EP0356417B1 - Verfahren zur Herstellung von spannungsrisskorrosionsbeständigen rohrförmigen Körpern, insbesondere nichtmagnetisierbaren Schwerstangen aus austenitischen Stählen und nach dem Verfahren hergestellte Teile - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von spannungsrisskorrosionsbeständigen rohrförmigen Körpern, insbesondere nichtmagnetisierbaren Schwerstangen aus austenitischen Stählen und nach dem Verfahren hergestellte Teile Download PDF

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EP0356417B1
EP0356417B1 EP89890199A EP89890199A EP0356417B1 EP 0356417 B1 EP0356417 B1 EP 0356417B1 EP 89890199 A EP89890199 A EP 89890199A EP 89890199 A EP89890199 A EP 89890199A EP 0356417 B1 EP0356417 B1 EP 0356417B1
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EP
European Patent Office
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temperature
cooled
stress corrosion
stress
magnetizable
Prior art date
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EP89890199A
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EP0356417A1 (de
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Helmut Dr.Mont.Dipl.-Ing. Pohl
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Schoeller Bleckmann GmbH
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Schoeller Bleckmann GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/004—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr and Ni
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • C21D9/14—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes wear-resistant or pressure-resistant pipes

Definitions

  • alloys with chrome contents of 20-25%, nickel contents of 10-15% and nitrogen contents of 0.05 were also used in accordance with AT-PS 308 793 for the manufacture of drill collars and rod parts - 0.5% proposed, which are subjected to cold deformation to increase the strength properties.
  • precipitation hardened alloys with contents of approx. 33% Ni, 18% Cr, 2% Ti, 0.5% Al and 0.004% N should bring about significant improvements in the performance characteristics of drill collars and drill string parts.
  • Another disadvantage is that high local strain hardening of the material, which is formed in the near-surface zone when mechanical pressure is applied, increases the tendency of the material to pitting. In the event of pitting, the compressive stress layer is undermined and stress corrosion cracking of the part increases.
  • the mechanical application of residual compressive stresses in the surface layer of parts also has the disadvantage that only simple shapes or contours can be treated accordingly, this method being the last step must be done without subsequent calibration. It is therefore practically not possible to create residual compressive stresses in the near-surface zone on edges, threaded parts, in corners, holes and back-turns as well as on chamfers and discontinuous surface parts in order to prevent stress corrosion cracking.
  • the invention had the object of avoiding the above disadvantages and of creating a method for producing tubular bodies which are resistant to stress corrosion cracking, in particular non-magnetizable drill rods and rod parts made of austenitic steels.
  • This object is achieved in the inventive method in that the body after solution annealing, quenching and after deformation at a temperature of below 500 ° C to increase the material strength and after machining or drilling a hole to a temperature of 220 to 600 ° C, at least up to a temperature equalization with a temperature difference of at most 10 ° C in the body wall, at most a time t in minutes at a temperature T in ° C according to the context is kept, from this temperature or this starting temperature is cooled by increased removal of thermal energy at least from the inner surface of the tubular body and the cooled surface has a temperature drop of at least 100 ° C / min from the starting temperature to half the value between the starting temperature and room temperature.
  • the body is cooled from an initial temperature of 280 to 500 ° C., in particular from 300 to 400 ° C., with a temperature difference in the body wall of at most 6 ° C., preferably at most 3 ° C. It is particularly advantageous if the inner surface and the outer surface of the tubular body are cooled, the inner cooling being carried out at least 5 s, preferably at least 20 s earlier and / or with a higher intensity than that of the outer surface cooling.
  • Tubular bodies produced in accordance with this process have local tensile residual stresses of less than 100 N / mm 2 in the zones near the surface to a depth of at least 8 mm. It is particularly preferred if the zones close to the surface have residual compressive stresses to a depth of at least 4 mm, preferably at least 8 mm, and that the tensile residual stresses that may occur in the entire cross-section of the wall are less than 150 N / mm 2 , i.e. below the triggering voltage for Stress corrosion cracking, preferably less than 120 N / mm 2 .
  • tubular bodies, in particular collars Due to a deformation of the blank at temperatures below 500 ° C, which serves for work hardening or an increase in the yield strength of the material, tubular bodies, in particular collars, show considerable differences in the local internal stresses in the wall, etc. compressive stresses on the outer surface and high tensile stresses on the surface of the hollow, i.e. the bore, which are well above the limit for triggering stress corrosion cracking.
  • a residual stress redistribution surprisingly takes place in the wall without the high strength or high yield strength of the material caused by cold deformation being adversely affected. It is important that the temperature differences in the tube wall after heating to the initial temperature are small, because otherwise the stress redistribution is adversely affected during the intensive cooling or can only take place to a small extent and a desired residual stress state cannot be achieved accordingly. Therefore, the temperature difference in the wall should be kept below 10 ° C. Longer holding times at the initial temperature have an unfavorable effect because this causes the solution-annealed, quenched and work hardened steels, for example austenitic Mn-Cr steel, to be sensitized to inter-crystalline crack corrosion.
  • the sensitization depends on diffusion and carbide formation and optionally nitride formation processes, with the temperature (T) the holding time (t) until the material is sensitized logarithmically with the relationship influenced. For this reason, the holding time at the initial temperature should be chosen shorter than the value which results from the following context:
  • the tubular body is cooled from the initial temperature by increasing heat removal at least from the inner wall, because in the area of the inner surface of the wall the highest tensile stresses originating from the cold deformation or strain hardening have to be rearranged.
  • Low cooling intensities do not result in a sufficient internal stress redistribution, so that the cooled surface of the tube wall must experience a temperature drop from the starting temperature to half the value between the starting temperature and room temperature of at least 100 ° C./min.
  • the method according to the invention brings about a residual stress redistribution and can be used for the production of tubular bodies which are resistant to stress corrosion cracking, in particular non-magnetizable drill rods and rod parts made of austenistic steels.
  • the prejudices of the professional world had to be overcome, e.g. that heating to higher initial temperatures leads to an unacceptable softening or lowering of the yield point of the cold-formed material and that lower initial temperatures can have no effect because only elastic material deformations occur during the subsequent cooling .
  • the increased strength and the high tensile stresses on the inner surface of the tube cause cracks, in particular longitudinal cracks, even when heated to the initial temperature.
  • the corrosion specialist feared that renewed heating of a material quenched from solution temperature and work hardened would cause sensitization, which would make the material in chloride-containing media susceptible to grain breakdown or intergranular crack propagation.
  • the stress redistribution by intensified cooling of the tube wall from temperatures of, for example, 300 ° C. and 400 ° C. has the effect that the internal stresses in the entire tube wall are below 150 N / mm 2 , namely the triggering voltage of the stress corrosion cracking, and thus the body is completely resistant to stress corrosion cracking. Compressive stresses down to a depth of more than 4 mm are achieved on the inner surface.
  • the tubular semi-finished product or the rod (approx. 700 mm minimum length for the above Pro be) was heated in an electric furnace at 415 ° C, with a temperature difference in the tube wall at the end of the heating period of 0.8 ° C.
  • jet cooling was initially carried out on the inner surface at a rate of 1500 to 2500 l / min, and after 10 to 30 s, preferably 20 s, also on the outer surface with a cooling water rate of approximately 100 l / min with a temperature drop of the surface of approx. 350 ° C, at least to a temperature below 100 ° C.
  • a drill string part was produced from the semi-finished product and further samples were taken from this at the processed points. It was shown in the SCC test that cut-outs made in the pipe wall by milling, turning and planing as well as the NC-cut threads do not cause any cracks, which results from the non-critical residual stress condition in the entire volume of the part.
  • the method according to the invention is particularly advantageous for austenitic steels with a directional analysis C: max. 0.2% by weight; Mn: 0-25% by weight; Cr: 12-30% by weight; Mo: 0-5% by weight; Ni: 0-75% by weight; N: 0-1% by weight; Ti: 0-3% by weight; Nb: 0-3% by weight; Cu: 0-3% by weight, rest of iron applicable.
  • Mn-Cr austenites with 17-20% by weight Mn and 12-14% by weight Cr and Cr-Ni austenites with 17-24% by weight Cr and 10-20% by weight Ni are particularly preferred .

Description

  • Beim Abteufen eines Bohrloches werden zur Gewichtsbelastung und zur Stabilisierung des Bohrkopfes Schwerstangen und Gestängeteile mit hoher Materialfestigkeit benötigt. Um den Verlauf des Bohrloches während des Abteufens kontrollieren und gerichtete Bohrungen niederbringen zu können, müssen oftmals und in periodischen Abständen die Neigung und die Richtung des Bohrloches, vorzugsweise an Hand des Erdmagnetfeldes, gemessen werden. Damit derartige Messungen des Erdmagnetfeldes entsprechend genau durchführbar sind bzw. nicht beeinflußt werden, sind für diese Bohrstrangteile vollkommen nichtmagnetisierbaren Werkstoffe einzusetzen. Zur Prüfung der nichtmagnetisierbaren Schwerstangen ist es vorteilhaft, ein Verfahren gemäß EU-PS 14 195 anzuwenden.
  • Für nichtmagnetisierbare Schwerstangen wurden zunächst ausschließlich Cu-Ni-AI-Legierungen, sog. Monel-K-Legierungen verwendet, weil diese vollkommen unmagnetisch sind, die erforderlichen Festigkeitseigenschaften besitzen und als verhältnismäßig leicht zu bearbeiten gelten.
  • Monel-K-Legierungen sind jedoch relativ kostspielig, so daß zur Erzielung wirtschaftlicherer Produkte für die Herstellung von nichtmagnetisierbaren Schwerstangen und Bohrstrangteilen austenitische Stähle vorgeschlagen wurden.
  • Übliche 18/8 CrNi-Stähle weisen jedoch ein magnetisch ungünstiges Verhalten auf und besitzen niedrigere Festigkeitseigenschaften bzw. niedrige Streckgrenzen sowie schlechte Zerspanbarkeit, so daß diese Werkstoffe wenig geeignet sind.
  • Zur Beseitigung dieses nicht befriedigenden Zustandes wurde gemäß AT-PS 214 460 vorgeschlagen, für nichtmagnetisierbare Schwerstangen stabilaustenitische Stähle, insbesondere Mangan-Austenite, zu verwenden, wobei die daraus gefertigten Rohteile durch eine Kaltverformung zu verfestigen sind, um hohe Streckgrenzenwerte des Materials zu erreichen. Solche Schwerstangen entsprechen in ihren Eigenschaften den üblichen Anforderungen. Sie haben aber den Nachteil, daß sie gegen Korrosionsangriffe, beispielsweise von aggressiven Chloridlösungen, die in Bohrlöchern öfter auftreten, nicht immer genügend beständig sind und gegebenenfalls zu Erscheinungen von Spannungsrißkorrosion neigen. Es können dadurch Brüche eintreten, die den Ausfall solcher Schwerstangen verursachen.
  • Um bei guten magnetischen Materialeigenschaften das Korrosionsverhalten zu verbessern und insbesondere Spannungsrißkorrosion zu vermeiden, wurden auch gemäß AT-PS 308 793 zur Fertigung von Schwerstangen und Gestängeteilen Legierungen mit Chromgehalten von 20 - 25 %, Nickelgehalten von 10- 15 % und Stickstoffgehalten von 0,05 - 0,5 % vorgeschlagen, die zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften einer Kaltverformung unterworfen werden.
  • Auch die Verwendung ausscheidungsgehärteter Legierungen mit Gehalten von ca. 33 % Ni, 18 % Cr, 2 % Ti, 0,5 % AI und 0,004 % N sollten wesentliche Verbesserungen der Gebrauchseigenschaften von Schwerstangen bzw. Bohrstrangteilen bringen.
  • Der hohe Gehalt an teuren Legierungselementen dieser Werkstoffe kann jedoch zu wirtschaftlichen Nachteilen führen.
  • Um die wirtschaftlichen Vorteile der Herstellung von Schwerstangen aus nichtmagnetisierbaren und gut verfestigbaren Cr-Mn-Stählen zu nutzen und deren Korrosionsverhalten, insbesondere den Widerstand gegen Spannungsrißkorrosion, zu verbessern, wurde auch vorgeschlagen (AT-PS 364 592), im Oberflächenbereich, insbesondere des Hohles, der Schwerstangen Druckeigenspannungen durch Einwirkung mechanisch ausgelöster Stoß- bzw. Druckenergie hervorzurufen. Dabei werden vorzugsweise preßgasbetriebene Schlaghammer verwendet, deren Kopfteil zur Übertragung der axialen Schlagbewegung einen Schlagbolzen trägt. Derartig hergestellte Schwerstangen erfüllen betreffend ihrer Eigenschaften weitgehend die an sie gestellten Anforderungen im Ölfeld. Sie haben jedoch den Nachteil, daß Druckeigenspannungen, welche die Spannungsrißkorrosion verhindern, nur bis zu einer geringen Tiefe unter der Oberfläche erzeugbar sind. Dies ist vor allem dadurch begründet, daß die Werkzeuge bei der Oberflächenverformung nur ein begrenzte Schlagenergie aufweisen dürfen und Mehrfachschlag weitgehend vermieden werden soll, weil sonst im Einwirkungsbereich des Schlagbolzens das Verformungsvermögen des Stahles erschöpft wird und es zu Rißbildungen kommt. Weil die Verformung der oberflächennahen Zone einerseits flächendeckend sein muß, andererseits aus obigen Gründen ein oftmaliges Verformen Nachteile mit sich bringt, ist die Wirkung des Verfahrens unsicher und schlecht kontrollierbar. Unter einer dünnen Oberflächenschicht, in welcher Druckspannungen herrschen, sind jedoch insbesondere im Hohl des rohrförmigen Teiles Zonen mit hohen Zugspannungen gegeben. Verletzungen der Oberfläche oder geringe Materialabtragungen können Bereiche mit Zugspannungen freilegen, wodurch verstärkt Spannungsrißkorrosion eintreten kann. Weiters ist nachteilig, daß hohe örtliche Kaltverfestigungen des Materials, die beim mechanischen Aufbringen von Druckeigenschaften in der oberflächennahen Zone gebildet werden, die Lochfraßneigung des Werkstoffes erhöhen. Bei Lochfraß erfolgt sodann ein Unterlaufen der Druckspannungsschicht und eine verstärkte Spannungsrißkorrosion des Teiles. Das mechanische Aufbringen von Druckeigenspannungen in der Oberflächenschicht von Teilen hat auch den Nachteil, daß nur einfache Formen bzw. Konturen entsprechend behandelbar sind, wobei dieses Verfahren als letzter Arbeitsgang ohne nachherigem Kalibrieren erfolgen muß. Es ist also praktisch nicht möglich, an Kanten, Gewindeteilen, in Ecken, Löchern und Hinterdrehungen sowie an Abfasungen und unstetigen Oberflächenteilen Druckeigenspannungen in deroberflächennahen Zone zu erzeugen, um Spannungsrißkorrosion zu verhindern.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgaben zugrunde, obige Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur Herstellung von spannungsrißkorrosionsbeständigen rohrförmigen Körpern, insbesondere nichtmagnetisierbare Schwerstangen und Gestängeteilen aus austenitischen Stählen, zu schaffen. Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß der Körper nach einem Lösungsglühen, Ablöschen und nach einer Verformung bei einer Temperatur von unter 500°C zur Erhöhung der Materialfestigkeit sowie nach einer Bearbeitung bzw. Einbringung einer Bohrung auf eine Temperatur von 220 bis 600°C, mindestens bis zu einem Temperaturausgleich mit einem Temperaturunterschied von höchstens 10°C in der Körperwand erwärmt, höchstens eine Zeit t in Minuten bei einer Temperatur T in °C gemäß dem Zusammenhang
    Figure imgb0001
    gehalten wird, von dieser Temperatur bzw. dieser Ausgangstemperatur durch gesteigerten Entzug von Wärmeenergie mindestens von der Innenoberfläche des Rohrkörpers gekühlt wird und die gekühlte Oberfläche von der Ausgangstemperatur bis zum halben Wert zwischen Ausgangstemperatur und Raumtemperatur einen Temperaturabfall von mindestens 100°C/min aufweist. Vorteilhaft ist es, wenn der Körper von einer Ausgangstemperatur von 280 bis 500°C, insbesondere von 300 bis 400°C, mit einem Temperaturunterschied in der Körperwand von höchstens 6°C, vorzugsweise höchstens 3°C, abgekühlt wird. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Innenoberfläche und die Außenoberfläche des rohrförmigen Körpers gekühlt werden, wobei die Innenkühlung zeitlich mindestens 5 s, vorzugsweise mindestens 20 s, früher und/oder mit höherer Intensität als jene der Außenoberflächenkühlung durchgeführt wird.
  • Nach diesem Verfahren hergestellte rohrförmige Körper, insbesondere nichtmagnetisierbare Schwerstangen und Gestängeteile aus austenitischem Stahl, weisen erfindungsgemäß in den oberflächennahen Zonen bis zu einer Tiefe von mindestens 8 mm örtliche Zugeigenspannungen von kleiner 100 N/mm2 auf. Besonders bevorzugt ist, wenn die oberflächennahen Zonen bis zu einer Tiefe von mindestens 4 mm, vorzugsweise von mindestens 8 mm, Druckeigenspannungen aufweisen und daß im gesamten Querschnitt der Wand die gegebenenfalls auftretenden Zugeigenspannungen geringer als 150 N/mm2 sind, also unterhalb der Auslösespannung für Spannungsrißkorrosion, vorzugsweise geringer als 120 N/mm2 liegen.
  • Rohrförmige Körper, insbesondere Schwerstangen, weisen auf Grund einer Verformung des Rohlings bei Temperaturen unterhalb 500°C, welche der Kaltverfestigung bzw. einer Streckgrenzenerhöhung des Materials dient, erhebliche Unterschiede der örtlichen Eigenspannungen in der Wand auf, u.zw. an der Außenoberfläche Druckspannungen und an der Oberfläche des Hohls, also der Bohrung, hohe Zugspannungen, die wesentlich über der Grenze für die Auslösung der Spannungsrißkorrosion liegen. Es wurde überraschend gefunden, daß in einem aus lösungsgeglühtem, abgelöschtem und kaltverformten austenitischem Material bestehenden, rohrförmigen Körper durch eine Erwärmung auf entsprechende Temperaturen bei Einhaltung bestimmter Bedingungen mit einer nachfolgenden intensivierten Abkühlung Spannungszustände hervorgerufen werden können, welche auf Grund von plastischen Verformungen in der Rohrwand einen Eigenspannungszustand einstellen, der weitgehend keine örtlichen Zugspannungen über der Grenze, bei welcher Spannungsrißkorrosion ausgelöst wird, aufweist. Weiters ist durch eine entsprechende Wahl derAusgangstemperatur und eine zeitlich gestaffelte und/oder hinsichtlich der Intensität unterschiedliche Innen- bzw. Außenkühlung in derWand des rohrförmigen Körpers ein derartiger Eigenspannungszustand erzielbar, bei welchem in den oberflächennahen Bereichen bis zu einer Tiefe von mindestens 4 mm Druckspannungen herrschen. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt somit überraschenderweise eine Eigenspannungsumlagerung in der Wand, ohne daß die durch Kaltverformung bewirkte hohe Festigkeit bzw. hohe Streckgrenze des Werkstoffes nachteilig beeinflußt werden. Es ist wichtig, daß die Temperaturunterschiede in der Rohrwand nach der Erwärmung auf die Ausgangstemperatur gering sind, weil sonst die Spannungsumlagerung bei der intensivierten Abkühlung nachteilig beeinflußt wird bzw. nur in geringem Maße erfolgen kann und ein gewünschter Eigenspannungszustand nicht entsprechend erreichbar ist. Daher soll der Temperaturunterschied in der Wand kleiner als 10°C gehalten werden. Längere Haltezeiten auf der Ausgangstemperatur wirken sich ungünstig aus, weil dadurch die lösungsgeglühten, abgelöschten und kaltverfestigten Stähle, beispielsweise austenitischer Mn-Cr-Stahl, in einen sensibilisierten Zustand für eine interkristallin verlaufende Rißkorrosion gebracht werden. Es wurde gefunden, daß die Sensibilisierung von Diffusions- und Karbidbildungs- sowie gegebenenfalls Nitridbildungsvorgängen abhängt, wobei die Temperatur (T) die Haltezeit (t) bis zur Sensibilisierung des Materials logarithmisch mit dem Zusammenhanq
    Figure imgb0002
    beeinflußt. Aus diesem Grund ist die Haltezeit auf Ausgangstemperatur kleiner zu wählen als der Wert, der sich aus folgendem Zusammenhang ergibt:
    Figure imgb0003
  • Weiters ist es wichtig, daß der rohrförmige Körper von der Ausgangstemperatur durch gesteigerten Wärmeentzug mindestens von der Innenwand gekühlt wird, weil im Bereich der Innenoberfläche der Wand die höchsten, von der Kaltverformung bzw. Kaltverfestigung stammenden Zugspannungen umzulagern sind. Durch geringe Kühlintensitäten wird keine ausreichende Eigenspannungsumlagerung bewirkt, so daß die gekühlte Oberfläche der Rohrwand einen Temperaturabfall von der Ausgangstemperatur bis zum halben Wert zwischen Ausgangstemperatur und Raumtemperatur von mindestens 100°C/min erfahren muß.
  • Es war durchaus überraschend, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine Eigenspanungsumlagerung bewirkt und zur Herstellung von spannungsrißkorrosionsbeständigen rohrförmigen Körpern, insbesondere nichtmagnetisierbaren Schwerstangen und Gestängeteilen aus austenistischen Stählen, anwendbar ist. Dabei waren die Vorurteile der Fachwelt zu überwinden, u.zw., daß durch ein Erwärmen auf höhere Ausgangstemperaturen eine nichtvertretbare Entfestigung bzw. ein Absenken der Streckgrenze des kaltverformten Materials erfolgt und niedrige Ausgangstemperaturen keine Wirkung haben können, weil beim anschließenden abkühlen nur elastische Materialverformungen entstehen. Weiters wurde vom Fachmann angenommen, daß die erhöhte Festigkeit und die hohen Zugspannungen an der Innenoberfläche des Rohres bereits bei der Erwärmung auf Ausgangstemperatur Rißbildungen, insbesondere Längsrisse, verursachen. Insbesondere der Korrosionsfachmann mußte befürchten, daß eine nochmalige Erwärmung eines von Lösungstemperatur abgeschreckten und kaltverfestigten Materials eine Sensibilisierung bewirkt, die den Werkstoff in chloridhaltigen Medien anfällig bezüglich des Kornzerfalls bzw. des interkristallinen Rißfortschrittes macht.
  • Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Zeichnung und eines Beispiels näher erläutert:
    • Fig. 1 zeigt schematisch Spannungszustände in der Wand eines rohrförmigen Körpers.
  • Nach einer Kaltverfestigung durch Verformung des Rohkörpers bei einer Temperatur von unterhalb 500°C herrschen im rohrförmigen Körper Eigenspannungen, u.zw. an der Rohraußenwand A Druckspannungen, die zur Rohrinnenwand B entsprechend der Kurve 1 in hohe Zugspannungen übergehen. Bei einer Erwärmung auf eine Ausgangstemperatur von 200°C mit einer nachfolgenden, intensivierten Abkühlung der Rohrinnenwand werden die dort herrschenden Zugspannungen, wie Kurve 3 veranschaulicht, nur geringfügig abgebaut. Die Kurven 4 und 5 zeigen die Eigenspannungsverteilungen in der Rohrwand bei einerAbkühlung von einerAusgangstemperaturvon 300°C (4) und 400°C (5). Im Bereich der Außenwand A ist die Spannungskurve 5 geteilt dargestellt, u.zw. in einen Teil 5a bei Luftbeaufschlagung und einen Teil @ fürWasserbeaufschlagung der Außenoberfläche. Die Spannungsumlagerung durch ein intensiviertes Abkühlen der Rohrwand aus Temperaturen von beispielsweise 300°C und 400°C bewirkt, daß in der gesamten Rohrwand die Eigenspannungen unter 150 N/mm2, nämlich der Auslösespannung der Spannungsrißkorrosion, liegen und somit der Körper vollkommen spannungsrißkorrosionsbeständig ist. Dabei werden an der Innenoberfläche Druckspannungen bis zu einer Tiefe von größer als 4 mm erreicht.
  • Ein intensiviertes Abkühlen von einer Ausgangstemperatur von beispielsweise 550°C vergrößert die Eigendruckspannungen und deren Wirkungsbereich an der Innenoberfläche der Rohrwand (Kurve 6 ), was bei einem spanabhebenden Nachkalibrieren genützt werden kann. Die Kurve 2 zeigt den Spannungsverlauf in einer Rohrwand, der durch ein Verfahren gemäß der AT-PS 364 592 bzw. gemäß dem Stand der Technik einstellbar ist, wobei an der Innenoberfläche hohe Eigendruckspannungen herrschen, diese Druckspannungen jedoch in einem geringen Abstand von der Oberfläche in hohe Zugspannungen übergehen. Nachfolgend wird die Erfindung durch ein praktisches Beispiel weiter verdeutlicht:
    • Ein Block mit einem Gewicht von ca. 3 t aus Mn-Cr-N-Stahl mit einer Zusammensetzung von 0,05 % C, 19,3 % Mn, 13,6 % Cr, 2,1 % Ni, 0,23 % N (Angaben in Gew.-%) Rest insbesondere Eisen, wurde durch Warmschmieden in einer Langschmiedemaschine zu einem Schwerstangenrohling mit einer Abmessung von 0 196 x 8800 mm primärverformt. Ein Ablöschen aus einer Lösungsglühtemperatur von 1020°C erfolgte im Wasserbecken. Der Rohling wurde adjustiert, kaltgeschmiedet mit einem Verformungsgrad von 15 %, gerichtet, gedreht und gebohrt. Die Abmessungen des Halbfertigproduktes waren: AD 0 172,3 x ID 0 70,45 x 9250 mm (AD = Außendurchmesser, ID = Innendurchmesser). Die Eigenspannungen betrugen am AD 0 -157 N/mm2 (Druckeigenspannung) bzw. am ID +390 N/mm2 (Zugeigenspannung), wobei die Meßwerte den arithmetischen Mittelwert aus 3 Messungen mit dem RingKern-Verfahren darstellen.
  • Eine Probe vom einen Ende dieses Halbfertigproduktes wurde kochender, wäßriger Lösung von gesättigtem Magnesiumchlorid (42 %, 154°C) einen Tag lang ausgesetzt, wobei sich nach kurzer Zeit Risse vom ID ausgehend bildeten.
  • Das rohrförmige Halbfertigprodukt bzw. die Stange (ca. 700 mm Mindestlänge für die obige Probe) wurde in einem Elektroofen bei 415°C erwärmt, wobei ein Temperaturunterschied in der Rohrwand am Ende der Wärmzeit von 0,8°C vorlag. In einer Sprühanlage erfolgte vorerst an der Innenoberfläche mit einer Menge von 1500 - 2500 I/min und nach 10 bis 30 s, vorzugsweise 20 s, auch an der Außenoberfläche mit einer Kühlwassermenge von ca. 100 I/min und Meter Länge eine Jet-Kühlung mit einem Temperaturabfall der Oberfläche von ca. 350°C, jedenfalls auf eine Temperatur unter 100°C.
  • Der Eigenspannungszustand der Stange am ID änderte sich durch diese Behandlung von +390 N/mm2 (Zugspannung) auf -410 N/mm2 (Druckspannung). Am Außendurchmesser wurden ebenfalls Druckeigenspannungen von - 120 N/mm2 ermittelt. Weiters wurden nach Abdrehungen und Ausbohrungen die Eigenspannungen über die Wandstärke festgestellt, wobei die gemessenen Zugspannungen kleiner als + 110 N/mm2 waren. Eine aus dieser Stange gefertigte Probe, die im vorher beschriebenen SCC-Test mit Magnesiumchlorid geprüft wurde, blieb völlig rißfrei.
  • Aus dem Halbfertigprodukt wurde ein Bohrstrangteil gefertigt und diesem an bearbeiteten Stellen weitere Proben entnommen. Es zeigte sich im SCC-Test, daß spanabhebend in die Rohrwand eingebrachte Ausnehmungen durch Fräsen, Drehen und Hobeln sowie die NC-geschnittenen Gewinde keinerlei Risse verursachen, was aus dem nicht kritischen Eigenspannungszustand im gesamten Volumen des Teiles resultiert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft für austenitische Stähle einer Richtanalyse C: max. 0,2 Gew.-%; Mn: 0 - 25 Gew.-%; Cr: 12 - 30 Gew.-%; Mo: 0 - 5 Gew.-%; Ni: 0 - 75 Gew.-%; N: 0 - 1 Gew.-%; Ti: 0 - 3 Gew.-%; Nb: 0 - 3 Gew.-%; Cu: 0 - 3 Gew.-%, Rest Eisen anwendbar. Besonders bevorzugtsind hiebei Mn-Cr-Austenite mit 17 - 20 Gew.- % Mn und 12 - 14 Gew.-% Cr und Cr-Ni-Austenite mit 17 - 24 Gew.-% Cr und 10 - 20 Gew.-% Ni.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von spannungsrißkorrosionsbeständigen rohrförmigen Körpern, insbesondere von nichtmagnetisierbaren Schwerstangen und Gestängeteilen aus austenitischen Stählen, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper nach einem Lösungsglühen, Ablöschen und nach einer Verformung bei einer Temperatur von unter 500°C zur Erhöhung der Materialfestigkeit sowie nach einer Bearbeitung bzw. Einbringung einer Bohrung auf eine Temperatur von 220 bis 600°C, mindestens bis zu einem Temperaturausgleich mit einem Temperaturunterschied von höchstens 10°C in der Körperwand erwärmt, höchstens eine Zeit t in Minuten bei einer Temperatur T in °C gemäß dem Zusammenhang
Figure imgb0004
gehalten wird und von dieser Temperatur bzw. dieser Ausgangstemperatur durch gesteigerten Entzug von Wärmeenergie mindestens von der Innenoberfläche des Rohrkörpers gekühlt wird und die gekühlte Oberfläche von der Ausgangstemperatur bis zum halben Wert zwischen Ausgangstemperatur und Raumtemperatur einen Temperaturabfall von mindestens 100°C/min aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper von einer Ausgangstemperatur von 280 bis 500°C, insbesondere von 300 bis400°C, mit einem Temperaturunterschied in der Körperwand von höchtens 6°C, vorzugsweise höchstens 3°C, abgekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberfläche und die Außenoberfläche des rohrförmigen Körpers gekühlt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Innenoberfläche des rohrförmigen Körpers zeitlich früher und/oder mit höherer Intensität als jene der Außenoberfläche durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberfläche des rohrförmigen Körpers zeitlich mindestens 5 s, vorzugsweise mindestens 20 s, vorderAußenoberfläche gekühlt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Gase und/oder Flüssigkeiten, insbesondere Preßluft und/oder Wasser, verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einwirkung mechanisch ausgelöster Stoß- bzw. Druckenergie im Oberflächenbereich des Körpers zusätzlich Druckspannungen hervorgerufen werden.
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