jeweiligen Rohrabschnitte aufgeführt.

Die Rohre gemäß D und E wurden auf 600 bzw. 700°C erwärmt und anschließend von außen mit Wasser gekühlt.

Zwar werden bei diesem Verfahren die Eigenspannungen vermindert, es treten aber weiterhin Risse auf, weil auf der Abkühlseite (hier außen) Druck- und auf der Rohrinnenseite Zugspannungen entstehen.

Die Rohre gemäß F und G, die auf 600°C erwärmt und anschließend an Luft abgekühlt wurden, sind bereits rißfrei und weisen eine verringerte Eigenspannung auf. Lediglich die Rohre gemäß H und I, die auf 640°C bzw. 700°C erwärmt und an Luft abgekühlt wurden, weisen noch Risse auf.

Auch ein mit Q + T (quench and Temper) bezeichnetes Verfahren, bei dem das Rohr auf 940 bzw. 950°C aufgeheizt, mit Wasser von außen abgeschreckt und nachfolgend bei 600 bzw. 640°C angelassen wird, führt sicher zu einer rißfreien Probe und einem weitgehendden Abbau der Eigenspannungen.

Ein Aufbau von Druckeigenspannungen von ca. 20% der Streckgrenze in der HAZ auf der dem sauren Medium zugewandten Innenseite des Rohres findet jedoch erst bei den Verfahren M und N statt, bei welchen mit einer Wasserkühlung von innen mit 1 bis 2.000 Litern pro Meter Rohrlänge sowie mit einer Nahtvorschubgeschwindigkeit von 0,45 Metern pro Minute unter Einhaltung eines Mindestwertes von 10.000 W/(m × sec) für das Produkt aus Leistungsdichte und Nahtvorschubgeschwindigkeit eine Temperatur von 600°C auf der Außenseite des Rohres erreicht wird, welche um mindestens 100°C höher ist als die Temperatur an der Rohrinnenseite. Die Versuche wurden mit abgearbeiteter und nicht abgearbeiteter Nahtüberhöhung durchgeführt; in beiden Fällen treten keinerlei SCC-Risse mehr auf.

Die chemische Zusammensetzung des Stahlbandes, die zugehörigen Abmessungen des daraus hergestellten Rohes, die gemessenen mechanischen Eigenschaften im Ausgangszustand sowie nach der Glühung und Kühlung, sind zusammen mit den entsprechenden Gefügebildern in Fig. 5 dargestellt, in diesem Fall für ein längsnaht- hf-widerstands-preß-geschweißtes Rohr.

In gleicher Weise wie der in Fig. 5 und im vorstehenden Text beschriebene Stahl mit seiner Herstellung und Behandlung ist der in Fig. 6 näher erläuterte Stahl mit den ermittelten Eigenschaften für Unter-Pulver-geschweißtes Sauergas- und Sauerölrohre geeignet; in gleicher Weise gilt dies für den in der Tabelle der Fig. 7 beschriebenen Stahl und für die daraus erstellten sauergasbeständigen Rohre.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen von für den Transport saurer Gase und/oder Öle verwendbaren geschweißten Stahlrohren mit auf der dem sauren Gas und/oder Öl zugewandten Innenseite vorhandenen Druckspannungen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:

a) Ein Stahl mit einer Zusammensetzung von
0,02 bis 0,20% C
0,10 bis 0,60% Si
0,60 bis 1,50% Mn
max 0,02% P
max 0,005% S
0,01 bis 0,16% Al
0,001 bis 0,01% Ca,
wobei das Verhältnis Ca : S größer als 2,25 und das Produkt Ca × S gleich oder kleiner 0,001 ist, und je nach geforderten Festigkeitskennwerten des fertigen Stahlrohres, eines oder mehrerer Legierungselemente der folgenden Gruppe:
max. 0,35% Cr
max. 1,0% Mo
max. 0,03% B
max. 0,70% Ni oder Cu und Ni
max. 0,15% V und/oder
max. 0,15% Nb
Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen, wird thermomechanisch zu einem Band mit perlitisch-ferritischem und/oder bainitischem Gefüge gewalzt;

b) das Band wird zu einem Rohr mit einem Verhältnis von Wanddicke zu Durchmesser von 1 zu 25 bis 1 zu 160 eingeformt und die Bandkanten miteinander verschweißt;

c) die dem sauren Öl und/oder Gas abgewandte Außenseite des geschweißten Rohres, vorzugsweise jedoch nur der Schweißnahtbereich in max. 400 mm Breite wird auf eine im Vergleich zur Temperatur der Innenseite um mindestens 100°C höhere Temperatur von 300 bis 680°C, vorzugsweise 550 - 650°C erwärmt und anschließend von innen mit Wasser oder Luft in einer Menge von 1 bis 2.000 Liter pro Meter Rohrlänge, vorzugsweise 10 bis 400 Liter pro Meter Rohrlänge abgekühlt bei einem Rohrvorschub in Nahtrichtung während der Erwärmung und anschließenden Abkühlung von 0,4 bis 30 m/min.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl mit
0,02 bis 0,04% C
0,2 bis 0,3% Si
0,8 bis 1,0% Mn
0,010 bis 0,015% B
0,001 bis 0,003% S
0,01 bis 0,05% Al
0,02 bis 0,03% Cu
0,02 bis 0,04% Cr
0,02 bis 0,03% Ni
Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr bzw. der Schweißnahtbereich induktiv so erwärmt wird, daß das Produkt aus Leistungsdichte und Vorschubgeschwindigkeit in Nahtrichtung nicht kleiner als 10.000 W/(m × sec) wird.

4.Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr fortlaufend abschnittsweise induktiv erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr bzw. der Schweißnahtbereich autogen mit Gas so erwärmt wird, daß das Produkt aus Leistungsdichte und Vorschubgeschwindigkeit in Nahtrichtung nicht kleiner als 10.000 W/(m × sec) wird.

6. Die Verwendung eines Stahles mit einer Zusammensetzung nach den Ansprüchen 1 und 2, der thermomechanisch zu einem Band gewalzt, zu einem Rohr geformt und längsnaht- oder spiralnahtgeweißt wird, an dessen Innenoberfläche Druckeigenspannungen aufgebaut werden und ein perlitisch-ferritisches und/oder bainitisches Gefüge aufweist, für den Transport saurer Gase und/oder Öle.

7. Die Verwendung eines gemäß Anspruch 6 zusammengesetzten Stahls der gemäß Anspruch 6 behandelt wird, wobei die Druckeigenspannungen in der Innenoberfläche des Rohres bis zu mindestens einem Drittel der Rohrwanddicke aufgebaut wurden als Rohre für den Transport saurer Gase und/oder Öle.