EP0234200B1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Wärmebehandlung von längsnahtgeschweissten Rohren - Google Patents

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EP0234200B1 EP87100199A EP87100199A EP0234200B1 EP 0234200 B1 EP0234200 B1 EP 0234200B1 EP 87100199 A EP87100199 A EP 87100199A EP 87100199 A EP87100199 A EP 87100199A EP 0234200 B1 EP0234200 B1 EP 0234200B1
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a method for increasing the corrosion resistance of longitudinally welded pipes and an apparatus for performing the method.
  • Stainless steel tubes e.g. for steam condensers, are subjected to heat treatment after longitudinal seam welding to reduce stresses and to reduce segregations that occur as a result of the welding process. This results e.g. from an article by K. Schleithoff, F, Schmitz: "Condenser tubes made of stainless steels - operating experience and material development" in "VGB Kraftmaschinestechnik 61", Issue 9, p. 730, Sept. 1981.
  • the heat treatment is usually carried out in continuous annealing furnaces under protective gas at temperatures of 950 ° C to 1100 ° C depending on the material and a holding time of a few minutes. Other annealing processes are also used.
  • This object is achieved by a method for increasing the corrosion resistance by compensating for chrome and / or molybdenum segregation of a longitudinally welded tube made of austenitic or austenitic-ferritic stainless steel, the tube being heat-treated after welding the longitudinal seam in a pass under an annealing section and partial solution annealing in the area of the entire weld seam and the heat affected zone at a temperature greater than 1100 ° C. for more than 5 seconds, while the rest of the area is heat treated at a lower temperature.
  • the essential idea of the invention is to carry out only a partial solution annealing of the weld seam and the heat affected zone.
  • This annealing can be carried out inside or outside the welding section.
  • temperatures can even be set above 1200 ° C or even 1300 ° C in the weld seam area and the heat affected zone, which leads to an optimized solution annealing and a better balance of the chromium - or lead to molybdenum segregation.
  • the remaining pipe wall temperature of the rest can be carried out only a partial solution annealing of the weld seam and the heat affected zone.
  • the ranges are set so low that problem-free processing in the welding, processing and annealing and deformation sections is possible, but a reduction in the stresses introduced by the manufacturing process is achieved. Because the majority of the tube does not have to be brought to the maximum annealing temperature, the stability of the tube is maintained and undesirable deformations under the influence of gravity or of the transport devices cannot occur.
  • the proposed annealing treatment basically offers the possibility of both the temperature and the holding time compared to conventional ones process significantly. It is also possible to manufacture testable thin-walled tubes.
  • the desired selective annealing can be achieved by partial heating and partial cooling. Depending on the desired holding time, partial heating may be sufficient, but it can be supplemented at any time by cooling the areas of the pipe that are not to be annealed, as long as the remaining pipe would be heated too much by heat conduction or radiation.
  • Various methods can be used for the partial heating, for example using infrared radiators, lasers or correspondingly guided electrical currents which are induced in the tube.
  • the cross section shown in FIG. 1 through a longitudinally welded tube 1 illustrates the areas of the tube which are essential for the invention.
  • the individual zones are not shown to scale.
  • the weld seam 2 is generally located on the top of the tube 1 during manufacture. It is surrounded by a heat-affected zone 3, in which the welding process has left changes and inhomogeneities.
  • the rest of the tube consists of unchanged base material, but it makes sense to include an area 4 outside of the heat affected zone 3 during a heat treatment for safety reasons, since the exact extent of the heat affected zone 3 is not always known.
  • the tube 1 to be annealed should preferably be kept under protective gas during the annealing in order to avoid subsequent pickling.
  • the tube 1 to be annealed is located inside a quartz glass tube 5, the space 9 between the two being filled with protective gas.
  • One or more infrared emitters 6 are arranged above the quartz glass tube 5 and provided with focusing reflectors 8 in a housing 7.
  • the focusing reflectors can, for example, have a parabolic cross section, in the focal point or focal line of which there are infrared radiators.
  • there are also other focusing elements e.g. infrared transparent lens systems u. Like., applicable.
  • the infrared rays are focused in such a way that they irradiate and heat up the desired area 4 of the tube 1 to be partially annealed.
  • the desired partial annealing can be carried out over almost any holding times, although annealing in a continuous process under a corresponding annealing section is preferable.
  • the present invention enables the use of steels with, for example, a lower molybdenum content for longitudinally welded corrosion-resistant pipes and also enables the production of thin-walled pipes with a wall thickness of e.g. 0.3 to 0.5 mm.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der korrosionsbeständigkeit von längsnahtgeschweißten Rohren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Rohre aus nichtrostenden Stählen, z.B. für Wasserdampf-Kondensatoren, werden nach dem Längsnahtschweißen zur Reduzierung von Spannungen und zur Minderung von Seigerungen, die durch den Schweißprozeß auftreten, einer Wärmebehandlung unterzogen. Dies ergibt sich z.B. aus einem Artikel von K. Schleithoff, F, Schmitz: "Kondensatorrohre aus nichtrostenden Stählen - Betriebserfahrungen und Werkstoffentwicklung" in "VGB Kraftwerkstechnik 61", Heft 9, S. 730, Sept. 1981. Die Wärmebehandlung erfolgt in der Regel in Durchlauf-Glühöfen unter Schutzgas bei Temperaturen je nach Werkstoff von 950°C bis 1100°C und einer Haltezeit von einigen Minuten. Auch andere Glühverfahren werden angewendet.
  • Ein prinzipielles Problem tritt jedoch dadurch auf, daß die optimalen Werte von Temperatur und Haltezeit nicht erreicht werden können. Werden nämlich Rohre auf die gewünschte hohe Temperatur gebracht, so sind sie nicht formstabil, so daß sie sich bei größeren Haltezeiten verformen und unter dem Einfluß der Schwerkraft "zusammenfallen". Eine optimale Lösungsglühung und Verminderung von Seigerungen, z.B. der korrosionsbeständigkeit-bestimmenden Elemente Chrom oder Molybdän im Schweißnahtbereich, kann daher mit herkömmlichen Methoden nicht erreicht werden. Somit kann die Schweißnaht trotz der Verbesserung durch Wärmebehandlung etwas schlechtere Korrosionseigenschaften aufweisen als der Grundwerkstoff. Daher wird z.B. der Molybdängehalt des Grundwerkstoffes höher als eigentlich nötig gewählt, um auch in der Schweißnaht noch die jeweils gewünschten Korrosionseigenschaften sicherzustellen. Vom wirtschaftlichen Standpunkt jedoch ist eine Verminderung des Gehaltes an teuerem Molybdän wünschenswert.
  • Ein weiteres Problem entsteht, insbesondere bei dünnwandigen Rohren, durch die Handhabungs- bzw. Transportvorgänge bei hoher Temperatur. Hierbei entstehen Verformungen, insbesondere Beulen, die eine spätere Qualitätsprüfung, z.B. durch Wirbelstrommessungen, erschweren oder verhindern.
  • Aus der US-PS-2 673 276 ist schon die partielle Wärmebehandlung einer Schweßnaht bei durchlaufenden längsnahtgeschweißten Rohren bekannt. Diese Wärmebehandlung dient jedoch nur dem Normalisieren der Schweißnaht zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften. Ein Ausgleich von Chrom- oder Molybdän-Seigerungen, wie sie bei nichtrostenden Stählen auftreten können, wird nicht in Betracht gezogen.
  • Aus der US-PS-4 168 190 ist weiter ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Umgebung von Schweißnähten in rostfreien Stählen bekannt. Mit dieser Wärmebehandlung soll die Sensibilisierung einer durch den Schweißvorgang beeinflußten Umgebungszonge der Schweißnaht, die zu einer verstärkten Anfälligkeit für Spannungsrißkorrosion führt, rückgängig gemacht werden. Die zu diesem Zwecke angewandten Temperaturen und Haltezeiten eignen sich nicht für eine Lösungsglühung zum Ausgleich von Seigerungen. Auch ist die Anwendung des Verfahrens auf längsnahtgeschweißte Rohre nicht ohne Schwierigkeiten möglich. Ein ähnliches Verfahren zur Wärmebehandlung ist auch in der JP-A-55 54 524 beschrieben, wobei der Bereich der Rundschweißnaht eines Rohres von innen mit einem Laserstsrahl aufgeheizt wird. Auch bei dieser Wärmebehandlung reichen die Temperatur und die Haltezeit nicht aus, um Seigerungen in der Schweißnaht zu beheben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Vermeidung der oben genannten Nachteile die Schweißnähte von längsnahtgeschweißten Rohren aus austenitischem oder austenitisch-ferritischem nichtrostendem Stahl so zu behandeln, daß diese sich den Korrosionseigenschaften des Grundwerkstoffes annähern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit durch Ausgleich von Chrom- und/oder Molybdän-Seigerungen eines längsnahtgeschweißten Rohres aus austenitischem oder austenitisch-ferritischem nichtrostendem Stahl gelöst, wobei das Rohr nach dem Schweißen der Längsnaht im Durchlauf unter einer Glühstrecke wärmebehandelt wird und dabei partiell im Bereich des gesamten Schweißnaht und der Wärmeeinflußzone bei einer Temperatur größer 1100°C länger als 5 sec lösungsglüht wird, während der übrige Bereich bei niedrigerer Temperatur wärmebehandelt wird.
  • Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, besteht der wesentliche Gedanke der Erfindung darin, nur eine partielle Lösungs-Glühung von Schweißnaht und Wärmeeinflußzone durchzuführen. Diese Glühung kann innerhalb oder außerhalb der Schweißstrecke vorgenommen werden, Dabei können z.B. bei hochlegierten, molybdänhaltigen Stählen Temperaturen sogar oberhalb von 1200°C oder sogar 1300°C im Schweißnahtbereich und der Wärmeeinflußzone eingestellt werden, die zu einer optimierten Lösungsglühung und einem besseren Ausgleich der Chrom- oder Molybdän-Seigerungen führen. Die restliche Rohrwandtemperatur der übrigen. Bereiche wirdso niedrig eingestellt, daß eine problemlose Verarbeitung in der Schweiß-, Bearbeitungssowie Glüh- und Verformungsstrecke möglich ist, jedoch ein Abbau der Spannungen, die durch den Herstellungsprozeß eingebracht wurden, erreicht wird. Dadurch, daß der größte Teil des Rohres nicht auf die maximale Glühtemperatur gebracht werden muß, bleibt die Stabilität des Rohres erhalten und unerwünschte Verformungen unter dem Einfluß der Schwerkraft oder der Transportvorrichtungen können nicht auftreten. Die vorgeschlagene Glühbehandlung bietet grundsätzlich die Möglichkeit, sowohl die Temperatur wie auch die Haltezeit gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich zu erhöhen. Eine Herstellung prüfbarer dünnwandiger Rohre wird ebenfalls möglich.
  • Fakultative Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2-8 angeführt.
  • Die gewünschte selektive Glühung kann durch partielle Aufheizung und partielle Kühlung erreicht werden. Je nach der gewünschten Haltezeit kann eine partielle Aufheizung ausreichen, jedoch ist die Ergänzung durch eine Kühlung der nicht zu glühenden Rohrbereiche jederzeit möglich, sofern bei längerer Haltezeit durch Wärmeleitung oder Strahlung das restliche Rohr zu sehr aufgeheizt werden würde.
  • Für die partielle Aufheizung lassen sich verschiedene Verfahren anwenden, beispielsweise unter Verwendung von Infrarotstrahlern, Lasern oder entsprechend geführten elektrischen Strömen, die in dem Rohr induziert werden.
  • Ein erhöhter Stickstoffanteil, der die Schweißbarkeit des Werkstoffes beeinträchtigen würde, kann nach derSchweißung durch Glühung in einer Atmosphäre mit geeignetem Partialdruck von Stickstoff oder einer Stickstoffverbindung erzielt werden. Dies verbessert die Korrosionseigenschaften des Rohres bzw. der Schweißnaht erheblich.
  • Geeignete Vorrichtungen zur Durchführung der genannten Verfahren sind in den Ansprüchen 9, 10 und 11 angegeben.
  • Das Prinzip der Erfindung und eine nur als Ausführungsbeispiel augeführte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen.
    • Fig. 1 einen Querschnitt durch ein längsnahtgeschweißtes Rohr zur Veranschaulichung der verschiedenen Zonen und
    • Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur partiellen Glühung eines solchen Rohres.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Querschnitt durch ein längsnahtgeschweißtes Rohr 1 veranschaulicht die für die Erfindung wesentlichen Bereiche des Rohres. Dabei sind die einzelnen Zonen nicht maßstabgerecht dargestellt. Die Schweißnaht 2 liegt im allgemeinen bei der Herstellung an der Oberseite des Rohres 1. Sie ist umgeben von einer Wärmeeinflußzone 3, in welcher der Schweißvorgang Veränderungen und Inhomogenitäten hinterlassen hat. Der Rest des Rohres besteht aus unverändertem Grundwerkstoff, wobei es jedoch sinnvoll erscheint, aus Sicherheitsgründen einen Bereich 4 außerhalb der Wärmeeinflußzone 3 bei einer Wärmebehandlung einzubeziehen, da die genaue Ausdehnung der Wärmeeinflußzone 3 nicht immer bekannt ist.
  • In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur partiellen Glühung eines längsnahtgeschweißten Rohres 1 dargestellt. Die Schweißnaht 2 mit der sie umgebenden Wärmeeinflußzone 3 wird wiederum im allgemeinen an der Oberseite des Rohres liegen. Die maximale Wärmebehandlung soll sich auf die Schweißnaht 2, die Wärmeeinflußzone 3 und einen zusätzlichen Sicherheitsbereich 4 erstrekken, während der Rest des Rohres bei niedriger Temperatur spannungsarm geglüht wird. Wegen der hohen Glühtemperaturen soll das zu glühende Rohr 1 während der Glühung vorzugsweise unter Schutzgas gehalten werden, um anschließendes Beizen zu vermeiden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich das zu glühende Rohr 1 im Inneren eines Quarzglasrohres 5, wobei der Zwischenraum 9 zwischen beiden mit Schutzgas gefüllt ist. Ein oder mehrere Infrarotstrahler 6 sind oberhalb des Quarzglasrohres 5 angeordnet und mit fokussierenden Reflektoren 8 in einem Gehäuse 7 versehen. Die fokussierenden Reflektoren können beispielsweise einen parabolischen Querschnitt haben, in deren Brennpunkt bzw. Brennlinie sich Infrarotstrahler befinden. Es sind jedoch auch andere fokussierende Elemente, so z.B. infrarot-durchlässige Linsensysteme u. dgl., anwendbar. Die Infrarotstrahlen werden so fokussiert, daß sie den gewünschten Bereich 4 des partiell zu glühenden Rohres 1 bestrahlen und aufheizen. Durch Anwendung von Blenden oder durch zusätzliche Kühlung der restlichen Wände des Rohres 1 kann die gewünschte partielle Glühung über beinahe beliebige Haltezeiten durchgeführt werden, wobei jedoch eine Glühung im Durchlaufverfahren unter einer entsprechenden Glühstrecke vorzuziehen ist.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung von Stählen mit beispielsweise niedrigerem Molybdängehalt für längsnahtgeschweißte korrosionsbeständige Rohre und ermöglicht auch die Herstellung dünnwandiger Rohre mit einer Wanddicke von z.B. 0,3 bis 0,5 mm.

Claims (11)

1. Verfahren zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit durch Ausgleich von Chrom- und/oder Molybdän-Seigerungen eines längsnahtgeschweißten Rohres (1) aus austenitischem oder austenitisch-ferritischem nichtrostendem Stahl, wobei das Rohr (1) nach dem Schweißen der Längsnaht (2) im Durchlauf unter einer Glühstrecke wärmebehandelt wird und dabei partiell im Bereich der gesamten Schweißnaht (2) und der Wärmeeinflußzone (3) bei einer Temperatur größer 1100°C länger als 5 sec lösungsgeglüht wird, während der übrige Bereich bei niedrigerer Temperatur wärmebehandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Tempratur größer 1250°C geglüht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühtemperatur ca. 25 sec beibehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) zur selektiven Glühung partiell aufgeheizt und partiell gekühlt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennziechnet, daß das Rohr (1) partiell durch Infrarotstrahler (6) oder Laser aufgeheizt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) durch entsprechend geführte elektrische Ströme, z.B. mittels sattelförmiger Induktionsspulen, partiell aufgeheizt wird, ggf. unter zusätzlicher Kühlung von Teilbereichen.
7. Verfahren zur Wärmebehandlung von längsnahtgeschweißten Rohren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung unter einer Atmosphäre durchgeführt wird, welche Stickstoff oder eine Stickstoff freisetzende Verbindung mit solchem Partialdruck enthält, daß bei der maximalen Glühtemperatur der Gehalt an gelöstem Stickstoff im Bereich der Schweißnaht (2) über 0,2% ansteigt, ohne jedoch die Löslichkeitsgrenze der Werkstoffes zu überschreiten.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der maximalen Glühtemperatur der Gehalt an gelöstem Stickstoff im Bereich der Schweißnaht (2) auf 0,3 bis 0,4% ansteigt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen oder mehrere Infrarotstrahler (6) aufweist, deren Strahlung durch geeignete Fokussiermittel, insbesondere Spiegelflächen mit parabolischem Querschnitt (8), auf die Schweißnaht (2) und die Wärmeeinflußzone (3) der Rohre (1) konzentrierbar ist und welche eine nur partielle Lösungsglühung der Rohre (1) im Bereich der Schweißnaht (2) und der Wärmeeinflußzone (3) bewirken und wobei die zu glühenden Rohre (1) in einer Schutzhülle (5) geführt bzw. gehaltert sind, wobei die Schutzhülle im Inneren mit Schutzgas beaufschlagbar und zumindest in Teilbereichen für Infrarotstrahlung gut durchlässig ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlvorrichtung vorhanden ist, welche die Rohre (1) außer im Bereich der Schweißnaht (2) und der Wärmeeinflußzone (3) kühlt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zum Einstellen eines definierten Partialdruckes von Stickstoff oder einer Stickstoff freisetzenden Verbindung in der Umgebung des Rohres bei der Wärmebehandelung aufweist.
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