EP0748875A1 - Verfahren zur Herstellung von Rohren nach dem UOE-Verfahren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Rohren nach dem UOE-Verfahren Download PDF

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EP0748875A1
EP0748875A1 EP96250126A EP96250126A EP0748875A1 EP 0748875 A1 EP0748875 A1 EP 0748875A1 EP 96250126 A EP96250126 A EP 96250126A EP 96250126 A EP96250126 A EP 96250126A EP 0748875 A1 EP0748875 A1 EP 0748875A1
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pipe
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cold
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    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/10—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the whole cross-section, e.g. of concrete reinforcing bars
    • C21D7/12—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the whole cross-section, e.g. of concrete reinforcing bars by expanding tubular bodies
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/10—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4998—Combined manufacture including applying or shaping of fluent material

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of pipes, in particular large pipes, according to the UOE process according to the preamble of the main claim.
  • UOE The process referred to in the technical field as UOE is the most frequently used process for producing longitudinally welded large pipes (Stradtmann, Stahlrohr-Handbuch, 10th edition, Vulkan-Verlag, Essen 1996, pages 164-167).
  • U press open dies
  • O -press closing dies
  • Pipes produced according to the UOE process show changes in the strength and deformation properties compared to the starting sheet due to the cold expansion, characterized by inhomogeneities on the pipe circumference and pronounced deformation anisotropies.
  • the object of the invention is to provide a process for the production of pipes, in particular large pipes, by the UOE process to be specified in which the strength and deformation properties are largely homogenized in the pipe circumferential direction and certain properties can be set in a targeted manner.
  • FIG. 1 shows a graphic representation of the uniform expansion in the pipe circumferential direction as a function of the degree of reduction and expansion.
  • the uniform expansion is plotted in percent on the ordinate and the degree of deformation resulting from reduction and expansion in percent on the abscissa.
  • the fine-dotted straight line 1 is the uniform expansion for the starting material sheet metal, for example for the steel X70-TM, ie thermomechanically rolled. It is above 13% here.
  • the curve 2 below shows the scatter range of the test values. With a degree of deformation of 0%, the values of the uniform expansion are already below those of the sheet due to the pipe production. If the pipe is now greatly expanded in the course of pipe production, the uniform expansion decreases sharply, as the picture clearly shows. On the other hand, if the pipe is reduced, then the uniform expansion increases and, depending on the degree of reduction, can reach the initial value of the sheet as a single value or even as an average.
  • FIG. 2 shows a graphical representation of the yield point ratio in the pipe circumferential direction as a function of the degree of reduction and expansion.
  • the yield strength ratio R t 0.5 / R m is plotted on the ordinate and the degree of deformation in percent on the abscissa.
  • the fine-dotted straight line 3 is the yield point ratio for the starting material sheet metal. For example, this ratio should be 0.8.
  • the solid line 4 shows the increase in the yield ratio as the degree of expansion increases.
  • the continuation of this curve in the left half of the graph shows the decrease in the yield ratio when the previous reduction is increasingly overlaid by an expansion. If, on the other hand, a reduction is immediately given to the pipe, the dash-dotted line 5 results. This course makes it clear that even with a small reduction, the yield ratio drops sharply compared to the starting value for sheet metal.
  • FIG. 3 shows in graphical form the R t 0.5 yield point across the circumference of the pipe as a function of the internal or external pressure.
  • the yield point values with an external pressure load are considerably lower than with an internal pressure load. This means that the pipe has a low resistance to collapse.
  • the course over the pipe circumference shows that the values are distributed unevenly. This means that influences from the pipe production are still clearly visible and determine the behavior of the component under internal or external pressure.
  • the new method according to the invention (right part b) the values are evened over the pipe circumference.
  • the yield point under external pressure load is significantly increased, so that the pipe manufactured in this way has a higher resistance to collapse.
  • FIGS. 4 to 5 stress-strain diagrams are shown in graphic form, the stress in megapascals being plotted on the ordinate and the deformation in percent on the abscissa.
  • Figure 4 shows the course of the voltage in the manufacture of conduits according to the conventional method.
  • the solid line starting in Coordinate origin zero over point A to point B shows the change in tension during manufacture.
  • There is a certain reduction in the O-press here marked by curve section 6.1.
  • After welding there is a vigorous expansion by means of a mechanical expander, here characterized by curve 6.2, which extends to point A.
  • the voltage drops to the value up to point B. If a sample is taken for the tensile test in a pipe produced in this way, the tension / elongation follows the curve section 7 shown in broken lines, the yield point being reached at point F and a further yield point being reached at point C.
  • Figure 5 shows the situation in the manufacture of onshore pipes.
  • a high reduction is first applied, corresponding to the extended curve 11, starting from the zero coordinate origin. This is followed by an expansion in accordance with curve 12 to point A. After the relief, the tension drops to the value in point B.
  • the tensile test yields an ordinate value F13 for the yield point, which is comparatively as large as that in FIG conventional processes.
  • the decisive difference lies in the ordinate value F'14 in the reversal of the deformation. This value F 'is approximately the same as the value F, perhaps even a little larger.
  • FIG. 6 shows the situation in the manufacture of offshore pipes.
  • the tube is first homogenized by widening and then adjusted to the diameter and compression limit by reduction.
  • the increase in the voltage is shown by the thick curve 15 starting at the zero coordinate origin.
  • the drop when the reduction is given is shown by curve 16 up to point A.
  • the tension drops to the value in point B.
  • the tension increases according to the dashed line 17 to the ordinate value 18 in point F. This lies somewhat below the comparable values F according to FIGS. 4 and 5.
  • the reversal, ie the compression test results in an ordinate value 19 at point F ', which is considerably larger than the value determined in the tensile test.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Rohren, insbesondere Großrohre nach dem UOE-Verfahren, bei dem die Rohre nach dem Innen- und Außennahtschweißen durch Kaltaufweiten kalibriert werden. Um die Festigkeits- und Verformungseigenschaften in Rohrumfangsrichtung weitgehend homogenisierend und bestimmte Eigenschaften gezielt einstellen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Rohre durch eine kombinierte Anwendung von Kaltaufweiten und Kaltreduzieren konditioniert werden, wobei je nach Anforderungsprofil die Reihenfolge und der Grad des Aufweitens bzw. Reduzierens festgelegt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Rohren, insbesondere Großrohre, nach dem UOE-Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs.
  • Das in der Fachwelt mit UOE bezeichnete Verfahren ist das am häufigsten angewandte Verfahren zur Herstellung längsnahtgeschweißter Großrohre (Stradtmann, Stahlrohr-Handbuch, 10. Auflage, Vulkan-Verlag, Essen 1996, Seiten 164-167). Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt aus einem ebenen Blech auf einer Presse mit offenen Gesenken (U-Presse) ein U-förmiges Schlitzrohr geformt. Anschließend erfolgt auf einer zweiten Presse mit sich schließenden Gesenken (O-Presse) die Rundung zu einem Rohr. Da in vielen Fällen die Rohre nach dem Innen- und Außenschweißen noch nicht die Anforderungen an Durchmesser und Rundheit erfüllen, werden sie durch Kaltaufweiten (Expandieren) kalibriert. Durch dieses Expandieren wird auch gleichzeitig ein Teil der während der Fertigung und des Schweißens sich aufbauenden Zugeigenspannungen teilweise abgebaut und auf dem größten Teil des Umfangs sogar in Druckeigenspannungen umgewandelt (Firmenprospekt Mannesmann Großrohr, Herausgeber: MRW, Ddf. 1980, S. 114-1239).
  • Nach dem UOE-Verfahren hergestellte Rohre zeigen durch das Kaltaufweiten Veränderungen der Festigkeits- und Verformeigenschaften gegenüber dem Ausgangsblech, gekennzeichnet durch Inhomogenitäten am Rohrumfang und ausgeprägte Verformungsanisotropien.
  • Insbesondere für dickwandige Offshore-Rohre und für Rohre aus Stahlgüten mit hohem Streckgrenzverhältnis haben diese Veränderungen Beeinträchtigungen der Gebrauchseigenschaften und der Bauteilsicherheit zur Folge.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Rohren, insbesondere Großrohre, nach dem UOE-Verfahren anzugeben, bei dem die Festigkeits- und Verformungseigenschaften in Rohrumfangsrichtung weitgehend homogenisiert sind und bestimmte Eigenschaften gezielt eingestellt werden können.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Rohre durch eine kombinierte Anwendung von Kaltaufweiten und Kaltreduzieren konditioniert werden, wobei je nach Anforderungsprofil die Reihenfolge und der Grad des Aufweitens bzw. Reduzierens festgelegt werden.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind darin zu sehen, daß
    • die Festigkeits- und Verformungseigenschaften in Rohrumfangsrichtung homogenisiert werden, auch von einem Rohr zum anderen, was zu einer Verringerung der Streubreite einzelner Eigenschaftsmerkmale führt
    • die Rohrfließcharakteristik je nach Anwendungszweck für Innen- und/oder Außedendruckbelastung verbessert wird
    • die Rohrfließbarkeit ganz gezielt je nach Anwendungszweck für Innen- oder Außendruckbelastung eingestellt werden kann
    • der Kollapsdruck und die Bauteilsicherheit von Offshore-Rohren erhöht wird
    • Stahlgüten mit besonders hohem Streckgrenzverhältnis besser verarbeitet werden können
    • die Umfangseigenspannungen am Rohrumfang homogenisiert werden
    • das Rohrverformungsvermögen im Gleichmaßdehnungsbereich erhöht wird
    • die Maßhaltigkeit und Rohrgeometrie (Vermeidung von Unrundheiten und Aufdachungen) verbessert wird
    • die Umformkräfte beim O-Pressen und beim Kaltaufweiten reduziert werden können.
  • Der letztgenannte Vorteil ist besonders für dickwandige Rohre von Bedeutung, da hier sowohl die O-Presse als auch der üblicherweise eingesetzte mechanische Expander bis an die Belastungsgrenze beansprucht werden. Da ein Teil der erforderlichen Umformung in die Konditionierung verlagert wird, kann dementsprechend die Belastung sowohl für die O-Presse als auch für den mechanischen Expander verringert werden.
  • Das zuvor erläuterte Verfahren ist auch anwendbar für das Dreiwalzenbiegeverfahren mit integrierter Kaltaufweitung. Im Unterschied zum UOE-Verfahren wird hier weniger
    Wert auf die Homogenisierung als vielmehr auf die Einstellung der Festigkeitseigenschaften und der Rohrgeometrie gelegt.
  • In der Zeichnung werden anhand einiger Darstellungen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.
    Es zeigen:
    • Figur 1
    eine grafische Darstellung der Gleichmaßdehnung in Rohrumfangsrichtung als Funktion des Reduktions- und des Expansionsgrades
    Figur 2
    eine grafische Darstellung des Streckgrenzenverhältnisses in Rohrumfangsrichtung als Funktion des Reduktions- und des Expansionsgrades
    Figur 3
    eine grafische Darstellung der Rt0,5 Fließgrenze über den Rohrumfang in Abhängigkeit vom Innen- oder Außendruck Teilbild a: herkömmliches Verfahren Teilbild b: neues erfindungsgemäßes Verfahren
    Figur 4
    eine grafische Darstellung des Spannungs-Dehnungsdiagrammes für die Herstellung und Prüfung nach dem herkömmlichen Verfahren
    Figur 5
    eine grafische Darstellung des Spannungs- Dehnungsdiagrammes für die Herstellung und Prüfung nach dem neuen Verfahren für die Herstellung von Onshore-Rohren
    Figur 6
    wie Fig. 5 für die Herstellung von Offshore-Rohren
  • Figur 1 zeigt eine grafische Darstellung der Gleichmaßdehnung in Rohrumfangsrichtung als Funktion des Reduktions- und Expansionsgrades. Auf der Ordinate ist die Gleichmaßdehnung in Prozent und auf der Abszisse der Verformungsgrad resultierend aus Reduktion und Expansion in Prozent aufgetragen. Die feinpunktierte gerade Linie 1 ist die Gleichmaßdehnung für das Ausgangsmaterial Blech beispielhaft für den Stahl X70-TM d.h. thermomechanisch gewalzt. Sie liegt hier oberhalb von 13 %. Der darunter liegende Kurvenzug 2 zeigt das Streuband der Versuchswerte. Bei einem Umformgrad 0 % liegen bedingt durch die Rohrherstellung die Werte der Gleichmaßdehnung schon unterhalb denen des Bleches. Wird nun im Zuge der Rohrherstellung das Rohr stark aufgeweitet, dann nimmt, wie das Bild deutlich zeigt, die Gleichmaßdehnung stark ab. Wird dagegen das Rohr reduziert, dann steigt die Gleichmaßdehnung an und kann je nach Reduktionsgrad den Ausgangswert des Bleches als Einzelwert oder sogar als Mittelwert wieder erreichen.
  • Figur 2 zeigt eine grafische Darstellung des Streckgrenzenverhältnisses in Rohrumfangsrichtung als Funktion des Reduktions- und Expansionsgrades. Auf der Ordinate ist das Streckgrenzenverhältnis Rt0,5/Rm abgetragen und auf der Abszisse der Verformungsgrad in Prozent. Die feinpunktierte gerade Linie 3 ist das Streckgrenzenverhältnis für das Ausgangsmaterial Blech. Beispielsweise soll dieses Verhältnis 0,8 betragen. Die stark ausgezogene Linie 4 zeigt den Anstieg des Streckgrenzenverhältnisses mit steigendem Expansionsgrad. Die Fortsetzung dieses Kurvenzuges in die linke Hälfte der grafischen Darstellung zeigt die Abnahme des Streckgrenzenverhältnisses, wenn die vorherige Reduktion zunehmend von einer Expansion überlagert wird. Wird dagegen sofort eine Reduktion auf das Rohr aufgegeben, dann ergibt sich die strichpunktierte Linie 5. Dieser Verlauf macht deutlich, daß selbst schon bei einer geringen Reduktion das Streckgrenzenverhältnis gegenüber dem Ausgangswert Blech stark absinkt.
  • Figur 3 zeigt in zwei Teilbildern in grafscher Form die Rt0,5-Fließgrenze über den Rohrumfang in Abhängigkeit vom Innen- oder Außendruck. Beim herkömmlichen Verfahren (linkes Teilbild a) liegen die Fließgrenzenwerte bei einer Außendruckbelastung erheblich unterhalb der bei einer Innendruckbelastung. Dies bedeutet, daß das Rohr einen geringen Kollapswiederstand aufweist. Außerdem zeigt der Verlauf über den Rohrumfang, daß die Werte ungleichmäßig verteilt sind. Dies bedeutet, daß Einflüsse von der Rohrherstellung noch deutlich sichtbar werden und das Bauteilverhalten unter Innen- oder Außendruck bestimmen. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen neuen Verfahrens (rechtes Teilbild b) werden die Werte über den Rohrumfang vergleichmäßigt. Die Fließgrenze bei Außendruckbelastung ist deutlich erhöht, so daß das so hergestellte Rohr einen höheren Kollapswiderstand aufweist.
  • In den nachfolgenden Figuren 4 bis 5 sind in grafischer Form Spannungs-Dehnungsdiagramme dargestellt, wobei auf der Ordinate die Spannung in Megapascal und auf der Abszisse die Verformung in Prozent abgetragen sind.
  • Figur 4 zeigt den Verlauf der Spannung bei der Herstellung von Leitungsrohren nach dem herkömmlichen Verfahren. Die ausgezogene Linie, beginnend im Koordinatenursprung Null über den Punkt A bis zum Punkt B, zeigt die Veränderung der Spannung bei der Herstellung. In der O-Presse findet eine gewisse Reduktion statt, hier gekennzeichnet durch den Kurvenabschnitt 6.1. Nach dem Schweißen findet eine kräftige Expansion mittels eines mechanischen Expanders statt, hier charakterisiert durch den Kurvenzug 6.2, der sich bis zum Punkt A erstreckt. Nach der Entlastung fällt die Spannung auf den Wert bis zum Punkt B ab. Wird bei einem so hergestellten Rohr eine Probe für den Zugversuch entnommen, dann folgt die Spannung/Dehnung dem gestrichelt gezeichneten Kurvenabschnitt 7, wobei beim Punkt F die Fließgrenze und bei Punkt C eine weitere Dehngrenze erreicht wird. Wird in Umkehrung statt eines Zugversuches ein Druckversuch durchgeführt, dann folgt die Spannung/Dehnung etwa dem Kurvenverlauf 8, wobei bei F' die Fließgrenze und bei C' eine weitere Stauchgrenze erreicht wird. Bedingt durch den Bauschinger-Effekt ist aber der Ordinatenwert F' 9 signifikant geringer als der Wert F entsprechend der Ordinate 10 beim Zugversuch. Diese Verhältnisse ändern sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Figur 5 zeigt die Verhältnisse bei der Herstellung von Onshore-Rohren. Bei diesen Rohren wird erfindungsgemäß zuerst eine hohe Reduktion aufgebracht entsprechend dem ausgezogenen Kurvenzug 11, beginnend im Koordinatenursprung Null. Danach erfolgt eine Expansion entsprechend dem Kurvenzug 12 bis zum Punkt A. Nach der Entlastung fällt die Spannung ab bis auf den Wert im Punkt B. Der Zugversuch ergibt für die Fließgrenze einen Ordinatenwert F13, der vergleichsweise so groß ist wie der in Figur 4 nach dem herkömmlichen Verfahren. Der entscheidende Unterschied liegt im Ordinatenwert F'14 bei der Umkehrung der Verformung. Dieser Wert F' ist annähernd gleich groß wie der Wert F, vielleicht sogar noch etwas größer.
  • Figur 6 zeigt die Verhältnisse bei der Herstellung von Offshore-Rohren. Hier wird erfindungsgemäß zuerst das Rohr durch Aufweiten homogenisiert und anschließend durch Reduktion auf Durchmesser und Stauchgrenze eingestellt. Der Anstieg der Spannung zeigt der dick ausgezogene Kurvenzug 15 beginnend beim Koordinatenursprung Null. Der Abfall bei Aufgabe der Reduktion zeigt der Kurvenzug 16 bis zum Punkt A. Nach der Entlastung sinkt die Spannung ab bis auf den Wert in Punkt B. Führt man wieder einen Zugversuch durch, dann steigt die Spannung entsprechend der gestrichelten Linie 17 bis auf den Ordinatenwert 18 im Punkt F an. Dieser liegt etwas unterhalb der vergleichbaren Werte F entsprechend den Figuren 4 und 5. Die Umkehrung, d. h. der Druckversuch ergibt einen Ordinatenwert 19 im Punkt F', der erheblich größer ist als der beim Zugversuch ermittelte Wert.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Herstellung von Rohren, insbesondere Großrohre nach dem UOE-Verfahren, bei dem die Rohre nach dem Innen- und Außennahtschweißen durch Kaltaufweiten kalibriert werden,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rohre durch eine kombinierte Anwendung von Kaltaufweiten und Kaltreduzieren konditioniert werden, wobei je nach Anforderungsprofil die Reihenfolge und der Grad des Aufweitens bzw. Reduzierens festgelegt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß für Onshore-Rohre zuerst eine Reduktion des Rohres um bis zu 2% und anschließend ein Aufweiten auf Sollmaß um bis zu 4% erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß für Offshore-Rohre zuerst ein Aufweiten des Rohres um bis zu 2% und anschließend eine Reduktion auf Sollmaß um bis zu 4% erfolgt.
EP96250126A 1995-06-14 1996-06-11 Verfahren zur Herstellung von Rohren nach dem UOE-Verfahren Expired - Lifetime EP0748875B1 (de)

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