DE69916717T2

DE69916717T2 - Verfahren für die herstellung geschweisster behälter, bestimmt zur verwendung in gegenwart von schwefelwasserstoff

Info

Publication number: DE69916717T2
Application number: DE69916717T
Authority: DE
Inventors: Pierre Bocquet; Philippe Mabelly; Philippe Bourges
Original assignee: Industeel France SAS
Current assignee: Industeel France SAS
Priority date: 1998-07-21
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: FR2781506A1; EP0974678B1; ATE265553T1; EP0974678A1; CA2278407A1; ES2220020T3; JP2000054026A; KR20000011781A; FR2781506B1; US6322642B1; DE69916717D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung geschmiedeter Behälter, die dazu bestimmt sind, unter Druck bei Spannungsrissbildungsgefahr begünstigenden Verhältnissen aufgrund von H₂S-Belastung zu arbeiten.
In der petrochemischen Industrie werden geschmiedete Behälter zur Behandlung von Gasen mit hohen H₂S-Gehalten eingesetzt. Diese Behälter, die unter Druck arbeiten und entzündliche Gase enthalten, bringen bedeutende sicherheitstechnische Probleme mit sich, die durch Anwendung von Konstruktionsregeln gelöst werden, die in verschiedenen Konstruktionsnormen und -codes wie insbesondere der Norm NACE MR 0175-97 und den ASME-Codes festgelegt sind. H₂S kann insbesondere bei Anwesenheit von Feuchtigkeit zum Bruch durch Spannungsrisskorrosion führen, wobei die NACE-Norm die Partialdruckverhältnisse von H₂S definiert, bei denen besondere Konstruktionsregeln zu beachten sind, um die Sicherheit der Anlagen zu gewährleisten. Diese Konstruktionsregeln sind ebenfalls genormt und von den Konstrukteuren einzuhalten.
Die Norm NACE MR 0175-97 schreibt allgemein vor, dass die Werkstoffe bei Rissprüfungen in Anwesenheit von Wasserstoff gemäß der Norm NACE TM 0177-90 zufriedenstellende Ergebnisse liefern müssen und gibt ganz allgemein die Werkstoffe an, die sich diesbezüglich als zufriedenstellend erweisen können. Für geschmiedete Behälter können theoretisch Kohlenstoff- oder schwach legierte Stähle im normalen wie auch vergüteten Zustand verwendet werden, vorausgesetzt, dass diese weniger als 1 % Nickel enthalten und eine Härte von kleiner oder gleich 22 HRC haben. Wurden die Behälter oder deren Bauteile spannungsarm geglüht, muss dieses Spannungsarmglühen bei über 595°C durchgeführt worden sein. Nach erfolgtem Zusammenschweißen der Bauteile müssen die Behälter zudem einer Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb 620°C unterworfen werden, um eine Härte von kleiner oder gleich 22 HRC in allen Punkten zu erhalten.
Druckbehälter, die aufgrund der Anwesenheit von H₂S unter Spannungsrissbildungsgefahr begünstigenden Bedingungen arbeiten, werden aus normalgeglühten Kohlenstoff- oder Manganstählen mit einer Zugfestigkeit Rm von höchstens 485 MPa hergestellt. Dadurch ergeben sich hohe Wanddicken und folglich hohe Gewichte für die so gebauten Anlagen. Das hohe Gewicht ist insbesondere für solche Anlagen ein Hindernis, die auf Seeplattformen installiert sind.
Zur Verbesserung der garantierten mechanischen Eigenschaften wurde vorgeschlagen, Kohlenstoff- und Manganstähle im vergüteten Zustand einzusetzen. Allerdings sind diese Stähle nicht in der Lage, eine Zugfestigkeit größer als 500 MPa und eine Elastizitätsgrenze größer als 400 MPa zu garantieren. Zudem können diese Eigenschaften nur bei Wanddicken von bis zu etwa 80 mm garantiert werden.
Es können auch kohlenstoffarme, mit Vanadium oder Niob mikrolegierte Stähle verwendet werden, die durch kontrolliertes Walzen hergestellt werden. Mit diesen Stählen kann man eine garantierte Zugfestigkeit von etwa 550 MPa und eine garantierte Elastizitätsgrenze von etwa 450 MPa erzielen. Sie sind allerdings einerseits für die Herstellung warmumgeformter Bauteile unbrauchbar und andererseits nur für Wanddicken kleiner als 40 mm geeignet.
Es gibt zwar niedrig legierte Kesselbaustähle im vergüteten Zustand, mit denen man höhere Festigkeitswerte erzielen kann, die aber die von der NACE-Norm auferlegten Bedingungen nicht erfüllen. Außerdem erfordern sie Vorsichtsmaßnahmen beim Schweißen, die auf Baustellen nicht immer leicht einzuhalten sind, insbesondere dann, wenn Reparaturarbeiten durchgeführt werden. In GB 1 542 503 ist zum Beispiel ein Stahl für die Herstellung von Öl- oder Gasförderungseinrichtungen beschrieben, der eine hohe mechanische Festigkeit, eine gute Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen und eine gute Schweißbarkeit aufweist. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Schweißnähte erfüllen jedoch nicht die von der NACE-Norm auferlegten Bedingungen. JP 5-171343 beschreibt ebenfalls einen Stahl für die Herstellung von Druckbehältern für Hochtemperatureinsätze, jedoch ohne Verweis auf die Anforderungen der NACE-Norm und ohne Angabe besonderer Schweißbedingungen. Der Einsatz dieser Stähle für die hier in Betracht gezogene Anwendungsart kann zu Fehlern in den Schweißverbindungen und somit zu folgenschweren Vorfällen führen.
Genauer gesagt müssen zur Herstellung sicherer geschmiedeter Behälter geeignete Schweißbedingungen gewählt werden, die insbesondere durch eine minimale Vorwärmtemperatur und eine minimale Schweißleistung je Längeneinheit gekennzeichnet sind. Diese Schweißbedingungen können wiedergegeben werden als die Abkühlzeit der Schweißnaht oder der schweißwärmebeeinflussten Zone von 800°C auf 500°C (wie dies in der Norm NF A 36-000 definiert ist). Um das Härtekriterium von max. 22 HRC zu erfüllen, stellten die Erfinder fest, dass diese Abkühlzeit größer sein muss als ein kritischer Wert, den sie "trc 800/500" nannten (er wird weiter unten näher definiert) und der von dem eingesetzten Stahl und den in den Baucodes festgelegten Spannungen abhängt. Je höher dieser Wert, desto schwieriger ist es, die Schweißung zuverlässig durchzuführen. Die im Kesselbau eingesetzten Vergütungsstähle haben einen trc 800/500 (kritische Abkühlzeit von 800°C auf 500°C) von über 10 s, was zu hoch ist, um diese Stähle unter zufriedenstellenden Bedingungen für die Herstellung schwefelwasserstoffbeständiger Druckbehälter verwenden zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und ein Mittel zur Herstellung geschmiedeter Behälter für den Einsatz unter H₂S-Belastung vorzuschlagen, die leichter als die bekannten Behälter und dabei genauso sicher sind.
Dazu betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Behälters, der dazu bestimmt ist, unter Druck zu arbeiten bei Temperaturen zwischen –40°C und 200°C und bei Spannungsrissbildungsgefahr begünstigenden Verhältnissen aufgrund von H₂S-Belastung, so wie sie in der Norm NACE MR 0175-97 definiert sind, Verfahren, bei dem:

– Bauteile des geschmiedeten Behälters aus Stahl mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% hergestellt werden: 0,03% ≤ C ≤ 0,15% 0% ≤ Si ≤ 0,5% 0,4% ≤ Mn ≤ 2,5% 0,5% ≤ Ni ≤ 3% 0% ≤ Cr ≤ 1% 0% ≤ Mo ≤ 0,5% 0% ≤ Al ≤ 0,07% 0% ≤ Ti ≤ 0,04% mit vorzugsweise Al + Ti ≥ 0,01% 0% ≤ B < 0,004% 0% ≤ V ≤ 0,02% 0% ≤ Nb ≤ 0,05% Cu ≤ 1% S ≤ 0,015% P ≤ 0,03% Rest Eisen und Verunreinigungen aus der Herstellung, wobei die chemische Zusammensetzung so ist, dass CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 < 0,35 und trc 800/500 weniger als 10 s beträgt und die Teile nach oder vor ihrer Formgebung abgeschreckt und angelassen werden, um ein martensitisches oder martensitisch-bainitisches Gefüge mit weniger als 10% Ferrit und vorzugsweise ohne Ferrit zu erhalten, wobei das Anlassen vorzugsweise bei einer Temperatur T_R unterhalb 680°C erfolgt,
– nach erfolgter Formgebung der Bauteile gegebenenfalls eine Spannungsarmglühung bei einer Temperatur größer oder gleich 595°C durchgeführt wird,
– die Bauteile des geschmiedeten Behälters mit einer solchen Schweißleistung und unter solchen Vorwärmbedingungen verschweißt werden, dass die Abkühlzeit tr 800/500 der schweißwärmebeeinflussten Zone von 800°C auf 500°C größer oder gleich 5 Sekunden ist,
– und nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur T_PS oberhalb 595°C und unterhalb 680°C und vorzugsweise unterhalb 650°C durchgeführt wird, wobei der Stahl dann eine Zugfestigkeit größer oder gleich 550 MPa, eine Elastizitätsgrenze größer oder gleich 450 MPa, eine Dehnung A größer als 17% und eine Schlagzähigkeit KCV bei –40°C größer als 40 Joule hat und der Härtegrad in allen Punkten der Behälteroberfläche kleiner als 248 HV ist.

Vorzugsweise ist die chemische Zusammensetzung des Stahls so, dass Nb + V ≤ 0,02%; ebenfalls vorzugsweise ist sie so, dass:
0,04% ≤ C ≤ 0,09%
Cr ≤ 0,6%
0,2% ≤ Mo ≤ 0,5%.
Die Erfindung betrifft auch einen geschmiedeten Behälter, der dazu bestimmt ist, unter Druck zu arbeiten bei Temperaturen zwischen –40°C und 200°C und bei Spannungsrissbildungsgefahr begünstigenden Verhältnissen aufgrund von H₂S-Belastung, so wie sie in der Norm NACE MR 0175-97 definiert sind. Dieser geschmiedete Behälter besteht aus einem Stahl folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-%:
0,03% ≤ C ≤ 0,15%
0% ≤ Si ≤ 0,5%
0,4% ≤ Mn ≤ 2,5%
0,5% ≤ Ni ≤ 3 %
0% ≤ Cr ≤ 1%
0% ≤ Mo ≤ 0,5%
0% ≤ Al ≤ 0,07%
0% ≤ Ti ≤ 0,04%
mit vorzugsweise Al + Ti ≥ 0,01%
0% ≤ B < 0,004%
0% ≤ V ≤ 0,02%
0% ≤ Nb ≤ 0,05%
Cu ≤ 1%
S ≤ 0,015%
P ≤ 0,03%
Rest Eisen und Verunreinigungen aus der Herstellung, wobei die chemische Zusammensetzung so ist, dass CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 < 0,35 und trc 800/500 weniger als 10 s beträgt. Der Stahl hat ein martensitisches oder martensitisch-bainitisches Gefüge mit weniger als 10% Ferrit und vorzugsweise ohne Ferrit, eine Zugfestigkeit Rm größer oder gleich 550 MPa, eine Elastizitätsgrenze größer oder gleich 450 MPa, eine Dehnung A größer als 17% und eine Schlagzähigkeit KCV bei –40°C größer als 40 Joule. Zudem ist der Härtegrad in allen Punkten der Behälteroberfläche kleiner als 248 HV.
Vorzugsweise ist die Zusammensetzung des Stahls so, dass Nb + V ≤ 0,02%. Ebenfalls vorzugsweise ist sie so, dass:
0,04% ≤ C ≤ 0,09%
Cr ≤ 0,6%
0,2 ≤ Mo ≤ 0,5%.
Die Wandstärke des geschmiedeten Behälters kann 50 bis 300 mm betragen.
Die Erfindung wird nun näher beschrieben und anhand von Beispielen erläutert.
Zur Herstellung eines geschmiedeten Behälters, der dazu bestimmt ist, unter Druck zu arbeiten bei Temperaturen zwischen –40°C und 200°C und bei Spannungsrissbildungsgefahr begünstigenden Verhältnissen aufgrund von H₂S-Belastung, so wie sie in der Norm NACE MR 0175-97 definiert sind, wird ein Stahl mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% verwendet:

– 0,03% bis 0,15% und vorzugsweise weniger als 0,09% Kohlenstoff, um eine ausreichende Zugfestigkeit zu erhalten und gleichzeitig eine Nahthärte von weniger als 248 HV nach der Wärmebehandlung im Anschluss an das Schweißen zu erzielen,
– 0% bis 0,5% Silizium zum Desoxidieren,
– 0,4 bis 2,5% Mangan, um eine ausreichende Zugfestigkeit zu erhalten und gleichzeitig eine Entfestigung der schweißwärmebeeinflussten Zonen zu ermöglichen und die Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen der bainitischen Gefüge zu verbessern, wenn der Stahl solche aufweist,
– 0,5% bis 3% Nickel, um die Abschreckbarkeit zu verbessern, was zur Erzielung der gewünschten mechanischen Eigenschaften bei starken Wanddicken notwendig ist und gleichzeitig eine Entfestigung der schweißwärmebeeinflussten Zonen ermöglicht und die Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen der bainitischen Gefüge verbessert, wenn der Stahl solche aufweist,
– weniger als 1% und vorzugsweise weniger als 0,6% Chrom; dieses Element ist günstig für die Erzielung guter mechanischer Eigenschaften nach dem Anlassen, beeinträchtigt jedoch die Erzielung einer Nahthärte von weniger als 248 HV,
– weniger als 0,5% Molybdän aus den gleichen Gründen wie Chrom, aber vorzugsweise mehr als 0,2% zur leichteren Erzielung der mechanischen Eigenschaften nach starkem Anlassen,
– eventuell bis zu 0,02% Vanadium und bis zu 0,05% Niob, wobei vorzugsweise die Summe der Vanadium- und Niobgehalte höchstens 0,02 betragen sollte; diese Elemente sind geeignet, die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, sie beeinträchtigen allerdings die Erzielung einer Nahthärte von weniger als 248 HV,
– weniger als 1% Kupfer, wobei es sich bei diesem Element normalerweise um eine durch die Rohstoffe eingetragene Verunreinigung handelt; Kupfer kann auch beigemischt werden, um die Zugfestigkeit durch einen Aushärtungseffekt in Anwesenheit von Nickel zu erhöhen; zu viel Kupfer erschwert allerdings die Warmumformung,
– 0% bis 0,7% Aluminium zum Desoxidieren und um den zumindest als Herstellungsrückstand immer noch vorhandenen Stickstoff abzubinden,
– eventuell bis zu 0,04% Titan zum Abbinden des Stickstoffs,
– vorzugsweise ist dabei die Summe der Aluminium- und Titangehalte größer als 0,01%, insbesondere um die Korngröße zu kontrollieren,
– eventuell bis zu 0,004% Bor, um die Abschreckbarkeit zu erhöhen, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Diese Verunreinigungen sind insbesondere Schwefel und Phosphor, deren Gehalte höchstens 0,015% zur Verbesserung der Schwefelwasserstoffbeständigkeit bzw. höchstens 0,03% betragen sollten, um die Empfindlichkeit des Stahls gegenüber der reversiblen Anlasssprödigkeit zu reduzieren.

Zur Erzielung einer guten Schweißbarkeit ist die chemische Zusammensetzung so, dass CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 × 0,35(in diesem Ausdruck stellen C, Mn, usw. die Gehalte in% der entsprechenden Elemente dar).
Dieser Stahl wird auch deshalb gewählt, damit die kritische Abkühlzeit trc 800/500 weniger als 10 s beträgt.
Die kritische Abkühlzeit wird mit einer Reihe von B. O. P-Versuchen (Bead On Plate) ermittelt, bei denen die Nahthärte an einer Probe von 20 mm Wanddicke gemessen wird, auf der mit dem Unterpulverschweißverfahren eine Schweißnaht realisiert wurde, die nach dem Schweißen einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird, die in einem Temperaturhalten bei 620°C während 4 Stunden besteht, wobei vor dem Temperaturhalten ein Erwärmen und nach dem Temperaturhalten eine Abkühlung erfolgt, die beide bei einer Geschwindigkeit kleiner als 50°C/Stunde durchgeführt werden. Zur Bestimmung von trc 800/500 wird die Schweißleistung in einem Bereich von 1 kJ/mm bis 3 kJ/mm verändert, wodurch sich die Abkühlzeit tr 800/500 in einem Bereich von 4 s bis 20 s verändert, dann die Kurve aufgetragen, die die Nahthärte in Abhängigkeit von der Abkühlzeit tr 800/500 angibt, und die Abkühlzeit tr 800/500 bestimmt, bei der die Nahthärte 248 HV beträgt; diese Zeit ist die kritische Abkühlzeit trc 800/500. Die Nahthärte wird gemäß der französischen Norm NF A 81-460 gemessen.
Zu beachten ist, dass die NACE-Norm auf eine Nahthärte < 22 HRC Bezug nimmt. Allerdings ist die HRC-Härteprüfung oft schwer durchzuführen und außerdem wird dabei aufgrund ihres Prinzips ein lokaler Mittelwert berechnet. Es ist besser und einfacher, eine Härteprüfung nach Vickers durchzuführen, wobei aufgrund der Beziehung zwischen Vickershärte und Rockwell-C-Härte durch Gewährleistung einer Vickershärte kleiner oder gleich 248 HV eine Rockwell-C-Härte kleiner als 22 HRC gewährleistet wird.
Mit diesem zu Brammen oder Barren gegossenen Stahl werden Bauteile für geschmiedete Behälter hergestellt. Bei diesen Bauteilen kann es sich um Behältermäntel handeln, die entweder durch Schmieden oder durch Blechummantelung erhalten werden; es können auch kugelkalottenförmige Behälterböden sein, die durch Schmieden oder Tiefziehen runder Platinen erzeugt werden. Diese Bauteile, deren Wände eine Dicke von 50 bis 300 mm haben können, werden warm oder kalt umgeformt, einer thermischen Vergütungsbehandlung unterworfen und zusammengeschweißt. Der so erhaltene Behälter wird schließlich nach dem Schweißen einer thermischen Nachbehandlung ausgesetzt. Die gesamte Wärmebehandlung ist so ausgelegt, dass der Stahl ein martensitisches oder martensitisch-bainitisches Gefüge mit weniger als 10% Ferrit und vorzugsweise ohne Ferrit hat und damit:

– die Zugfestigkeit Rm des Stahls größer oder gleich 550 MPa ist,
– die Elastizitätsgrenze Re des Stahls größer oder gleich 450 MPa ist,
– die Dehnung A des Stahls größer oder gleich 17% ist,
– die Schlagzähigkeit KCV des Stahls bei –40°C größer oder gleich 40 Joule ist (Mittelwert von 3 Versuchen),
– und der Härtegrad in allen Punkten der Behälteroberfläche kleiner als 248 HV ist.

Das Abschrecken erfolgt nach Erwärmung oberhalb des AC₃-Punktes des Stahls durch Abkühlung mit Wasser, Öl, Gebläseluft oder Luft je nach der Dicke des Bauteils.
Die Wärmebehandlung umfasst mindestens eine Anlassbehandlung, die nach dem Abschrecken bei einer Temperatur durchgeführt wird, die in der Regel oberhalb 550°C und vorzugsweise unterhalb 680°C liegt. Wird die Anlassbehandlung bei einer Temperatur oberhalb 680°C durchgeführt, so entspricht dies einer "interkritischen" Behandlung. In diesem Fall kann es notwendig sein, die Abkühlung wie nach einem Abschrecken zu kontrollieren.
Die Nachbehandlung nach dem Schweißen ist eine Anlassbehandlung bei einer Temperatur oberhalb 595°C und vorzugsweise oberhalb 620°C, aber unterhalb 680°C.
Je nach Art der Bauteile und Herstellungsweise kann die Abschreck- und Anlassbehandlung vor oder nach der Umformung erfolgen, wobei die Anlassbehandlung lediglich dazu dienen kann, die Umformung zu erleichtern oder im Gegensatz dem Stahl seine definitiven Eigenschaften zu verleihen. Im ersten Fall erhält der Stahl seine definitiven Eigenschaften durch die Nachbehandlung nach dem Schweißen, wobei die Temperatur der vorher erfolgenden Anlassbehandlung geringer ist als die Temperatur der nach dem Schweißen erfolgenden Nachbehandlung. Im zweiten Fall dient die Nachbehandlung nach dem Schweißen im Wesentlichen dazu, den Behälter spannungsfrei zu machen und die schweißwärmebeeinflussten Zonen zu enthärten; sie muss dann bei einer geringeren Temperatur als die Anlasstemperatur durchgeführt werden.
Um zufriedenstellende Schweißverbindungen zu erhalten, beispielsweise mit Hilfe des SAW-Verfahrens (Submerged Arc Welding Unterpulverschweißen) unter Verwendung von Zusatzwerkstoffen mit geringem Gehalt an Wasserstoff (< 5 ml/100 g), wird auf eine Temperatur von 125°C erwärmt und eine Schweißleistung im Bereich von 1 kJ/mm und 5 kJ/mm gewählt, so dass in der Abkühlphase der Schweißnaht die Abkühlzeit von 800°C auf 500°C größer oder gleich 5 s ist. Diese Parameter können je nach Dicke der zu schweißenden Wand und den besonderen Schweißbedingungen bestimmt werden, beispielsweise mit Hilfe der in der Norm NF A 36.000 definierten Methode.
Die Temperatur T_PS der nach dem Schweißen erfolgenden Nachbehandlung, mit der eine Nahthärte kleiner als 248 HC (bzw. 22 HRC) erzielt werden kann, hängt zum Teil vom Parameter tr 800/500 ab; deshalb ist es besser, die Schweiß- und Nachbehandlungsbedingungen gleichzeitig zu bestimmen, was sich mit einigen B. O. P-Prüfungen an Proben bewerkstelligen lässt.
Es können beispielsweise Stähle mit folgenden chemischen Zusammensetzungen (in Gew.-%) eingesetzt werden:
Diese Stähle können abgeschreckt und dann wieder auf 665°C erwärmt werden, um ein martensitisch-bainitisches Gefüge ohne Ferrit mit einer Härte von 195 bis 210 HV zu erhalten. Diese Stähle haben eine kritische Abkühlzeit trc 800/500 von weniger als 10 s, wie dies aus den nachfolgenden Ergebnissen hervorgeht, die mit der weiter oben beschriebenen Methode erzielt wurden.
Diese Ergebnisse führen zu kritischen Abkühlzeiten trc 800/500 von 8 s für A, weniger als 4 s für B und C, 6 s für D und 5 s für E. Die erzielten Härten auf dem Basismetall entsprechen einer Zugfestigkeit von 580 bis 640 MPa.
Ebenfalls beispielhaft kann auch ein Stahl mit folgender Zusammensetzung eingesetzt werden:
Dieser Stahl hat eine kritische Abkühlzeit trc 800/500 von weniger als 4 s.
Mit diesem Stahl wurde ein Druckbehälter hergestellt, bestehend aus 95 mm dicken abgeschreckten und auf 550°C erwärmten Blechen mit einem ferritfreien martensitisch-bainitischen Gefüge, deren mechanischen Eigenschaften, gemessen auf einem Viertel der Dicke in Längs-Querrichtung, folgende waren:

– Elastizitätsgrenze Rp_0,2 = 495 MPa
– Festigkeit Rm = 555 MPa
– Dehnung A% = 29%
– Striktion Z% = 79%
– Charpy V-Schlagzähigkeit (Mittelwert von drei Prüfungen): KCV bei –20°C > 286 J KCV bei –40°C > 263 J.

Die Bleche wurden mit dem UP-Verfahren mit einem Draht vom Typ E 9018 G X-Naht-geschweißt, und zwar in der Schweißposition 3G mit einer durchschnittlichen Schweißleistung von 2,6 J/mm, einer Erwärmungstemperatur von 75°C und einer Temperatur zwischen den Schweißgängen von 100°C. Nach dem Schweißen wurde der Behälter einer Spannungsfreiglühbehandlung unterworfen, bei der er bei einer Geschwindigkeit von 50°C/h bis auf 610°C erwärmt wurde, auf dieser Temperatur während 6 Stunden gehalten wurde und dann bei Höchstgeschwindigkeit von 50°C/h bis auf Raumtemperatur abgekühlt wurde.
Es wurden die mechanischen Eigenschaften im Bereich der Schweißverbindungen gemessen und dabei folgende Ergebnisse erzielt:

– Zugversuch quer zur Schweißverbindung bei Raumtemperatur: Rm 584 MPa mit Bruch im Basismetall,
– Zugversuch im aufgetragenen Schweißmetall in Längsrichtung bei Raumtemperatur: Rp_0,2 = 591 MPa; Rm = 667 MPa; A = 24%,
– Charpy V-Schlagzähigkeit bei –40°C: im aufgetragenen Schweißmetall = 66 J in der Wärmeeinflusszone = 257 J
– Härte HV 10, quer zur Schweißverbindung auf einem Viertel der Dicke gemessen: Basismetall = 181 bis 192 HV Wärmeeinflusszone = 216 bis 221 HV Schweißmetall = 228 bis 242 HV

Darüber hinaus wurden an diesem Metall NACE-Versuche nach der Norm NACE TM 0177 durchgeführt, die zu zufriedenstellenden Ergebnissen führten.
Mit einem Stahl älterer Technik hätte der Druckbehälter mit 106 mm dicken Blechen gebaut werden müssen. Es ergibt sich somit eine Gewichtseinsparung von 12%.
Als Gegenbeispiel ist ein vergüteter Stahl bekannt, mit dem auf Blechen in etwa die gleichen Zugfestigkeitseigenschaften wie oben angegeben erzielt werden können und der folgende chemische Zusammensetzung aufweist:
Dieser Stahl weist jedoch den Nachteil auf, dass er eine sehr hohe kritische Abkühlzeit trc 800/500 hat, da die Nahthärte bei einer Abkühlzeit von 10,4 s nach einer nach dem Schweißen durchgeführten Nachbehandlung 262 HV beträgt, was bedeutet, dass die in der NACE-Norm definierten Bedingungen nicht erfüllt werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Behälters, der dazu bestimmt ist unter Druck, zwischen –40°C und 200°C, bei Rißbildungsgefahr begünstigenden Verhältnissen unter H₂S-Belastung, wie sie in der Norm NACE MR 0175-97 definiert sind, zu arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß – man Teile des geschmiedeten Behälters, aus Stahl, mit folgender chemischen Zusammensetzung, in Gewichtsprozenten, herstellt 0,03% ≤ C ≤ 0,15% 0% ≤ Si ≤ 0,5% 0,4% ≤ Mn ≤ 2,5% 0,5% ≤ Ni ≤ 3% 0% ≤ Cr ≤ 1% 0% ≤ Mo ≤ 0,5% 0% ≤ Al ≤ 0,07% 0% ≤ Ti ≤ 0,04% 0% ≤ B ≤ 0,004% 0% ≤ V ≤ 0,02% 0% ≤ Nb ≤ 0,05% Cu ≤ 1% S ≤ 0,015% P ≤ 0,03% wobei der Rest aus Eisen und aus Verunreinigungen, die von der Stahlerzeugung herrühren, besteht, die chemische Zusammensetzung derart ist, daßCET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 < 0,35, und trc 800/500 weniger als 10 s beträgt, daß die Teile nach oder vor ihrer Formgebung gehärtet und angelassen werden, um eine martensitische oder martensitisch-bainitische Struktur mit weniger als 10% Ferrit zu erhalten, trc 800/500 die Kühlzeit, zwischen 800°C und 500°C, einer Schweißnaht ist, die nach den Modalitäten eines B. O. P.-Versuchs (Bead On Plate) ausgeführt wird, und zu einer Nahthärte, von 248 HV, gemessen entsprechend der Norm NF A 81-460, führt, – nach der Formgebung der Teile führt man gegebenenfalls eine Entspannungsglühung bei einer Temperatur größer oder gleich 595°C durch, – man verschweißt die Teile des geschmiedeten Behälters mit einer solchen Schweißleistung und mit solchen Vorwärmebedingungen, daß die Kühlzeit trc 800/500, zwischen 800°C und 500°C, der Wärmeeinflußzone größer oder gleich 5 Sekunden ist, – und man führt eine thermische Nachbehandlung der Schweißung, bei einer Temperatur T_PS größer als 595°C und kleiner als 680°C durch, wobei dann der Stahl eine Zugfestigkeit größer oder gleich 550 Mpa, eine Elastizitätsgrenze größer oder gleich 450 MPa, eine Dehnung A% größer als 17% und eine Schlagzähigkeit KCV, bei –40°C, grösser als 40 Joule hat, und der Härtegrad in allen Punkten der Behälteroberfläche kleiner als 248 HV ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung des Stahls derart ist, daß Nb + V ≤ 0,02%.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung des Stahls derart ist, daß: 0,04% ≤ C ≤ 0,09% Cr ≤ 0,6% 0,2 ≤ Mo ≤ 0,5%.
Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung des Stahls derart ist, daß Al + Ti ≥ 0,01%.
Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßtemperatur T_R kleiner als 680°C ist.
Geschmiedeter Behälter, der dazu bestimmt ist unter Druck, zwischen –40°C und 200°C, bei Rißbildungsgefahr begünstigenden Verhältnissen unter H₂S-Belastung, wie sie in der Norm NACE MR 0175-97 definiert sind, zu arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß – der Behälter aus einem Stahl mit folgender chemischen Zusammensetzung, in Gewichtsprozenten, besteht 0,03% ≤ C ≤ 0,15% 0% ≤ Si ≤ 0,5% 0,4% ≤ Mn ≤ 2,5% 0,5% ≤ Ni ≤ 3% 0% ≤ Cr ≤ 1% 0% ≤ Mo ≤ 0,5% 0% ≤ Al ≤ 0,07% 0% ≤ Ti ≤ 0,04% 0% ≤ B < 0,004% 0% ≤ V ≤ 0,02% 0% ≤ Nb ≤ 0,05% Cu ≤ 1% S ≤ 0,015% P ≤ 0,03% wobei der Rest aus Eisen und aus Verunreinigungen, die von der Stahlerzeugung herrühren, besteht, die chemische Zusammensetzung derart ist, daß CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 < 0,35 und daß trc 800/500 weniger als 10 s beträgt, – der Stahl eine martensitische oder martensitisch-bainitische Struktur, mit einem Ferritgehalt von weniger als 10%, hat. – die Zugfestigkeit Rm des Stahls größer oder gleich 550 Mpa ist, – die Elastizitätsgrenze Re des Stahls größer oder gleich 450 MPa ist, – die Dehnung A% des Stahls größer oder gleich 17% ist, – die Schlagzähigkeit KCV des Stahls, bei –40°C, grösser oder gleich 40 Joule ist, – und der Härtegrad in allen Punkten der Behälteroberfläche kleiner als 248 HV ist.
Geschmiedeter Behälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung des Stahls derart ist, daß Nb + V ≤ 0,02%.
Geschmiedeter Behälter nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung des Stahls derart ist, daß: 0,04% ≤ C ≤ 0,09% Cr ≤ 0,6% 0,2 ≤ Mo ≤ 0,5%.
Geschmiedeter Behälter nach irgend einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung des Stahls derart ist, daß: Al + Ti ≥ 0,01%.
Geschmiedeter Behälter nach irgend einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß seine Wandstärke zwischen 50 mm und 300 mm liegt.