EP0375083A2

EP0375083A2 - Metallurgischer Überzug auf Stahlrohren

Info

Publication number: EP0375083A2
Application number: EP89250097A
Authority: EP
Inventors: Norbert Dr.-Ing. Niehaus; Werner Friehe; Wilhelm Prof.Dr. Dipl.-Chem. Schwenk
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-11-27
Publication date: 1990-06-27
Also published as: DE3844160C2; EP0375083A3; US5094730A; DE3844160A1; JPH02221393A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf metallische, unter hoher Flächenpressung stehende Dichtungs- und/oder Gewindebereiche von Stahlrohren, durch eine aus einer Reinigung und Entfettung bestehende Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche und einem elektrolytischen Abscheiden einer Zinnschicht, durch eine erste Wärmebehandlung mit einer Temperatur zwischen 150 bis 200 Grad Celsius und einer zweiten kurzzeitigen Wärmebehandlung oberhalb des Schmelzpunktes von Zinn mit nachfolgender Abkühlung. Um ein Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf den Dichtungs- und/oder Gewindebereich von Stahlrohren für die Erdöl- und Erdgasgewinnung anzugeben, mit dem bei einer fettfreien Verschraubung auch bei Mehrfachverschraubung zuverlässig Fressen verhindert wird und dessen Dichtwirkung optimiert ist, wird vorgeschlagen, daß auf die Dichtungs- und/oder Gewindebereiche zunächst eine Zinn- oder eine Zinn enthaltende Grundschicht und anschließend darauf zur Bildung einer Deckschicht ein Element oder eine Legierung aus der Gruppe der duktilen Nichteisenmetalle elektrolytisch abgeschieden werden und der so behandelte Bereich anschließend für 1-10 Sekunden bei einer Temperatur bis 50 K über dem Schmelzpunkt des Zinns erhitzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf metallische, unter hoher Flächenpressung stehende Dichtungs- und/oder Gewindebereiche von Stahlrohren gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.
Stahlrohre für die Erdöl- und Erdgasgewinnung werden zu Rohrsträngen miteinander verschraubt, wobei die Verbindungen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus müssen sie unter der Belastung auch noch verschraubbar, mehrfach verschraubbar und - je nach Gewinde-Typ - gasdicht sein. Stahlrohrwerkstoffe neigen hierbei zum Kaltverschweißen, dem sogenannten Fressen an den aufeinander gleitenden Flächen. Es ist deswegen schon mehrfach vorgeschlagen worden, die aufeinander gleitende Flächen im Gewinde und am metallischen Dichtsitz mit einem Nichteisenmetall, wie Kupfer oder Zinn zu beschichten (DE-OS 31 47 967). Wichtig dabei ist die Auswahl der bestgeeigneten Nichteisenmetalle und ihrer Haftfähigkeit auf dem Rohrwerkstoff, sowie ihre Duktilität. Dazu ist auch vorgeschlagen worden, auf den Dichtungs- und/oder Gewindebereichen eine Schicht aus Blei, Zink, Kadmium oder Wismut aufzubringen, wobei diese Schicht aus ca. 1 bis 10 % Zinn besteht und ca. 3 bis 20 µ dick ist (EP-OS 246 387). Nachteilig bei diesem Vorschlag ist die nicht ausreichende Haftfähigkeit der aufgebrachten Schicht, so daß sie beim Verschraubvorgang auftretende Schubkräfte nicht aufnehmen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf den Dichtungs- und/oder Gewindebereich von Stahlrohren für die Erdöl- und Erdgasgewinnung anzugeben, mit dem bei einer fettfreien Verschraubung auch bei Mehrfachverschraubung zuverlässig Fressen verhindert wird und dessen Dichtwirkung optimiert ist.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches bestimmt. In den Unteransprüchen ist der Aufbau eines nach dem Verfahren des Hauptanspruches hergestellten metallischen Überzuges festgelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Grundschicht, die entweder aus reinem Zinn oder einer Zinn enthaltenden Pseudolegierung besteht nach einer kurzzeitigen Wärmebehandlung im Bereich zwischen 1 bis 10 Sekunden bei einer Temperatur bis 50 K oberhalb des Schmelzpunktes von Zinn fest auf dem Grundwerkstoff haftet. Die Haftwirkung wird dadurch erzielt, daß durch das Aufschmelzen des Zinns dieses in den Grundwerkstoff diffundiert und eine intermetallische Reaktionsschicht bildet. Diese Reaktionsschicht verbindet den Grundwerkstoff mit der elektrolytisch abgeschiedenen Grundschicht. Ohne eine solche Verbindung würde die elektrolytisch abgeschiedene Schicht infolge der der bei der Verschraubung auftretenden Schubkräfte vom Grundwerkstoff weggeschoben.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dadurch, daß gegenüber der bereits bekannten Verzinnung der Dichtungs- und/oder Gewindebereiche von Stahlrohren auf einer solch festhaftenden Grundschicht ein Element aus der Gruppe der duktilen Nichteisenmetalle elektrolytisch abgeschieden wird. Besonders vorteilhaft ist dabei das Element Blei, das gegenüber Zinn noch weitergehende günstige Eigenschaften aufweist. Alternativ zur Abscheidung von reinem Blei wird weiterhin vorgeschlagen, statt dessen eine Blei-Zinn-Pseudolegierung elektrolytisch abzuscheiden und diese Schicht durch die bereits beschriebene Wärmebehandlung fest mit dem Grundwerkstoff zu verbinden.
Der erfindungsgemäße metallische Überzug zeigt unter hoher Flächenpressung im Gewindebereich keinerlei Verschweißung bei gegebenenfalls gleichzeitiger Dichtwirkung. Die Verschraubung erfolgt ohne Schmiermittel, wodurch das Verschrauben vereinfacht und kostengünstig ist. Wegen der ausgezeichneten Haftung der elektrolytisch abgeschiedenen Schicht auf dem Grundwerkstoff erweist sich ein solcher metallischer Überzug als besonders geeignet, zum Beispiel für Gestängerohre und Schwerstangen, die mit relativ grobem Gewinde versehen sind und vielmals verschraubt und entschraubt werden. Dieser Überzug ermöglicht auch eine hermetische Abdichtung von der Art Metall auf Metall, wenn nur eine der beiden Dichtflächen mit einem solchen Überzug versehen ist. Deshalb empfiehlt sich ein solcher metallischer Überzug auch für Futterrohre. Weil beide vorgenannten Eigenschaften gleichzeitig vorliegen, ist der metallische Überzug auch besonders für Steigrohre bei der Erdgasversorgung hervorragend geeignet.
Die Anwendung des Verfahrens wird beispielhaft an der Beschichtung von Muffengewinden näher erläutert.
Das Ausgangsprodukt sind Rohrabschnitte, die auf die gewünschte mechanische Festigkeit vergütet bzw. kaltverformt und auf die endgültige Form der Muffe spanabhebend bearbeitet, insbesondere mit Gewinde versehen werden. Die Muffe wird in folgender Reihenfolge, ohne die dazwischen erforderlichen Spül- und Trocknungsvorgänge im einzelnen aufzuzählen, alkalisch heiß entfettet, mit einem verdünnten Salzsäure-Salpetersäure-Gemisch Oberflächen-aktiviert und übergangslos in einem Nickelionen-enthaltenen Bad mit einer bis zu 1 µ dicken Nickelschicht versehen, was in Abhängigkeit von der Bad-Konzentration in einer Tauchzeit von einigen Sekunden erfolgt. Bei unlegierten Stählen kann diese Vernickelung entfallen.
Die anschließende innenseitige elektrolytische Abscheidung der Grundschicht und der Deckschicht erfolgt in besonderen Galvanisierungsbädern. Es wird angestrebt, bei kurzer Tauchzeit mit hoher Stromausbeute zu arbeiten und in wenigen Sekunden die angestrebten Auflagen abzuscheiden. Die Muffe wird dann bei ca. 150 Grad Celsius etwa 1 bis 2 Stunden an Luft ausgelagert, damit absorbierter Wasserstoff effundieren kann. Zum Aufschmelzen des Zinnanteils der Grundschicht wird die Muffe auf etwa 200 bis 210 Grad Celsius vorgewärmt und von dieser Vorwärmung für z. B. 10 s auf etwa 250 Grad Celsius oder für 5 s auf etwa 280 Grad Celsius erhitzt und danach mindestens unter den Schmelzpunkt des Zinns rasch abgekühlt. Für das Vorwärmen, das Erhitzen und das Abschrecken wird die Muffe in Flüssigkeitsbäder, z. B. Salzbäder getaucht.
Bei Verschraubversuchen zeigen derartig mit Metallüberzügen beschichtete Muffen bei mehr als 10facher Ver- und Entschraubung nur mit Öl-Zugabe und ohne Anwendung üblicher API-Fette keinerlei Freßerscheinungen.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf metallische, unter hoher Flächenpressung stehende Dichtungs- und/oder Gewindebereiche von Stahlrohren, durch eine aus einer Reinigung und Entfettung bestehende Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche und einem elektrolytischen Abscheiden einer Zinnschicht, durch eine erste Wärmebehandlung mit einer Temperatur zwischen 150 bis 200 Grad Celsius und einer zweiten kurzzeitigen Wärmebehandlung oberhalb des Schmelzpunktes von Zinn mit nachfolgender Abkühlung,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Dichtungs- und/oder Gewindebereiche zunächst eine Zinn- oder eine Zinn enthaltende Grundschicht und anschließend darauf zur Bildung einer Deckschicht ein Element oder eine Legierung aus der Gruppe der duktilen Nichteisenmetalle elektrolytisch abgeschieden werden und der so behandelte Bereich anschließend für 1 - 10 Sekunden bei einer Temperatur bis 50 K über dem Schmelzpunkt des Zinns erhitzt wird.

2. Metallischer Überzug entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zinnauflage der Grundschicht im Bereich zwischen 5 bis 50g/gm liegt und die Gesamtschichtdicke maximal 50 µ beträgt.

3. Metallischer Überzug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zu beschichtenden Flächen von Rohren aus legiertem und hochlegiertem Stahl zuvor elektrolytisch aktiviert werden und nach der Vernicklung eine Nickelschicht bis zu einer Dicke von etwa 1 µ aufweisen.

4. Metallischer Überzug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundschicht aus einer Blei-Zinn-Pseudolegierung mit einem Zinngehalt von 1 - 10 % besteht.

5. Metallischer Überzug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Deckschicht wahlweise aus Blei, Indium, Silber oder Wismut besteht.

6. Metallischer Überzug nach den Ansprüchen 2 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grund- und Deckschicht aus einer Blei-Zinn-Pseudolegierung besteht.