DE3832014C2 - Verfahren zur Herstellung hochfester nahtloser Stahlrohre - Google Patents
Verfahren zur Herstellung hochfester nahtloser StahlrohreInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochfester
nahtloser Rohre aus Stahl durch Warmwalzen und anschließendes
beschleunigtes Abkühlen aus der Walzhitze. Diese Rohre sollen als
Ölfeld- und Leitungsrohre einsetzbar sein und mindestens der
API-Gütestufe X 70 entsprechen.
Die Herstellung nahtloser Rohre erfolgt üblicherweise durch Warmwalzen
von Stahlblöcken, die auf etwa 1200-1250°C erwärmt wurden. Die
Hauptumformung des Walzprozesses findet dicht unterhalb der
Blockziehtemperatur, also bei sehr hohen Temperaturen statt. Die durch
die Verformung verursachte Rekristallisation des Gefüges führt aufgrund
dieser hohen Temperaturen zu einem starken Kornwachstum und infolge
dessen zu einer entsprechenden Verschlechterung des Zähigkeitsverhaltens
der Werkstoffe. Es ist daher bisher stets als erforderlich angesehen
worden, an den Walzprozeß eine gesonderte Wärmebehandlung in Form einer
Normalisierungs- oder Vergütungsbehandlung anzuschließen, bei der durch
Umkörnung ein feineres Gefüge und dadurch eine Verbesserung der
Zähigkeitseigenschaften erreicht wird.
Eine solche Wärmebehandlung erfordert einen erheblichen Aufwand an Zeit
und Kosten, so daß es wünschenswert ist, einen Weg zu finden, diese
Zusatzbehandlung zu vermeiden. Grundsätzlich bietet es sich an, durch
eine gezielte Abkühlung nach dem Warmwalzen im Rohr ein bainitisches
Gefüge zu erzeugen, also sowohl die Ferritbildung als auch die
Martensitbildung weitestgehend zu vermeiden. Ein bainitisches Gefüge
liefert neben hohen Festigkeitskennwerten gute Zähigkeitseigenschaften.
Dieser Weg ist jedoch bisher für einen großtechnischen Einsatz nicht
praktikabel gewesen, weil die Temperaturführung während der
beschleunigten Abkühlung nicht so erfolgen konnte, daß das Bainitgebiet
sicher erreicht wurde.
Dies liegt daran, daß die einzelnen Stahlrohre unvermeidbar am Ende der
letzten Walzstufe stets nicht nur untereinander unterschiedliche
Temperaturen aufweisen; es bestehen auch erhebliche
Temperaturdifferenzen über die Rohrlänge und sogar über den Rohrumfang.
Diese Temperaturdifferenzen betragen typischerweise bis zu 100°C und
lassen sich am Ende der beschleunigten Abkühlung in nahezu unveränderter
Größe auf dem Rohr wiederfinden. Es kann also praktisch keine fixe
Abkühltemperatur angestrebt werden. Das aber bedeutet, daß durch die
Abkühlung nur in einzelnen Zonen des Rohres das Bainitgebiet in der
gewünschten Weise erreicht wird, während in anderen Zonen Ferrit (durch
zu langsame bzw. nicht ausreichend tiefe Abkühlung) oder Martensit
(durch zu tiefe Abkühlung) entsteht. Insgesamt weisen solche Rohre
örtlich außerordentlich stark abweichende Zähigkeits- und
Festigkeitseigenschaften auf und sind für die vorgesehene Verwendung
nicht geeignet.
Aus der DE 33 11 629 C2 ist jedoch ein Verfahren bekannt geworden, das die
Herstellung hochfester nahtloser Ölfeldrohre mit guten Zähigkeitseigen
schaften aus einem Stahl mit folgender Zusammensetzung gestattet:
0,02-0,12% C
1,30-2,20% Mn
max. 0,30% Mo
max. 0,50% Ni
0,01-0,04% Ti
0,02-0,06% Nb
0,003-0,008% N
0,03-0,05% Al
0,001-0,003% B
0,001-0,010% S
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
1,30-2,20% Mn
max. 0,30% Mo
max. 0,50% Ni
0,01-0,04% Ti
0,02-0,06% Nb
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0,03-0,05% Al
0,001-0,003% B
0,001-0,010% S
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
Das Verfahren sieht zur Erzielung eines feinkörnigen Gefüges ein kontrolliertes
Endwalzen bei niedrigen Temperaturen (700-850°C) vor, wobei durch eine davor
geschaltete Ausgleichsglühung über die Länge des warm vorgewalzten Rohres
eine völlig gleichmäßige Ausgangstemperatur sichergestellt wird.
Nach dem Endwalzen wird das Rohr mit Wasser und/oder an Luft auf Raumtemperatur
abgekühlt und zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften abschließend
noch angelassen. Die zwischen- bzw. nachgeschaltete Wärmebehandlung ist mit zu
sätzlichem Aufwand hinsichtlich Anlagentechnik und Energieverbrauch verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen
Art anzugeben, mit dem nahtlose Rohre mit hohen Streckgrenzen und hohen
Zugfestigkeiten bei gleichzeitig guten Zähigkeitseigenschaften
(Av+20°C < 60J) (API-Gütestufe X 70 oder höher) herstellbar sind, ohne
daß diese nach dem Walzen einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen
werden müssen. Dabei sollen Temperaturunterschiede im gewalzten Rohr
unmittelbar vor der Abkühlung des Rohres in einer Größenordnung von
mindestens 100-150 K zulässig sein, ohne daß die geforderten
Eigenschaften in Frage gestellt werden, und der verwendete Werkstoff
soll preiswert herstellbar sein, also keine größeren Mengen an teuren
Legierungselementen erfordern.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Weiterbildungen dieses
Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen aus einer gezielten
Werkstoffauswahl mit enggesetzten Grenzen für die einzelnen
Legierungselemente und vorgegebenen Bemessungsregeln für einzelne
Elemente untereinander sowie einer auf diesen Werkstoff abgestimmten
Abschreckbehandlung. Es konnte ein Stahl gefunden werden, der nicht nur
preiswert herstellbar ist, weil er keine größeren Mengen teurer
Legierungselemente erfordert, sondern der überraschenderweise über ein
breites Temperaturintervall (z.B. 150 K) der Abkühlung
(Abfangtemperatur) die Bildung von Bainit gewährleistet. Die Entstehung
von Ferrit kann problemlos auf unkritische Werte von unter 10%
Gefügeanteil beschränkt werden. Es wurde festgestellt, daß dem
Verhältnis der Elemente Kupfer und Nickel untereinander sowie der Summe
der Gehalte an Cr und Mo für das Abkühlverhalten hinsichtlich der
Erzielung gleichmäßiger Festigkeits- und Zähigkeitswerte eine
außerordentliche Bedeutung zukommt. Dies gilt ebenfalls für den
engbegrenzten Gehalt an Kohlenstoff. Bei Einhaltung der vorgegebenen
Analyse erhält man einen Stahl, der hinsichtlich der Endtemperatur der
Abschreckbehandlung in einem breiten Temperaturintervall praktisch
gleichmäßig gute Werte liefert. Dabei ist es gleichgültig, in welchem
Zustand die Einsatzblöcke vorliegen (z.B. Gußblöcke, Rundstrangguß,
gerundeter Vierkantstrangguß, gewalzter Rundstahl).
Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der für ein
Ausführungsbeispiel in den Fig. 1 und 2 dargestellten Werte der
Zugfestigkeit Rm und der Streckgrenze Rt0,5 bzw. der Kerbschlagarbeit
Av+20°C in Abhängigkeit von der Abfangtemperatur der beschleunigten
Abkühlung deutlich erkennbar. Die ermittelten Werte beziehen sich auf
einen Stahl mit folgender Zusammensetzung:
0,09% C
1,5% Mn
0,25% Cr
0,06% V
0,04% Nb
0,016% P
0,003% S
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
1,5% Mn
0,25% Cr
0,06% V
0,04% Nb
0,016% P
0,003% S
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegen die Meßwerte der Streckgrenze und der
Zugfestigkeit in einem Abfangtemperaturbereich von 350-520°C nahezu
auf gleichbleibendem Niveau. Die Streckgrenzenverhältnisse Rt 0,5/Rm
liegen durchweg unter 80%. Trotz des groben Ausgangsgefüges liefert der
Stahl mit der erfindungsgemäßen Abkühlbehandlung gute
Kerbschlagarbeitswerte (Fig. 2). Im Intervall der Abfangtemperatur von
350-520°C beträgt diese bei einer Prüftemperatur von +20°C stets
deutlich mehr als 60J.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht unter Verwendung einer
preiswerten Legierung und trotz Verzichts auf eine (kostenaufwendige)
gesonderte Wärmebehandlung die Herstellung hochfester Stahlrohre als
Ölfeld- und Leitungsrohre, wobei durch beschleunigte Abkühlung aus der
Walzhitze auch an solchen Rohren, die eine ungleichmäßige
Temperaturverteilung aufweisen,
sicher ein bainitisches Gefüge mit guten
Zähigkeitseigenschaften über die gesamte Rohrlänge erzeugt wird.
Unterschiede in der Abfangtemperatur von bis zu 150 K und je nach
Einstellung der Legierung auch darüber hinaus wirken sich dabei nicht
kritisch auf die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften aus.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung hochfester nahtloser Rohre aus Stahl
durch Warmwalzen und anschließendes beschleunigtes Abkühlen,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen:
- a) Verwendung von Einsatzblöcken aus einem mit Aluminium
und/oder Silizium beruhigten Stahl mit folgender
Zusammensetzung (Gewichts-%):
0,08-0,13% C
1,40-1,90% Mn
0-0,50% Cr
0-0,50% Mo
0-0,70% Ni
0-0,40% Cu
0,04-0,13% V
max. 0,020% P
max. 0,010% S
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,wobei die Summe der Gehalte an Cr und Mo im Bereich 0,20 bis 0,70% liegt und das Mengenverhältnis Cu/Ni bei Vorhandensein beider Elemente auf maximal 1 beschränkt ist. - b) Die Einsatzblöcke werden auf eine Temperatur von 1150 bis 1280°C erwärmt und in bekannter Weise zu Rohren warmgewalzt.
- c) Nach Verlassen der letzten Warmwalzstufe werden die eine Temperatur oberhalb Ar3 aufweisenden Rohre direkt aus der Walzhitze in 5-50 Sekunden unter weitgehender Vermeidung von Ferritbildung (max. 10%) bis auf einen Temperaturbereich von 340-560°C abgeschreckt und anschließend weiter an Luft abgekühlt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Stahl maximal 0,04% Nb zugesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Stahl maximal 0,04% Ti zugesetzt wird.
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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