DE3731481A1

DE3731481A1 - METHOD FOR THE PRODUCTION OF STEEL PRESSURE TANKS

Info

Publication number: DE3731481A1
Application number: DE19873731481
Authority: DE
Inventors: Ingo Von Dr Ing Hagen; Axel Dr Mont Kulgemeyer; Ekkehardt Dipl Ing Schnabel; Dieter Dr Ing Vespermann
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1987-09-16
Filing date: 1987-09-16
Publication date: 1989-04-06
Also published as: DE3884900D1; EP0308361B1; EP0308361A1; ATE95844T1

Abstract

To simplify the manufacture of pressure vessels and to enhance the properties thereof, a steel is proposed which has a composition of 0.15 - 0.26% of carbon 1.25 - 2.00% of manganese 0.2 - 0.5% of silicon at most 0.02% of phosphorus at most 0.005% of sulphur 0.1 - 0.5% of molybdenum 0.010 - 0.035% of titanium 0.0030 - 0.0100% of N 0.001 - 0.003% of boron 0 - 0.04% of niobium, the remainder being iron and usual impurities, the titanium content/nitrogen content ratio being adjusted to between 3.6 and 6.5. The invention also relates to a heat treatment process for the vessels manufactured from this steel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for producing pressure vessels Steel according to the preamble of claim 1.

Die Sicherheitsanforderungen an Druckbehälter, wie sie beispielsweise in den "Technische Regeln Druckgase" des Deutschen Druckbehälterausschusses (DBA) festgelegt sind, schlagen sich in gleichermaßen hohen Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe nieder. Bei Stahlflaschen (Prüfdruck 300 bar) wird in diesem Zusammenhang gefordert:The safety requirements for pressure vessels, such as those in the "Technical Rules for Compressed Gases" of the German Pressure Vessel Committee (DBA) are reflected in equally high requirements to the materials used. For steel bottles (test pressure 300 bar) is required in this context:

0,2%-Dehngrenze über 755 N/mm²
Zugfestigkeit 880-1030 N/mm²
ISO-V-Kerbschlagarbeit (quer) bei -20°C über 25 J
Dehngrenzenverhältnis unter 90%.0.2% proof stress over 755 N / mm ²
Tensile strength 880-1030 N / mm ²
ISO V impact work (crosswise) at -20 ° C over 25 J.
Yield stress ratio below 90%.

Zur Einhaltung dieser Forderungen werden im Druckbehälterbau im allgemeinen Vergütungsstähle wie beispielsweise Werkstoff 34 CrMo4 eingesetzt.To meet these requirements, pressure vessel construction in general Quenched and tempered steels such as material 34 CrMo4 are used.

Um den Transport und die Handhabung von Druckbehältern zu verbilligen bzw. zu erleichtern, ist man bestrebt, den Druckbehälter möglichst gewichtsarm, d. h. mit geringen Wanddicken, herzustellen. Dabei sollen die Sicherheitsanforderungen jedoch voll erfüllt bleiben. Dies ist aber nur möglich, wenn die Festigkeitseigenschaften des verwendeten Werkstoffs entsprechend gesteigert werden. Das aber ist bei den üblichen Vergütungsstählen unter Einhaltung der genannten Bedingungen nur in geringem Maße durchführbar. To reduce the cost of transporting and handling pressure vessels or To make it easier, efforts are made to keep the pressure vessel as light as possible, d. H. with small wall thicknesses. The should However, security requirements remain fully met. But this is only possible if the strength properties of the material used be increased accordingly. But that is the usual Quenched and tempered steels only in compliance with the conditions mentioned to a small extent feasible.

Ein weiterer Nachteil ist in der eingeschränkten Schweißbarkeit dieser Stähle zu sehen, die durch den hohen Kohlenstoff-Gehalt von über 0,3% bedingt ist. Daneben entspricht auch die in der Regel erforderliche Ölvergütung für solche Stähle nicht mehr den heutigen Anforderungen an moderne Fertigungsanlagen, die nach Möglichkeit eine Wasservergütung vorsehen. Schließlich weisen die für die Behälterfertigung üblicherweise verwendeten Werkstoffe Mängel hinsichtlich ihrer Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen auf. Einsatztemperaturen von unter -20°C sind schon als problematisch anzusehen.Another disadvantage is the limited weldability of this Steels can be seen, which due to the high carbon content of over 0.3% is conditional. In addition, the one that is usually required corresponds Oil remuneration for such steels no longer meets today's requirements modern manufacturing facilities, where possible a water remuneration provide. Finally, the usually for container manufacturing used materials defects in their impact strength low temperatures. Operating temperatures of below -20 ° C are already to be regarded as problematic.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem Druckbehälter herstellbar sind, die diese Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll eine Verringerung des Druckbehältergewichts durch erhöhte Festigkeitseigenschaften (Reduzierung der Wanddicken) bei ausreichender Sicherheit und unter günstigen Kosten ermöglicht werden, wobei der verwendete Werkstoff mindestens folgende Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte quer zur Verformungsrichtung aufweisen soll:The object of the invention is therefore to provide a method with which Pressure vessels can be produced that do not have these disadvantages. In particular, a reduction in the pressure vessel weight is said to be due to increased strength properties (reduction in wall thickness) sufficient security and at a reasonable cost, the material used at least the following strength and Toughness values transverse to the direction of deformation:

0,2%-Dehngrenze über 900 N/mm²
Dehngrenzenverhältnis maximal 95%
Bruchdehnung mindestens 16%
ISO-V-Kerbschlagarbeit bei +20°C über 80 J
ISO-V-Kerbschlagarbeit bei -60°C über 36 J0.2% proof stress over 900 N / mm ²
Proof stress ratio maximum 95%
Elongation at break at least 16%
ISO V impact work at + 20 ° C over 80 J
ISO V impact energy at -60 ° C over 36 J

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zur weiteren Verbesserung der Durchhärtbarkeit der Druckbehälter (insbesondere bei Wanddicken über 30 mm) wird dem verwendeten Stahl vorteilhaft entsprechend Patentanspruch 2 Chrom bis maximal 0,3% zugesetzt. This task is solved by a procedure with the characteristic Features of claim 1. To further improve the Full hardenability of the pressure vessels (especially with wall thicknesses over 30 mm) is the steel used advantageously according to claim 2 chrome added up to a maximum of 0.3%.

Der erfindungsgemäß verwendete Vergütungsstahl ist aufgrund des Kohlenstoffanteils von maximal 0,25% nach den üblichen Verfahren problemlos, d. h. heißrißfrei schweißbar. Darüberhinaus kann er sowohl öl- als auch wasservergütet werden. In Kombination mit der Mischkristallverfestigung und der Verbesserung der Durchhärtbarkeit durch Bor ergeben sich außerordentlich gute Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte. Diese überschreiten die gesetzten Grenzwerte zum Teil deutlich. Um die festigkeitssteigernde Wirkung des Bors maximal ausnutzen zu können, ist ein Titan/Stickstoff-Verhältnis von 3,6 bis 6,5 erforderlich. Durch Zusatz von bis zu 0,04% Niob kann die Feinkörnigkeit und damit die Zähigkeit des erfindungsgemäßen Stahls noch weiter gesteigert werden. Wenngleich sich das Dehngrenzenverhältnis bei dem erfindungsgemäßen Stahl auf etwa 95% erhöhen kann, so ist dennoch eine ausreichende Sicherheit gegen ein Zerlegen des Behälters vorhanden, weil die Brucheinschnürung auf jeden Fall auf Werten von mindestens 16% gehalten werden kann. Besonders wesentlich ist, daß die Kerbschlagarbeit bei -60°C quer zur Verformungsrichtung (ISO-V-Kerbschlagproben) üer 36 J liegt. Dies macht den Werkstoff auch für eine Anwendung bei tiefen Temperaturen, wie sie unter arktischen Bedingungen herrschen, verwendbar.The tempering steel used according to the invention is due to the Carbon content of maximum 0.25% according to the usual methods no problem, d. H. weldable without hot cracks. In addition, he can both oil as well as be water-tempered. In combination with the Solid crystal strengthening and the improvement of hardenability through Boron has extremely good strength and toughness properties. Some of these clearly exceed the set limit values. To the To maximize the strengthening effect of boron is one Titanium / nitrogen ratio of 3.6 to 6.5 required. By adding Up to 0.04% niobium can reduce the fine grain and thus the toughness of the steel according to the invention can be further increased. Although that Increase the proof stress ratio for the steel according to the invention to about 95% can, there is nevertheless sufficient security against disassembly of the Container present, because the constriction definitely values can be held by at least 16%. It is particularly important that the Notched bar impact work at -60 ° C transverse to the direction of deformation (ISO-V notched bar impact tests) is over 36 J. This also makes the material suitable for an application at low temperatures, such as those found in arctic conditions, usable.

Die besondere Eignung des erfindungsgemäßen Stahl für den Bau von Druckbehältern wird durch die beiden nachfolgenden Beispiele weiter verdeutlicht. The particular suitability of the steel according to the invention for the construction of Pressure vessels is further enhanced by the two examples below clarifies.

example 1

Für eine Flasche (Wanddicke 4 mm) aus einem Stahl mit der Zusammensetzung:For a bottle (wall thickness 4 mm) made of steel with the Composition:

0,24% C
1,4% Mn
0,28% Si
0,013% P
0,0018% S
0,29% Mo
0,023% Ti
0,0020% B
0,0037% N0.24% C
1.4% Mn
0.28% Si
0.013% P
0.0018% S
0.29% Mo
0.023% Ti
0.0020% B
0.0037% N

ergaben sich nach der erfindungsgemäßen Vergütungsbehandlung (15 min bei 870°C, Abschrecken im Ölbad; 30 min bei 600°C, Abkühlen an Luft) folgende Eigenschaften:resulted after the compensation treatment according to the invention (15 min at 870 ° C, quenching in an oil bath; 30 min at 600 ° C, cooling in air) following Characteristics:

0,2%-Dehngrenze 903 N/mm²
Zugfestigkeit 950 N/mm²
Dehngrenzenverhältnis 95%
Bruchdehnung 20%
ISO-V-Kerbschlagarbeit bei +20°C (quer) 133 J
ISO-V-Kerbschlagarbeit bei -60°C (quer) 58 J.0.2% proof stress 903 N / mm ²
Tensile strength 950 N / mm ²
Proof ratio 95%
Elongation at break 20%
ISO-V impact energy at + 20 ° C (transverse) 133 J
ISO-V impact energy at -60 ° C (transverse) 58 J.

Example 2

Für einen Serienbehälter (6 mm Wanddicke) aus einem Stahl mit der Zusammensetzung:For a series container (6 mm wall thickness) made of steel with the Composition:

0,2% C
1,74% Mn
0,3% Si
0,013% P
0,0014% S
0,30% Mo
0,021% Ti
0,0022% B
0,0048% N0.2% C
1.74% Mn
0.3% Si
0.013% P
0.0014% S
0.30% Mo
0.021% Ti
0.0022% B
0.0048% N

ergaben sich nach der erfindungsgemäßen Vergütungsbehandlung (15 min bei 880°C, Abschrecken im Wasserbad; 30 min bei 500°C, Abkühlen an Luft) folgende Eigenschaften:resulted after the compensation treatment according to the invention (15 min at 880 ° C, water bath quenching; 30 min at 500 ° C, cooling in air) following properties:

0,2%-Dehngrenze 992 N/mm²
Zugfestigkeit 1042 N/mm²
Dehngrenzenverhältnis 95%
Bruchdehnung 17%
ISO-V-Kerbschlagarbeit bei +20°C (quer) 114 J
ISO-V-Kerbschlagarbeit bei -60°C (quer) 40 J.0.2% proof stress 992 N / mm ²
Tensile strength 1042 N / mm ²
Proof ratio 95%
Elongation at break 17%
ISO-V impact energy at + 20 ° C (transverse) 114 J
ISO-V impact energy at -60 ° C (transverse) 40 J.

Claims

1. A process for the production of steel pressure vessels by hot and / or cold forming and subsequent hardening and tempering, characterized in that a steel with the composition
0.15-0.26% carbon
1.25-2.00% manganese
0.2-0.5% silicon
maximum 0.02% phosphorus
maximum 0.005% sulfur
0.1-0.5% molybdenum
0.010-0.035% titanium
0.0030-0.0100% N
0.001-0.003% boron
0-0.04% niobium
Balance iron and usual impurities
is used, the ratio of the titanium content to the nitrogen content being set between 3.6 and 6.5, that the pressure vessels are heated to 30-50 K above Ac ₃ for hardening and then cooled at a rate of 15-40 K / s and that the tempering is carried out at temperatures of at least 500 ° C. to a maximum of 50 K below Ac ₁ and a holding time of at least 5 minutes.

2. The method according to claim 1, characterized, that the steel used contains a maximum of 0.3% chromium.