DE60133463T2

DE60133463T2 - Verfahren zum herstellen eines hochfesten stahlrohres

Info

Publication number: DE60133463T2
Application number: DE60133463T
Authority: DE
Inventors: Eiji Tsuru; Takuya Hara; Hitoshi Asahi; Hideki Miyazaki; Tatsuya 1 YOSHIDA
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2021-06-09
Also published as: EP1297910A1; EP1297910B8; US6782921B1; DE60133463D1; EP1297910B1; WO2001094043A1; EP1297910A4

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein hochfestes Stahlrohr mit verbesserter Umformbarkeit und Berstfestigkeit, wenn das Stahlrohr durch ein UOE-Herstellungsverfahren geformt wird.
Hintergrund der Technik
Die Gruppe von Arbeitsgängen zur Herstellung eines Stahlrohrs durch ein UOE-Verfahren setzt sich allgemein aus folgenden Arbeitsgängen zusammen: C-Formen (Pressen) eines Stahlblechs, U-Formen (Pressen), O-Formen (Pressen), Nahtschweißen und Rohraufweitung bzw. -expansion gemäß 1. Im Arbeitsgang zum C-Formen werden beide Kanten eines Stahlblechs angefast, wonach die Umgebung der Kanten des Stahlblechs angebogen wird. Zumeist wird durch Preßformen angebogen, möglich ist aber auch, angebogene Abschnitte in der Umgebung der Kanten eines Stahlblechs mit Walzformen herzustellen, was in der JP-A-S61-279313 offenbart ist. Nach dem C-Formen wird das Stahlblech anschließend in einem Arbeitsgang zum U-Formen in eine "U-Form" und danach in einem Arbeitsgang zum O-Formen in eine Rohrform gebracht. Im Anschluß daran werden beide Kanten des in eine Rohrform gebrachten Stahlblechs, deren abgefaste Enden aneinanderstoßen, in einem Nahtschweißarbeitsgang nahtgeschweißt. An diesem Punkt ist erstmals ein in Umfangsrichtung geschlossenes Rohr gebildet, wonach das Rohr einer Rohrexpansion mit Hilfe einer als Expander bezeichneten Rohraufweitungsvorrichtung in einem Rohrexpansionsarbeitsgang zum Erhalten einer besseren Rohrform unterzogen wird, d. h. zum Verbessern der Rundheit des Rohrs. Als Verfahren zum Expandieren eines Rohrs gibt es zwei Ver fahren: das mechanische Rohrexpansionsverfahren, bei dem ein Rohr von innen nach außen zwangsverformt wird, und das hydraulische Druckrohrexpansionsverfahren, bei dem ein hydraulischer Druck im Inneren eines Rohrs ausgeübt wird. Derzeit kommt zumeist das erstgenannte Verfahren zum Einsatz. Obwohl es im Gegensatz zu den o. g. Rohrexpansionsverfahren ein Verfahren zur Durchmesserverringerung eines Rohrs von außen zur Rundheitsverbesserung des Rohrs gibt, ist zu beachten, daß sich dieses Verfahren vom UOE-Verfahren unterscheidet.
In der Vergangenheit gab es beim UOE-Verfahren zur Herstellung eines Stahlrohrs zahlreiche Erfindungen zur Verbesserung der Umformbarkeit, z. B. Rundheit, der Kapazität vorhandener Anlagen und der Umformbarkeit eines Rohrs mit starker Wanddicke durch Festlegen der Formgebungsbedingungen in jedem der Arbeitsgänge zum C-Formen, U-Formen, O-Formen und Rohrexpandieren.
Beim Formgebungsverfahren zum C-Pressen offenbart z. B. die JP-A-H8-294724 ein Verfahren zum Verringern von Überhöhung (einer positiven Abweichung vom konzentrischen Kreis an einer Schweißnaht) und Ermöglichen, ein Material mit starker Dicke oder ein hochfestes Material zuformen, indem eine spezifisches Beziehung zwischen der Formgebungslänge, Streckgrenze eines Blechmaterials und seiner Dicke im C-Formarbeitsgang festgelegt wird, ohne die Kapazität beim C-Pressen und/oder O-Pressen zu erhöhen.
Ferner offenbaren die JP-A-H9-239447 und H10-211520 , daß schlechte Formen auch im Rahmen der Fähigkeit vorhandener Anlagen verbessert werden können durch Steuern der Länge des Biegebereichs auf mindestens das 3,5-fache der Blechdicke oder Steuern der Länge des geraden Restabschnitts auf höchstens das 1,5-fache der Blechdicke beim C-Formen; und dadurch erfolgendes Unterdrücken von Überhöhung (einer Vorwölbung an einem Stoßabschnitt bei dieser Technologie) auf höchstens 2 mm. Weiterhin offenbart die JP-A-1135933 eine Technologie, mit der die Form eines Stahlrohrs verbessert werden kann, indem das Verhältnis zwischen dem Krümmungs- bzw. Biegeradius beim C-Pressen (dem Biegeradius vor O-Pressen) und dem Biegeradius des Stahlrohrs im Bereich von 0,8 bis 1,2 gesteuert und dadurch Überhöhung verringert wird. Als Technologien, die durch die Formgebungsbedingungen beim C-Pressen gemäß der o. g. Offenbarung entwickelt wurden, wurden die Technologien vorgeschlagen, die in den JP-A-S55-14724 , S59-199117 und S60-92015 offenbart sind.
Zusätzlich gibt es als Technologie zur Verbesserung der Umformbarkeit beim O-Pressen eine Technologie zur Überhöhungsreduzierung durch Bilden eines heteromorphen Abschnitts in der Mitte eines Werkzeugkalibers in Längsrichtung, was in der JP-A-1258977 offenbart ist. Zudem gibt es andere Technologien zur Verbesserung des O-Pressens, die in den JP-A-H9-94611 und S53-112260 vorgeschlagen sind.
Ferner gibt es als Technologie zur Korrektur der Rundheit und des Biegens durch Gestaltung eines Rohrexpansionsarbeitsgangs eine Technologie zum mehrmaligen Pressen, während die Relativpositionen eines Kalibers und eines umzuformenden Materials geändert werden, was in der JP-A-H03-94936 offenbart ist. Als andere Technologien gibt es Technologien zur Rundheitsverbesserung bezogen auf die Rohrexpansion, die in den JP-A-S57-94434 und S61-147930 vorgeschlagen sind.
In den letzten Jahren hat die Bedeutung von Leitungsrohren als Mittel zum Langstreckentransport von Erdöl und Erdgas noch stärker zugenommen. Um insbesondere (1) die Transporteffizienz durch Ausüben eines höheren Drucks zu steigern und (2) die Effizienz beim Einbau vor Ort durch Verringern des Außendurchmessers und Gewichts eines Leitungsrohrs zu verbessern, stieg der Bedarf an einem hochfesten Leitungsrohr über X110 (mindestens 760 N/mm² Zugfestigkeit) zunehmend. Um diesem Bedarf nachzukommen, wurde in den letzten Jahren eine Technologie zur Anwendung von TMCP (thermomechanisch gesteu erter Bearbeitung) auch auf die Herstellung eines Stahlblechs mit einer Zugfestigkeit über 760 N/mm² entwickelt, was bis dahin schwierig war (siehe die JP-A-H8-199292 ).
Mit zunehmender Festigkeit von Leitungsrohren wurde weiterhin geklärt, daß die Enthärtung einer Wärmeeinflußzone (WEZ), die bisher kaum als Problem galt, beim Schweißen eines mittel- oder niederfesten Materials mit etwa 700 N/mm² Zugfestigkeit mit UP-Schweißen o. ä. zunimmt und die kritische plastische Verformung, bei der Verformungsrißbildung beim Formen eines Blechmaterials aufzutreten beginnt, sinkt, wenn ein hochfestes Material mit einer Zugfestigkeit über 850 N/mm² verwendet wird. Daher treten beim Formen eines Leitungsrohrs mit einer Zugfestigkeit über 850 N/mm² solche Probleme wie Rißbildung und Bruch an einer Schweißnaht in einem Rohrexpansionsarbeitsgang nach Nahtschweißen sowie Sprödbruch an einer Schweißnaht auf, wenn ein erhaltenes Stahlrohrprodukt einer Innendrucklast ausgesetzt wird. Zu diesen Problemen kam es nicht, wenn ein herkömmliches mittel- oder niederfestes Stahlrohr hergestellt wurde.
Offenbarung der Erfindung
Angesichts der o. g. Probleme bei den vorhandenen Technologien besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs mit so ausgezeichneter Umformbarkeit bereitzustellen, daß es nicht zu Rißbildung und Bruch an einer Schweißnaht in einem Rohrexpansionsarbeitsgang kommt, wenn ein solches hochfestes Stahlrohr zum Leitungsrohreinsatz mit einer Zugfestigkeit über 850 N/mm² hergestellt wird, sowie mit so ausgezeichneter Berstfestigkeit, daß kein Sprödbuch an einer Schweißnaht auftritt, auch wenn das Stahlrohrprodukt einer Innendrucklast in seinem Betrieb ausgesetzt wird.
Die Erfindung kam zur Lösung der o. g. Probleme zustande und ist im beigefügten Anspruch 1 festgelegt. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen festgelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs zur Herstellung eines Stahlrohrs durch ein UOE-Verfahren.
2 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Verhältnis (R/r) des Biegeradius (R) an einem Abschnitt in der Umgebung einer Schweißnaht vor Rohrexpansion zum Radius (r) eines Stahlrohrs nach Rohrexpansion und dem Auftreten oder Nichtauftreten eines Bruchs an der Schweißnaht während der Rohrexpansion.
3 ist eine Darstellung einer Beziehung zwischen dem Radius (r) eines Stahlrohrs nach Rohrexpansion und dem Biegeradius (R) an einem Abschnitt in der Umgebung einer Schweißnaht vor Rohrexpansion.
4 besteht aus Darstellungen einer Beziehung zwischen einem Segment zur Rohrexpansion während der Rohrexpansion und dem Biegeradius (R) an einem Abschnitt in der Umgebung einer Schweißnaht vor Rohrexpansion sowie dem Zustand des Auftretens einer Verformung (Polarität) während der Rohrexpansion.
5 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Verhältnis (R/r) des Biegeradius (R) an einem Abschnitt in der Umgebung einer Schweißnaht vor Rohrexpansion zum Radius (r) eines Stahlrohrs nach Rohrexpansion und der Bruchform in einer hydraulischen Druckberstprüfung (Abdruckversuch).
6 ist eine Darstellung des Verfahrens zur Verformungsmessung während der Rohrexpansion.
7 ist eine Darstellung eines Models einer Schweißverbindung, das für die Finite-Elemente-Methode verwendet wird.
8 ist ein Diagramm des Ergebnisses, das durch Verformungsanalyse in der Zugprüfung erhalten wird.
9 ist eine schematische Darstellung der Höhe der Schrumpfzugabe eines Schweißmetalls an einer Innenfläche.
10 ist ein Diagramm des Überhöhungsbetragseinflusses und der Schweißmetallhöhe an einer Innenfläche auf die Berstfestigkeit.
11 ist eine Darstellung, mit der die Definition des Überhöhungsbetrags erläutert wird.
12 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen Rohrwanddicke und kritischem Überhöhungsbetrag.
13 ist ein Diagramm eines Überhöhungsbetrags vor Rohrexpansion und der Differenz des Überhöhungsbetrags zwischen vor und nach der Rohrexpansion.
14 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Änderung des Überhöhungsbetrags zwischen vor Rohrexpansion und nach Rohrexpansion und der Berstbruchform.
15 ist ein Diagramm der Einteilung der Bruchform in der Zugprüfung einer Verbindung in Beziehung zur Grundmetall- und WEZ-Härte.
16 ist ein Diagramm der Einteilung der Bruchform in einer Berstprüfung in Beziehung zur Grundmetall- und WEZ-Härte.
17 ist ein Diagramm der Einteilung des Auftretens oder Nichtauftretens eines Bruchs während der Rohrexpansion in Beziehung zu Wanddicke und Überhöhungsbetrag.
18 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen Vickers-Härte und Zugfestigkeit.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Um zunächst den Mechanismus der Riß- und Brucherzeugung an einer Schweißnaht in einem Arbeitsgang zur Rohrexpansion bei Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs mit einer Zugfestigkeit über 850 N/mm² durch ein UOE-Verfahren zu verstehen, wurden im Rahmen der Erfindung Stahlrohre hergestellt, deren Krümmungen bzw. Biegungen auf verschiedene Weise geändert waren, und es wurde untersucht, ob ein Bruch von einer Schweißnaht auftrat, wenn die Rohrexpansion unter der Bedingung durchgeführt wurde, daß das Rohrexpansionsverhältnis 1% be trug. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß das Auftreten oder Nichtauftreten eines Bruchs von einer Schweißnaht während der Rohrexpansion mit dem Biegeradius in der Umgebung einer Schweißnaht vor Rohrexpansion und dem Radius des Stahlrohrs nach Rohrexpansion zusammenhing. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis (R/r) des mittleren Biegeradius (R) im Bereich von 120 mm in Umfangsrichtung mit der Schweißnaht eines Stahlrohrs vor Rohrexpansion (nach O-Pressen und Nahtschweißen) als Mitte zum Radius (mittlerer Äquivalenzradius) (r) des Stahlrohrs nach Rohrexpansion und dem Auftreten oder Nichtauftreten eines Bruchs (ausgedrückt durch die Markierung ♢ bei Nichtauftreten eines Bruchs während der Rohrexpansion und durch die Markierung • bei Auftreten eines Bruchs während der Rohrexpansion) von der Schweißnaht während der Rohrexpansion. Hierbei wurde der Radius (r) eines Stahlrohrs nach Rohrexpansion durch richtiges Einstellen der Biegung beim C-Pressen und des Stauchbetrags beim O-Pressen variiert.
Anhand von 2 wurde geklärt, daß ein Bruch an einer Schweißnaht während der Rohrexpansion auftrat, wenn R/r unter 0,65 oder über 2,0 lag, es aber nicht zum Bruch kam, wenn R/r im Bereich von 0,65 bis 2,0 lag.
Ferner wurde geklärt, daß der Einfluß der Spannungskonzentration auf eine Schweißnaht bei Erhöhung eines Rohrexpansionsverhältnisses während der Rohrexpansion weitaus kleiner als der des mittleren Biegeradius (R) in der Umgebung der Schweißnaht eines Stahlrohrs vor Rohrexpansion, des Radius (r) des Stahlrohrs nach Rohrexpansion o. ä. war und daß das Rißverhalten einer Schweißnaht während der Rohrexpansion im wesentlichen nur durch das Biegeverhältnis (R/r) dominiert war.
3 ist eine Darstellung der Beziehung der Positionen zwischen dem Radius (r) eines Stahlrohrs nach Rohrexpansion und dem mittleren Biegeradius (R) im Bereich von 120 mm in Umfangsrichtung mit der Schweißnaht vor Rohrexpansion als Mitte, wenn R/r im Bereich zwischen der Untergrenze (0,65) und der Obergrenze (2,0) liegt, in dem kein Bruch an einer Schweißnaht während der Rohrexpansion auftritt.
Anhand des durch Beobachtung der Bruchteilstücke erhaltenen Ergebnisses wurde festgestellt, daß Rißbildung und Bruch mit der Außenseite einer Schweißnaht als Bruchausgangspunkt während der Rohrexpansion erzeugt wurden, wenn R/r größer als die Obergrenze von 2,0 war, bzw. mit der Innenseite einer Schweißnaht als Bruchausgangspunkt, wenn R/r unter der Untergrenze von 0,65 lag.
Daher bestimmt die Erfindung das Verhältnis (R/r) des mittleren Biegeradius (R) im Bereich von 120 mm in Umfangsrichtung mit der Schweißnaht eines Stahlrohrs vor Rohrexpansion (nach O-Pressen und Nahtschweißen) als Mitte zum Radius (mittlerer Äquivalenzradius) (r) des Stahlrohrs nach Rohrexpansion mit 0,65 bis 2,0, um Rißbildung und Bruch der Schweißnaht während der Rohrexpansion bei der Stahlrohrherstellung zu unterdrücken. Dadurch lassen sich Rißbildung und Bruch an einer Schweißnaht unterdrücken, die in einem Rohrexpansionsarbeitsgang bei Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs mit einer Zugfestigkeit über 850 N/mm² durch ein UOE-Verfahren erzeugt werden, und die Umformbarkeit und Produktivität eines hochfesten Stahlrohrs können verbessert werden.
Ein solches Stahlrohr wie ein Leitungsrohr, das in einer Umgebung zum Einsatz kommt, in der Innendruck ausgeübt wird, soll nicht nur keine Rißbildung und keinen Bruch an der Schweißnaht zeigen, sondern auch keinen Bruch von der Schweißnaht in einer Umgebung, in der eine Innendrucklast während seines Betriebs einwirkt. Als Kriterium ist erwünscht, daß kein Bruch von einer Schweißnaht, sondern nur ein Bruch eines Rohrkörpers (Grundmetalls) auftritt, wenn ein Stahlrohr einer Berstprüfung unterzogen wird.
Ferner wurde im Rahmen der Erfindung eine hydraulische Druckberstprüfung (Abdruckversuch) an Stahlrohrprodukten durchgeführt, die die o. g. Bedingung erfüllten, daß R/r im Bereich von 0,65 bis 2,0 lag, und somit gute Umformbarkeit hatten, ohne daß Rißbildung und Bruch an den Schweißnähten während der Rohrexpansion auftraten.
5 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis (R/r) des mittleren Biegeradius (R) im Bereich von 120 mm in Umfangsrichtung mit der Schweißnaht eines Stahlrohrs vor Rohrexpansion (nach O-Pressen und Nahtschweißen) als Mitte zum Radius (mittlerer Äquivalenzradius) (r) des Stahlrohrs nach Rohrexpansion und dem Auftreten oder Nichtauftreten eines Berstvorgangs (ausgedrückt durch die Markierung ♢ bei Auftreten von Bruch an einem Rohrkörper, durch die Markierung • bei Auftreten eines Verformungsbruchs an einer Schweißnaht und durch die Markierung
bei Auftreten eines Sprödbruchs an einer Schweißnaht), wenn die Stahlrohrprodukte einer hydraulischen Druckberstprüfung unterzogen werden. Anhand von 5 stellte man fest, daß es zum Bersten (Bruch) von einer Schweißnaht kam, wenn R/r kleiner als 1 war, und Bersten (Bruch) von einem Rohrkörper auftrat, wenn R/r mindestens 1 betrug.
4 zeigt die Beziehung der Positionen zwischen einem Segment (der Biegeradius entspricht dem Radius (r) eines Stahlrohrs) zur Rohrexpansion, das während der Rohrexpansion verwendet wird, und dem mittleren Biegeradius (R) im Bereich von 120 mm in Umfangsrichtung mit der Schweißnaht vor Rohrexpansion als Mitte, sowie dem Zustand einer Verformung, die während der Rohrexpansion erzeugt wird. Aus 4 wurde deutlich, daß sich die durch Biegen während der Rohrexpansion verursachte Zugverformung auf die Innenseite eines Stahlrohrs unter der Bedingung konzentrierte, daß R/r unter 1 lag, und sich die durch Biegen während der Rohrexpansion verursachte Zugverformung auf die Außenseite, eines Stahlrohrs unter der Bedingung konzentrierte, daß R/r mindestens 1 betrug.
Zusätzlich wurde im Rahmen der Erfindung als Ergebnis einer numerischen Analyse mit der Finite-Elemente-Methode festgestellt, daß unter der Bedingung, daß R/r unter 1 lag, eine übermäßige plastische Verformung an jedem der Schweißnahtgründe bzw. -übergänge an der Innenfläche eines Stahlrohrs verblieb, die durch eine Biegelast während der Rohrexpansion verursacht wurde, und die Menge der plastischen Verformung 25% überstieg. Daher geht man davon aus, daß der Berstmechanismus an der Schweißnaht eines Stahlrohrs wie folgt abläuft: Bei der Rohraufdehnung eines Stahlrohrs unter der Bedingung, daß R/r während der Formgebung des Stahlrohrs unter 1 liegt, verbleibt eine übermäßige plastische Verformung an der Schweißnaht des Stahlrohrs, die Menge der durch die Innendrucklast des Rohrs im Gebrauch des Stahlrohrs verursachten Zugverformung addiert sich zur Menge der Restverformung, die Gesamtverformung erreicht die kritische Bruchverformung, und als Ergebnis kommt es zum Bersten (Bruch) von den Schweißnahtübergängen. Beträgt andererseits R/r mindestens 1, wirkt die durch Biegen während der Rohrexpansion verursachte Restverformung an einer Schweißnaht auf die Druckseite, wodurch die Menge der an den Schweißnahtübergängen auf der Schweißnahtinnenseite nach Rohrexpansion verbleibenden Verformung auch in einer Druckumgebung oder einer Zugumgebung zurückgeht, als Ergebnis wird die Menge der plastischen Verformung weitaus kleiner als die eines Stahlrohrs, das unter der Bedingung expandiert wurde, daß R/r während der Formgebung des Stahlrohrs unter 1 lag, auch wenn die Menge der durch die Innendrucklast des Rohrs im Gebrauch des Stahlrohrs verursachten Zugverformung zur Menge der Restverformung addiert wird, und daher wird Bersten (Bruch) von der Schweißnahtinnenseite im Gebrauch des Stahlrohrs unterdrückt. Obwohl in diesem Fall eine Bruchneigung von der Schweißnahtaußenseite eines Stahlrohrs vorliegt, ist zu beachten, daß aufgrund der Tatsache, daß der Spannungszustand des Stahlrohrs bei In nendruckeinwirkung auf das Stahlrohr im Stahlrohrgebrauch so ist, daß die Verformung der Außenseite stärker als die der Innenseite abgeschwächt ist, sich die Bruchfestigkeit der Schweißnaht insgesamt verbessert.
Wie zuvor erläutert, wird es durch Einstellen der Bedingung von R/r während der Rohrexpansion bei Herstellung eines Stahlrohrs möglich, die Verformungsmenge (die Restverformungsmenge) zu steuern, die an jedem der Schweißnahtübergänge an der Innen- und Außenfläche eines Stahlrohrs während der Rohrexpansion erzeugt wird, und durch Einstellen der Verformungspolarität läßt sich die Menge der erzeugten kritischen plastischen Bruchverformung reduzieren, die durch eine Innendrucklast im Gebrauch des Stahlrohrs verursacht wird, und Bersten an der Schweißnaht unterdrücken (Bersten des Rohrkörpers zu erreichen).
Ferner wurden die Bruchteilstücke der Prüflinge untersucht, die von den Schweißnähten in einem hydraulischen Druckberstversuch zerbarsten, und es wurde festgestellt, daß der Bruch ein Verformungsbruch im Fall der Prüflinge mit R/r von mindestens 0,9 bis höchstens 1,0 und er ein Sprödbruch im Fall der Prüflinge mit R/r unter 0,9 war.
Bei einem Stahlrohr zum Leitungsrohreinsatz muß unter den Rißbildungsformen von Schweißnähten insbesondere ein Sprödbruch vermieden werden, da ein Sprödbruch eine hohe Rißausbreitungsgeschwindigkeit und ein niedriges Stoppvermögen für die Rißausbreitung hat und somit ein Faktor beim Verursachen eines großen Bruchs eines Leitungsrohrs ist. Aus diesem Grund legt die Erfindung fest, daß das Verhältnis (R/r) des mittleren Biegeradius (R) im Bereich von 120 mm in Umfangsrichtung mit der Schweißnaht eines Stahlrohrs vor Rohrexpansion (nach O-Pressen und Nahtschweißen) als Mitte zum Radius (mittlerer Äquivalenzradius) (r) des Stahlrohrs nach Rohrexpansion 0,9 bis 2,0 beträgt, um einen Sprödbruch an der Schweißnaht des Stahlrohrs in der Umgebung zu unterdrücken, in der das Stahlrohr für ein Leitungsrohr verwendet wird. Um einen Bruch von der Schweißnaht eines Stahlrohrs in der Umgebung vollkommen zu vermeiden, in der das Stahlrohr für ein Leitungsrohr zum Einsatz kommt, muß R/r vorzugsweise mit 1,0 bis 2,0 bestimmt sein.
Ferner wurden in der Erfindung aufgrund der Erkenntnis, daß Rohrexpansionsrißbildung während der Rohrexpansion und Nahtbersten im Stahlrohreinsatz von den Schweißnahtübergängen an der Innenfläche ausgingen und daß eine Winkelverzerrung die Berstfestigkeit beeinflußte, Dehnungsmesser an Punkten in 4 mm Abstand von den Schweißnahtübergängen an der Stahlrohrinnenfläche gemäß 6 angebracht, und es wurden die Verformungen in Umfangsrichtung während der Rohrexpansion gemessen. Die Verformungen wurden gemessen, bis die Verformungen das maximale Rohrexpansionsverhältnis während der Rohrexpansion kontinuierlich erreichten oder bis Rißbildung bei der Rohrexpansion auftrat. Betrug R/r höchstens 1, nahmen die Verformungen einfach allgemein zur Zugseite zu, und betrug R/r mindestens 1, nahmen die Verformungen einmal den Druckzustand ein und wechselten dann zur Zugseite. Hierbei wurden die maximalen Verformungsmengen und die Bruchformen im Arbeitsgang zur Rohrexpansion verglichen. Überstieg als Ergebnis eine Zugverformung 4%, kam es bei vielen Prüflingen zu Rohrexpansionsrißbildung von einer Schweißnaht. Aufgrund dessen kam in Rahmen der Erfindung eine Technologie zustande, die es ermöglichte, Rohrexpansionsrißbildung zu verhindern, indem der Absolutwert einer Verformung an einem Punkt in 4 mm Abstand von jedem der Schweißnahtübergänge auf einen Wert von höchstens 4 eingeschränkt wurde.
Einige Stahlrohre von denen, die die Rohrexpansion erfolgreich überstanden, wurden einer hydraulischen Druckberstprüfung unterzogen, und es wurden die während der Rohrexpansion gemessenen Verformungen sowie die Berstbruchformen verglichen. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß es häufig zu Bersten von einer Schweißnaht kam, wenn eine Rohrexpansionsverformung 2,5% überstieg. Andererseits kam es ausnahmslos zu Bersten von einem Rohrkörper, wenn die Rohrexpansionsverformung höchstens 2,5% betrug. Daher ist es durch Eindämmen des Verformungsabsolutwerts an einem Punkt in 4 mm Abstand von jedem der Schweißnahtübergänge auf höchstens 2,5% möglich, ein Stahlrohr bereitzustellen, bei dem Schweißnahtbruch verhindert ist, zu dem es durch Bersten bei Innendruckausübung kommt.
Im folgenden wird begründet, weshalb die Position der Verformungssteuerung auf einen Punkt in 4 mm Abstand von jedem der Schweißnahtübergänge an einer Innenfläche festgelegt ist: Die Verformungsmessung wird nicht durch C-Pressen, U-Pressen oder O-Pressen in der Umgebung einer Blechkante beeinflußt; die kritische äquivalente plastische Verformungsmenge, die als Indikator für die Verformungsrißbildung verwendet werden kann, wird nicht durch andere Arbeitsgänge in der Produktion beeinflußt; die an der Position gemessene Verformungsmenge kann die makroskopische Verformungsmenge in der Umgebung jedes der Schweißnahtübergänge darstellen; und ein enthärtetes WEZ-Band ist an einer Position in 2 bis 3 mm Abstand von jedem der Schweißnahtübergänge vorhanden, und die Verformungsmessung durch Anbringen eines Dehnungsmessers dort ist in der Tendenz fehlerbehaftet. Möglich ist auch, die Verformungsmeßposition an einer entfernteren Position als einer Position in 4 mm Abstand festzulegen, wenngleich die Genauigkeit schlechter ist, und in diesem Fall kann die Verformung umgekehrt proportional zum Abstand von jedem der Schweißnahtübergänge gesteuert werden.
Im Rahmen der Erfindung wurde eine numerische Analysensimulation mit der Finite-Elemente-Methode (im folgenden "FEM" genannt) durchgeführt, um den Einfluß der Schweißnahtform, Grundmetallfestigkeit, Schweißmetallfestigkeit, WEZ-Festigkeit und WEZ-Breite auf die Festigkeit einer Schweiß verbindung zu untersuchen. Tabelle 1 zeigt die Analysenbedingungen, 7 das Model der für die FEM verwendeten Schweißverbindung im Maßstab von 1:4 und 8 das Berechnungsergebnis.
8 zeigt, daß eine Verbindung bricht, wenn eine äquivalente plastische Verformung eine kritische Grenze erreicht. Bei identischen Verlagerungen bedeutet eine größere Verformungsmenge, daß die Verformung stärker konzentriert ist. Daraus wird verständlich, daß auch bei identischen Anfasungsformen gilt: Je größer die Höhe des Schweißmetallauftrags ist, um so stärker ist die Konzentration der Verformung, und auch bei identischen Höhen von Schweißmetallen gilt: Je größer der Anfaswinkel ist, um so geringer ist die Verformungskonzentration. Die geringfügige Abweichung der kritischen Verformungsmenge in jedem Fall wird durch den Einfluß des dreiachsigen Spannungsgrads verursacht. Festgestellt wurde, daß nur im Fall 2 die äquivalente plastische Verformung die kritische Verformung erreichte, sich aber in den Fällen 1 und 3 die Verformung auf das Grundmetall konzentrierte, bevor die äquivalente plastische Verformung an jedem der Schweißnahtübergänge die kritische Verformung erreichte, und somit kein Bruch an der Schweißnaht auftrat.
Danach wurden hochfeste Stahlrohre mit 914 mm Außendurchmesser und 16 mm Wanddicke einer Innendruckberstprüfung (Abdruckversuch) unterzogen, während die Höhe des Schweißgutauftrags an der Innenfläche jeder der Schweißnähte variiert wurde. Als Ergebnis war die Bruchform nicht immer die Form des Bruchs in Abhängigkeit von der Höhe des Schweißmetallauftrags. Hierbei bedeutet die Höhe des Schweißmetallauftrags dessen Höhe von der Rohrinnenfläche gemäß 9. Als Ergebnis der Beobachtung der Bruchteilstücke der Prüflinge, die von den Schweißnähten brachen, wurde festgestellt, daß die meisten Prüflinge Sprödbruch oder Verformungsbruch zeigten, der von den Innenflächen ausging, und daß Bersten in einem bestimmten Stadium im Druckerhöhungsvorgang gemäß dem Diagramm auftrat, das die Beziehung zwischen Innendruck und Zeit zeigt. Dies bedeutet, daß der Druck, dem ein geschweißtes Stahlrohr widersteht (in Japan verwendeter englischer Begriff "withstand Pressure" bzw. maximaler Betriebsdruck), niedriger als der ist, der einem Grundmetall eigen ist (niedriger als der maximale Betriebsdruck eine Rohrkörpers). Die Beziehung zwischen Überhöhungsbetrag und Schweißnahthöhe an einer Innenfläche ist in 10 auf der Grundlage der Annahme gezeigt, daß ein Bruch in der Tendenz auftritt, weil sich eine plastische Verformung an jedem der Schweißnahtübergänge an einer Innenfläche während der Rohrexpansion konzentriert, wenn eine positive Überhöhung vor Rohrexpansion wie zuvor dargelegt vorhanden ist. Hierbei ist ein Überhöhungsbetrag auf der Grundlage von 11 definiert. Das heißt, festlegungsgemäß ist der Überhöhungsbetrag der Abstand zwischen einem Schweißnahtübergang und der Nennaußenfläche eines Rohrs, das so hergestellt ist, daß die Ist-Außenfläche des Rohrs an Positionen in 60 mm Abstand von jedem der Schweißnahtübergänge gekreuzt wird. Bei Messung eines Überhöhungsbetrags nach Heftschweißen kann der Überhöhungsbetrag durch den Abstand zwischen einer Abfaskante und der Nennaußenfläche definiert sein. Obwohl die Metallhöhe an einer Innenfläche höchstens 2,0 mm betrug, wurde als Ergebnis festgestellt, daß der Berstdruck niedriger als der maximale Betriebsdruck eines Rohrkörpers war, wenn der Überhöhungsbetrag 1,0 mm überstieg.
Unterzog man andererseits Prüflinge mit höchstens 2,0 mm Metallhöhe an einer Innenfläche und höchstens 1,0 mm Überhöhungsbetrag einer hydraulischen Druckberstprüfung, wurde die Druckzunahme im zeitlichen Verlauf trotz Druckverstärkung durch eine Pumpe nicht beobachtet, und die Prüflinge brachen entweder direkt oder nach einer geringen Senkung des Drucks. Dies bedeutet, daß die Spannung des Grundmetalls die Zugfestigkeit erreicht hat, der maximale Betriebsdruck zum prakti schen Einsatz ausreicht und die Schweißnaht einen maximalen Betriebsdruck hat, der mit dem des Rohrkörpers identisch ist.
Aufgrund dessen wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß eine Berstfestigkeit erhalten werden konnte, die mit der eines Rohrkörpers identisch war, indem die Schweißmetallhöhe an einer Innenfläche auf höchstens 2,0 mm und ein Überhöhungsbetrag vor Rohrexpansion auf höchstens 1,0 mm beschränkt wurden. Das heißt, der Überhöhungsbetrag muß den folgenden Ausdruck erfüllen: –1,5 mm ≤ Überhöhungsbetrag (mm) ≤ 1,0 mm.
Lag der Überhöhungsbetrag unter –1,5 mm, kam es zum Bersten bei einem niedrigeren Druck als der maximale Betriebsdruck eines Rohrkörpers, auch wenn die Schweißmetallhöhe an der Innenfläche im zuvor festgelegten Bereich lag. Als Untersuchungsergebnis des Bruchteilstücks wurde geklärt, daß der Bruch von der Außenfläche des Schweißmetalls ausging. Daher zeigen sich die Wirkungen des Verfahrensablaufs nicht, wenn der Überhöhungsbetrag unter –1,5 mm liegt. Allgemein verschlechtert sich die Fasenstabilität beim O-Pressen, wenn der Überhöhungsbetrag auf einen negativen Wert sinkt, und ist der Überhöhungsbetrag kleiner als –2,0 mm, kommt es in der Tendenz zum Knicken, und stabiles Umformen wird in Massenfertigung kaum erreicht.
Als nächstes wurde im Rahmen der Erfindung untersucht, ob die in der Erfindung festgelegten Bereiche auf ein Rohr mit anderer Wanddicke und anderem Außendurchmesser anwendbar sein konnten. 12 zeigt das Ergebnis der Berstprüfung in dem Fall, in dem die Auftragshöhe an einer Innenfläche höchstens 2,0 mm beträgt. Je dicker die Wanddicke ist, um so niedriger ist der kritische Überhöhungsbetrag, und ein positiver Überhöhungsbetrag, bei dem ein mit dem eines Rohrkörpers identischer maximaler Betriebsdruck erhalten wird, richtet sich nach dem Wert 16/Rohrwanddicke (mm). Das heißt, der Überhöhungsbetrag muß den folgenden Ausdruck erfüllen: –1,5 mm ≤ Überhöhungsbetrag (mm) ≤ 16/Rohrwanddicke (mm). Erwünscht ist, den Überhöhungsbetrag im Bereich von 0 bis 16/Rohrwanddicke zu steuern, um eine stabile Produktion auch bei Massenfertigung zu gewährleisten.
Der Schweißnahtbruch einer Probe mit positivem Überhöhungsbetrag vor Rohrexpansion ging von der Innenfläche aus, und der Bruch einer Probe mit negativem Überhöhungsbetrag ging von der Außenfläche aus. Im Rahmen der Erfindung stellte man die Überlegung an, daß die Beständigkeit einer Schweißnaht gegen Bruch durch Bersten durch die Konzentration einer plastischen Verformung an den Schweißnahtübergängen und der WEZ verursacht war und ferner ihr Absolutwert hauptsächlich von der Änderungsmenge des Überhöhungsbetrags zwischen vor Rohrexpansion und nach Rohrexpansion abhing. Aufgrund dessen wurden die Überhöhungsbeträge vor und nach Rohrexpansion gemessen, und die Beziehung zwischen einem Überhöhungsbetrag vor Rohrexpansion und der Änderungsmenge des Überhöhungsbetrags zwischen vor Rohrexpansion und nach Rohrexpansion wurde gemäß 13 erhalten. Anhand der Darstellung stellte man folgendes fest: Obwohl die Überhöhung vor Rohrexpansion der Rohrnennoberfläche nahekam, was die Sollbiegung darstellte, verteilten sich durch Rohrexpansion die Daten weitgehend in zu großer Korrekturrichtung (zu der Seite, auf der die Änderungsmenge des Überhöhungsbetrags größer als die Linie als Darstellung der Nennoberfläche eines Rohrs in 13 war).
Unter den Prüflingen wurden die Prüflinge mit jeweils höchstens 2,0 mm Höhenauftrag an der Schweißnahtinnenfläche ausgewählt und einer Berstprüfung unterzogen. Die Ergebnisse sind in 14 mit den Prüflingen mit 914 mm Durchmesser und 16 mm Dicke als Beispielen gezeigt. Die Prüflinge wurden in die folgenden drei Kategorien bezogen auf die maximalen Betriebsdrücke und die Bruchformen eingeteilt: solche mit maximalen Betriebsdrücken unter denen der Rohrkörper und mit Nahtbersten; solche mit maximalen Betriebsdrücken gleich de nen der Rohrkörper und mit Nahtbersten; und solche mit maximalen Betriebsdrücken gleich denen der Rohrkörper und mit Bersten von den Rohrkörpern. Als Ergebnis wurde folgendes festgestellt: Obwohl die Überhöhungsbeträge vor Rohrexpansion im Bereich von –1,5 bis 1,0 mm lagen, kam es bei den Prüflingen mit Änderungsmengen des Überhöhungsbetrags über 1 mm während der Rohrexpansion zum Nahtbersten, wogegen es bei den Prüflingen mit Änderungsmengen des Überhöhungsbetrags im Bereich von höchstens 1 mm bis mindestens –1,5 mm zum Bersten von den Rohrkörpern kam.
Der Grund, weshalb sich die Berstfestigkeit bei sinkender Änderungsmenge des Überhöhungsbetrags verbessert, besteht darin, daß die Änderungsmenge des Überhöhungsbetrags die Verformungskonzentration auf eine Schweißnaht am stärksten beeinflußt. Der Grund, weshalb die Zugabe des Überhöhungsbetrags auf der negativen Seite größer ist, besteht darin, daß die durch Winkelverzerrung verursachte Druckverformung durch die Zugverformung in Umfangsrichtung kompensiert wird und dadurch die äquivalente plastische Verformungsmenge sinkt.
Neben dem Überhöhungsbetrag ist das Rohrexpansionsverhältnis als Indikator für die Umformbarkeit angegeben, das die Verformungskonzentration auf eine Schweißnaht ausweist. Um aber die Rundheit eines gesamten Rohrs zu gewährleisten, kann das Rohrexpansionsverhältnis nicht gesenkt werden, und um die Rundheit in der Definition durch das American Petroleum Institute auf ±1% eines Nenndurchmessers zu steuern, ist es notwendig, ein Rohrexpansionsverhältnis von mindestens 0,7% sicherzustellen. Gewöhnlich kommt ein Rohrexpansionsverhältnis von 0,8 bis 1,2% zum Einsatz. Die Winkelverzerrung zur Überhöhungskorrektur macht die Verformungskonzentration auf jeden der Schweißnahtübergänge oder eine WEZ weitaus größer als die Verformungszunahme infolge der Zunahme des Rohrexpansionsverhältnisses, weshalb gesagt werden kann, daß die Festigkeit an einer Schweißnaht im wesentlichen durch Überhöhung dominiert wird.
Anschließend wurden im Rahmen der Erfindung die Prüflinge, die die Schweißnähte hochfester Stahlrohre mit einer Zugfestigkeit über 900 N/mm² enthielten, abgeflacht und einer Zugprüfung in senkrechter Richtung zu den Schweißlinien unterzogen. Als Ergebnis brachen bei mittelfesten Materialien (X-65, X-80) und hochfesten Materialien (Zugfestigkeitsklasse 800 N/mm²) die Prüflinge von den Grundmetallen, und bei einem Stahlrohr mit einer Zugfestigkeit über 900 N/mm² brachen die Prüflinge zumeist von den Schweißnähten. Ferner wurde als Ergebnis der näheren Beobachtung der Bruchteilstücke festgestellt, daß es zwei Bruchteilstückformen gab, d. h. Verformungsbrüche und Sprödbrüche. Hierbei wurden die Formgebungsbedingungen, die Grundmetallfestigkeit, die WEZ-Festigkeit, die Schweißnahtform, die Schweißbedingungen u. ä. jedes Prüflings näher analysiert. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß ein Sprödbruchteilstück und ein Verformungsbruchteilstück durch Beibehalten der Beziehung zwischen der Vickers-Härte des Grundmetalls und der der WEZ in einem spezifischen Bereich unterschieden werden konnten. Hierbei ist die Vickers-Härte des Grundmetalls durch die mittlere Härte des Rohrkörpermaterials auf der Seite dargestellt, auf der ein Bruch an einer Schweißnaht ausgeht, und die Vickers-Härte der WEZ wird als minimale Härte an der WEZ auf der Seite verstanden, auf der ein Bruch an der Schweißnaht eines Rohrs seinen Ursprung hat, und die Position mit der minimalen Härte ist allgemein innerhalb von 3 mm von jedem der Schweißnahtübergänge vorhanden. Der Bruchausgangspunkt an einer Schweißnaht hängt eng mit einem Überhöhungsbetrag vor Rohrexpansion zusammen, und bei einem positiven Überhöhungsbetrag hat ein Bruch seinen Ursprung an der Innenfläche, und bei einem negativen Überhöhungsbetrag geht er von der Außenfläche aus. Das heißt, solange Grundmetallhärte, die WEZ-Härte, Überhöhungsbetrag und Rohrwanddicke den folgenden Ausdruck (3) erfüllen, weist das Bruchteilstück ein Verformungsbruchteilstück auf: (1 + 0,005t|δ|) Hz < 0,03584Hv2 – 25,34Hv + 4712 (3),wobei

Hv:: Vickers-Härte des Grundmetalls,
Hz:: Vickers-Härte der WEZ,
δ:: Überhöhungsbetrag vor Rohrexpansion in mm,
t:: Rohrwanddicke in mm.

Im Rahmen der Erfindung wurde wahrgenommen, daß die Bruchposition in Abhängigkeit von der Zugabe des Überhöhungsbetrags variierte und daß die Größe des Überhöhungsbetrags die Bruchform beeinflußte, wodurch der Ausdruck (3) abgeleitet wurde. Ist ein Überhöhungsbetrag positiv, konzentriert sich eine Verformung vorwiegend auf eine WEZ an einer Innenfläche während der Rohrexpansion, wogegen sich bei einem negativen Überhöhungsbetrag eine Verformung vorwiegend auf eine WEZ an einer Außenfläche konzentriert. Wird ein auf diese Weise plastisch verformtes Stahlrohr abgeflacht und dann einer Zugprüfung unterzogen, ist der Einfluß der während der Rohrexpansion verbliebenen plastischen Verformung vorherrschend, und der Ausgangspunkt für Rißbildung wird in Abhängigkeit von der Zugabe des Überhöhungsbetrags erzeugt. Ein großer Überhöhungsbetrag bedeutet, daß eine während der Rohrexpansion auftretende plastische Verformungsmenge groß ist, und man geht davon aus, daß bei einer Zugprüfung an einem solchen Prüfling das Grundmetall die kritische Verformungsmenge erreicht, ohne vorherrschende Dehnung zu erzeugen, Verformungsrißbildung auftritt und es kurz danach zu Sprödbruch kommt. Im Rahmen der Erfindung analysierte man eine äquivalente plastische Verformungsmenge, die an einer WEZ während der Rohrexpansion erzeugt wurde, mit der FEM und wies nach, daß die äquivalente plastische Verformungsmenge 25 überstieg und keine Zugabe gegenüber der kritischen Verformungsmenge vorlag.
Danach wurden Stahlrohre, die jeweils aus einer Position ausgeschnitten waren, die benachbart zu der Stelle lag, an der ein Prüfling zur Zugprüfung einer Schweißverbindung entnommen wurde, einer Innendruckberstprüfung (Abdruckversuch) unterzogen. 16 zeigt den Bruchabschnitt, der erhalten wurde, indem die Stahlrohre mit 914 mm Außendurchmesser und 16 mm Wanddicke der Berstprüfung unterzogen wurden, zusammen mit den Ergebnissen der Zugprüfung von Schweißverbindungen gemäß 15. Die Bruchformen in der Berstprüfung sind in zwei Kategorien eingeteilt: Bruch von einer Schweißnaht und Bruch an einem Rohrkörper. Die Prüflinge mit Brüchen an den Rohrkörpern entsprachen den Stahlrohren mit Verformungsbruchteilstücken in der Zugprüfung der Schweißverbindungen, und die Prüflinge mit Brüchen an den Schweißnähten entsprachen den Stahlrohren mit Sprödbruchteilstücken in der Zugprüfung der Schweißverbindungen. Das heißt, es wurde festgestellt, daß die Einteilung der Bruchteilstückformen, die durch die Zugprüfung von Schweißverbindungen erhalten wurden, der Einteilung des Bruchabschnitts in der Berstprüfung tatsächlicher Rohre entsprach. Aufgrund dieser Feststellungen wurde im Rahmen der Erfindung geklärt, daß Bersten an einem Rohrkörper erreicht werden konnte, indem die Härte eines Grundmetalls, die Härte einer WEZ und ein Überhöhungsbetrag so gesteuert wurden, daß der Ausdruck (3) erfüllt war.
Was konkrete Steuerverfahren betrifft, so läßt sich eine Härte durch Steuern der chemischen Zusammensetzung eines Grundmetalls selbst sowie der Anfangs- und Endtemperaturen der Wasserkühlung, einer Abkühlungsgeschwindigkeit, eines Schweißwärmeeintrags bei TMCP u. ä. steuern, und ein Überhöhungsbetrag läßt sich durch Steuern einer Biegung beim C-Pressen, einer Breite beim U-Pressen und eines Stauchverhältnisses beim O-Pressen u. ä. steuern.
Der Grund, weshalb der Festigkeitsbereich eines Grundmetalls auf mindestens 900 N/mm² festgelegt ist, besteht darin, daß bei einem Stahlrohr der 800-N/mm²-Klasse der Enthärtungsgrad einer WEZ gegenüber einem Grundmetall nicht ausreichend groß ist, sich eine Verformung auf die WEZ während der Rohrexpansion konzentriert und dies leicht zu Bruch am Rohrkörper während einer Berstprüfung führt, obwohl das Stahlrohr gehärtet ist. In diesem Zusammenhang untersuchte man im Rahmen der Erfindung die Beziehung zwischen Härte und Zugfestigkeit und erhielt die Beziehung gemäß 18.
Als nächstes untersuchte man im Rahmen der Erfindung konkrete Produktionsindikatoren, durch die der Ausdruck (3) leicht erfüllt werden konnte. Da bei einem hochfesten Stahlrohr mit einer Zugfestigkeit über 900 N/mm² das Stahlrohr leicht Rißbildung an der Schweißnaht während der Rohrexpansion erzeugt, ist es notwendig, ein Stahlrohr, das keine Rohrexpansionsrißbildung erzeugt, als Vorbedingung für die Erfüllung des Ausdrucks (3) herzustellen. Eine Rohrformgebungsprüfung wurde an den Prüflingen mit dem Rohrexpansionsverhältnis von 0,8 bis 1,2% sowie verschiedenen Wanddicken und Außendurchmessern durchgeführt.
17 zeigt die Prüflinge mit Rohrexpansionsrißbildung und die Prüflinge, die bei der Rohrexpansion ohne Rißbildung an den Schweißnähten erfolgreich waren, in Beziehung zur Wanddicke des Rohrkörpers. Festgestellt wurde, daß Rohrexpansionsrißbildung sehr genau verhindert werden konnte, wenn die Beziehung zwischen Überhöhungsbetrag und Wanddicke den folgenden Ausdruck (4) erfüllt: |δ| < 40/t (4).
Der Grund, weshalb ein kritischer Überhöhungsbetrag umgekehrt proportional zu einer Wanddicke ist, besteht darin, daß die Verformungsmenge, die sich an jedem der Schweißnahtübergänge konzentriert, in der Tendenz proportional zur Wanddicke steigt. Der Grund dafür, daß die Anzahl geprüfter Proben auf der negativen Überhöhungsseite klein ist, besteht darin, daß die Prüflinge mit negativen Überhöhungsbeträgen Knicken der Anfasungen beim O-Pressen erzeugen. Hierbei konnten die Prüflinge für die Prüfung verwendet werden, indem die Biegungen in Axialrichtung der Rohre beim C-Pressen variiert wurden oder eine das Knicken verhindernde Vorrichtung beim O-Pressen zum Einsatz kam.
Beispiele
Im folgenden werden Beispiele erläutert.
Beispiel 1
Für die Erfindungsbeispiele und Vergleichsbeispiele im Beispiel 1 erfolgte die Herstellung von Stahlrohren durch Variieren der Spezifikationen der Stahlrohre, z. B. Stahlblechfestigkeit, Durchmesser nach Formgebung und Wanddicke, und auch durch Variieren der Formgebungsbedingungen der Stahlrohre, z. B. Biegeradius R im Bereich von 120 mm mit einer Schweißnaht vor Rohrexpansion als Mitte, Radius r eines Stahlrohrs nach Rohrexpansion mit einem spezifischen Expansionsverhältnis R/r, was in Tabelle 2 gezeigt ist. Danach wurde an den so hergestellten Stahlrohren der Bruchzustand an einer Schweißnaht während der Rohrexpansion beobachtet, und an einigen der Stahlrohre wurden auch der Bruchzustand, die Bruchposition und die Bruchteilstückform in einer hydraulischen Druckberstprüfung beobachtet. Die Ergebnisse der Beobachtungen sind auch in Tabelle 2 aufgeführt. Ferner wurden Stahlrohre mit 914,4 und 711,2 mm Außendurchmesser sowie 16, 12, 20 und 14 mm Wanddicke einer hydraulischen Druckberstprüfung unterzogen, und es wurden die Überhöhungswerte, die Höhen des Schweißmetallauftrags an den Innenflächen, die Bruchfestigkeit und der Bruchabschnitt beobachtet. In Tabelle 3 sind die Beobachtungsergebnisse dargestellt.

Aus den Tabellen 2 und 3 ging folgendes hervor: Obwohl keines der Stahlrohre der Erfindungsbeispiele Nr. 1 bis 18 während der Rohrexpansion von der Schweißnaht brach, brachen einige der Stahlrohre von den Schweißnähten oder den Rohrkör gern in der hydraulischen Druckberstprüfung, und die Bruchteilstücke waren Verformungsbruchteilstücke. Andererseits brach jedes der Stahlrohre der Vergleichsbeispiele Nr. 1 bis 5 von der Schweißnaht während der Rohrexpansion und konnte nicht zu einem Stahlrohr geformt werden. Obwohl ferner keines der Stahlrohre der Vergleichsbeispiele Nr. 6 bis 9 während der Rohrexpansion von der Schweißnaht brach, brachen einige der Stahlrohre von den Schweißnähten in der hydraulischen Druckberstprüfung, und die Bruchteilstücke waren Sprödbruchteilstücke. Tabelle 1: Bedingungen der Analyse mit der Finite-Elemente- Methode

Fall	Höhe des Schweißmetallauftrags an der Innenfläche (mm)	Anfaswinkel (Grad)	Grundmetallfestigkeit (MPa)	Auftragsmetalifestigkeit (MPa)	Enthärtungsbreite der WEZ (mm)
1	1,4	40	940	1050	2
2	2,3	40
3	1,4	50

Tabelle 3

Außendurchmesser (mm)	Wanddicke (mm)	Stahlrohrfestig-keit (N/mm²)	Überhöhungswert (mm)		Schweiß metallauftragshöhe an Innenfläche (mm)	Bruchfestigkeit	Bruchabschnitt	Anmerkungen
Außendurchmesser (mm)	Wanddicke (mm)	Stahlrohrfestig-keit (N/mm²)	Vor Rohrexpansion	Änderungsmenge nach Rohrexpansion	Schweiß metallauftragshöhe an Innenfläche (mm)	Bruchfestigkeit	Bruchabschnitt	Anmerkungen
914,4	16	1010	0.3	1.2	1.7	Wie Rohrkörper	Bruch an Naht	Erfindungsbeispiel
		955	0.6	0.5	1.4	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		1010	1.0	1.2	0.8	Wie Rohrkörper	Bruch an Naht	Erfindungsbeispiel
		955	–0.5	0.9	1.8	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		955	–1.3	0.0	1.1	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		1005	0.2	0.8	2.0	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		1010	0.8	0.6	1.8	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		860	0.7	1.4	1.2	Wie Rohrkörper	Bruch an Naht	Erfindungsbeispiel
		1010	1.0	1.8	1.9	Wie Rohrkörper	Bruch an Naht	Erfindungsbeispiel
		1005	0.9	1.0	1.7	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		1005	0.0	0.0	1.0	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		1010	–1.5	–1.5	1.9	Wie Rohrkörper	Bruch an Naht	Erfindungsbeispiel
		1010	1.8	2.0	1.0	Kleiner als	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		1005	1.5	0.3	2.2	Kleiner als	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		955	1.3	1.5	1.6	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		955	1.9	2.1	1.4	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		1005	–2.3	–2.0	1.2	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		1010	0.3	–1.0	2.4	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		860	0.8	0.1	2.1	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
914,4	12	1012	0.8	1.0	0.9	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		970	0.0	–0.5	1.4	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		970	1.3	1.2	1.2	Wie Rohrkörper	Bruch an Naht	Erfindungsbeispiel
		970	1.2	1.6	2	Wie Rohrkörper	Bruch an Naht	Erfindungsbeispiel
		1012	2.5	2.1	1.5	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		1012	1.5	1.8	2	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		1012	0.2	–0.3	2.4	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichsbeispiel

Tabelle 3 (Fortsetzung)

914,4	20	940	0.8	1.2	1.9	Wie Rohrkörper	Bruch an Naht	Erfindungsbeispiel
		1000	–0.5	0.0	1.7	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		1000	0.6	0.9	1.4	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		940	0.2	0.1	0.8	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		1000	2.3	2.0	1.4	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		940	1.0	1.5	1.8	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		940	0.5	–0.1	2.1	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
711,2	14	980	0.6	1.3	1.4	Wie Rohrkörper	Bruch an Naht	Erfindungsbeispiel
		860	0.2	0.0	1.2	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		1020	1.1	1.0	1.9	Wie Rohrkörper	Bruch an Rohrkörper	Erfindungsbeispiel
		1050	2.8	2.0	1.7	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		900	2.0	1.9	1.4	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel
		1020	1.0	0 0	2.1	Kleiner als Rohrkörper	Bruch an Naht	Vergleichs-beispiel

Beispiel 2

Die Auswirkungen der Verwendung der Erfindung sind in den nachfolgenden Tabellen 4 und 5 dargestellt, in denen die Erfindungsbeispiele und die Vergleichsbeispiele verglichen werden. Mit Bruchformindex in Tabelle 4 wird der Wert bezeichnet, den man durch Subtrahieren des Werts auf der linken Seite vom Wert auf der rechten Seite des Ausdrucks (3) erhält. War gemäß den Tabellen 4 und 5 im Ausdruck (3), der die Härte eines Grundmetalls, die Härte einer WEZ und einen Überhöhungsbetrag enthält, oder in den Ausdrücken (3) und (4) ein Index negativ, wurde ein Sprödbruchteilstück in der Zugprüfung beobachtet, und ein Bruch trat in der Berstprüfung von einer Schweißnaht auf. War dagegen im o. g. Ausdruck (3) oder in den Ausdrücken (3) und (4) ein Index positiv als Fall eines Erfindungsbeispiels, war klar, daß ein Bruch von einem Rohrkörper auftrat.

Tabelle 5

Außendurchmesser (mm)	Wanddicke (mm)	Überhöhungswert (mm)		Rohrexpansionsrißbildung	Anmerkungen
Außendurchmesser (mm)	Wanddicke (mm)	Bereich der Erfindung	Meßwert	Rohrexpansionsrißbildung	Anmerkungen
914,4	16	–2,5–2,5	3.2	Bruch an Naht	Vergleichsbeispiel
			4.0	Bruch an Naht
			2.7	Bruch an Naht
			–2.8	Bruch an Naht
			–3.0	Bruch an Naht
			2.5	Kein Bruch	Erfindungsbeispiel
			1.8	Kein Bruch
			1.5	Kein Bruch
			0.3	Kein Bruch
			–0.5	Kein Bruch
			–2.3	Kein Bruch
914,4	12	–3,3–3,3	3.6	Bruch an Naht	Vergleichsbeispiel
			3.8	Bruch an Naht	Vergleichsbeispiel
			1.8	Kein Bruch	Erfindungsbeispiel
			1.0	Kein Bruch
			3.2	Kein Bruch
			0.3	Kein Bruch
914,4	20	–2,0–2,0	2.5	Bruch an Naht	Vergleichsbeispiel
			2.3	Bruch an Naht	Vergleichsbeispiel
			2.0	Kein Bruch	Erfindungsbeispiel
			1.6	Kein Bruch
			1.0	Kein Bruch
			0.2	Kein Bruch
711,2	14	–2,8–2,8	3.2	Bruch an Naht	Vergleichsbeispiel
			3.0	Bruch an Naht	Vergleichsbeispiel
			2.8	Kein Bruch	Erfindungsbeispiel
			2.2	Kein Bruch
			1.5	Kein Bruch
			1.2	Kein Bruch
			0.8	Kein Bruch
			0.3	Kein Bruch
			–1.2	Kein Bruch
			–1.6	Kein Bruch

Claims

Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs mit ausgezeichneter Umformbarkeit und Berstfestigkeit durch ein UOE-Verfahren, wobei das hochfeste Stahlrohr eine Zugfestigkeit über 850 N/mm² hat, das Verfahren den Schritt des Expandierens eines geschweißten Rohrs aufweist, wobei das Verhältnis (R/r) des mittleren Biegeradius (R) im Bereich von 120 mm in Umfangsrichtung mit der Schweißnaht des Stahlrohrs vor Rohrexpansion in einem Rohrexpansionsarbeitsgang zum Radius (r) des Stahlrohrs nach Rohrexpansion 0,65 bis 2,0 beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis 0,90 bis 2,0 beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs nach Anspruch 1, wobei der Absolutwert der Verformung in Umfangsrichtung an einem Punkt in 4 mm Abstand von jedem der Schweißnahtübergänge während der Rohrexpansion höchstens 4% beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs nach Anspruch 3, wobei der Absolutwert der Verformung höchstens 2,5% beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs nach Anspruch 1, wobei der Überhöhungsbetrag vor Rohrexpansion den Ausdruck (1) erfüllt und mindestens die Höhe der Schrumpfzugabe des Schweißmetalls an der Innenfläche höchstens 2,0 mm beträgt: –1,5 mm ≤ Überhöhungsbetrag (mm) ≤ 16/Rohrwanddicke (mm) (1)
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs nach Anspruch 5, wobei die Änderung des Überhöhungsbetrags zwischen vor Rohrexpansion und nach Rohrexpansion den Ausdruck (2) erfüllt: –1,5 mm ≤ Änderung des Überhöhungsbetrags (mm) ≤ 1,0 mm (2).
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs nach Anspruch 1, wobei das hochfeste Stahlrohr eine Zugfestigkeit von mindestens 900 N/mm² hat und die Vickers-Härte Hv des Grundmetalls des Stahlrohrs, die Vickers-Härte Hz an der WEZ, die Rohrwanddicke t und der Überhöhungsbetrag δ an der Schweißnaht des Stahlrohrs vor Rohrexpansion in einem Rohrexpansionsarbeitsgang den Ausdruck (3) erfüllen: (1 + 0,005t|δ|) Hz < 0,03584Hv2 – 25,34Hv + 4712 (3).
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Stahlrohrs nach Anspruch 7, wobei der Überhöhungsbetrag δ den Ausdruck (4) erfüllt: |δ| < 40/t (4)