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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
hochfesten Stahlrohren, die hauptsächlich aus einer martensitischen
und/oder bainitischen Mikrostruktur bestehen und die als hochfeste
Leitungsrohre vom Grad API X80 oder höher verwendet werden können. Stahlrohre,
die durch dieses Verfahren hergestellt sind, haben trotz ihrer überragenden
Festigkeit ein niedriges Streckgrenzenverhältnis und eine hohe Rundheit
oder Kreisform.
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Diejenigen
Stahlrohre, welche derzeit durch das UOE-Verfahren hergestellt werden
und die in praktischen Rohrleitungen verwendet werden, haben einen
Grad bis zu API X70. Die praktische Verwendung von Stahlrohren mit
einem Grad von API X80 findet sich auf der Welt nur in einigen Beispielen.
Dies ist deshalb der Fall, weil hochfeste Stahlrohre vom Grad X80
oder höher
ein hohes Streckgrenzenverhältnis
bekommen und es schwierig ist, ein Streckgrenzenverhältnis zu
erzielen, das nicht höher
als die Toleranzgrenze ist, die in der relevanten API-Norm vorgeschrieben
ist, und weil es technologisch schwierig ist, Grundcharakteristika
der Rohre einschließlich
Festigkeit, Zähigkeit
usw. zu erzeugen. Um weiterhin Stahlrohre mit einem Grad von X80 oder
höher zur
praktischen Anwendung zu bringen, ist eine Bewertung der Sicherheit
für einen
solchen hochfesten Stahl bei der tatsächlichen Anwendung als Rohrleitungen
erforderlich.
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Um
jedoch die Fördereffizienz
zu verbessern, ist es notwendig, die Festigkeit der Leitungsrohre
zu verbessern, um eine Förderung
unter hohem Druck durchzuführen.
In den vergangenen Jahren gab es sogar die Nachfrage nach hochfesten
Stahlrohren mit einem Grad X100 oder höher.
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Gemäß dem API
(American Petroleum Institute) sollte ein Stahl mit dem Grad X60
eine Streckgrenze von 60 ksi (413 MPa) oder höher haben. Ein Grad X80 bedeutet
80 ksi (551 MPa) oder höher,
und Grad X100 bedeutet 100 ksi (689 MPa) oder höher. Derzeit spezifiziert die
API-Norm Stähle
bis zu einem Grad X80. Der Begriff "hochfestes Stahlrohr", wie hier verwendet, bedeutet ein Stahlrohr
von einem Grad X80 oder höher.
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Hochfeste
Stahlrohre, die durch das UOE-Verfahren hergestellt sind, bringen
neue Probleme hervor, die bei Stahlrohren mit niedriger Festigkeit
nicht hervorgerufen wurden. Eines derselben ist das Streckgrenzenverhältnis.
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Für Leitungsrohre
ist zum Schaffen von Sicherheit vorgeschrieben, dass das Streckgrenzenverhältnis, nämlich der
Wert "(Streckgrenze/Zugfestigkeit) × 100(%)" nicht höher als
93% sein sollte. Stahlrohre mit geringer Festigkeit können diese
Anforderung (Streckgrenzenverhältnis
nicht höher
als 93%) leicht erfüllen.
Für den
Fall von hochfesten Stahlrohren, die hauptsächlich aus Martensit und/oder
Bainit bestehen, ist es jedoch schwierig, ein Streckgrenzenverhältnis von
nicht höher
als 93% sicherzustellen, da die Erhöhung der Streckgrenze infolge
von Kaltverfestigung signifikant ist.
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Mit
dem UOE-Verfahren hergestellte Rohre werden dem Schritt Aufweiten
unterzogen. Die Hauptaufgaben des Aufweitens sind das Einstellen
der Gestalt und der Form, typischerweise der Rundheit oder Kreisform,
und das Entfernen von Restspannungen, die vom Schweißen herrühren. Diese
Aufweitung führt
jedoch zu einer Erhöhung
der Streckgrenze und daher einer Erhöhung des Streckgrenzenverhältnisses.
Diese Tendenz ist bei hochfesten Stahlrohren, die hauptsächlich aus
einer Martensit- oder Bainit-Struktur
bestehen, ausgeprägter
als bei Stahlrohren niedriger Festigkeit, die eine Ferrit-Bainit- oder Ferrit-Perlit-Struktur
haben.
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In
der offengelegten japanischen Patentanmeldung (JP-A) H09-1233 oder
dem US-Patent Nr. 5,794,840 ist ein Verfahren zum Einstellen der
Charakteristika der Strahlrohre bei der Stahlrohrproduktion durch
das herkömmliche
UOE-Verfahren offenbart. Dieses Verfahren umfasst die Durchführung einer
Kaltaufweitung und einer Kaltreduktion in Kombination. Wie aus den
in der vorstehend genannten Veröffentlichung beschriebenen
Beispielen jedoch hervorgeht, ist das Ziel dieses Verfahrens ein
Rohr mit dem Grad X70. Gemäß dessen
Anspruch 2 folgt auf eine Rohrreduktion bis zu 2% eine Aufweitung
bis zu 4% und gemäß Patentanspruch
3 folgt auf die Rohraufweitung bis zu 2% eine Reduktion bis zu 4%.
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Unter
den vorstehenden Verfahren wird bei dem Verfahren, bei dem die Rohraufweitung
nach der Reduktion durchgeführt
wird, wenn diese bei hochfesten Stahlrohren angewandt wird, eine
Erhöhung
des Streckgrenzenverhältnisses
verursacht, was dazu führt,
dass die Erfüllung
der vorstehenden Anforderung (nicht höher als 93%) fehlschlägt. Bei
dem Verfahren, bei dem andererseits die Rohrreduktion auf die Aufweitung
folgt, führt
die Anwendung eines derartig hohen Grades an Rohraufweitung von
2% und eines derartig hohen Grades von Reduktion von 4% bei der
Anwendung bei hochfesten Stahlrohren zu einer prägnanten Verminderung der Festigkeit
der Stahlrohre.
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Die
US-A-5,900,075 offenbart ferner ein Verfahren zum Herstellen eines
Stahlrohres mit einer Mikrostruktur aus Martensit und/oder Bainit,
das in Termen des Flächenprozentsatzes
wenigstens 80% einnimmt und das eine Streckgrenze nicht unter 551
MPa hat. Das Verfahren hat die Schritte Ausbilden und Schweißen einer
Stahlplatte zu einem Stahlrohr und Aufweiten des Stahlrohres.
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Alternativ
offenbart die US-A-5,794,840 ein Verfahren, bei dem ein Stahlrohr,
das eine gegenüber
der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Struktur und ein unterschiedliches
Verhalten hat, zuerst aufgeweitet und dann reduziert wird.
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Um
die Erfindung, die in der JP-A H09-1233 oder dem US-Patent Nr. 5,794,840
offenbart ist, zusammenzufassen, betrifft diese kein Verfahren zur
Herstellung von hochfesten Stahlrohren, die hauptsächlich aus einer
Mikrostruktur aus Martensit und/oder Bainit bestehen. Die genannte
Publikation gibt keinen Hinweis darauf, wie das Streckgren zenverhältnis von
hochfesten Stahlrohren auf niedriger Höhe zu halten ist oder wie deren
Rundheit sicherzustellen ist.
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Die
Einflüsse
der Rohraufweitung und Reduktion auf die mechanischen Eigenschaften
der Stahlrohre variieren in Abhängigkeit
von der metallografischen Struktur der Rohre. Daher müssen die
Einflüsse
der Rohraufweitung und Reduktion auf Stahlrohre geringer Festigkeit,
die eine Ferrit-Bainit- oder Ferrit-Perlit-Struktur haben, und auf
hochfeste Stahlrohre, die hauptsächlich
aus einer Martensit- und/oder Bainit-Struktur stehen, separat untersucht
werden.
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Derzeit
gibt es keine Ergebnisse bezüglich
einem Herstellungsverfahren, bei dem das Problem, dass das Streckgrenzenverhältnis von
hochfesten Stahlrohren übermäßig hoch
wird, gelöst
werden kann. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zum Herstellen von Stahlrohren zu schaffen, bei dem das
vorstehend genannte hohe Streckgrenzenverhältnisproblem, das hochfesten
Stahlrohren eigen ist, gelöst werden
kann, und bei dem gleichzeitig die Rundheit der Rohre sichergestellt
werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung besteht in dem folgenden Verfahren zur Herstellung
von Stahlrohren, wie unter (1) spezifiziert. Weiterhin sind unter
(2) und (3) bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung angegeben.
- (1) Ein Verfahren
zum Herstellen eines Stahlrohres, das eine Mikrostruktur von wenigstens
80%, ausgedrückt
in Flächenprozent,
bestehend aus Martensit und/oder Bainit hat und eine Streckgrenze
von nicht unter 551 MPa hat; hat einen Schritt Ausbilden und Schweißen einer
Stahlplatte zu einem Stahlrohr, Aufweiten des Stahlrohres um 0,3
bis 1,2% und dann Reduzieren des aufgeweiteten Stahlrohres um 0,1
bis 1,0%. Der Prozentsatz der Aufweitung oder der Prozentsatz der
Reduktion bedeutet den Wert, der durch Teilen der Differenz zwischen
der Umfangslänge
des Rohres nach der Aufweitung oder Reduktion und derjenigen vor der
Aufweitung oder Reduktion, durch die Um fangslänge des Rohres vor der Aufweitung
bzw. Reduktion, und Multiplizieren des Quotienten mit 100 erhalten
wird.
- (2) Ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlrohres, wie vorstehend
angegeben, wobei der Prozentsatz der Reduktion kleiner als der Prozentsatz
der Aufweitung ist.
- (3) Verfahren zum Herstellen eines Stahlrohres, wie vorstehend
angegeben, wobei das Stahlrohr nach der Aufweitung und Reduktion
eine Streckgrenze von nicht unter 689 MPa hat.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Zugfestigkeit
eines Stahls und dem Streckgrenzenverhältnis, das von der Form der
Probekörper
für den
Zugversuch abhängt.
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2 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Stauchung
und dem Streckgrenzenverhältnis
beim Zugversuch von runden Probestäben, die nach der Beaufschlagung
derselben mit einer Zugkraft herausgefunden wurde.
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3 ist
eine grafische Darstellung der Ergebnisse des Kerbschlagversuchs
der Probestäbe,
nachdem diese einer Zugbelastung und einer Stauchung unterzogen
wurde.
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4 ist
eine grafische Darstellung der Streckgrenzenverhältniswerte, die nach der Aufweitung
und der Reduktion unter Verwendung von tatsächlichen Rohren erhalten wurde.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Wie
vorstehend angegeben, bewirkt der Rohraufweitungsschritt, der der
letzte Schritt bei dem herkömmlichen
UOE-Verfahren ist, eine Erhöhung
des Streckgrenzenverhältnisses
infolge von Kaltverfestigung. Bei steigender Rohrfestigkeit wird
es infolge der Anlagenkapazität
schwierig, die Rundheit innerhalb des beabsichtigten Bereiches zu steuern.
Die Hauptaufgaben des herkömmlichen
Rohraufweitungsschrittes sind die Beseitigung der Restspannungen
in der Nähe
des geschweißten
Teiles beim Schweißen
und Sichern der Rundheit. Bei diesem Schritt kann jedoch das vorstehend
erwähnte
hohe Streckgrenzenverhältnisproblem, das
hochfesten Stählen
eigen ist, nicht überwunden
werden.
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Die
vorliegende Erfindung konnte die folgenden neuen Lösungen bezüglich des
hohen Streckgrenzenverhältnisses
von hochfesten Stahlrohren erzielen.
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1 ist
eine grafische Zusammenstellung der Beziehung zwischen der Zugfestigkeit
und dem Streckgrenzenverhältnis
(YR), die durch einen Zugversuch an Zugfestigkeitsproben in Form
eines runden Stabes und an blattförmigen Zugfestigkeitsproben
gemäß dem API-Standard
erzielt worden ist. Die Testproben wurden in der Umfangsrichtung
aus einer großen
Anzahl von Stahlrohren, die im UOE-Verfahren hergestellt worden
sind und die unterschiedliche Streckgrenzen haben, gesammelt.
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Wie
in der 1 gezeigt, zeigen die Stähle geringer Festigkeit keine
große
Differenz bezüglich
des Streckgrenzenverhältnisses
(YR) zwischen dem Testen von API-Standard-Blattfestigkeitsproben
und Rundstab-Zugfestigkeitsproben. Im Fall von hochfesten Stählen jedoch,
zeigen die Rundstab-Zugfestigkeitsproben ein sehr hohes Streckgrenzenverhältnis, welches
die API-Anforderung, dass das "Streckgrenzenverhältnis nicht
höher als
93%" sein sollte,
merklich überschreiten.
Andererseits zeigen die blattförmigen
Zugfestigkeitsproben ungeachtet der Zugfestigkeit ein annähernd konstantes
Streckgrenzenverhältnis.
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Das
vorstehende Phänomen
tritt vermutlich deshalb auf, weil die Blatt-Zugfestigkeitsproben
gemäß API-Standard
durch Zurückbiegen
(Geraderichten) krummer Proben, die aus Stahlrohren herausgenommen worden
sind, zu einer Blattform hergestellt werden, während die Rundstab-Zugfestigkeitsproben
keiner Bearbeitung für
ein derartiges Geraderichten unterzogen werden. Somit ergibt das
Testen der blattförmigen
Zugfestigkeitsproben verminderte Streckgrenzenverhältniswerte,
weil die Testproben beim Bearbeiten zurückgebogen werden, so dass die
Streckgrenze infolge des Bauschinger-Effektes vermindert wird. Bei
den blattförmigen
Zugfestigkeitsproben ist diese Verminderung der Streckgrenze ein
Gegengewicht zu dem Ansteigen der Streckgrenze bei der Rohrausweitung,
daher wird das Streckgrenzenverhältnis
selbst dann kaum steigen, wenn die Festigkeit steigt. Andererseits
steigt beim Testen der Rundstab-Zugfestigkeitsproben das Streckgrenzenverhältnis mit
dem Ansteigen der Festigkeit, weil das vorstehende Vermindern der
Streckgrenze infolge des Bauschinger-Effektes bei der Geraderichtbearbeitung
nicht verursacht wird, so dass die Charakteristika jedes Materials
selbst bewertet werden. Bei dem hochfesten Stahl, auf welchen die
vorliegende Erfindung gerichtet ist, wird ein hohes Streckgrenzenverhältnis erwartungsgemäß infolge
der Tatsache der Martensit- oder Bainit-Struktur erzielt, welche
die Hauptstruktur ist, die eine hohe Versetzungsdichte hat, woraus
daher eine extreme Erhöhung
der Dehnungsempfindlichkeit resultiert.
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Angesichts
der vorstehenden Testergebnisse ist zu sagen, dass die Verwendung
der runden Zugfestigkeitsproben für die genaue Bewertung der
mechanischen Eigenschaften von hochfesten Stahlrohren mit einem
Grad X80 oder höher,
insbesondere einem Grad X100 oder höher, empfohlen werden, obwohl
das Streckgrenzenverhältnis
eines geringer festen Stahlrohres mit einem Grad von X70 oder darunter
entweder durch die Verwendung von blattförmigen Zugfestigkeitsproben
oder Rundstab-Zugfestigkeitsproben weitgehend gleich genau bewertet
werden kann. Daher wurden die Daten, auf welche sich die vorliegende
Erfindung stützt, alle
erhalten, indem Rundstab-Zugfestigkeitsproben getestet wurden. Im
Folgenden werden Testergebnisse beschrieben.
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1. Simulation
der Rohraufweitung und der Rohrreduktion
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Unter
Verwendung kleiner Proben wurde ein Test durchgeführt, um
die Rohraufweitung und die Rohrreduktion, die auf das UOE-Verfahren
folgt, zu simulieren. Das Testmaterial (die Stahlplatte) hatte eine
Zugfestigkeit in der C-Richtung von 900 MPa. Aus dieser Stahlplatte
wurden in der C-Richtung (Umfangsrichtung) Rundstab-Testproben mit
einem Durchmesser von 14 mm gewonnen, entsprechend einer O-Pressung
mit einer Stauchung von 0,3% versehen, dann einer Zugbelastung von
1,0% oder 3,0% entsprechend dem Rohraufweitungsschritt unterzogen
und ferner analog zu dem Rohrreduktionsschritt mit einer Stauchung
von 1,0% oder 3,0% versehen. Nach dieser Bearbeitung wurden die
Rundstab-Zugfestigkeitsproben mit einem Durchmesser von 6,35 mm
gemäß der ASTM-Norm
hergestellt und einem Zugversuch unterzogen und es wurde die Beziehung
zwischen der Stauchung und dem Streckgrenzenverhältnis untersucht. Die Ergebnisse
sind in der 2 gezeigt.
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Wie
aus der 2 zu ersehen ist, ist in dem
Zustand, in dem eine Zugspannung von 1,0% oder 3,0% verliehen worden
ist, das Streckgrenzenverhältnis,
welches 93 bis 100% war, merklich vermindert worden, wenn eine Stauchung
beaufschlagt wurde. Somit sinkt das Streckgrenzenverhältnis bei
der Rohneduktion, die auf die Rohraufweitung folgt. Selbst eine
leichte Stauchung von 1,0% verursacht eine starke Reduktion des Streckgrenzenverhältnisses
auf 90% oder darunter.
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3 ist
eine grafische Darstellung, die die Ergebnisse des Kerbschlagversuches
zeigt, der unter Verwendung von Testproben durchgeführt worden
ist, die auf die gleiche Art und Weise wie vorstehend beschrieben
mit einer Zugspannung und einer Stauchung beaufschlagt worden sind.
Wie in der vorstehend erörterten 2 gezeigt,
ist ein hoher Prozentsatz an Stauchung nur zum Senken des Streckgrenzenverhältnisses
wünschenswert.
Wie aus der 3 zu ersehen ist, führt jedoch
die Bearbeitung mit einem hohen Prozentsatz an Stauchung zu einem
Sinken der Zähigkeit.
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2. Rohrherstelltest
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Basierend
auf den vorstehenden Simulationsergebnissen mit kleinen Testproben
wurde ein Rohrherstelltest in einem tatsächlichen Rohrherstellungsvorgang
durchgeführt.
Die Produktionsbedingungen waren die gleichen, wie bei dem folgenden
BEISPIEL angegeben.
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In
der 4 ist die Änderung
des Streckgrenzenverhältnisses
wie beobachtet gezeigt, die dann erhalten wird, wenn auf eine Rohraufweitung
durch das UOE-Verfahren eine Rohrreduktion um 0,1%, 0,3% oder 0,5%
in einem tatsächlichen
Herstellungsvorgang folgt. Es hat sich bestätigt, dass es eine Tendenz
sehr ähnlich
zu den Ergebnissen des Simulationstestes gab. Somit ist es evident,
dass das Streckgrenzenverhältnis nach
der Aufweitung durch den Schritt der Rohrreduktion vermindert wird.
Auch bei der tatsächlichen
Stahlrohrherstellung kann eine zufrieden stellende Wirkung bei sehr
niedrigen Arbeitsverhältnissen
erzeugt werden, verglichen mit dem Rohraufweitungsverhältnis und
dem Reduktionsverhältnis,
die für
gering feste Stahlrohre notwendig scheinen.
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Bei
dem tatsächlichen
Rohrherstellungsvorgang schreitet die lokale Verformung mit dem
Ansteigen des Rohrreduktionsverhältnisses
fort, wodurch es schwierig wird, die Gestaltcharakteristika, wie
beispielsweise die Rundheit, sicherzustellen. Um die Basisleistungscharakteristika
und gewünschten
Formcharakteristika der Stahlrohre sicherzustellen, sollte somit
der Prozentsatz der Rohrreduktion nicht übermäßig sein.
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Wenn
ferner das Streckgrenzenverhältnis übermäßig sinkt,
wird es notwendig, die Streckgrenze zu erhöhen, indem eine Legierungskomponente
oder -komponenten zugesetzt werden, so dass die vorgeschriebene
Höhe der
Streckgrenze sichergestellt werden kann. Im Allgemeinen sinkt die
Zähigkeit
mit steigender Festigkeit, so dass es schwierig ist, eine gute Zähigkeit
bei einem derartigen Stahl mit erhöhter Festigkeit, wie vorstehend
angegeben, sicherzustellen.
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3. Ausgangsstahlplatte
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Eine
bei der Herstellung von hochfesten Stahlrohren verwendete, wünschenswerte
Ausgangsstahlplatte ist ein Stahl, der die folgende chemische Zusammensetzung
hat. Die Angabe "%" bezeichnet den Inhalt jeder
Komponente, bezogen auf "Gewichtsprozent".
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Die
Stahlplatte besteht aus C: 0,03–0,10%,
Si: 0,05–0,5%,
Mn: 0,8–2,0%,
P: nicht über
0,02%, S: nicht über
0,01% und ferner einem oder mehreren Elementen, die ausgewählt sind
aus Cu: 0,05–1,0%,
Ni: 0,05–2,0%,
Cr: 0,05–1,0%,
Mo: 0,03–1,0%,
Nb: 0,005–0,1%,
V: 0,01–0,1%,
Ti: 0,005–0,03%,
Al: nicht über 0,06%
und B: 0,0005–0,0030%,
wobei der Rest Eisen und Verunreinigungen sind.
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Die
vorstehende Stahlplatte kann weiterhin nicht über 0,005% N und/oder 0,0003–0,005%
Ca enthalten.
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Es
werden nun die Wirkungen der vorstehend angegebenen Bestandteile
beschrieben.
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C: 0,03 bis 0,10%
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Wenn
der Gehalt an C unter 0,03% ist, hat der Stahl nicht die gewünschte Mikrostruktur,
daher kann die gewünschte
Festigkeit kaum erzielt werden. Wenn er dagegen 0,10% überschreitet,
wird die Verminderung der Zähigkeit
markant, die mechanischen Charakteristika des Basismetalls werden
nachteilig beeinflusst und gleichzeitig wird das Auftreten von Oberflächenbearbeitungsdefekten
begünstigt.
Daher liegt der geeignete C-Gehalt im Bereich von 0,03–0,10%.
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Si: 0,05 bis 0,5%
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Si
dient als Entoxidierungsmittel für
Stahl und ist auch eine Komponente zur Verfestigung des Stahls. Wenn
der Si-Gehalt unter 0,05% liegt, resultiert eine ungenügende Deoxidation.
Wenn er über
0,5% liegt, wird in der durch das Schweißen wärmebeeinträchtigten Zone in großen Mengen
streifenförmiger
Martensit (Martensit-Austenit-Bestandteil) ausgebildet, was die
Zähigkeit
verschlechtert. Daher liegt der geeignete Si-Gehalt im Bereich von 0,05–0,5%.
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Mn: 0,8 bis 2,0%
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Mn
ist ein wesentliches Element, welches den Stahl zäh und fest
macht. Bei Mengen unter 0,8% ist die Wirkung ungenügend, und
es kann keine gewünschte
Mikrostruktur und Festigkeit erzielt werden. Bei Mengen über 2,0%
wird die innere Entmischung merklich, wodurch die Grundmetallzähigkeit
gesenkt wird; die Schweißbarkeit
wird ebenfalls verschlechtert. Daher liegt der geeignete Mn-Gehalt
im Bereich von 0,08–2,0%.
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P: Nicht über 0,02%
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P
ist eine Verunreinigung, und wenn ihr Gehalt über 0,02% liegt, wird die innere
Entmischung signifikant, was zu einer Verminderung der Grundmetallzähigkeit
führt;
beim Schweißen
können
auch Warmrisse verursacht werden. Daher sollte der P-Gehalt wünschenswerterweise
so niedrig wie möglich
sein.
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S: Nicht über 0,01%
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S
ist ebenfalls eine Verunreinigung, und wenn ihr Gehalt 0,01% überschreitet,
steigt die Tendenz zu durch Wasserstoff induzierten Rissen der Stahlplatten
und Wasserstoffversprödungsrissen
beim Schweißen. Daher
sollte der S-Gehalt wünschenswerterweise
so niedrig wie möglich
sein.
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Cu: 0,05 bis 1,0%
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Cu
ist eine Komponente, die die Festigkeit des Stahls durch Mischkristallhärtung und
durch strukturelle Modifikation infolge der Wirkung, die Härtbarkeit
zu erhöhen,
erhöht,
ohne dass die Zähigkeit
des Stahls merklich beeinträchtigt
wird. Die Menge von 0,05% ist die Mindestmenge für die Erzeugung dieses Effektes.
Wenn der Cu-Gehalt andererseits 1,0% überschreitet, treten Kupferhaarrisse
auf, und dadurch werden Oberflächenbearbeitungsdefekte
induziert. Die Kupferhaarrisse können
verhindert werden, indem das Halbzeug auf niedrige Temperatur erhitzt
wird, aber die Bedingungen der Stahlplattenherstellung sind eingeschränkt. Daher
beträgt
ein geeigneter Cu-Gehalt 0,05–1,0%.
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Ni: 0,05 bis 2,0%
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Wie
Cu ist Ni ein Element, das den Stahl durch Mischkristallhärten und
durch strukturelle Modifikation durch seine Wirkung der erhöhten Härtbarkeit
festigt, ohne dass die Zähigkeit
des Stahls merklich beeinträchtigt
wird. Eine derartige Wirkung wird bei 0,05% oder darüber signifikant.
Eine Menge, die 2,0% überschreitet, erhöht jedoch
die Herstellungskosten des Stahls und ist daher nicht praxisbezogen.
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Cr: 0,05 bis 1,0%, Mo:
0,03 bis 1,0%
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Wie
Cu und Ni sind Cr und Mo Elemente, die den Stahl durch Mischkristallhärtung und
durch eine strukturelle Modifikation durch ihre Wirkung der erhöhten Härtbarkeit
verfestigten, ohne dass die Zähigkeit
des Stahls merklich beeinträchtigt
wird. Bei den jeweiligen Mengen von 0,05% oder höher und 0,03% oder höher wird
die Wirkung signifikant. Bei Mengen, die 1,0% überschreiten, wird jedoch die
Zähigkeit
der durch die Hitze beeinträchtigten
Zone vermindert.
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Nb: 0,005 bis 0,1%, V:
0,01 bis 0,1%, Ti: 0,005 bis 0,03%
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Diese
Elemente sind infolge des Ausscheidungshärtens und der erhöhten Auswirkung
auf die Härtbarkeit
hoch effektiv bei der Erhöhung
der Festigkeit und auch bezüglich
der Verbesserung der Zähigkeit
infolge von Kornverfeinerung. Die jeweiligen unteren Grenzwerte
zeigen die Mengen an, bei welchen diese Wirkungen erzeugt werden.
Andererseits bewirken die übermäßigen Mengen
dieser Elemente eine Verminderung der Festigkeit der Schweißung. Die
jeweiligen oberen Grenzwerte sind Grenzwerte, bei denen die gewünschten Charakteristika
sichergestellt werden sollten.
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Al: Nicht über 0,06%
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Wie
Si ist Al als Deoxidieragens wirksam. Selbst bei einer Menge von
0,06% oder darunter kann diese Wirkung bis zu einem ausreichenden
Maß erzeugt
werden. Das Zuset zen von Mengen, die 0,06% überschreiten, ist vom ökonomischen
Standpunkt aus unerwünscht.
Der Al-Gehalt kann der gleiche wie die Verunreinigungsmenge oder
unter der Verunreinigungsmenge sein. Zur Sicherstellung der Zähigkeit
des Schweißmetalls ist
jedoch ein Al-Gehalt von nicht unter 0,02% wünschenswert.
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B: 0,0005 bis 0,0030%
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Bei
Mengen nicht unter 0,005% erhöht
B merklich die Härtbarkeit
des Stahls. Bei Mengen über 0,0030%
senkt es jedoch die Schweißbarkeit.
Daher ist der geeignete B-Gehalt zwischen 0,0005 bis 0,0030%.
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N: Nicht über 0,005%
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N
bildet mit V, Ti etc. Nitride und verbessert dadurch wirksam die
Festigkeit des Stahls bei erhöhten Temperaturen.
Wenn jedoch der N-Gehalt über
0,005% liegt, bildet N mit Nb, V und Ti grobe Kohlenstoffnitride und
senkt dadurch die Zähigkeit
des Grundmetalls und der hitzebeaufschlagten Zone. Daher soll der
N-Gehalt auf unter 0,005% gedrücktsein.
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Ca: 0,0003 bis 0,005%
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Ca
ist wirksam bei der morphologischen Steuerung von Einschlüssen, macht
Einschlüsse
insbesondere sphärisch
und verhindert durch Wasserstoff induzierte Risse oder lamellare
Risse. Diese Effekte werden bei einer Menge von 0,0003% oder darüber signifikant
und erreichen einen Sättigungspunkt
bei 0,005%. Daher wird bei Zusatz von Ca ein Gehalt von 0,0003 bis
0,005% empfohlen.
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4. Metallografische
Struktur
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Das
erhaltene Stahlrohr muss eine solche metallografische Struktur haben,
dass der Flächenprozentsatz
von Martensit und/oder Bainit nicht unter 80% liegt. Somit ist es
erfor derlich, dass Martensit allein, Bainit allein oder eine Mischstruktur,
die aus beiden zusammengesetzt ist, eine Größe von wenigstens 80%, ausgedrückt in Flächenprozent,
hat. Wenn das Stahlrohr eine solche Mikrostruktur hat, kann es ein
hochfestes Stahlrohr mit einer Streckgrenze von nicht unter 551
MPa sein.
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Ein
hochfestes Stahlrohr, das eine derartige metallografische Struktur,
wie vorstehend angegeben hat, kann auf die folgende Art erzielt
werden. Eine Bramme mit einer geeigneten chemischen Zusammensetzung wird
einem gesteuerten Walzen und einem gesteuerten Abkühlen unterzogen,
um eine Stahlplatte mit der vorstehend erwähnten metallografischen Struktur
zu erzeugen. Diese wird als Ausgangsmetall verwendet und den Schritten
Formen, Schweißen
und Rohrausweitung und -reduktion unterzogen. Die metallografische Struktur
der Stahlplatte kann in dem Stahlrohr nach der Bearbeitung beibehalten
werden.
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5. Rohraufweitungsprozentsatz
und Rohrreduktionsprozentsatz
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Rohraufweitungsprozentsatz:
0,3 bis 1,2%
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Um
die in der Nähe
des geschweißten
Teils verbliebene Spannung zu vermindern und um die Rohrrundheit
sicherzustellen, ist wenigstens eine Rohraufweitung von 0,3% erforderlich.
Andererseits bewirkt eine Rohraufweitung, wenn sie in einer Bearbeitungsrate über 1,2%
durchgeführt
wird, eine größere Werkstückhärtung als
benötigt,
die die mechanischen Eigenschaften nachteilig beeinflusst. Das Verfahren
der Rohraufweitung kann entweder eine mechanische Aufweitung oder
eine hydraulische Aufweitung sein, die in dem herkömmlichen
UOE-Verfahren durchgeführt
werden sollte.
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Rohrreduktionsprozentsatz:
0,1 bis 1,0%
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Um
die Werkstückhärtung, die
aus der Rohraufweitung resultiert, rückgängig zu machen und um durch den
Bauschinger-Effekt auch ein geringes Streckgrenzenverhältnis zu
erzielen, ist eine Bearbeitung, die mindestens 0,1% der vorab gesetzten
Störung
ver ursacht, nämlich
eine Rohrreduktion, notwendig. Wenn andererseits die Rohneduktion
mit mehr als 1,0% durchgeführt
wird, ist es schwierig, die gewünschte
Rohrform und -größe sicherzustellen,
und zusätzlich
kann eine lokale Verformung stattfinden, die möglicherweise eine Unregelmäßigkeit
im Verhalten in Richtung des Umfangs des Rohres verursacht. Ferner
resultiert eine Senkung der Zähigkeit,
wie dies vorstehend unter Bezugnahme auf die 3 angegeben
ist. Selbst wenn unter einer hohen Last eine Rohrreduktion über 1,0%
realisiert werden könnte,
sinkt das Streckgrenzenverhältnis
merklich, so dass einige Maßnahmen
zur Erhöhung
der Zugfestigkeit, beispielsweise das Zusetzen einer Legierungskomponente
oder -komponenten für
die Sicherung der gewünschten
Streckgrenze notwendig wird. Dies führt jedoch zu einer Erhöhung der
Produktionskosten.
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Es
ist wünschenswert,
dass der Rohrreduktionsprozentsatz kleiner als der Rohraufweitungsprozentsatz
ist. Wenn die Rohrreduktion mit einem höheren Arbeitsverhältnis als
der Rohraufweitungsprozentsatz durchgeführt wird, wird die Verminderung
des Streckgrenzenverhältnisses übermäßig.
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Bei
hochfesten Stahlrohren, die eine Streckgrenze nicht unter 689 MPa
haben (Stahlrohre mit Grad X100 oder höher), wird der Anteil von Martensit
in der metallografischen Struktur hoch. Daher ist der Anstieg des
Streckgrenzenverhältnisses
infolge der Rohraufweitung ebenfalls groß. Durch die Kombination aus
Rohraufweitung und Rohrreduktion gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es jedoch möglich,
die Erhöhung
des Streckgrenzenverhältnisses
zu unterdrücken
und die Anforderung, dass das Streckgrenzenverhältnis nicht höher als
93% sein sollte, leicht zu erfüllen.
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BEISPIEL
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Stahlplatten
mit 10 bis 25 mm Dicke mit den jeweiligen chemischen Zusammensetzungen
und Mikrostrukturen, wie in der Tabelle 1 gezeigt, wurden als Ausgangsmetalle
zur Erzeugung von Stahlrohren mit einem Außendurchmesser von 76,2 cm
bis 121,92 cm (30 bis 48 Inch) verwendet. Die Messung der Mikrostruktur wurde
unter einem opti schen Mikroskop und einem Elektronenmikroskop durchgeführt, und
die Anteile von Martensit und Bainit wurden bestimmt.
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Zunächst wurde
jede Stahlplatte einer C-U-O-Pressverformung, einem Punktschweißen, einem
Innenschweißen
und Außenschweißen durch
ein SAW-Verfahren, gefolgt von einer mechanischen Rohraufweitung und
einer Rohrreduktion unter Verwendung einer O-Presse unterzogen.
Der Aufweitungsprozentsatz und der Reduktionsprozentsatz sind in
der Tabelle 2 gezeigt.
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Der
Rohraufweitungsprozentsatz, der Rohrreduktionsprozentsatz, die Ergebnisse
des Charpy-Kerbschlagtests und des Zugspannungstests und der Rundheit
sind in der Tabelle 2 gezeigt. Die Posten Charpy-Kerbschlagwert,
Zugfestigkeitseigenschaft und Rundheit sind insbesondere wichtige
Posten, die zur Sicherstellung der Leistungscharakteristika von
Leitungsrohren geprüft
werden.
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Die
verwendeten Kerbschlagtestproben waren JIS-Nr.-4-Proben und die
verwendeten Zugfestigkeitsproben waren Rundstäbe. Es wurden die absorbierte
Energie, die Streckgrenze und die Zugfestigkeit bei –30 gemessen,
und es wurde das Streckgrenzenverhältnis berechnet. Die erzielten
Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt. Für die Kerbschlagfestigkeitswertbestimmung
wurden Testproben mit der Kerbe am Grundmetall, am Schweißmetall
oder an der Verbindungsnaht gewonnen. In der Spalte Rundheit bezeichnet "O", dass die Durchmesserwerte innerhalb
des API-Normbereiches "nomineller
Außendurchmesser
1%" liegen und "X" bezeichnet, dass nicht in diesem Toleranzbereich
liegend. Das Symbol Δ heißt, dass
die Belastung der Ausrüstung
zum Erzielen eines zufrieden stellenden Grades an Rundheit sehr
stark ist.
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Wie
aus der Tabelle 2 zu ersehen ist, erfüllt in jedem der Beispiele
gemäß der vorliegenden
Erfindung die Mikrostruktur der Ausgangsstahlplatte die vorgeschriebenen
Bedingungen und das Rohr wurde mit einem adäquaten Rohraufweitungsprozentsatz
und Reduktionsprozentsatz hergestellt, und daher waren die absorbierten
Energiewerte für
das Grundmetall, das Schweißmetall
und die Verbindungsnaht, die über
200 J, 40 J und 40 J lagen, und die Zähigkeit somit hoch. Zusätzlich war
die Festigkeit adäquat
und die Rundheit gut.
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In
den Vergleichsbeispielen andererseits war die metallografische Struktur
nicht adäquat
oder der Rohraufweitungsprozentsatz und/oder Rohrreduktionsprozentsatz
war selbst dann nicht adäquat,
wenn die Struktur geeignet war, so dass der Effekt der Reduzierung
des Streckgrenzenverhältnisses
gering war und das Streckgrenzenverhältnis den angestrebten Wert
von 93% überschritt.
Wenn weiterhin die Festigkeit höher
war und der Rohrreduktionsprozentsatz hoch war, war die Grundmetallzähigkeit
gesenkt.
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WIRKUNG DER
ERFINDUNG
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das Problem des übermäßig hohen
Streckgrenzenverhältnisses,
das hochfesten Stahlrohren eigen ist, lösen und kann deren Sicherheit
als tatsächliche Leitungsrohre
sicherstellen. Es kann Stahlrohre mit ausgezeichneter Zähigkeit
sowie Rundheit herstellen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
ist als Verfahren zum Herstellen von hochfesten Stahlrohren sehr
nützlich
und die hergestellten Stahlrohre können als Leitungsrohre mit
einem Grad X80 oder höher
in praktischen Gebrauch genommen werden.
