DE3844160C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf metallische, unter hoher Flächenpressung stehende Dichtungs- und/oder Gewindebereiche von Stahlrohren.

Stahlrohre für die Erdöl- und Erdgasgewinnung werden zu Rohrsträngen miteinander verschraubt, wobei die Verbindungen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus müssen sie unter der Belastung auch noch verschraubbar, mehrfach verschraubbar und - je nach Gewinde-Typ - gasdicht sein. Stahlrohrwerkstoffe neigen hierbei zum Kaltverschweißen, dem sogenannten Fressen an den aufeinander gleitenden Flächen. Es ist deswegen schon mehrfach vorgeschlagen worden, die aufeinander gleitenden Flächen im Gewinde und am metallischen Dichtsitz mit einem Nichteisenmetall, wie Kupfer oder Zinn zu beschichten (DE-OS 31 47 967). Wichtig dabei ist die Auswahl der bestgeeigneten Nichteisenmetalle und ihrer Haftfähigkeit auf dem Rohrwerkstoff, sowie ihre Duktilität. Dazu ist auch vorgeschlagen worden, auf den Dichtungs- und/oder Gewindebereichen eine Schicht aus Blei, Zink, Kadmium oder Wismut aufzubringen, wobei diese Schicht aus ca. 1 bis 10% Zinn besteht und ca. 3 bis 20 µm dick ist (EP-OS 2 46 387). Nachteilig bei diesem Vorschlag ist die nicht ausreichende Haftfähigkeit der aufgebrachten Schicht, so daß sie beim Verschraubvorgang auftretende Schubkräfte nicht aufnehmen kann.

Aus der DE 14 96 835 A1 ist schließlich ein elektrolytisches Verzinnungsverfahren zur Erzielung einer höheren Korrosions­ fähigkeit von Blechen bekannt, bei dem zunächst eine dünne Vorplattierung aus Zinn auf das Stahlblech aufgebracht und diese Schicht vor dem Aufbringen einer weiteren Schicht verflüssigt wird. Die Wiederverflüssigungstemperatur soll dabei zwischen 288 und 454 Grad Celsius, vorzugsweise oberhalb 371 Grad Celsius liegen. Diese Temperatur ist für den dort angegebenen Zweck, d. h. die Erreichung einer bestimmten Struktur wesentlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf den Dichtungs- und/oder Gewindebereich von Stahlrohren für die Erdöl- und Erd­ gasgewinnung anzugeben, mit dem bei einer fettfreien Verschraubung auch bei Mehrfachverschraubung zuverlässig Fressen verhindert wird und dessen Dichtwirkung optimiert ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1. Der Unteranspruch 2 eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 1. Im Anspruch 3 ist der Aufbau eines nach dem Verfahren des Hauptanspruches hergestellten metallischen Überzuges festgelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Grund­ schicht, die entweder aus reinem Zinn oder einer Zinn enthaltenden Pseudolegierung besteht nach einer kurzzeitigen Wärmebehandlung im Bereich zwischen 1 bis 10 Sekunden bei einer Temperatur bis 50 K oberhalb des Schmelzpunktes von Zinn fest auf dem Grundwerkstoff haftet. Die Haftwirkung wird dadurch erzielt, daß durch das Aufschmelzen des Zinns dieses in den Grundwerkstoff diffundiert und eine intermetallische Reaktionsschicht bildet. Diese Reaktionsschicht verbindet den Grundwerkstoff mit der elektrolytisch abgeschiedenen Grundschicht. Ohne eine solche Verbindung würde die elektrolytisch abgeschiedene Schicht infolge der der bei der Verschraubung auftretenden Schubkräfte vom Grundwerkstoff weggeschoben.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dadurch, daß gegenüber der bereits bekannten Verzinnung der Dichtungs- und/oder Gewindebereiche von Stahlrohren auf einer solch festhaltenden Grundschicht ein Element aus der Gruppe der duktilen Nichteisenmetalle elektrolytisch abgeschieden wird. Besonders vorteilhaft ist dabei das Element Blei, das gegenüber Zinn noch weitergehende günstige Eigenschaften aufweist. Alternativ zur Abscheidung von reinem Blei wird weiterhin vorgeschlagen, statt dessen eine Blei-Zinn-Pseudolegierung eletrolytisch abzuscheiden und diese Schicht durch die bereits beschriebene Wärmebehandlung fest mit dem Grundwerkstoff zu verbinden.

Der erfindungsgemäße metallische Überzug zeigt unter hoher Flächenpressung im Gewindebereich keinerlei Verschweißung bei gegebenenfalls gleichzeitiger Dichtwirkung. Die Verschraubung erfolgt ohne Schmiermittel, wodurch das Verschrauben vereinfacht und kostengünstig ist. Wegen der ausgezeichneten Haftung der elektrolytisch abgeschiedenen Schicht auf dem Grundwerkstoff erweist sich ein solcher metallischer Überzug als besonders geeignet, zum Beispiel für Gestängerohre und Schwerstangen, die mit relativ grobem Gewinde versehen ist und vielmals verschraubt und entschraubt werden. Dieser Überzug ermöglicht auch eine hermetische Abdichtung von der Art Metall auf Metall, wenn nur eine der beiden Dichtflächen mit einem solchen Überzug versehen ist. Deshalb empfiehlt sich ein solcher metallischer Überzug auch für Futterrohre. Weil beide vorgenannten Eigenschaften gleichzeitig vorliegen, ist der metallische Überzug auch besonders für Steigrohre bei der Erdgasversorgung hervorragend geeignet.

Die Anwendung des Verfahrens wird beispielhaft an der Beschichtung von Muffengewinden näher erläutert.

Das Ausgangsprodukt sind Rohrabschnitte, die auf die gewünschte mechanische Festigkeit vergütet bzw. kaltverformt und auf die endgültige Form der Muffe spanabhebend bearbeitet, insbesondere mit Gewinde versehen werden. Die Muffe wird in folgender Reihenfolge, ohne die dazwischen erforderlichen Spül- und Trocknungsvorgänge im einzelnen aufzuzählen, alkalisch heiß entfettet, mit einem verdünnten Salzsäure-Salpetersäure-Gemisch Oberflächen-aktiviert und übergangslos in einem Nickelionen-enthaltenen Bad mit einer bis zu 1 µm dicken Nickelschicht versehen, was in Abhängigkeit von der Bad-Konzentration in einer Tauchzeit von einigen Sekunden erfolgt. Bei unlegierten Stählen kann diese Vernickelung entfallen.

Die anschließende innenseitige elektrolytische Abscheidung der Grundschicht und der Deckschicht erfolgt in besonderen Galvanisierungsbädern. Es wird angestrebt, bei kurzer Tauchzeit mit hoher Stromausbeute zu arbeiten und in wenigen Sekunden die angestrebten Auflagen abzuscheiden. Die Muffe wird dann ca. 150 Grad Celsius etwa 1 bis 2 Stunden an Luft ausgelagert, damit absorbierter Wasserstoff effundieren kann. Zum Aufschmelzen des Zinnanteils der Grundschicht wird die Muffe auf etwa 200 bis 210 Grad Celsius vorgewärmt und von dieser Vorwärmung für z. B. 10 s auf etwa 250 Grad Celsius oder für 5 s auf etwa 280 Grad Celsius erhitzt und danach mindestens unter den Schmelzpunkt des Zinns rasch abgekühlt. Für das Vorwärmen, das Erhitzen und das Abschrecken wird die Muffe in Flüssigkeitsbäder, z. B. Salzbäder getaucht.

Bei Verschraubversuchen zeigen derartig mit Metallüberzügen beschichtete Muffen bei mehr als 10facher Ver- und Entschraubung nur mit Öl-Zugabe und ohne Anwendung üblicher API-Fette keinerlei Freßerscheinungen.

Claims (3)

1. Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf metallische, unter hoher Flächenpressung stehende Dichtungs- und/oder Gewindebereiche von Stahlrohren, bei dem die zu beschichtenden Oberflächen einer aus einer Reinigung und Entfettung bestehenden Vorbehandlung unterzogen werden, nach der Vorbehandlung eine Zinn oder Zinn enthaltende Schicht elektrolytisch abgeschieden wird, daraufhin eine erste Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 150 bis 200 Grad Celsius und einer zweiten kurzzeitigen Wärmebehandlung bei 50 K oberhalb des Schmelzpunktes von Zinn mit nachfolgender Abkühlung unter Bildung einer gepfropften Grundschicht erfolgt, und anschließend darauf zur Bildung einer Deckschicht wahlweise Blei, Indium, Silber, Wismut oder eine Blei-Zinn-Pseudolegierung elektrolytisch abgeschieden wird und der so behandelte Bereich anschließend für ein bis zehn Sekunden bei einer Temperatur bis 50 K über dem Schmelzpunkt des Zinns erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Flächen von Rohren aus legiertem und hochlegiertem Stahl vor der Beschichtung elektrolytisch aktiviert und mit einer Nickel­ schicht bis zu einer Dicke von etwa 1 µm versehen werden.

3. Metallischer Überzug hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinn- oder die Zinn enthaltende Grundschicht eine Zinnauflage im Bereich zwischen 5 bis 50 g/m² aufweist und die Gesamtschichtdicke mit der darüberliegenden Deckschicht maximal 50 µm beträgt.