DE69719407T2

DE69719407T2 - Verfahren zum Abkühlen von Stahlrohren

Info

Publication number: DE69719407T2
Application number: DE69719407T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Nishinomiya-shi Okamura; Naruhito Katori-gun Shouji; Michiharu Katori-gun Hariki; Kunio Sanda-shi Kondo
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: EP0811698B1; CN1092239C; EP0811698A1; US6090230A; DE69719407D1; CN1177644A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abkühlen eines Stahlrohrs und im einzelnen bezieht sich diese auf ein Verfahren zum Abkühlen eines martensitischen Edelstahlrohres mit einem herausragenden Nasskorrosionswiderstand gegenüber Kohlendioxid und Korrosionswiderstand gegenüber Sulfid-Spannungsrissbildung, ohne Abschreckungsrissbildung zu verursachen.
Martensitische Edelstahlrohre sind in den letzten Jahren in verschiedenen Anwendungsverwendungen beträchtlich verwendet worden, die Festigkeit und Korrosionswiderstand erfordern, insbesondere als Rohr-Waren für Öl- und Naturgasbohrungen. Mit der Expansion des Anwendungsgebietes sind korrosive Umgebungen, gegenüber welchen Stahlmaterialien für die Öl- und Naturgasherstellung ausgesetzt werden, schwieriger geworden. Zum Beispiel hat der Druck in den Arbeitsumgebungen zusammen mit der Zunahme der Bohrlochtiefe zugenommen und zusätzlich sind die Bohrlöcher in immer aggressiveren Umgebungen, die zum Beispiel nasses Kohlendioxid, Wasserstoffsulfid und Chlorionen in hohen Konzentrationen enthalten, vorgenommen worden. Angesichts des vorstehenden hat der Bedarf nach höherer Festigkeit zugenommen und Korrosion und Brüchigwerden der Rohrwaren für Öl- und Gasbohrungen durch korrosive Inhaltsstoffe führte zu beträchtlichen Problemen. Folglich hat der Bedarf nach Rohrwaren mit höherer Festigkeit mit einem herausragenden Korrosionswiderstand zugenommen. In der nachstehenden Erläuterung bedeutet "herausragender Korrosionswiderstand" Widerstand gegenüber sowohl "Korrosion" als auch "Brüchigwerden", die durch die korrosiven Inhaltsstoffe verursacht werden. Das Brüchigwerden, das durch einen korrosiven Inhaltsstoff verursacht wird, bedeutet zum Beispiel Sulfidspannungskorrosionsrissbildung aufgrund von Wasserstoffsulfid. In der nachfolgenden Erläuterung bedeutet "martensitischer Edelstahl" sowohl Stähle, in welchen eine martensitische Phase nach Abkühlen und eine Umwandlung eine Hauptphase zusammensetzen, als auch Stähle, in welchen die austenitische Phase eine Hauptphase bei erhöhter Temperatur zusammensetzt.
Das martensitische Edelstahlrohr besitzt keinen ausreichenden Widerstand gegenüber Korrosion durch Sulfidspannungskorrosionsrissbildung, aber besitzt einen herausragenden Widerstand gegenüber Korrosion durch nasses Kohlendioxid. Demgemäß sind sie im Allgemeinen in derartigen Umgebungen verwendet worden, die nasses Kohlendioxid bei einer relativ geringen Temperatur enthalten. Als ein typisches Beispiel können die Rohrleitungen von ölfördernden Ländern, die aus martensitischen Edelstählen vom L80-Grad, der durch API (American Petroleum Institute) definiert ist, erwähnt werden. Diese Rohrwaren von ölfördernden Ländern, die aus martensitischen Edelstählen hergestellt sind, umfassen auf der Gewichtsprozentbasis C: 0,15–0,22, Si: unterhalb 1,00%, Mn: 0,25–1,00, Cr: 12,0–14,0, P: unterhalb 0,020%, S: unterhalb 0,010, Ni: unterhalb 0,50% und Cu: unterhalb 0,25%. Die Rohrwaren von ölfördernden Ländern vom L80-Grad werden im Allgemeinen hauptsächlich in einer derartigen Umgebung, die nasses Kohlendioxid bei einer relativ geringen Temperatur unter einem Partialdruck von Wasserstoffsulfid von 0,002 atm oder weniger enthält, verwendet.
Die martensitischen Edelstahlrohre, einschließlich die Rohre vom L80-Grad, die durch API definiert sind, dienen im Allgemeinen zur Verwendung nach Ausführen von Härten und Tempern. Da jedoch die Ausgangstemperatur der martensitischen Umwandlung des martensitischen Edelstahls (dieses wird nachstehend als ein Ms-Punkt bezeichnet und die Beendigungstemperatur der martensitischen Umwandlung wird als Mf-Punkt bezeichnet) ungefähr 300°C beträgt. Ein derartiger Ms-Punkt der martensitischen Edelstähle ist geringer, verglichen mit demjenigen von Niedriglegierungsstählen, und deren Härtbarkeit ist groß, so dass sie hoch empfindlich gegenüber Abschreckungsrissbildung sind. Insbesondere beim Härten von Stahlrohren, die sich von dem Fall von Glatt- oder Stabmaterialien unterscheiden, da hohe Spannungen auf eine komplizierte Weise verteilt sind, wird Abschreckungsrissbildung häufig durch gewöhnliches Wasserabschrecken verursacht. Daher war es für das Aushärten des martensitischen Edelstahlrohrs notwendig, ein Abkühlverfahren mit einer geringen Abkühlrate, wie etwa intensives Luftblasen oder Abkühlen mit Druckluft anzuwenden, um Abschreckungsrissbildung zu vermeiden. Obwohl das vorstehend erwähnte Verfahren die Abschreckungsrissbildung verhindern kann, schließt diese jedoch das Problem einer schlechten Produktivität und die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und des Korrosionswiderstands aufgrund der geringen Abkühlungsrate eines derartigen Verfahrens ein. In den nachstehenden Erläuterungen bedeutet "Abkühlen" "Kühlen zum Abschrecken oder Härten", wenn nicht anders angegeben.
Im Allgemeinen sind die folgenden Faktoren für die Effekte der Abkühlungsrate auf den Korrosionswiderstand und die anderen Eigenschaften des martensitischen Edelstahlrohres bekannt.

(a) Die Empfindlichkeit gegenüber Sulfidspannungskorrosionsrissbildung erhöht sich, wenn die Zugspannung höher ist und hängt nicht von der Umformungsfestigkeit ab. Dies bedeutet, dass eine verbesserte Festigkeit erreicht werden kann, ohne den Korrosionswiderstand durch Erhöhung der Umformungsfestigkeit abzuschwächen, ohne die Zugfestigkeit der Rohrwaren von ölfördernden Ländern, die für die auf der Umformungsfestigkeit basierenden Spannung entworfen sind, zu erhöhen. Demgemäß wird bei dem martensitischen Edelstahlrohr die Erhöhung des Streckverhältnisses (Umformungsfestigkeit/Zugfestigkeit) als ein Index zur Bewertung der Leistung verwendet. Es wird vorteilhafter bewertet, wenn das Streckverhältnis höher ist.
(b) Austenit tendiert dazu, in dem martensitischen Edelstahl sogar nach dem Abkühlen zu verbleiben. Das verbleibende Austenit wird durch Tempern in Ferrit und Carbid zersetzt, um das Streckverhältnis und den Korrosionswiderstand zu erniedrigen.
(c) Zum Reduzieren des verbleibenden Austenits, muss die Abkühlrate wesentlich erhöht werden. Diese muss viel größer sein als die Abkühlrate, die durch das Luftabkühlverfahren erreicht wird, welches zur Zeit angewendet wird. Jedoch kann Abkühlen mit Druckluft oder Abschrecken mit Öl keine Abkühlrate bereitstellen, die das verbleibende Austenit auf ein Niveau, das keine Probleme verursacht, reduzieren kann.

Es ist ein Verfahren zum Blasabkühlen mit Wasser durch eine Düse auf die äußere Oberfläche eines Stahlrohrs vorgeschlagen worden, während das Rohr rotiert und kühlendes Wasser gleichförmig über die gesamte Oberfläche des Stahlrohrs rotiert wird, wodurch ungleichförmiges Abkühlen vermieden wird (japanisches veröffentlichtes Patent Hei 3-82711). Dieses Verfahren ermöglicht es, das Abkühlen mit einer Abkühlrate von 1 bis 20°C/s auftritt, wodurch effektiver das verbleibende Austenit verglichen mit existierendem Luftkühlen unterdrückt wird. Jedoch ist die Sorge des Verursachens von Rbschreckungs-Rissbildung noch nicht überwunden worden.
Darüber hinaus ist als ein Verfahren zum Abkühlen eines Stahlrohrs mit hoher Effizienz ein Verfahren zum Zuführen von Abkühlungswasser von dem Ende eines Stahlrohrs in die Innenseite vorgeschlagen worden, während das Rohr rotiert und gleichzeitig ein laminares Kühlwasser auf die äußere Oberfläche des Stahlrohrs strömt, wodurch die inneren und die äußeren Oberflächen des Stahlrohrs abgekühlt werden (japanisches veröffentlichtes Patent Hei 7-310126). Dieses Verfahren kann intensives Abkühlen mit einer Abkühlrate von 40°C/s oder höher durchführen und ein effizientes Abkühlen erreichen. Jedoch ist die Abschreckungs-Rissbildung noch nicht vollständig überwunden worden.
Darüber hinaus ist auch eine Erfindung, die sich auf ein Verfahren zum Abkühlen eines martensitischen Edelstahlrohrs mit einer besonderen chemischen Zusammensetzung unter einer besonderen Abkühlbedingung vorgeschlagen worden (japanisches veröffentlichtes Patent Sho 63-149320, japanische Patentveröffentlichung Hei 1-14290, japanisches veröffentlichtes Patent Hei 2-236257, 2-247360 und 4-224656).
Unter diesen offenbart die japanische Patentveröffentlichung Hei 1-14290, das die Empfindlichkeit gegenüber Spannungskorrosionsrissbildung verringert wird, indem eine Lösungsbehandlung auf Rohrwaren von ölfördernden Ländern angewendet wird und dann mit einer Abkühlrate von 1 bis 20°C/s abgekühlt wird. Jedoch wird die Abschreckungsrissbildung, die beim schnellen Abkühlen verursacht wird, überhaupt nicht erwähnt.
Darüber hinaus werden in dem veröffentlichten japanischen Patent Hei 2-236257, Hei 2-247360, Hei 4-224656 und dergleichen sogenannte "Super 13 Cr"-Stähle vorgesehen, bei denen der C-Gehalt geringer als gewöhnlich ist, genauso wie ein Herstellungsverfahren zum Lösen sowohl der Probleme des Korrosionswiderstands gegenüber Sulfidspannungskorrosionsrissbildung und Abschreckungsrissbildung. Da jedoch die Gehalte der kostspieligen Legierungselemente in beiden der Verfahren erhöht werden müssen, besteht das Problem der dramatischen Zunahme der Kosten.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abkühlen eines Stahlrohrs bereitzustellen, das keine Abschreckungsspannung verursacht, insbesondere ein Verfahren zum Abkühlen eines martensitischen Edelstahlrohrs mit herausragendem Korrosionswiderstand in Umgebungen der ölfördernden Länder ohne Abschreckungsrissbildung zu verursachen.
Das Basisverfahren zum Abkühlen eines Stahlrohrs gemäß der vorliegenden Erfindung beruht auf einem Verfahren zum Abkühlen eines Stahlrohrs, während ein Stahlrohr um dessen Achse rotiert, während die Abkühlrate in einem gesamten Temperaturbereich an der inneren Oberfläche des Stahlrohrs im Wesentlichen gleich zu derjenigen oder geringer als diejenige der äußeren Oberfläche des Stahlrohrs ist, (folglich bezieht sich "wesentlich gleich" auf die Situation, bei der die Abkühlungsgeschwindigkeit der inneren Oberfläche geringfügig höher ist als diejenige an der äußeren Oberfläche und wird nachstehend die gleiche Bedeutung wie angegeben besitzen), wobei die Abkühlungsrate an der minimalen Abkühlungsratenposition 8°C/s oder höher in einem Temperaturbereich von "der zentralen Temperatur zwischen dem Ms-Punkt und dem Mf-Punkt" zu dem Mf-Punkt beträgt.
Das Abkühlungsverfahren zum Herstellen der Abkühlungsrate, die im Wesentlichen gleich zwischen der inneren Oberfläche und der äußeren Oberfläche eines Stahlrohrs ist, beinhaltet ein Verfahren zum Abkühlen der äußeren Oberfläche eines rotierenden Rohrs mit einem laminaren Strom von Wasser, und Führen vom Wasser auf die innere Oberfläche, während das Innere des Rohrs nicht vollständig gefüllt wird. In dieser Hinsicht wird Wasser vorzugsweise mit einem Benetzungswinkel von nicht mehr als 220° geführt. Darüber hinaus kann als das Abkühlungsverfahren, um die Abkühlungsrate an der inneren Oberfläche nicht wesentlich höher als diejenige an der äußeren Oberfläche in dem gesamten Temperaturbereich zu machen, zum Beispiel ein Verfahren zum Abkühlen der äußeren Oberfläche eines rotierenden Rohrs durch laminaren Strom von Wasser oder Sprühen von Wasser mit einer begrenzten Wassermenge, während die innere Oberfläche gekühlt wird, verwendet werden. In der nachfolgenden Beschreibung bedeutet "intensives Abkühlen" Abkühlen der äußeren Oberfläche mit einer ausreichenden Wassermenge, zum Beispiel Abkühlen mit einem laminaren Wasserstrom an oder mit Sprühen von Wasser mit ausreichenden Wassermenge, während "mildes Abkühlen" manchmal zum Abkühlen der äußeren Oberfläche mit einer begrenzten Wassermenge zum Beispiel durch Kühlen mit Sprühen von Wasser mit einer begrenzten Wassermenge verwendet werden kann. Zum Abkühlen der inneren Oberfläche wird der Ausdruck "intensives Abkühlen" oder "mildes Abkühlen" nicht verwendet, sogar im Fall der Wasserkühlung.
In allen Verfahren der in der Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, einschließlich der vorstehenden "Ausführungsform [1]", wird das Stahlrohr im Wesentlichen in einem horizontalen Zustand abgekühlt, während es um eine Rohrachse herum rotiert wird.
Das folgende Abkühlverfahren (1) basiert auf dem vorstehend erwähnten Basisverfahren zum Anwenden eines intensiven Kühlens für die äußere Oberfläche in dem gesamten Temperaturbereich, während die Abkühlrate an der inneren Oberfläche im Wesentlichen gleich zu derjenigen der äußeren Oberfläche gemacht wird, wodurch die Abschreckungsrissbildung verhindert wird, während verbleibendes Austenit verhindert wird.

(1) Ein Verfahren zum Abkühlen eines Stahlrohrs, während das Rohr um dessen Achse rotiert wird, wobei man kühlendes Wasser herunterströmen lässt oder auf die äußere Oberfläche eines martensitischen Edelstahlrohrs aufsprüht und das kühlende Wasser durch die Innenseite des Rohrs so geführt wird, dass das kühlende Wasser das Rohr nicht vollständig füllt, die Kühlrate an der inneren Oberfläche des Rohrs auf wesentlich gleich zu derjenigen der äußeren Oberfläche des Rohrs gemacht wird, die maximale Kühlrate an den inneren und den äußeren Oberfläche des Stahlrohrs auf 35°C/s oder geringer eingestellt wird, und die Abkühlrate auf 8°C/s oder höher in einem Temperaturbereich von "der zentralen Temperatur zwischen dem Ms-Punkt und dem Mf-Punkt" zu dem Mf-Punkt an der Position, an welcher das Abkühlen minimal ist, gemacht wird, wodurch das martensitische Edelstahlrohr abgekühlt wird (nachstehend als die "Ausführungsform [1] bezeichnet). Die folgenden Verfahren (2) und (3) basieren auch auf dem Basisverfahren, aber sie sind spezifischer als dasjenige, das in dem Basisverfahren definiert ist; diese Verfahren (2) und (3) sind Verfahren zum Anwenden von Luftkühlen in einem gesamten Temperaturbereich auf die innere Oberfläche und Anlegen einer Kombination von Luftkühlen, mildem Kühlen und intensivem Kühlen für die äußere Oberfläche, wodurch das verbleibende Austenit unterdrückt wird und Abschreckungsrissbildung verhindert wird (siehe 3 und 4, die nachstehend gezeigt werden). Die Abkühlungsrate an der inneren Oberfläche wird geringer als diejenige an der äußeren Oberfläche in dem gesamten Temperaturbereich gemacht.
(2) Ein Verfahren zum Abkühlen eines martensitischen Edelstahlrohrs, das umfasst: das erste Abkühlen zum Anwenden von Luftkühlen bis die Temperatur an der äußeren Oberfläche des Stahlrohrs einen Temperaturbereich von "Ms-Punkt –30°C" erreicht bis "die zentralen Temperatur zwischen Ms-Punkt und Mf-Punkt" und dem zweiten Abkühlen des anschließenden Anwendens von intensivem Kühlen für die äußere Oberfläche des Rohrs mit einer Abkühlungsrate an der inneren Oberfläche von 8°C/s oder höher bis die Temperatur an der äußeren Oberfläche einen Temperaturbereich erreicht, der geringer als der Mf-Punkt ist, während das Stahlrohr um die Achse des Rohrs rotiert wird (nachstehend als "Ausführungsform [2]" bezeichnet).
(3) Verfahren zum Abkühlen eines martensitischen Edelstahlrohrs, das umfasst: erstes Abkühlen durch Anwenden von intensivem Kühlen auf die äußere Oberfläche bis die Temperatur an der äußeren Oberfläche des Stahlrohrs einen Temperaturbereich von "Ms-Punkt +400°C" bis Ms-Punkt erreicht, wobei das zweite Abkühlen des anschließenden Anwendens von mildem Kühlen auf die äußere Oberfläche, bis die Temperatur an der äußeren Oberfläche einen Temperaturbereich von Ms-Punkt bis "der zentralen Temperatur zwischen Ms-Punkt und Mf-Punkt" erreicht, wobei ein durchschnittlicher Wärmetransferkoeffizient in dem zweiten Abkühlen auf der äußeren Oberfläche weniger als ½ von derjenigen beim Vervollständigen des ersten Abkühlens ist und das dritte Abkühlen durch Anwenden von intensivem Kühlen auf die äußere Oberfläche des Rohrs mit einer Abkühlrate an der inneren Oberfläche von 8°C/s oder höher ist, bis die Temperatur an der äußeren Oberfläche unterhalb des Mf-Punktes verringert wird, während das Stahlrohr um die Achse des Rohrs rotiert wird (nachstehend als die "Ausführungsform [3]" bezeichnet).

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein martensitisches Edelstahlrohr, aber diese ist auf ein Mediumkohlenstoffstahlrohr oder dergleichen, das an dem Problem der Abschreckungsrissbildung leidet, anwendbar.
Die Position des Stahlrohrs, an welcher die Kühlrate an einem Minimum ist, ist bei der zentralen Position für die Dicke des Stahlrohrs in dem Fall des Verfahrens der Ausführungsform [1], wohingegen die Position an der inneren Oberfläche des Stahlrohrs in dem Fall des Ausführungsform [2] und der Ausführungsform [3] ist.
Die Kühlrate von 8°C/s oder höher an der Position des Stahlrohrs für die minimale Kühlrate bedeutet eine Kühlrate in dem Temperaturbereich von "die Zentraltemperatur zwischen dem Ms-Punkt und dem Mf-Punkt" bis zu dem Mf-Punkt.
Für Ausführungsform [1] sind die folgenden Faktoren wichtig. Wenn Wasser zum Kühlen auf die innere Oberfläche des Stahlrohrs strömt, wird Kühlen in einem Zustand ausgeführt, in welchem das kühlende Wasser das Stahlrohr nicht vollständig füllt, zum Beispiel wird Kühlen bei einem Benetzungswinkel von weniger als 180° auf der inneren Oberfläche ausgeführt, wie nachstehend beschrieben wird.
Da im Allgemeinen das Wasserkühlen des Stahlmaterials durch Wärmeübertragung während Kontakt hauptsächlich zwischen dem Stahlmaterial und Wasser ausgeführt wird, gibt die Kontaktfläche zwischen der Oberfläche des Stahlmaterials und Wasser pro Einheitszeit einen Effekt auf die Wärmeentfernungsmenge, das heißt die Kühlrate. Da in einem Zustand in welchem das kühlende Wasser vollständig in dem Stahlrohr gefüllt ist kühlendes Wasser immer in Kontakt mit der inneren Oberfläche ist, sogar wenn das Stahlrohr rotiert wird, übersteigt die Kühlrate an der inneren Oberfläche diejenige an der äußeren Oberfläche, sogar wenn die äußere Oberfläche zum Beispiel durch Laminarstrom-Wasser einer ausreichenden Menge gekühlt wird.
Die maximale Kühlrate von 35°C/s oder weniger in Ausführungsform [1] bedeutet die maximale Kühlrate über das gesamte Abkühlverfahren. Da in einem Fall des Wasserkühlens des Stahlrohrs die Kühlrate während dem Blasensieden beziehungsweise Keimsieden (Niedrigtemperaturbereich) höher ist als die Abkühlrate während dem Filmsieden (Hochtemperaturbereich) kann die maximale Abkühlrate von 35°C/s oder weniger über das Abkühlverfahren hinweg erhalten werden, indem die Abkühlrate während dem Keimsieden 35°C/s oder weniger gemacht wird. Zum intensiven Abkühlen auf der äußeren Oberfläche des Stahlrohrs kann die maximale Abkühlrate leicht auf 35°C/s oder weniger gesteuert werden, indem die Menge des kühlenden Wassers, das herunterströmt oder auf die äußere Oberfläche des Stahlrohrs aufgeblasen wird, vermindert wird.
Die folgenden Faktoren sind für Ausführungsform [3] wichtig.
Der Wärmeübertragungskoeffizient bedeutet einen Wert, der erhalten wurde, indem der Wärmestrom pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit über die äußere Oberfläche eines Stahlrohrs (J/s·m²= W/m²) während dem Abkühlen durch die Differenz der Temperatur zwischen der äußeren Oberfläche und dem Kühlmittel geteilt wird. Demgemäß hängt der Wärmetransferkoeffizient zum Beispiel von dem kühlenden Gerät, dem Zustand des Kühlmediums (Wasser oder Öl) und der äußeren Oberfläche des Stahlrohrs und der Temperatur ab und dieser tendiert im Allgemeinen zu einer Erhöhung, wenn die Temperatur niedriger ist. Der durchschnittliche Wärmeübertragungskoeffizient bedeutet einen durchschnittlichen Wert eines Wärmeübertragungskoeffizienten für den Ziel-Temperaturbereich, das heißt von der Ausgangstemperatur bis zu der Stopp-Temperatur bei dem zweiten Abkühlen der Ausführungsform [3]. Der Wärmeübertragungskoeffizient bei der Vervollständigung des ersten Abkühlens bedeutet der durchschnittliche Wärmeübertragungskoeffizient, welcher durchschnittlich um die Vervollständigungstemperatur bei dem ersten Abkühlen herum auftritt. Der durchschnittliche Wärmeübertragungskoeffizient des dritten Abkühlens ist zudem der Durchschnittswert um die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens herum. Der Wärmeübertragungskoeffizient oder der durchschnittliche Wärmeübertragungskoeffizient kann durch die Menge des abkühlenden Wassers pro Einheitsfläche und Einheitszeit gesteuert werden.
In der Erfindung [1] bedeutet die Temperatur oder die Abkühlungsrate an den inneren und den äußeren Oberflächen des Stahlrohrs die Temperatur oder die Abkühlungsrate, wie in der später beschriebenen 11 gezeigt, an Positionen 3 mm von jeder der Oberflächen. Die Thermopaare sind an dem Boden in dem in das Rohr gebohrten Loch angebracht. Wohingegen in Ausführungsform [2] und [3] die Temperatur und die Abkühlungsrate an den äußeren oder den inneren Oberflächen die Temperatur und die Abkühlungsrate auf der äußeren Oberfläche oder auf der inneren Oberfläche bedeutet, wie etwa die Temperatur und die Abkühlungsrate, die durch das Thermopaar gemessen wurde, die auf der äußeren Oberfläche oder auf der inneren Oberfläche angebracht ist.
Kurze Beschreibung der begleitenden Zeichnungen
1(A) ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für ein zur Ausführung der Ausführungsform [1] geeignetes Abkühlgerät veranschaulicht;
1(B) ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für ein zur Ausführung der Ausführungsform [2] und Ausführungsform [3] geeignetes Gerät veranschaulicht. In den Figuren sind ein Stahlrohr 1, eine Düse 3 zum Zuführen von kühlendem Wasser für die äußere Oberfläche, eine Rotationsträgerwalze 4, kühlendes Wasser für die innere Oberfläche 5, kühlendes Wasser für die äußere Oberfläche 6, eine Schließvorrichtung 7 und eine untere Sprühdüse 8 gezeigt.
2 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Beispiel für ein zur Ausführung der Ausführungsform [1] geeignetes Gerät veranschaulicht. In der Figur ist eine Düse 2 zum Zuführen von kühlendem Wasser für die innere Oberfläche gezeigt.
3 ist eine schematische Zeichnung, die das Voranschreiten der Temperatur an der äußeren Oberfläche eines Stahlrohrs beim Anwenden des Verfahrens von Ausführungsform [2] zeigt. In der Figur sind Temperatur 11 "Ms-Punkt –30°C", Temperatur 12 "die Mitteltemperatur zwischen Ms-Punkt und Mf-Punkt", erste Abkühlungstemperatur 13 in Ausführungsform [2], zweite Abkühlungstemperatur 14 in Ausführungsform [2], und die erste Abkühlungs-Stopptemperatur und zweite Abkühlungs-Ausgangstemperatur 15 in Ausführungsform [2] gezeigt;
4 ist eine schematische Ansicht, die das Voranschreiten der Temperatur an der äußeren Oberfläche eines Stahlrohrs beim Anwenden des Verfahrens von Ausführungsform [3] zeigt. In der Figur werden Temperatur 16 "Ms-Punkt +400°C", Ms-Punkt 17, erstes Abkühlen 18 in Ausführungsform [3], zweites Abkühlen 19 in Ausführungsform [3], drittes Abkühlen 20 in der Ausführungsform [3], erste Abkühlungsstopp-Temperatur und zweite Abkühlungsausgangstemperatur und dritte Abkühlungsausgangstemperatur 22 in Ausführungsform [3] gezeigt;
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine tatsächlich an der inneren Oberfläche und der äußeren Oberfläche eines Stahlrohrs beim Anwenden des Verfahrens der Ausführungsform [3] gemessene Abkühlungskurve zeigt;
6 ist ein Diagramm, das den Effekt der zweiten Abkühlungsausgangstemperatur auf die Umfangsrestspannung auf der äußeren Oberfläche beim Anwenden des Verfahrens der Ausführungsform [2] zeigt. In der Figur werden die Differenz ΔT zwischen der zweiten Abkühlungsausgangstemperatur und dem Ms-Punkt gezeigt. Die zweite Abkühlungsausgangstemperatur ist niedriger als der Ms-Punkt, wenn ΔT positiv ist während die Ausgangstemperatur höher ist als der Ms-Punkt, wenn ΔT negativ ist.
7 ist ein Diagramm, das den Effekt der dritten Abkühlungsausgangstemperatur auf die Umfangsrestspannung auf der äußeren Oberfläche beim Anwenden des Verfahrens der Ausführungsform [3] zeigt. Numerische Werte in der der Abszisse stellen ΔT dar.
8 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen dem durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten Hb beim zweiten Abkühlen, den durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten Hc beim dritten Abkühlen und die dritte Abkühlungsausgangstemperatur veranschaulicht, um die Restspannung 200 MPa beim Anwenden des Verfahrens der Ausführungsform [3] zu machen. In der Figur stellen numerische Werte, die jeweils auf jeden der gebogenen Linien in der Figur angebracht sind, die dritte Abkühlungsausgangstemperatur dar.
9 ist ein Diagramm, das den Effekt eines durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten beim ersten Abkühlen (wobei 7000 W/(m²*K) als 1 angegeben sind) auf die Umfangsrestspannung auf der äußeren Oberfläche des martensitischen Edelstahlrohrs mit einer Wanddicke von 5,5 mm beim Anwenden des Verfahrens der Ausführungsform [3] zeigt.
10 ist ein Diagramm, das den Effekt der dritten Abkühlungsausgangstemperatur und des durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten beim dritten Abkühlen auf die Abkühlungsrate an der inneren Oberfläche des Rohrs mit einer Wanddicke von 5,5 mm beim dritten Abkühlen beim Anwenden des Verfahrens der Ausführungsform [3] zeigt.
11 ist eine Ansicht, die Positionen zum Messen der Temperatur an den inneren und den äußeren Oberflächen des Stahlrohrs in Beispielen 1 und 2 veranschaulicht. Der Fortschritt beim Abkühlen an dem Mittelteil der Dicke kann mit einer extrem hohen Genauigkeit durch eine Berechnung vorhergesagt werden, die auf den tatsächlich gemessenen Abkühlungskurven an den inneren und den äußeren Oberflächen basiert.
12 ist ein Diagramm, das eine Abkühlungskurve in einem vorläufigen Test veranschaulicht.
13 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Abkühlungsrate auf die Stromrate des Wassers auf der inneren Oberfläche des Stahlrohrs der Ausführungsform [1] veranschaulicht,
14 ist eine schematische Ansicht, die den Strom des Abkühlungswassers in Ausführungsform [1] veranschaulicht. Der Benetzungswinkel auf der inneren Oberfläche ist ein Winkel, der in einem Zustand gemessen wurde, bei dem das Stahlrohr nicht rotiert wird.
15 ist ein Diagramm, dass die Abkühlungskurven für das Stahlrohr in Beispiel 1 veranschaulicht. Die Kurve A zeigt ein Ergebnis für das Beispiel gemäß der Erfindung und die Kurve B zeigt ein Ergebnis für ein Beispiel gemäß einem herkömmlichen Verfahren.
16(A) zeigt ein Querschnittsdiagramm eines 4-Punkt-Biegewerkstücks mit Kerbe, und 16(B) ist ein Querschnittsdiagramm, das einen Zustand veranschaulicht, bei dem das Werkstück auf eine 4-Punkt-Biegetestvorrichtung angebracht wird.
Zudem sind einige Tabellen an die vorliegende Druckschrift angefügt.
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Messungen für die Abkühlungsrate.
Tabelle 2 zeigt die chemische Zusammensetzung eines martensitischen Edelstahlrohrs, das in Beispiel 2 verwendet wird.
Tabelle 3 veranschaulicht die Abkühlungsbedingungen und das Auftreten einer Abschreckungsrissbildung in Beispiel 2.
Tabelle 4 zeigt das Ergebnis eines Zugtestes und eines Korrosionswiderstandstestes für Stahlrohre, die in Beispiel 2 gekühlt werden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen beschrieben werden.
1. Abkühlungsgerät
1(A) und 1(B) sind Querschnittsansichten, die ein zur Ausführung der Erfindungen geeignetes Abkühlungsgerät veranschaulichen. 1(A) ist ein Beispiel für ein zur Ausführung der Ausführungsform [1] geeignetes Gerät, während 1(B) ein Beispiel für ein zur Ausführung der Ausführungsform [2] und Ausführungsform [3] geeignetes Gerät ist.
In jeder der Ausführungsformen wird das Stahlrohr 1 auf Rotationsträgerwalzen 4 rotiert. In der Ausführungsform [1] wird kühlendes Wasser der inneren Oberfläche 5 aus einer Kühlungsdüse 2 der inneren Oberfläche derart zugeführt, dass der Benetzungswinkel auf der inneren Oberfläche gewöhnlicherweise 180° oder weniger beträgt, wie in 14, die nachstehend beschrieben wird, gezeigt, und kühlt die innere Oberfläche des rotierenden Stahlrohrs mit einer Abkühlungsrate, die im Wesentlichen derjenigen an der äußeren Oberfläche entspricht. Für das intensive Abkühlen an der äußeren Oberfläche wird laminares kühlendes Wasser 6 an der äußeren Oberfläche zum Beispiel aus den Kühlungsdüsen 3 an der äußeren Oberfläche, die in zwei Reihen an dem oberen Teil des Stahlrohrs 1 angeordnet sind, heruntergeströmt, um die äußere Oberfläche des Stahlrohrs 1 zu kühlen. Für das Gerät zum intensiven Kühlen der äußeren Oberfläche kann laminares Kühlen mit einem Einzeilenschlitz, wie in 1(B) gezeigt, verwendet werden, während ein laminares Kühlen mit einem Doppelschlitz in 1(A) beispielhaft dargestellt ist. Ruf die gleiche Weise kann laminares Wasser mit Doppelschlitz zum Kühlen der äußeren Oberfläche in Ausführungsform [2] und Ausführungsform [3] verwendet werden.
2 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die eine Anordnung von Düsen zum Kühlen der inneren Oberfläche in dem Verfahren der Ausführungsform [1] veranschaulicht. Eine Düse 2 zum Zuführen von kühlendem Wasser für die innere Oberfläche mit einem Mechanismus, der die Stromrate des kühlenden Wassers gemäß der Größe eines Stahlrohrs und Abkühlungsbedingungen steuern kann, wird derart organisiert, dass kühlendes Wasser die Rohrkante nicht direkt trifft, zum Verhindern des Überkühlens an der Rohrkante, welches dazu tendiert, Abschreckungsrissbildung zu verursachen.
In dem Verfahren der Ausführungsform [2] und Ausführungsform [3], wird die innere Oberfläche des Stahlrohrs für den gesamten Temperaturbereich luftgekühlt. Die äußere Oberfläche wird vorzugsweise zum Beispiel durch Luftkühlen in dem ersten Kühlen der Ausführungsform [2] gekühlt, während ein laminares Schlitzkühlungsgerät, das in 1(B) veranschaulicht ist, beim zweiten Abkühlen zum intensiven Kühlen verwendet wird. In der Ausführungsform [3] ist es bevorzugt, zum Beispiel laminares Schlitzkühlen bei dem ersten Abkühlen zum intensiven Kühlen anzuwenden, während der laminare Schlitzstrom durch eine Schließvorrichtung 7 unterbrochen wird und Abkühlen unter Verwendung nur von kühlendem Wasser 6 aus einer unteren Sprühdüse 8 die eine kleinere Kühlleistung besitzt, in dem zweiten Abkühlen zum mildem Kühlen verwendet wird. Beim dritten Kühlen wird Kühlen vorzugsweise durchgeführt, indem die Schließvorrichtung 7 entfernt wird und das laminare Schlitzkühlen wiederum verwendet wird. In diesem Fall kann das untere Sprühen unterbrochen werden oder nicht unterbrochen werden. Da das dritte Kühlen intensives Kühlen ist, wird das untere Sprühen nicht unterbrochen, sondern gewöhnlich in Kombination mit dem laminaren Stromwasser verwendet. 1(B) veranschaulicht den Zustand des zweiten Kühlens als mildes Kühlen der Ausführungsform [3].
Das Gerät zum intensiven Kühlen auf der äußeren Oberfläche des Stahlrohrs ist nicht nur auf das in 1(A) und 1(B) veranschaulichte Laminarstromgerät beschränkt, sondern dieses kann auch ein derartiges Gerät zum simultanen Sprühen von Wasser durch eine Serie von Umfangsdüsen, die spezifisch entlang der horizontalen Länge des Rohrs platziert sind, sein, so dass eine ausreichende Wassermenge pro Einheitsfläche und Einheitszeit sichergestellt werden kann.
Im Fall der Verwendung eines Laminarstrom-Kühlgeräts zum intensiven Kühlen der äußeren Oberfläche oder Durchführen von Wasser zum Kühlen der inneren Oberfläche wird vorzugsweise ein Rotationsgerät, das das Stahlrohr bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 40 U/min oder mehr, vorzugsweise 50 U/min oder mehr rotieren kann, zum Vermindern der Temperaturungleichförmigkeit in der Umfangsrichtung des Rohrs verwendet.
2. Abkühlrate
In dem Verfahren der Ausführungsform [1] wird die maximale Abkühlungsrate an der Position an den inneren und den äußeren Oberflächen eines martensitischen Edelstahlrohrs auf 35°C/s oder weniger gemacht und die Abkühlrate bei oder unterhalb des Ms-Punktes an der Mitteldickeposition des Stahlrohrs (minimale Kühlrate) wird auf 8°C/s oder höher eingestellt. Dies kann erreicht werden, indem die Stromrate des kühlenden Wassers 5 für die Innenseite des Rohrs gesteuert werden und die Bedingungen zum Kühlen der äußeren Oberfläche gesteuert werden. Wenn die maximale Kühlrate 35°C/s übersteigt, leidet das martensitische rostfreie Stahlrohr an Abschreckungsrissbildung wenn der Kohlenstoffgehalt nicht auf ein niedriges Niveau beschränkt wird. Wenn darüber hinaus die Abkühlungsrate an der Mittelposition geringer als 8°C/s ist, verbleibt das restliche Austenit im Martensit, um den Korrosionswiderstand und die mechanische Eigenschaft zu verschlechtern.
Die untere Grenze für die Kühlrate an den inneren und den äußeren Oberflächen des Stahlrohrs wird durch die Bedingung des Herstellens der Kühlrate von 8°C/s oder höher an der Mittelposition der Dicke des Stahlrohrs bestimmt. Darüber hinaus wird auch die obere Grenze für die Abkühlrate an der Mittelposition der Dicke des Stahlrohrs abhängig von der Bedingung des Herstellens der Kühlrate von 35°C/s oder niedriger an den inneren und den äußeren Oberflächen des Stahlrohrs bestimmt.
Es wird nun die Abkühlrate in der Ausführungsform [2] und Ausführungsform [3] beschrieben.
3 und 4 sind jeweils schematische Ansichten für den Fortschritt der Temperatur der äußeren Oberfläche gemäß dem Verfahren der Ausführungsform [2] und Ausführungsform [3]. In beiden der Figuren bedeutet "die Mitteltemperatur" "eine Temperatur zwischen dem Ms Punkt und dem Mf Punkt", dass heißt (Ms Punkt + Mf Punkt)/2. Die Abkühlrate in einem Temperaturbereich von der Mitteltemperatur bis zu dem Mf Punkt gibt einen intensiven Effekt auf die Menge des restlichen Austenits.
Wenn die Abkühlrate in den Temperaturbereich niedriger als 8°C/s ist, nimmt das restliche Austenit wie zuvor beschrieben zu, um den Korrosionswiderstand und die mechanischen Eigenschaften zu verringern, so dass diese bei 8°C/s oder höher an der inneren Oberfläche des Stahlrohrs sein muss, bei welcher die Abkühlungsrate in dem Abkühlverfahren der Ausführungsform [2] und Ausführungsform [3] minimal ist.
Obwohl es keine besonderen Beschränkungen für die obere Grenze der Abkühlungsrate an die inneren Oberfläche des Stahlrohrs ergibt, wird diese wegen der Bedingung beschränkt, dass das Kühlmittel zum Kühlen von der äußeren Seite Wasser ist.
Der Ms Punkt und der Mf Punkt können aus den berechneten Werten, die auf der chemischen Zusammensetzung des Stahls basieren, oder aus tatsächlich gemessenen Umwandlungskurven berechnet werden, so besitzt der bestimmte Ms Punkt oder Mf Punkt einen wesentlichen Unterschied, verglichen mit dem tatsächlichen Wert und verursacht kein Problem beim Ausüben der vorliegenden Erfindung. Der Ms Punkt für das matensitische Edelstahl als das Objekt der vorliegenden Erfindung ist von 200°C bis 300°C, während der Mf Punkt innerhalb eines Bereichs von Raumtemperatur 150°C ist.
5 ist ein Diagramm, dass eine Abkühlungskurve veranschaulicht, die tatsächlich an der inneren Oberfläche und der äußeren Oberfläche des Stahlrohrs beim Anwenden des Kühlverfahrens der Erfindung [3] gemessen wurde.
3. Zusammenhang zwischen dem Abkühlverfahren und der Restspannung.
Das Abkühlverfahren für das Stahlrohr der Erfindung [1] umfasst Durchführen von Kühlungswasser in ein Stahlrohr mit einem Benetzungswinkel von nicht mehr als 220° (welches bedeutet, nicht vollständiges Füllen des Kühlwassers in das Stahlrohr), während das Stahlrohr um die Rohrachse rotiert wird. Gemäß diesem Verfahren muss die Kontaktfläche zwischen der inneren Oberfläche des Stahlrohrs und Wasser pro Zeiteinheit reduziert werden, um das gleiche Ausmaß der Abkühlungsrate auf beiden Oberflächen zu erreichen. Da die vorstehend erwähnten Verfahren sowohl die inneren als auch die äußeren Oberflächen gleichzeitig kühlen, kann gleichförmiges Abkühlen in der Richtung der Dicke des Stahlrohrs erreicht werden. Jedoch wird sogar, wenn die Abkühlrate zwischen den inneren und den äußeren Oberflächen fast gleich gemacht wird, die Restspannung erhöht, wenn die Abkühlrate 35°C/s übersteigt, so dass die Abkühlrate auf 35°C/s oder weniger eingestellt wird.
Darüber hinaus ist der Benetzungswinkel der inneren Oberfläche in der Querschnittsoberfläche des Rohrs vorzugsweise innerhalb ungefähr 90° bis 180°. Der Benetzungswinkel in der Querschnittsoberfläche des Rohrs ist ein Winkel für den Bereich der inneren Oberfläche des Rohrs, der mit dem Kühlwasser bedeckt ist, gesehen von der axialen Mitte des Rohrs. Da der Benetzungswinkel der inneren Oberfläche durch den inneren Durchmesser des Stahlrohrs und die Stromrate des Wassers bestimmt wird, ist es wünschenswert, dass der Zusammenhang zwischen diesen vor der Verstärkung bestimmt werden kann. Wenn der Benetzungswinkel der inneren Oberfläche innerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs ist, ist es möglich, die fast gleiche Abkühlrate auf beiden Oberfläche zu erreichen und eine stabile Wasserführung kann auch erreicht werden.
Indem die Stromrate und der Benetzungswinkel der inneren Oberfläche des Kühlungswasser 5 der inneren Oberfläche in Übereinstimmung mit der Größe des Kühlrohrs 1 und der Abkühlbedingungen gesteuert wird, und auch in dem die Abkühlbedingungen für die äußere Oberfläche in Übereinstimmung damit gesteuert werden, kann ein gewünschtes Abkühlen, welches für die Richtung der Dicke gleichförmig ist, erreicht werden. Die Kühlverfahren der Ausführungsform [2] und Ausführungsform [3] sind fast die gleichen wie das Verfahren der Ausführungsform [1], die vorstehend beschrieben wurden, bis darauf, dass das Abkühlen der äußeren Oberfläche in zwei Schritte oder drei Schritte geteilt, durchgeführt wird. Dies wird erläutert werden, um den Zusammenhang zwischen dem Abkühlverfahren und der Restspannung in jeder der Ausführungsformen [2] und Ausführungsformen [3] zu veranschaulichen.
In dem Kühlverfahren der Ausführungsform [4] ist die Stoptemperatur 15 des ersten Abkühlens (Luftkühlung) niedriger als "Ms Punkt –30°C" und höher als die Mitteltemperatur 12.
6 ist ein Diagramm, dass den Effekt der Ausgangstemperatur für das zweite Abkühlen auf die Umfangsrestspannung auf der äußeren Oberfläche veranschaulicht. Wenn die Umfangsrestspannung auf der äußeren Oberfläche 200 MPa oder weniger beträgt, tritt im allgemeinen Abschreckungsrissbildung selten auf. Wie aus der Figur gesehen werden kann, beträgt die Restspannung ungefähr 200 MPa, wenn Δ T 30°C beträgt und demgemäß wird keine Abschreckrissbildung verursacht, wenn Δ T 30°C oder mehr beträgt.
Zum Beispiel beträgt im Fall eines martensitischen Edelstahls mit Ms Punkt 290°C und einem Mf Punkt bei 100°C die Mitteltemperatur 195°C. Wenn dem gemäß intensives Kühlen bei ungefähr 250°C begonnen wird, da Δ T +40°C beträgt, tritt keine hohe Restspannung auf, um die Abschreckungsrissbildung zu fördern.
Da Δ T als 30°C oder höher eingestellt wird, tritt in dem Verfahren der Ausführungsform [2] kaum Restspannung auf und es tritt keine Abschreckungsrissbildung auf. Da darüber hinaus Abkühlen bei einer Temperatur 15, die höher als die Mitteltemperatur 12 ist, auf das zweite Abkühlen (intensives Kühlen) übertragen wird, kann das restliche Austenit unterdruckt werden und eine Verschlechterung des Korrosionswiderstands kann auch verhindert werden.
Im Fall des Verfahrens der Ausführungsform [3] wird plastische Zugspannung auf Grund der thermischen Spannungen während dem ersten Kühlen, welches intensives Kühlen auf der äußeren Oberfläche des Stahlrohrs ist, erzielt. Anschließend wird das intensive Kühlen auf mildes Kühlen umgeschaltet oder das zweite Abkühlen, wenn die äußere Oberflächentemperatur 21, die höher als der Ms Punkt ist, um die Verminderung der Temperaturdifferenz in der Richtung der Dicke durch Wärmewiederherstellung zu erreichen. Wenn die äußere Oberflächentemperatur intensiv auf weniger als der Ms Punkt durch erstes Kühlen abgekühlt wird, kann, da Umwandlungsspannung auftritt, keine Verminderung der Restspannung erwartet werden, sogar durch nachfolgende Wärmeerholung.
Die erste Abkühlungs-Stopptemperatur wird in einem Temperaturbereich von "Ms Punkt +400°C" bis Ms Punkt eingestellt. Wenn die erste Abkühlungs-Stopptemperatur "Ms Punkt +400°C" übersteigt, ist die plastische Zugspannung, die an der äußeren Oberfläche erzielt wird, unzureichend. Wenn andererseits die Stopptemperatur geringer als der Ms Punkt ist, kann keine Verminderung der Restspannung durch Wärmeerholung erwartet werden.
Da das zweite Kühlen kontinuierlich von dem ersten Kühlen ist, ist die zweite Abkühlungsausgangstemperatur 21 natürlich innerhalb eines Bereiches von "Ms Punkt +400°C" bis Ms Punkt. Da gewöhnlich der Ms Punkt des Stahls als der Gegenstand der vorliegenden Erfindung von 200°C bis 300°C ist, ist die obere Grenze der zweiten Abkühlungsausgangstemperatur 21 ungefähr 700°C bis 600°C. Andererseits wird die zweite Abkühlungsstoptemperatur entsprechend der Mitteltemperatur oder höher eingestellt. Wenn die Stopptemperatur des zweiten Abkühlens oder milden Kühlens geringer als die Mitteltemperatur ist, wird die Abkühlungsrate an der inneren Oberfläche in diesen Temperaturbereich, der die Menge des Restaustenits bestimmt, verringert, um das Restaustenit an der inneren Oberfläche zu erhöhen.
Darüber hinaus wird durch Verringerung der Temperaturdifferenz, die während des ersten Abkühlens durch Wärmeerholung beim zweiten Abkühlen verursacht wird, der durchschnittliche Wärmeübertragungskoeffizient auf ½ oder weniger von demjenigen bei Vervollständigung des ersten Abkühlens eingestellt. wenn der Wärmeübertragungskoeffizient größer ist, ist die Wärmeerholung unzureichend und die Temperaturdifferenz zwischen den inneren und äußeren Oberflächen fällt nicht in einen gewünschten Bereich. Obwohl es keine besonderen Beschränkungen der untern Grenze des Wärmeübertragungskoeffizienten beim zweiten Abkühlen gibt, ist ein Wärmeübertragungskoeffizient, der eine höhere Abkühlungsrate als diejenige der Luftkühlung erhalten kann, zum Verkürzen der Wärmebehandlungszeit wünschenswert.
Im Fall des Verfahrens der Ausführungsform [3] wird nach Erhalten der plastischen Zugspannung auf der äufleren Oberfläche beim ersten Abkühlen mildes Kühlen in dem zweitem Abkühlen angewendet und dieses wird über den Ms Punkt hinaus durchgeführt, während eine bestimmte Temperaturdifferenz in der Richtung der Dicke gehalten wird. In diesem Fall verringert die plastische Zugspannung, die durch das erste Abkühlen erhalten wurde, dass Auftreten der plastischen Spannung während dem zweiten Abkühlen. Daher kann die Restspannung in einem kleinen Wert unterdrückt werden und dem gemäß die Abschreckungsrissbildung unterdrückt werden, obwohl die Abkühlungszeit verglichen mit derjenigen in Ausführungsform [2) verkürzt wird. Die Differenz zwischen der Ausführungsform [2] und Ausführungsform [3] ist wie vorstehend beschrieben.
Beim dritten Abkühlen wird wiederum intensives Kühlen verwendet. Der Grund für intensives Kühlen des Temperaturbereichs ist es, dass Rest – Austenit, wie vorstehend beschrieben zu unterdrücken. Die Ausgangstemperatur 22 für das dritte Abkühlen ist in dem Temperaturbereich von dem Ms Punkt bis zur Mitteltemperatur. Die obere Grenztemperatur für den Beginn des dritten Abkühlens, dass heißt Ms Punkt in Ausführungsform [3] kann höher gemacht werden als die obere Grenztemperatur für das zweite Abkühlen "Ms Punkt – 30°C" in dem Verfahren der Ausführungsform [2]. Dies ist, da die plastische Zugspannung, die sich in dem ersten Abkühlen ergibt, noch nach dem zweiten Abkühlen verbleibt, und diese das Auftreten von plastischer Spannung, die durch die während dem dritten Abkühlen sich ergebende Umwandlungen verursacht wird, vermindert.
Wenn die Abkühlungsrate auf der inneren Oberfläche bei dem zweiten Abkühlen z. B. bei 8°C/s oder höher ist, ist es auf Grund dessen, dass das Stahlrohr eine dünne Dicke besitzt, nicht notwendig, dass intensiveres Abkühlen als bei dem zweiten Abkühlen in dem dritten Abkühlen verwendet wird, und das Abkühlen kann durch die gleiche Abkühleinrichtung, wie beim zweiten Abkühlen verwendet, fortgesetzt werden. Jedoch ist es zum Verkürzen der Wärmeverfahrenszeit wünschenswert, dass die Abkühlungsrate beim dritten Abkühlen auf mehr als diejenige beim zweiten Abkühlen erhöht wird.
7 ist ein Diagramm, dass den Effekt der Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens auf die Umfangsrestspannung auf der äußeren Oberfläche des Rohrs veranschaulicht, wenn das Verfahren der Ausführungsform [3] angewendet wird. Wie in 7 gezeigt, vergrößert sich die Restspannung, wenn die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens ansteigt, dass heißt wenn Δ T sich 0 annähert, aber der Gradient des Zuwachses ist moderater als der Gradient des Zuwachses der Ausgangstemperatur des zweiten Abkühlens in dem Verfahren der Ausführungsform [2]. Es kann aus dem in 7 Gezeigten ersehen werden, dass die Restspannung mit der Zunahme der Wanddicke zunimmt. Unter den gleichen Abkühlbedingungen nimmt die Restspannung wesentlich im Verhältnis mit der Dicke zu.
Es kann aus 7 ersehen werden, dass die Restspannung auf 200 MPa oder weniger unterdrückt werden kann, welches ein Wert ist, der ausreichend ist, um das Auftreten der Abschreckungsrissbildung zu verhindern, in dem die Ausgangstemperatur 22 des dritten Abkühlens auf 267°C oder weniger im Fall einer Wanddicke 5,5 mm eingestellt wird, während die Temperatur auf 264°C oder weniger im Fall einer Wanddicke von 6,5 mm eingestellt wird. Die untere Grenze der Ausgangstemperatur der dritten Abkühlens kann in Übereinstimmung mit dem durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten Hb beim zweiten Abkühlen oder dem durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten Hc beim dritten Abkühlen ausgewählt werden.
Dann wird die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens und das Verfahren der Auswahl von Hb und Hc im Fall der Wanddicke von 5,5 mm als ein Beispiel erläutert werden. Der Wärmeübertragungskoeffizient Ha beim ersten Abkühlen bedeutet der Wärmeübertragungskoeffizient beim ersten Abkühlen nahe der Stopptemperatur des ersten Abkühlens wenn nicht anders angegeben.
8 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten Hb beim zweiten Abkühlen und dem durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten Hc beim dritten Abkühlen, unter welchem die Restspannung von 200 MPa aufgebaut wird, veranschaulicht. Jede der gebogenen Linien stellt die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens wie angegeben dar. Jede der gebogenen Linien wurde durch das finite Elementverfahren unter der Annahme der Ausgangstemperatur des zweiten Abkühlens als 350°C und des Wärmeübertragungskoeffizienten Ha beim ersten Abkühlen als 7000 W/(m²*K) berechnet.
Wenn Hb (Abszisse) und Hc (Ordinate) bestimmt werden, kann die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens, bei welcher die Umfangsrissspannung auf der äußeren Oberfläche 200 MPa ist, ermittelt werden. Die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens kann als eine regressive Gleichung von 8 mit der folgenden Formel (a) dargestellt werden.
"Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens für Restspannung bei 200 MPa" (°C) = Ms(°C) + 6.4 – 0,015 Hb (W/(m²*K)) – 0,00276 Hc (W/(m²*K)) (a)
Demgemäß kann die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens basierend auf der vorstehenden Formel (a) bestimmt werden, während Hb und Hc innerhalb eines praktisch möglichen Bereichs eingestellt werden, z. B. für Abkühlen mit Laminarstromwasser. 8 oder die Gleichung (a) sind das Ergebnis des Einstellens des Wärmeübertragungskoeffizienten Ha beim ersten Abkühlen auf einen konstanten Wert von 7000 W/(m²*K). Wenn Ha fluktuiert, variiert auch der erlaubbare Bereich für die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens.
9 ist ein Diagramm, das den Effekt des Wärmeübertragungskoeffizienten Ha beim ersten Abkühlen auf die Umfangsrestspannung auf der äußeren Oberfläche veranschaulicht. In der Figur ist 7000 W/(m²*K) als 1 auf der Abszisse angegeben. Da wie in 9 gezeigt die Umfangsrestspannung auf der äußeren Oberfläche durch Erhöhung des Wärmeübertragungskoeffizienten beim ersten Abkühlen vermindert wird, kann die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens höher gemacht werden als die Temperatur, die in 8 gezeigt wird, indem der Wärmeübertragungskoeffizient beim ersten Abkühlen erhöht wird. Dies bedeutet jedoch nicht, dass ein größerer Wärmeübertragungskoeffizient Ha beim ersten Abkühlen immer bevorzugt ist, da dies die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens höher und die Abkühlzeit kürzer machen kann. Angesichts der Genauigkeit der Schaltungssteuerung des Abkühlens von dem ersten Abkühlen auf das zweite Abkühlen und die gesamte Abkühlzeit bis das Stahlrohr vollständig auf Zimmertemperatur abgekühlt ist, bestimmt sich eine gewünschte obere Grenze für Ha von selbst.
Zum Verkürzen der gesamten Abkühlzeit ist es wichtig, die Abkühlzeit beim zweiten Abkühlen als die milde Abkühlstufe zu verkürzen. Es ist wünschenswert, dass die zweite Abkühlausgangstemperatur so nah wie möglich an dem Ms Punkt liegt. Zum Beispiel kann das zweite Abkühlen von dem Temperaturbereich von "Ms + 60°C" bis Ms begonnen werden. Der Wärmeübertragungskoeffizient Ha bei Vervollständigung des ersten Abkühlens ist vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 5000 bis 10000 W/(m²*K). Dieser Wärmeübertragungskoeffizient Ha entspricht einen Wärmeübertragungskoeffizienten, wenn kühlendes Wasser in einer Menge von 0,3 bis 1,0 m³/(min*m) durch laminares Kühlen mit Doppelschlitz zugeführt wird.
10 ist ein Diagramm, dass den Effekt der Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens und des durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizient Hc beim dritten Abkühlen auf die Abkühlrate an der inneren Oberfläche des Rohrs während dem dritten Kühlen veranschaulicht. Es kann aus 10 ersehen werden, dass Hc mehr als 1860 W/(m²*K) betragen muss, um die Abkühlrate der inneren Oberfläche beim dritten Abkühlen von 8°C/s oder höher im Fall einer Wanddicke von 5,5 mm sicherzustellen.
Die Bedingungen des Verwendens des Hc mit einem Wert von 1860 W/(m²·K) und, dass die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens niedriger sein muss als der Ms-Punkt, bereitet den Boden dafür, dass Luftkühlen zum Kühlen ohne Verwendung eines unteren Sprühens oder dergleichen während dem zweiten Abkühlen ausgeführt werden kann. Luftkonvektion und Abstrahlungskühlung sind auf der äußeren Oberfläche des Stahlrohrs vorhanden, und der Wärmeübertragungskoeffizient durch Luftkühlen nahe dem Ms-Punkt kann als ungefähr 35 W/(m²·K) geschätzt werden. Wenn demgemäss die Gleichung (a), die vorstehend beschrieben wurde, für Hb = 35 W/(m²·K) und Hc = 1860 W/(m²·K) substituiert wird, ist die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens, die 200 MPa der Restspannung bereitstellt, im wesentlichen an dem Ms-Punkt.
Da die Restspannung im Verhältnis mit der Wanddicke ist, kann, wenn die Wanddicke dünner als 5,5 mm ist, die obere Grenze für die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens zur Unterdrückung der Restspannung auf weniger als 200 MPa geringfügig höher als der Ms-Punkt eingestellt werden, wenn die Wanddicke weniger als 5,5 mm beträgt. Jedoch ist die Wanddicke von 5 mm die minimale Dicke derzeit für die Rohrwaren der ölfördernden Länder von hoher Festigkeit und dies ist wünschenswert, um darüber hinaus die Restspannung in dem Merkmal zu erniedrigen, wenn die Wanddicke darüber hinaus vermindert wird, so dass die Ausgangstemperatur des dritten Abkühlens auf den Ms-Punkt oder niedriger eingestellt wird.
4. Aufheizen vor dem Abkühlen
Die Aufwärmtemperatur vor dem Kühlen wird wünschenswerterweise auf eine derartige Temperatur eingestellt, dass die Austenit-Körner nicht gröber gemacht werden, zum Beispiel bei einer Temperatur, die niedriger als 1100°C ist, unabhängig von dem Material des Stahlrohrs, zum Beispiel Kohlenstoffstahl, niedrig legierter Stahl oder martensitischer Edelstahl. Darüber hinaus wird im Fall des martensitischen Edelstahls die Temperatur vorzugsweise auf einen derartigen Temperaturbereich eingestellt, dass das Verhältnis von δ-Ferrit nicht 20% erreicht, zum Beispiel von 900°C bis 1100°C. Die Abkühlungsausgangstemperatur ist gewöhnlich eine Temperatur, die mit der Aufheiztemperatur vor dem Abkühlen identisch ist, oder eine Temperatur, die einen Temperaturabfall (um weniger als 50°C) aus dem Aufheizgerät zu dem Abkühlgerät abzuziehen.
Unabhängig von dem Material des Stahlrohrs kann Abschrecken durch sogenanntes direktes Abschrecken angewendet werden, indem in dem Material nach heißer Deformierung vorhandene Wärme oder Hilfsaufheizen in der Linie verwendet wird und dann, so wie dieses ist, abgekühlt wird, nicht nur Wieder-Aufheizen und Abkühlen in der sogenannten Off-Linie. Das abgekühlte Stahlrohr wird unabhängig von dem Material, zum Beispiel martensitisches Edelstahlrohr, niedrig legiertes Stahlrohr und Mediumkohlenstoffrohr, getempert.
In dem Fall des martensitischen Edelstahlrohrs wird in einem Temperaturbereich von 593°C bis zum Ac₁-Punkt gemäß den Anforderungen von API L 80 getempert, um gewünschte Eigenschaften abhängig von den Verwendungszwecken bereitzustellen. Zum Bereitstellen eines ausreichenden Korrosionswiderstands ist die Temper-Temperatur wünschenswerterweise höher als 650°C. Abkühlen nach dem Tempern wird wünschenswerterweise bei einer Abkühlrate ausgeführt, die höher als diejenige für das Luftkühlen ist, und die Tenazität wird erhöht, wenn die Abkühlrate höher ist. Zudem wird im Fall des Mediumkohlenstoffstahlrohrs und des niedrig legierten Stahlrohrs die Temper-Temperatur abhängig von den Verwendungszwecken bestimmt. Jedoch wird die obere Grenze der Temper-Temperatur auf Ac₁Punkt oder niedriger eingestellt.
Darüber hinaus besteht, sogar wenn eine Korrekturbehandlung durch einen heißen Strecker nach dem Tempern angewendet wird, kein Problem in den Eigenschaften aller Art der vorstehend beschriebenen Stahlarten.
5. Materialeigenschaft des martensitischen Edelstahlrohrs
Die gewünschten Herstellungsbedingungen, die sich von dem Abkühlungsverfahren für das martensitische Edelstahlrohr unterscheiden, werden nachstehend gezeigt. Das Zeichen "%", das an den Legierungselementen angefügt ist, bedeutet "Gew.-%".
(1) Chemische Zusammensetzung
Unter Legierungselementen für das martensitische Edelstahlrohr mit sowohl Nasskorrosionswiderstand für Kohlendioxid und Korrosionswiderstand gegenüber Sulfidspannungskorrosionsrissbildung sind C und Cr in dem folgenden Bereich wünschenswert. Andere Legierungselemente und Gehalte können optional sein, solange wie mehr als 80% Martensit enthalten ist und dieses nicht besonders den Nasskorrosionswiderstand gegenüber Kohlendioxid und Korrosionswiderstand gegenüber Sulfidspannungskorrosionsrissbildung verringert.
C: 0,1–0,3%.
Wenn (der Gehalt an) C weniger als 0,1% beträgt, wird eine große Menge an δ-Ferrit gebildet, wodurch eine gewünschte Festigkeits- und Korrosionswiderstand nicht erreicht wird. Wenn C andererseits 0,3% übersteigt, ist es unvermeidlich, dass das Restaustenit den Korrosionswiderstand abschwächt, sogar wenn Abkühlen durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, genauso wie Abschreckungsrissbildung nicht verhindert werden kann, sogar wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Demgemäß beträgt dieser wünschenswerterweise von 0,1 bis 0,3.
Cr: 11–15%
Wenn (der Gehalt an) Cr weniger als 11% beträgt, schwächt sich der Korrosionswiderstand ab. Wenn andererseits dieses 15% übersteigt wird δ Ferrit gebildet, wodurch nicht die gewünschte Mikrostruktur erhalten wird und sowohl die Festigkeit als auch der Korrosionswiderstand abgeschwächt werden, so dass dieser wünschenswerterweise 11 bis 15% beträgt.
(2) Mikrostruktur
Zum Bereitstellen von sowohl gewünschter Festigkeit als auch Korrosionswiderstand ist es wünschenswert, dass die Mikrostruktur des martensitischen Edelstahlrohrs 80% oder mehr an Martensit umfasst. Wenn das Martensit weniger als 80% beträgt, kann nicht die gewünschte Streckspannung erhalten werden. Das Verhältnis (%) in der Mikrostruktur bedeutet hierbei ein Flächenverhältnis in dem Blickfeld eines optischen Mikroskops. Die Mikrostruktur kann gänzlich Martensit umfassen (100% Martensit), während weniger als 20% anderer Phasen auch vorhanden sein können. In dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird Restaustenit, wie vorstehend beschrieben, unterdrückt und demgemäß bedeutet "Phasen, die sich von Martensit unterscheiden" ein großer Teil des δ Ferrits und ein kleiner Teil Rest-Austenitphase, die mit Zunahme des C Gehalts zunimmt.
Damit die Mikrostruktur des martensitischen Edelstahlrohrs mehr als 80% Martensit umfasst, ist es wünschenswert, dass legierende Elemente, die sich von C und Cr unterscheiden, in folgenden Bereich enthalten sind. Zum Beispiel kann dieses ein Stahl sein, der folgendes umfasst: Si: 0,01–1%, Mn: 0,01–1%, m Mo: 0–3%, Ni: 0–5%, sol Al: 0,001–0,1%, N: 0–0,1%, Nb: 0–0,5%, Ti: 0–0,5%, V: 0–0,8%, Cu: 0–2%, Ca: 0–0,01, Mg: 0–0,01 und B: 0–0,01, und weniger als 0,1% P und weniger als 0,05 S als Verunreinigungen.
Beispiel
Der Effekt der vorliegenden Erfindung wird an Hand eines vorläufigen Tests und einiger Beispiele erläutert werden.
Vorläufiger Test
Ein Abkühltest für ein gewöhnliches Stahlrohr wurde unter Verwendung eines Abkühlgeräts, dass in 2 gezeigt wird, durchgeführt. Der Abkühltest wurde durchgeführt, in dem ein Stahlrohr in einem Heizofen bei 900°C aufgeheizt wurde, und dann, während dieses rotiert und die äußere Oberfläche durch Doppelschlitzlaminarwasser und hindurchführen von Wasser in das Stahlrohr für die innere Oberfläche abgekühlt wurde, die Temperaturänderung des Stahlrohrs gemessen wurde.
11 ist eine Ansicht, die eine Temperaturmessposition der inneren und äußeren Oberflächen eines Stahlrohrs, an das ein Thermopaar angebracht war, veranschaulicht wurde. Abkühlungskurven an den Positionen wurden gemessen, während die Abkühlbedingungen, wie etwa Stromrate des an die inneren und die äußeren Oberflächen zugeführten Wasser, geändert wurden.
Das verwendete Stahlrohr war ein gewöhnliches Stahlrohr mit 139,7 mm Durchmesser, 16,0 mm Wanddicke und 1100 mm Länge (chemische Zusammensetzung C: 0,01, Si: 0,4% und Mn: 1,0%). Dieses wurde derart eingestellt, dass der Schlitzintervall zwischen den Zweifachschlitzlaminarströmen 100 mm betrugen, und die Höhe der Düse zum Zuführen von Abwasser zu der äußeren Oberfläche 1245 mm von dem Oberende des Stahlrohrs betrug. Die Rotationsgeschwindigkeit des Stahlrohrs wurde auf 60 U/min eingestellt. Die Wassertemperatur für das Abkühlwasser betrug ungefähr 36°C. Das Abkühlen durch Durchführen von Wasser auf die inneren Oberflächen wurde unter der gleichen Bedingung des Unterdrückens der Wassermenge und nicht vollständigen Füllens der Innenseite des Stahlrohrs mit Abkühlwasser durchgeführt.
Tabelle 1 veranschaulicht das Ergebnis der Messung der Abkühlrate. Die Abkühlrate wurde aus der Abkühlkurve abgelesen. In dem Fall des Testmaterials f, g, in welchem die Abkühlgeschwindigkeit am geringsten war, wurde diese durch die numerische Berechnung, dass die Abkühlrate an dem Mittelteil der Wanddicke 21°C/s betrug, bestätigt. Jede der Abkühlraten an der Mitte der Dicke für andere Testmaterialien war oberhalb 21°C/s.
12 ist ein Diagramm, dass ein Beispiel für die Abführkurve (Testmaterial g in Tabelle 1) zeigt. Wie in 12 veranschaulicht, wurde die Abkühlrate beim Filmsieden aus dem Temperaturgradienten für einen linearen Teil in einem hohen Temperaturbereich in der ersten Hälfte des Abkühlens ermittelt, während die Abkühlrate beim Keimsieden aus dem Temperaturgradienten für einen linearen Teil in einem niedrig Temperaturbereich in der letzteren Hälfte des Abkühlens ermittelt wurde.
Wie vorstehend beschrieben ist die Abkühlrate während dem Keimsieden höher als die Abkühlrate während dem Filmsieden und dies ist wichtig, um die Abkühlrate beim Keimsieden zu unterdrücken, um die Abkühlrate zwischen der inneren Oberfläche und der äußeren Oberfläche gleich zu machen.
13 ist ein Diagramm das die Abhängigkeit der Abkühlrate von der Wassermenge an der Innenseite des Rohrs während dem Keimsieden zeigt, wenn die Wassermenge an der äußern Oberfläche auf einen konstanten Wert von 26 m³/h eingestellt wurde. Es kann festgestellt werden, dass die Abkühlrate verringert werden kann, in dem die Wassermenge an der inneren Oberfläche verringert wird.
14 ist eine Ansicht, die den Strom des Kühlmittels veranschaulicht. Der Benetzungswinkel auf der inneren Oberfläche betrug bei der Stromrate des Wassers an der inneren Oberfläche von 15 m³/h 160°. Der Benetzungswinkel an der inneren Oberfläche bei einer Stromrate an der inneren Oberfläche 25 m³/h 180°, und der Benetzungswinkel an der inneren Oberfläche betrug bei einer Stromrate von Wasser auf der inneren Oberfläche von 35 m³/h 220°.
Abkühlen zum Herstellen einer geringeren Differenz der Abkühlrate zwischen den inneren und den äußeren Oberflächen kann erreicht werden, indem Kühlmittel in das Stahlrohr geströmt wird, um so den Benetzungswinkel auf der inneren Oberfläche zu reduzieren, während das Stahlrohr um die Achse des Rohrs rotiert wird.
Es kann aus der Abkühlkurve in 12 und 15 ersehen werden, dass das Abkühlen durchgeführt wird, während die Temperaturdifferenz zwischen den inneren und den äußeren Oberflächen unterdrückt wird.
Beispiel 1
Ein Abkühltest für 13% Cr enthaltenes martensitisches Edelstahlrohr wurde durchgeführt, indem eine in 2 gezeigtes Kühlgerät verwendet wurde. Der Abkühltest wurde durchgeführt, indem ein Stahlrohr in einem Aufheizofen bei 1000°C erhitzt wurde, und dann Doppelschlitzlaminarwasser auf die äußere Oberfläche heruntergeströmt würde und Wasser in die innere Oberfläche von 900°C geführt wurde, während das Rohr rotiert wurde und die Temperaturänderung des Stahlrohrs gemessen wurde.
Das verwendete Stahlrohr ist ein 13% Cr enthaltenes martensitisches Edelstahlrohr (C: 0,18, Si: 0,20%, Mn: 0,70, Cr: 12,9 und wesentlicher Rest Fe), mit einem Durchmesser von 139,7 mm, Wanddicke 16,0 mm und Länge 1200 mm. Der Ms Punkt ist 290°C. Die Menge an zu der inneren Oberfläche geführten Kühlwasser beträgt 15 m³/h, während die Menge an Kühlwasser auf die äußere Oberfläche auf 26 m³/h eingestellt wurde. Der Benetzungswinkel auf der inneren Oberfläche betrug 160°. Die Schlitzlücke der Doppelschlitzlaminarströme betrug 100 mm, die Höhe der Düse zum Zuführen von Wasser auf die äußere Oberfläche betrug 1245 mm von dem oberende des Stahlrohrs. Die Rotationsgeschwindigkeit des Stahlrohrs wurde auf 60 U/min. eingestellt. Die Temperatur des Kühlmittels betrug ungefähr 36°C. Die Temperatur wurde durch ein Thermopaar an in 11 gezeigten Positionen wie in dem vorläufigen Test gemessen.
Zum Vergleich wurden Abkühltests unter Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens durchgeführt, in welchem die Menge des Kühlwassers auf der äußeren Oberfläche auf 26 m³/h eingestellt wurde, während die Wassermenge auf die innere Oberfläche auf 250 m³/h (eine Menge, die die Innenseite des Rohrs vollständig mit Kühlwasser füllte) eingestellt wurde.
15 ist ein Diagramm, dass die Abkühlkurven veranschaulicht. Kurve A zeigt das Ergebnis des Beispiels, gemäß der vorliegenden Erfindung, während die Kurve B ein Ergebnis gemäß des herkömmlichen Verfahren ist. Während die maximale Kühlrate der Kurve A 31°C/s betrug, betrug die maximale Kühlrate auf die innere Oberfläche der Kurve B 60°C/s. Die Abkühlkurve A zeigt das Ergebnis des Anwendens des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, in welchem eine bevorzugte Abkühlrate erreicht wird. Darüber hinaus beträgt die Temperaturdifferenz zwischen den inneren und den äußeren Oberflächen des Stahlrohrs ungefähr 60°C maximal und es kann ersehen werden, dass das Abkühlen gleichförmig gemacht wurde, verglichen mit der Kurve B.
Als ein Ergebnis der numerischen Berechnung, basierend auf dem Ergebnis der Messung oder der Gleichung, wurde die Abkühlrate an der Mittelposition der Wanddicke in der Kurve A bestätigt, 26°C/s oder höher zu sein.
Identisches Abkühlen wurde auf jede der zehn Strahlrohre angewendet, in dem das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung und das herkömmliche Verfahren verwendet wurden. Folglich war, während drei Abrissrisse in dem herkömmlichen Beispiel gebildet wurden, keine Abschreckungsrissbildung in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ersichtlich.
Beispiel 2
Tabelle 2 zeigt eine chemische Zusammensetzung des Teststahlrohrs, dass für das Beispiel verwendet wurde. Der Stahl besitzt den Ms Punkt bei 290°C und den Mf Punkt bei 100°C. Dem gemäß ist "Ms Punkt +400°C" 690°C, "Ms Punkt –30°C" 260°C und die Mitteltemperatur, dass heißt (Ms Punkt + Mf Punkt)/2 195°C. Der martensitische Edelstahl für die chemische Zusammensetzung, die in der Figur gezeigt wird, wurde durch Schmelzen hergestellt, um ein martensitisches Edelstahlrohr mit einem Durchmesser von 151 mm, 5,5 mm Wanddicke und 15 m Länge durch ein gewöhnliches Mannesmann-Rohrherstellungsverfahren herzustellen.
Tabelle 3 zeigt Abkühlbedingungen zum Kühlen des Stahlrohr. Nach Hinausschneiden von Teststahlrohren, jeweils von 1 mm Länge aus dem zuvor beschriebenen Stahlrohr und Aufheizen bei 980°C, wurde Kühlen für alle 100 Testkurve unter jeder der Abkühlbedingungen angewendet. In Tabelle 3 ist der thermische Übertragungskoeffizient Ha in dem ersten Abkühlen von Test Nummer 1 – Test Nummer 3 (Beispiel der Ausführungsform [2]) der Wärmeübertragungskoeffizient beim Luftkühlen, und beträgt ungefähr 35 W/(m²*K) bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 40 bis 80 U/min.
Das Abkühlen wurde wie in 1(B) gezeigt, unter Verwendung eines Laminarstromabkühlgeräts durchgeführt, während das Stahlrohr durch eine Rotationsweise 4 mit einer Geschwindigkeit von 40 U/min und Zuführen von Wasser mit einer Stromrate von 0,5 m³/min pro 1 m des Stahlrohrs durch die Schlitzlaminardüse 3 zugeführt wurde. Der durchschnittliche Wärmeübertragungskoeffizient auf die äußere Oberfläche mit der Wassermenge betrug ungefähr 9000 W/(m²*K) bei der äußeren Oberflächentemperatur von 300°C, ungefähr 7000 W(m²*K) bei 350°C und ungefähr 5800 W/(m²*K) bei 400°C.
Das Kühlwasser 6 aus der unteren Sprühdüse wird zum Ausführen des zweiten Abkühlens in dem Kühlverfahren der Ausführungsform [3] verwendet. Für das zweite Abkühlen in dem Verfahren der Ausführungsform [2] und für erste Abkühlen und das dritte Abkühlen in dem Verfahren der Ausführungsform [3] wird der Laminarstrom 3 verwendet, aber das untere Sprühen wird nicht verwendet. Schalten zwischen dem ersten Abkühlen und dem zweiten Abkühlen wurde erreicht, indem das Laminarstromkühlen durch die Schließvorrichtung 7, die oberhalb des Rohrs angebracht war, unterbrochen wurde und gleichzeitig das untere Sprühen eingestellt wurde, während das Umschalten zwischen den zweiten Kühlen und dem dritten Kühlen durch die umgekehrten Verfahren erreicht wurde.
Darüber hinaus wurde in dem zuvor ausgeführten Abkühltest für das Stahlrohr die Temperatur auf der inneren Oberfläche während dem Abkühlen gemessen, indem ein Thermopaar auf der inneren Oberfläche abgebracht wurde. Die Temperatur auf der äußeren Oberfläche des Rohrs und die Abkühlrate auf der inneren Oberfläche wurden unter den individuellen Abkühlbedingungen durch das Verfahren der numerischen Analyse vorhergesagt, wodurch bestätigt wurde, dass dieses eine ausreichende Genauigkeit bezugnehmend auf das Ergebnis der Messung besaß.
In dem Fall des Ausführens von intensiven Kühlen während dem ersten Abkühlen wie in dem Verfahren der Ausführungsform [3] wurde die Änderungszeit von dem ersten Abkühlens zum zweiten Abkühlen (mildes Kühlen) als das Timing ermittelt bei welchen die äußere Oberflächentemperatur 350°C erreicht, und die Änderungszeit wurde basierend auf der vorhergesagten Temperaturänderung auf der äufleren Oberfläche bestimmt.
Darüber hinaus wurde das Umschalten zwischen den zweiten Abkühlen und dem dritten Abkühlen (intensives Abkühlen) auf die gleiche Weise ausgeführt, indem die äußere Oberflächentemperatur vorhergesagt wurde und jedes Experiment ausgeführt wurde, während Δ T variiert wurde. Darüber hinaus wurde für die Abkühlrate bestätigt, dass die vorhergesagte Abkühlrate geeignet ist, indem die Abkühlrate an der inneren Oberfläche gemessen wurde. Die in Tabelle 3 beschriebene Abkühlrate ist ein gemessener Wert, welcher ein Durchschnittswert in dem Temperaturbereich des dritten Abkühlens ist. In diesem Beispiel lag die Abkühlrate auf der inneren Oberfläche bei 8°C/s oder mehr, wie in Ausführungsform [2] und Ausführungsform [3].
Nach dem Abkühlen wurde das Stahlrohr visuell auf die Abwesenheit oder Anwesenheit von Abschreckungsrissbildung geprüft. Nachfolgend wurde bei 730°C getempert, um den Spannungs- und Korrosionswiderstand zu untersuchen. Die Zahl der Testproben, die Abschreckungsrissbildung verursachen, wird in Tabelle 3 gezeigt. Diese zeigt die Zahl der Proben, die Abschreckungsrissbildung in 100 Teststahlrohren bei jeder Abkühlbedingung verursachten.
Der Korrosionswiderstand wurde durch einen Vierpunktbiegetest mit einer Kerbe, die gleichzeitig den Nasskorrosionswiderstand gegenüber Kohlendioxid und den Korrosionswiderstand gegenüber Sulfidkorrosionsrissbildung bewerten kann, untersucht.
16(A) zeigt ein Vierpunktbiegetestwerkstück mit einer Kerbe und 16(B) zeigt einen Zustand des Vierpunktbiegetestwerkstücks mit einer Kerbe, das auf eine Vorrichtung zum Laden der Biegedeformierung montiert ist. Für die Biegedeformierung wird ein Bolzen in einer Vorrichtung verstärkt, um Biegespannung zu ergeben, so dass eine Spannung in dem Mittelteil des Vierpunktbiegetestwerkstücks 100 der nominalen Streckspannung für den martensitischen Edelstahl erreicht. Ein auf die Vorrichtung montiertes und beladenes Testwerkstück wurde in eine wässerige 5%-ige Natriumchloridlösung bei 25°C, die mit 30 atm Kohlendioxid, 0,05 atm Wasserstoffsulfid gesättigt war, eingetaucht, welches schließlich auf die Abwesenheit oder Anwesenheit von Rissbildung untersucht wurde.
Tabelle 4 zeigt das Ergebnis eines Zugtestes und eines Vierpunktbiegetestes mit einer Kerbe. In Tabelle 4 ergab sich, da Kühlen für Test Nr. 1 bis Test Nr. 13 als das Beispiel für die Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einer Abkühlrate auf der inneren Oberfläche von 8°C/s oder höher in einem Temperaturbereich durchgeführt wurde, von der Mitteltemperatur bis zum Mf-Punkt, keine Abschreckungsrissbildung, das Fließverhältnis war hoch und der Korrosionswiderstand war auch zufriedenstellend.
In dem Fall der Teststücke Nr. 14 und Nr. 15, als ein Beispiel der Anwendung des Vergleichsverfahrens, bei dem Kühlen durchgeführt wurde, während eine konstante Wassermenge während dem Kühlen zugeführt wurde, wurde andererseits Abschreckungsrissbildung verursacht. Darüber hinaus war in dem Kühlverfahren, bei dem die Kühlrate geringer als 8°C/s wie in Test Nr. 15 war, das Fließverhältnis gering und der Korrosionswiderstand war schlecht. In diesem Fall wurde auch Abschreckungsrissbildung verursacht.
In dem Beispiel der Anwendung des herkömmlichen Verfahrens, Test Nr. 16 und Test Nr. 17, wurde die Abschreckungsrissbildung nicht verursacht, aber das Fließverhältnis war gering und der Korrosionswiderstand war schlecht. In dem Beispiel, Test Nr. 18, in welchem Ölabschrecken, Eintauchen in das Öl angewandt wird, trat andererseits keine Abschreckungsrissbildung auf, aber das Fließverhältnis war schlecht, da die Abkühlrate geringer als 8°C/s war, um auch einen schlechten Korrosionswiderstand zu verursachen.
Industrielle Anwendbarkeit
In dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein hochfestes, martensitisches Edelstahlrohr mit herausragendem Korrosionswiderstand ohne hohen Gehalt an kostspieligen Legierungselementen mit hoher Produktivität hergestellt werden, ohne Abschreckungsrissbildung zu verursachen. Demgemäß ist es möglich, ein nützliches Material bei reduzierten Kosten für die Rohöl- und Naturgasindustrie bereitzustellen.
TABELLE 1
Numerischer Wert, angegeben mit dem Zeichen *, ist außerhalb der durch die "Ausführungsform 1" angegebenen Grenze.
TABELLE 2
TABELLE 3
TABELLE 4

Claims

Verfahren zum Abkühlen eines heissen Stahlrohrs zum Herstellen eines martensitischen Edelstahlrohrs, während das Rohr um dessen Achse herum rotiert wird, wobei man kühlendes Wasser auf die äußere Oberfläche des Stahlrohrs herunterfließen lässt oder aufsprüht und kühlendes Wasser durch die Innenseite des Rohrs führt, dadurch gekennzeichnet, dass das kühlende Wasser durch die Innenseite des Rohrs derart geführt wird, dass das kühlende Wasser das Rohr nicht vollständig füllt, die Abkühlrate der inneren Oberfläche des Rohrs im Wesentlichen gleich oder geringer als diejenige an der äußeren Oberfläche des Rohrs ist, die maximale Abkühlrate an dem inneren Ende der äußeren Oberflächen des Stahlrohrs auf 35°C/s oder geringer eingestellt wird, und die Abkühlrate auf 8°C/s oder höher in einem Temperaturbereich von "die Zentraltemperatur zwischen dem Ms-Punkt und dem Mf-Punkt" bis zu dem Mf-Punkt an der Position, bei welchem die Abkühlung minimal ist, eingestellt wird, wodurch das martensitische Edelstahlrohr abgekühlt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlwasser durch die Innenseite des Rohrs mit einem Benetzungswinkel auf der inneren Oberfläche des Rohrs bei höchstens gleich 220° geführt wird.
Verfahren zum Abkühlen eines heißen Stahlrohrs zum Herstellen eines martensitischen Edelstahlrohrs dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das erste Abkühlen, bestehend aus dem Anwenden von Luftkühlung bis die Temperatur der äußeren Oberfläche eines Stahlrohrs einen Temperaturbereich von "Ms-Punkt – 30°C" bis "die Zentraltemperatur zwischen Ms-Punkt und Mf-Punkt" erreicht, und das zweite Abkühlen, das aus einem nachfolgenden intensiven Abkühlen der äußeren Oberfläche besteht, bis ein Temperaturbereich erreicht wird, der geringer als der Mf-Punkt ist, unter der Bedingung, dass die Abkühlrate an der inneren Oberfläche 8°C/s oder höher beträgt, während das Stahlrohr um die Achse des Rohrs herum rotiert wird.
Verfahren zum Abkühlen eines heißen Stahlrohrs zum Herstellen eines martensitischen Edelstahlrohrs, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein erstes Abkühlen umfasst, das aus einem intensiven Kühlen der äußeren Oberfläche besteht, bis die Temperatur der äußeren Oberfläche des Stahlrohrs einen Temperaturbereich von "Ms-Punkt + 400°C" bis Ms-Punkt erreicht, ein zweites Abkühlen für die äußere Oberfläche mit einem durchschnittlichen Wärmetransferkoeffizienten auf die äußere Oberfläche von weniger als 1/2 von derjenigen bis zur Vervollständigung des ersten Abkühlens bis die Temperatur an der äußeren Oberfläche einen Temperaturbereich von Ms-Punkt bis "die Zentraltemperatur zwischen Ms-Punkt und Mf-Punkt" erreicht, und ein drittes Abkühlen, dass aus einem intensiven nachfolgenden Abkühlen der äußeren Oberfläche besteht, bis die äußere Oberflächentemperatur auf weniger als der Mf-Punkt abgekühlt ist, unter der Bedingung, dass die Abkühlrate an der inneren Oberfläche 8°C/s oder höher ist, während das Stahlrohr um die Achse des Rohrs herum rotiert wird.