DE69513252T2

DE69513252T2 - Verfahren zum Herstellen von elektrowiderstandsgeschweissten Stahlröhren

Info

Publication number: DE69513252T2
Application number: DE69513252T
Authority: DE
Inventors: Yoshiichi Ishizawa; Yutaka Nagahama; Takayuki Odake; Toshihiro Takamura
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1994-08-05
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2015-08-05
Also published as: CA2155460C; NO953071L; EP0699773B1; CA2155460A1; US5653899A; NO953071D0; EP0699773A1; JPH0847716A; DE69513252D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Stahlröhre durch elektrische Widerstandsschweißung, welche in einer nassen Schwefelwasserstoff-Umgebung verwendet wird.
Stahlröhren, welche Petroleum und Erdgas übertragen, welche Schwefelwasserstoff enthalten, unterliegen wahrscheinlich durch Wasserstoff induzierter Rißbildung (nachfolgend der Einfachheit halber mit "HIC" bezeichnet) und Sulfid- Spannungskorrosion-Rißbildung (nachfolgend der Einfachheit halber mit "SSCC" bezeichnet). Der wahrscheinliche Mechanismus der HIC Bildung ist, daß, in einer Umgebung in Gegenwart von Schwefelwasserstoff, aus Wasserstoff, welcher durch die Korrosion der Stahloberfläche gebildet wird, Wasserstoffatome entstehen, wobei die Atome leicht in den Stahlkörper eindringen und der atomare Wasserstoff Blasen in der Umgebung nichtmetallischer Einschlüsse in dem Stahl bildet, und daß der Druck der gebildeten Blasen Risse induziert. Die Risse pflanzen sich weiter fort durch den nicht-einheitlichen Bereich, wie einer Seigerungszone und einer Ferrit-Perlit-Grenzfläche, unter Ausbildung eines großen Risses.
In der geprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 57-16184 ist ein Stahlmaterial beschrieben, welches eine gute HIC-Widerstandseigenschaft hat, welches für eine Pipeline verwendet wird. Das Stahlmaterial besteht im wesentlichen aus 0,03 bis 0,20 Gew.-% C, 0,01 bis 0,50 Gew.-% Si, 0,03 Gew.-% oder weniger P, 0,002 bis 0,005 Gew.-% S, 0,01 bis 0,10 Gew.-% Al, mehr als 1,2 Gew.-% und 2 Gew.-% oder weniger Mn, Sauerstoff, welcher unvermeidbar in dem Stahlmaterial enthalten ist, 50 ppm oder weniger Ca, welches zugefügt wird in Übereinstimmung mit dem Sauerstoffgehalt [% O] und Schwefelgehalt [% S], und der Rest ist Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Der Sauerstoffgehalt [% O], der Schwefelgehalt [% S] und der Ca-Gehalt [% Ca] erfüllen die folgende Gleichung:
[% Ca] · {1-97 [% O]}/[%S] ≥ 1,0
Eine Stahlplatte, die in einem kontinuierlichen Gießverfahren gegossen wurde, oder ein Stahlgußblock von 400 mm oder mehr Dicke, welcher die oben angegebene Zusammensetzung hat, wird einem Walzen unterworfen. In diesem Stand der Technik verhindert die Formkontrolle des Einschlusses durch Calciumzugabe, daß der Einschluß der Ausgangspunkt von Rissen wird.
Andererseits ist SSCC eine Rißbildung, die während der Anwendung von Spannung auftritt, und das Phänomen unterscheidet sich von dem Mechanismus von HIC. Beiden Typen der Rißbildung ist jedoch dahingehend eigen, daß der Wasserstoff, der in den Stahl eingetreten ist, die Risse von dem Punkt nichtmetallischen Einschlusses aus auslöst. Dementsprechend verbessert die Herabsetzung nichtmetallischen Einschlusses die SSCC Widerstandsfähigkeit.
Für das heißgewalzte Stahlblatt als das Basismaterial für durch elektrische Widerstandsschweißung hergestellte Stahlröhren müssem beide, sowohl die Widerstandsfähigkeit gegen HIC und die Widerstandsfähigkeit gegen SSCC, durch die oben beschriebenen Gegenmaßnahmen verbessert werden.
Die Charakteristika von durch elektrische Widerstandsschweißung hergestellten Stahlröhren werden jedoch nicht nur durch die Verbesserung des Basismaterials verbessert. Der vermutliche Grund ist, daß der Einschluß, der im wesentlichen aus feinem Oxid besteht, auf einer Verbindungsfläche des Elektro-Schweißnahtbereichs vorhanden ist und daß Wasserstoff sich diesem gegenüber anreichert und bewirkt, daß der Einschluß zum Ausgangspunkt von Rissen wird.
In der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-241116 ist ein Verfahren zur elektrischen Widerstandsschweißung von Stahlröhren, die ein ausgezeichnetes SSCC Widerstandsverhalten aufweisen, beschrieben. Ein Stahlband wird hergestellt. Das Stahlband besteht im wesentlichen aus 0,15 bis 0,35 Gew.-% C, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Si, 0,2 bis 0,5 Gew.-% Mn, 0,2 bis 0,6 Gew.-% Cr, 0,05 bis 0,25 Gew.-% Mo, 0,01 bis 0,06 Gew.-% Al, wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 0,01 bis 0,15 Gew.-% Nb, 0,01 bis 0,15 Gew.-% V und 0,01 bis 0,15 Gew.-% Ti und einem Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen. P und S sind als Verunreinigungen enthalten. Die Menge an P ist 0,02 Gew.-% oder weniger, und die Menge an S ist 0,005 Gew.-% oder weniger. Ein Verhältnis von Mo Gew.-% zu Cr Gew.-%, d. h. Mo(Gew.-%)/Cr(Gew.-%) ist von 0,2 bis 0,4. Ein Elektro- Schweißnahtbereich des Bandes wird in einer nichtoxidierenden Atmosphäre erhitzt. Der Elektro- Schweißnahtbereich wird elektrisch geschweißt, so daß ein Überstand oder ein Unterschied zwischen der äußeren Umfangslänge der Röhre vor und nach dem Schweißen von 25 bis 125% der Wanddicke betragen kann. Dann wird die hergestellte Röhre auf eine Temperatur von 920 bis 1020ºC erhitzt, von der Temperatur abgeschreckt und getempert.
DE-A-31 34 532 beschreibt einen Stahl bestehend aus C ≤ 0,12 %,5 - 1,0 % 1,0% 0,10,10 0,25-0,25% Si, P ≤ 0,015%, S ≤ 0,0020 %, Nb ≤ 0,050% und 0,0010 - 0,0060% Ca, wobei der Rest Eisen und gewöhnliche Verunreinigungen ist, und Stahlröhren, die daraus durch Elektro-Schweißnahtbildung erhalten werden.
Dieses Stahlmaterial unterscheidet sich durch einen hohen Widerstand gegen Schwefelwasserstoff und saure Gase, welche andere Schwefelverbindungen enthalten.
JP-A-05023867 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer durch elektrische Widerstandsschweißung hergestellten Röhre, bei dem die Sauerstoffkonzentration herabgesetzt wird durch eine Schutzgas-Schweißzone, die gebildete Sauerstoffmenge wird herabgesetzt, und die Schweißzone wird im Laufe der Hochfrequenzerhitzung mit einem Laserstrahl oder einem Plasmabogen bestrahlt.
Bis jetzt ist jedoch kein Verfahren, welches eine ausgezeichnete Abschirmung aufweist und welches für einen kontinuierlichen Betrieb geeignet ist, entwickelt worden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung einer Stahlröhre durch Elektro- Widerstandsschweißung bereitzustellen, welche eine ausgezeichnete HIC Widerstandseigenschaft und SSCC Widerstandseigenschaft in einer Naß-Schwefelwasserstoffumgebung aufweist.
Um die vorstehend angegebene Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Stahlröhre durch Elektro-Widerstandsschweißung bereit, welches folgende Schritte umfaßt:
(a) Herstellen eines heißgewalzten Stahlblattes bestehend aus
0,005 bis 0,2 Gew.-% C, 0,1 bis 0,35 Gew.-% Si, 0,5 bis 2 Gew.-% Mn, 0,01 Gew.-% oder weniger P, 0,003 Gew.-% oder weniger S. 0,001 bis 0,1 Gew.-% Nb, und 0,001 bis 0,006 Gew.-% Ca;
fakultativ wenigstens einem Element ausgewählt aus der Gruppe von 0,05 bis 0,5 Gew.-% Cu, 0,5 Gew.-% oder weniger Ni, 0,5 Gew.-% oder weniger Mo, 1 Gew.-% oder weniger Cr, 0,001-0,1 Gew.-% V und 0,001-0,1 Gew.-% Ti; und dem Rest, der Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ist;
(b) kontinuierliches Ausbilden einer offenen Röhre aus dem heißgewalzten Stahlblatt unter Verwendung mehrfacher Formrollen, wobei die offene Röhre beidseitig Kanten hat, die einander gegenüberstehen;
(c) Erhitzen der beiden Kanten der offenen Röhre unter Verwendung von Hitze durch elektrischen Widerstand; und
(d) Druckschweißen beider Kanten, die durch elektrischen Widerstand erhitzt worden waren, unter Anwendung von Laserstrahlen und Kontrollieren des Überstandes unter Verwendung eines Satzes von Quetschwalzen, wobei der Überstand ein Unterschied zwischen einer Spulenweite (mm) vor der Röhrenbildung und einer Umfangslänge der Röhre (mm) ist, worin der Überstand kontrolliert wird, um einen Metallströmungs-Anstiegswinkel im Elektro- Schweißnaht-Bildungsbereich auf 45 Grad oder weniger zu bringen, wobei der Überstand von 0 bis 4 mm ist.
Die Figur ist eine schematische Zeichnung eines Schweißsimulators gemäß Beispiel.
Der Grund für die Begrenzung des Gehalts an jeder Komponente wird unten beschrieben.
Kohlenstoff muß in einer Menge von 0,005 Gew.-% oder mehr zugefügt werden, um die Festigkeit von Stahl zu gewährleisten. Von dem Gesichtspunkt der Schweißbarkeit und der Zähigkeit aus wird die obere Grenze als 0,2 Gew.-% festgelegt.
Silicium muß in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder mehr als Desoxidationsmittel für Stahl zugefügt werden. Übermäßige Zugabe führt jedoch zu einer Bildung einer brüchigen Stahlstruktur. So ist die obere Grenze auf 0,35 Gew.-% festgelegt.
Mangan muß in einer Menge von 0,5 Gew.-% oder mehr zugefügt werden, um die Festigkeit von Stahl zu gewährleisten. Übermäßige Zugabe setzt jedoch die Zähigkeit herab. So ist die obere Grenze auf 2 Gew.-% festgelegt.
Da P die HIC Widerstandsfähigkeit von Stahl herabsetzt, ist die obere Grenze auf 0,01 Gew.-% festgelegt.
Da S die HIC Widerstandsfähigkeit von Stahl herabsetzt, ist die obere Grenze auf 0,003 Gew.-% festgelegt.
Niob muß in einer Menge von 0,001 Gew.-% oder mehr zugefügt werden, um die Festigkeit von Stahl zu gewährleisten. Übermäßige Zugabe setzt jedoch die Zähigkeit herab. So ist die obere Grenze auf 0,1 Gew.-% festgelegt.
Calciumzugabe in einer Menge von 0,001 Gew.-% oder mehr verursacht körnchenförnige Einschlüsse, und Calcium kann bei Bedarf zugefügt werden, um die HIC Widerstandsfähigkeit durch die Formkontrolle zu verbessern. Übermäßige Zugabe setzt jedoch die Zähigkeit von Stahl herab. So ist die obere Grenze auf 0,006 Gew.-% festgelegt.
Kupferzugabe in einer Menge von 0,05 Gew.-% oder mehr verhindert die Diffusion von Wasserstoff durch Stahl und verbessert die HIC Widerstandsfähigkeit, es kann bei Bedarf zugesetzt werden. Übermäßige Zugabe setzt jedoch die Warmbildsamkeit von Stahl herab. So ist die obere Grenze auf 0,5 Gew.-% festgelegt.
Da Ni und Mo die HIC Widerstandsfähigkeit von Stahl verbessern, können sie bei Bedarf zugesetzt werden. Übermäßige Zugabe setzt jedoch die SSCC Widerstandsfähigkeit herab. So ist die obere Grenze von jedem der beiden auf 0,5 Gew.-% festgelegt.
Chrom verbessert die Widerstandsfähigkeit gegen Kohlendioxidkorrosion von Stahl. Die Zugabe von Cr über 1 Gew.-% setzt jedoch die Schweißbarkeit von Stahl herab, so daß die obere Grenze auf 1 Gew.-% festgelegt ist.
Durch Vanadium und Ti nimmt die Festigkeit von Stahl zu, wenn jedes von beiden in einer Menge von 0,001 Gew.-% oder mehr zugesetzt wird. Übermäßige Zugabe setzt jedoch die Zähigkeit von Stahl herab. So ist die obere Grenze von jedem der beiden auf 0,1 Gew.-% festgelegt.
Jenes ist der Grund, warum jedes der zugefügten Elemente begrenzt ist.
Das Arbeitsverfahren wird nachfolgend beschrieben.
Der Grund, warum das konventionelle Verfahren zur Herstellung von Stahlröhren durch elektrische Widerstandsschweißung schlechteren Widerstand gegenüber HIC und SSCC im Bereich der Elektroschweißnaht als im Bereich des Basismaterials ergibt, ist, daß der Einschluß, welcher während der Elektro-Schweißnahtbildung gebildet wird und der im wesentlichen aus Oxiden besteht und auf der Verbindungsfläche zurückgelassen wird, auf der Wulstseite durch die maschinelle Bearbeitung des Schweißwulstes freigelegt wird, wobei der freigelegte Einschluß dann zum Ausgangspunkt von Wasserstoffrissen wird.
Im Bereich der Schweißnahtbildung bildet sich normalerweise eine starke Aggregatstruktur durch Überstandsanwendung nach dem Erhitzungsstadium. Die Struktur wird unter einer mikroskopischen Fotografie eines Wulstbereichs als der Metallflußanstieg beobachtet. Jener Strukturtyp ist eine Ursache der Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der durch Elektro-Widerstandsschweißung hergestellten Stahlröhre, und die Struktur ist auch nicht erwünscht vom Standpunkt der SSCC Widerstandsfähigkeit. Nichtsdestoweniger wendet der Stand der Technik unvermeidlich einen starken Überstand an, um die Oxide abzubauen, welche auf der Verbindungsfläche erzeugt worden waren. Als ein Ergebnis bildete sich im Stand der Technik eine starke Aggregatstruktur.
Der Überstand wird wie folgt definiert.
Überstand (mm) = Spulenweite (mm) vor der Röhrenbildung - Umfangslänge der Röhre (mm).
Zusätzlich zu der konventionellen Anwendung elektrischer Erhitzung schmelzt die Laserstrahlstrahlung die Oxide, welche auf der Verbindungsfläche erzeugt wurden und dispergiert die geschmolzenen Oxide fein, um einem Ausgangspunkt des Risses zu vermeiden. Daraus resultierend wird die HIC und SSCC Widerstandsfähigkeit verbessert.
In der vorliegenden Erfindung ist kein vergrößter Überstand erforderlich. Durch Reduktion des Überstandsgrades, um die Erzeugung der Agglomeratstruktur, welche für die durch Elektroschweißnahtbildung erzeugte Stahlröhre spezifisch ist, werden die mechanischen Eigenschaften und die SSCC Widerstandsfähigkeit im Elektroschweißnahtbereich verbessert. Der Metallflußanstiegswinkel ist ein Index der Aggregatstruktur im Elektroschweißnahtbereich. Wenn der Winkel 45 Grad übersteigt, wird die Verschlechterung der SSCC Widerstandsfähigkeit in dem Elektroschweißnahtbereich signifikant. Deshalb wird der Winkel bei 45 Grad oder kleiner gewählt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das heißgewalzte Stahlblatt, welches die zuvor beschriebene Zusammensetzung besitzt, einer Laserstrahlbestrahlung unterworfen unmittelbar vor dem Zusammendrücken durch Abquetschrollen in einer konventionellen Vorrichtung zur Herstellung der Stahlröhren mittels Elektroschweißnaht und mittels Druckschweissen derselben.

Beispiel

Stahlsorten mit der chemischen Zusammensetzung, die in Tabelle 1 aufgeführt ist, wurden im Vakuum in einer Laboratoriumsausstattung geschmolzen und zu 50 kg Gußblöcken gegossen. Jeder Gußblock wurde auf 1200ºC erhitzt und gewalzt unter Ausbildung eines Blatts mit 50 mm Dicke, dann wurde das Blatt in Luft gekühlt. Die Blattypen A bis E in Tabelle 1 haben die Zusammensetzung innerhalt des Bereichs der vorliegenden Erfindung. Der Blattyp F schließt kein Ca ein, und die Zusammensetzung ist außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung. Ein Band von 50 · 150 · 400 mm wurde aus jedem Blatt geschnitten, wobei jedes Band zu einer Dicke von 12 mm gewalzt wurde durch Aufheizen auf 1200ºC und auf 820ºC als Endpunkt. Unmittelbar nach dem Walzen wurde ein Nebelspray angewendet, um das gewalzte Blatt auf 550ºC mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa 10ºC/Sek. abzukühlen. Dann wurde das Blatt in einen Ofen eingebracht, welcher auf 550ºC vor dem Kühlen desselben gebracht war. Das Verfahren war ein nachgeamtes Muster eines tatsächlichen Heißwalzverfahrens.
Eine Probe, welche eine Größe von 12 · 35 · 2000 mm hatte, wurde aus jedem der Blätter geschnitten, welches auf Raumtemperatur gekühlt wurde. Die Probe wurde durch einen Elektroschweißnaht-Simulator geschweißt. Der Simulator ist in der Abbildung dargestellt. Zwei Stahlblätter 1 werden mehrstufigen Formgebungsrollen zugeführt, und die Stahlkanten, die einander gegenüberstehen, werden durch einen Widerstand, induziert durch einen Hochfrequenzstrom, der durch Kontaktchip 2 geliefert wurde, erhitzt. Dann werden die Kanten durch Druckschweißen unter Verwendung der Quetschwalzen 3 bearbeitet. Der Simulator gestattet weiter, mit dem Kohlendioxidgas-Laserstrahl 4 den Kantenverbindungsbereich zu bestrahlen.
Die Schweißbedingungen waren 10 m/Min. Schweißgeschwindigkeit, 700 kW angelegter Leistung, geliefert von dem Kontaktchip und 0 bis 4 mm variablen Überstandes. Der Laseroutput war 5 kW, und der Strahldurchmesser an dem Fokussierpunkt war 0,5 mm. Die Strahlung wurde von vertikal aufwärts des Stahlblattes während des Fokussierens auf den Kantenverbindungspunkt geführt.
Der HIC Test wurde auf den geschweißten Bereich und das Basismaterial angewendet. Der Test wurde in Übereinstimmung mit NACE TM0284-87 mit Ausnahme eines Wechsels der Testlösung ausgeführt. Die Probe wurde entlang der Schweißrichtung geschnitten mit einer Größe von 10 · 20 · 100 mm. Die ganze Oberfläche der Probe wurde naßpoliert zu # 320. Die Testlösung war eine 5% NaCl + 0,5% CH&sub3;COOH wässrige Lösung, gesättigt mit Schwefelwasserstoff bei 1 atm. Die Probe wurde in die Testlösung bei 25ºC 96 Stunden lang getaucht. Dann wurde die Probe in vier gleiche Stücke entlang der Längsrichtung geschnitten. Die drei geschnittenen Bereiche wurden beobachtet, um Rißbildung zu entdecken, und eine Auswertung wurde angegeben durch eine Rißempfindlichkeitsrate.
Der SSCC Test wurde ausgeführt unter Verwendung eines Testers vom Spannungstyp, als NACE TM0177-99 Verfahren A firmierend. Die Probe war eine Rundstab-Zugprüfungsprobe, die lateral zu der Schweißrichtung geschnitten wurde, welche eine Größe von 3,81 mm Durchmesser in dem parallelen Schnitt, 25 mm Länge im parallelen Schnitt hatte und naßpoliert war zu # 600. An die Probe wurde eine bestimmte Spannung in der Testlösung angewendet, die die gleiche Zusammensetzung wie diejenige hatte, die in dem HIC Test verwendet wurde. Das angewendete Spannungsniveau wurde geändert, um die minimale Spannung (σth), welche keinen Riß während einer Testzeit von 720 Stunden erzeugt, zu bestimmen. Die SSCC Widerstandsfähigkeit wurde ausgewertet aus einem Verhältnis von σth zu σys, in dem σys die Streckspannung, die durch einen Spannungstest in Luft erhalten wurde, ist.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. Die Tabelle zeigt, daß die durch Elektroschweißnaht gebildeten Stahlröhren, welche aus den Stählen hergestellt wurden, welche den Zusammensetzungsbereich der vorliegenden Erfindung haben und mittels der Laserstrahlbestrahlung hergestellt wurden, eine vorteilhafte Rißempfindlichkeitsrate (CSR) und ein gutes Verhältnis der minimalen Spannung (σth) zu der Streckspannung (σys), (σth/σys) haben. Des weiteren erhalten diese Größen, für den Fall eines Metallflußanstiegswinkels von 45 Grad oder weniger, einen noch bevorzugteren Wert. Tabelle 1
(Gew.%) Tabelle 2 Tabelle 2 (Fortsetzung)

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Stahlröhre durch Elektro-Widerstandsschweißung, welches folgende Schritte umfaßt:

(a) Herstellen eines heißgewalzten Stahlblattes bestehend aus

0,005 bis 0,2 Gew.-% C, 0,1 bis 0,35 Gew.-% Si, 0,5 bis 2 Gew.-% Mn, 0,01 Gew.-% oder weniger P, 0,003 Gew.-% oder weniger S. 0,001 bis 0,1 Gew.-% Nb, und 0,001 bis 0,006 Gew.-% Ca;

fakultativ wenigstens einem Element ausgewählt aus der Gruppe von 0,05 bis 0,5 Gew.-% Cu, 0,5 Gew.-% oder weniger Ni, 0,5 Gew.-% oder weniger Mo, 1 Gew.-% oder weniger Cr, 0,001 - 0,1 Gew.-% V und 0,001 - 0,1 Gew.-% Ti; und dem Rest, der Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ist;

(b) kontinuierliches Ausbilden einer offenen Röhre aus dem heißgewalzten Stahlblatt unter Verwendung mehrfacher Formrollen, wobei die offene Röhre beidseitig Kanten hat, die einander gegenüberstehen;

(c) Erhitzen der beiden Kanten der offenen Röhre unter Verwendung von Hitze durch elektrischen Widerstand; und

(d) Druckschweißen beider Kanten, die durch elektrischen Widerstand erhitzt worden waren, unter Anwendung von Laserstrahlen und Kontrollieren des Überstandes unter Verwendung eines Satzes von Quetschwalzen, wobei der Überstand ein Unterschied zwischen einer Spulenweite (mm) vor der Röhrenbildung und einer Umfangslänge der Röhre (mm) ist, worin der Überstand kontrolliert wird, um einen Metallströmungs-Anstiegswinkel im Elektro- Schweißnaht-Bildungsbereich auf 45 Grad oder weniger zu bringen, wobei der Überstand von 0 bis 4 mm ist.