EP1264906B1 - Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung - Google Patents

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EP1264906B1
EP1264906B1 EP01109660A EP01109660A EP1264906B1 EP 1264906 B1 EP1264906 B1 EP 1264906B1 EP 01109660 A EP01109660 A EP 01109660A EP 01109660 A EP01109660 A EP 01109660A EP 1264906 B1 EP1264906 B1 EP 1264906B1
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nickel
copper
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copper alloy
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Klaus Dr. Ohla
Hilmar R. Dr. Müller
Frank Michael Keppeler
John Dr. Hendrik
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Wieland Werke AG
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/05—Alloys based on copper with manganese as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/06—Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to the use of a spray-compacted copper-nickel-manganese alloy as a material for the production of Drillstring.
  • the prior art components and Tools of copper materials in particular of Cu-Be alloys used, the combine these qualities in a special way.
  • the copper-beryllium spacers, the austenitic, non-magnetizable Collars (so-called “drill collars”) are used.
  • the invention is therefore based on the object to find a new use of the copper material, the required property profile also as far as possible fulfilled, but it Be-free.
  • the object is inventively by the use of a spray compacting dissolved copper-nickel-manganese alloy, consisting of 10 to 25% nickel, 10 to 25% Manganese, the rest of copper and common impurities, consists (the percentage refers to the weight), as a material for manufacturing of drill string components.
  • the primary molding process for the copper material is carried out by spray compacting (see. the so-called "OSPREY” process, for example, according to GB-A-1,379,261 / 1,599,392 or EP-A-0,225,732).
  • OSPREY spray compacting

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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung als Werkstoff zur Herstellung von Bohrstrangkomponenten.
In der Offshore-Technik werden für hohe Beanspruchungen mechanische Komponenten (wie etwa Bohrgestänge, Verschraubungen, Bolzen, etc.) verlangt, die u. a. hohe Belastbarkeit aufweisen und sehr gute Korrosionseigenschaften haben müssen sowie weder ferromagnetisch sein dürfen noch beim Aufeinanderprallen durch pyrophore Reaktionen wegspritzender Splitter Explosionen oder Feuer auslösen dürfen.
Für die in diesem Einsatzgebiet verwendeten Werkstoffe werden folgende, spezifische Eigenschaften gefordert. Hierzu zählen:
  • 1. Magnetische Eigenschaften: Um meßtechnische Anforderungen des Bohrstrangs im Bereich von Kompaßmeßsystemen zu erfüllen (Messung des Erdmagnetfelds und der daraus ableitbaren Richtungsinformation) müssen Bohrstrangkomponenten in diesem Bereich unmagnetisch sein, da in Anwesenheit von magnetischen Werkstoffen Fehlmessungen durch Beeinflussung des Magnetfeldes erfolgen. Die magnetische Suszeptibilität X sollte dementsprechend 20 . 10-6 nicht überschreiten. (Dabei gibt χ nach der GI. M = µo . X . H das Verhältnis der Magnetisierung M [ Vs / m 2] zur magnetischen Feldstärke H [ A / m] an, mit µo = 4π . 10-7 = 1,256 . 10-6 [ Vs / Am] als magnetischer Feldkonstante.)
  • 2. Streckgrenze/Härte: Der Bohrstrang unterliegt hohen mechanischen und physikalisch/chemischen Beanspruchungen. Die einzelnen Strangelemente werden durch Gewindeverbindungen miteinander verbunden. Wegen der hohen Kräfte, die im Bohrloch auftreten, werden die einzelnen Strangelemente unter Aufbringung hoher Drehmomente miteinander verschraubt. Um plastische Verformungen der Gewinde zu vermeiden, muß der Werkstoff eine hohe Streckgrenze haben.Die Bohrstrangoberflächen werden durch Abrasion und Erosion beansprucht. Der Verschleiß wird durch eine möglichst hohe Materialhärte auf ein Minimum reduziert.
  • 3. Zähigkeit: Die genauen Belastungskollektive sind in der Regel unbekannt. Untersuchungen an aufgetretenen Schäden haben jedoch gezeigt, daß sehr hohe schwingende aber auch schlagartige Belastungen auftreten können. Die Zähigkeit der eingesetzten Werkstoffe spielt daher für das sichere Funktionieren eine entscheidende Rolle. Die Zähigkeit der eingesetzten Kupferiegierung sollte deshalb für ein Festigkeitsniveau maximiert und möglichst gleichmäßig über den Querschnitt sein.
  • 4. Korrosionsbeständigkeit: Auf der Sohle des Bohrlochs werden die Felsformationen mechanisch zertrümmert und mit einer sogenannten Bohrspülung an die Oberfläche gepumpt. Erhöhte Temperatur und der chemische bzw. physikalisch-chemische Angriff durch die Spülflüssigkeit erfordern eine hohe Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Werkstoffe. Insbesondere muß der Werkstoff in schwefelhaltigen Medien resistent gegen Spannungsrißkorrosion sein.
  • 5. Freßverhalten: Die Verschraubung der einzelnen Bohrstrangelemente unter hohem Drehmoment darf zu keiner Kaltverschweißung ("Fressen") führen. Daher sollten möglichst artfremde Materialien (z. B. Stahl mit NE-Metall) miteinander verbunden werden.Bei Gewindeverbindungen von Bohrstrangkomponenten aus austenitischen, nichtmagnetisierbaren Stählen werden deshalb oftmals Zwischenstücke aus einer hochfesten Kupferlegierung dazwischengeschraubt. Als geeigneter Kupferwerkstoff wurde bisher beispielsweise Kupfer-Beryllium (UNS C 17200) eingesetzt.
    • Für diese Anforderungen werden nach dem Stand der Technik Komponenten und Werkzeuge aus Kupferwerkstoffen, insbes. aus Cu-Be-Legierungen eingesetzt, die diese Eigenschaften in besonderer Weise auf sich vereinen. Als Beispiel gelten hierfür die Kupfer-Beryllium-Zwischenstücke, die bei austenitischen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen (sog. "drill collars") verwendet werden.
    Nachdem nun das Umweltbewußtsein in der Bevölkerung immer stärker wird, rücken Gesichtspunkte der Umweltverträglichkeit und Gesundheitsgefährdung zunehmend auch in das Zentrum des Interesses von Anlagenausrüstem für die Offshöre-Technik. Jegliche Kritikpunkte gilt es zu vermeiden.
    Wegen möglicher gesundheitsgefährdender Wirkungen von Be-Stäuben und -Dämpfen, die bei unsachgemäßer Bearbeitung Be-haltiger Werkstoffe auftreten können, werden daher zunehmend Forderungen nach Be-freien Werkstoffen gestellt.
    Aus der Druckschrift US 2,234,552 ist eine Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung bekannt, die als Ersatz für Eisenlegierungen in vielen Bereichen ihren Einsatz findet. Des Weiteren ist aus der Druckschrift DE 40 06 410 A1 ein Halbzeug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem Kohlenstoffzusatz bekannt, dessen Rohling mittels dem Sprühkompaktierverfahren hergestellt ist.
    Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue Verwendung des Kupferwerkstoffes zu finden, der das geforderte Eigenschaftsprofil ebenfalls möglichst weitgehend erfüllt, dabei aber Be-frei ist.
    Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer mittels Sprühkompaktieren hergestellten Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung gelöst, die aus 10 bis 25 % Nickel, 10 bis 25 % Mangan, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht (die Prozentangabe bezieht sich auf das Gewicht), als Werkstoff zur Herstellung von Bohrstrangkomponenten.
    Es hat sich nun überraschend herausgestellt, daß mit Cu-Ni-Mn-Legierungen der vorgeschlagenen Be-freien Zusammensetzung nicht nur alle Anforderungen erfüllt werden können, sondern auch beträchtliche Vorteile in der Verfügbarkeit gegenüber den gebräuchlichen Cu-Be-Legierungen erzielt werden und durch die Herstellung mittels Sprühkompaktierens auch eine selektiv bessere technologische Eignung gefunden wird, insbes. werden die Anforderungen an Bohrstrangkomponenten gemäß API (American Petroleum Institute)-Specification 7 ("Specification for Rotary Drill Stem Elements") 38. Ed., April 1, 1994, erfüllt.
    Es sind zwar Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen als solche bereits bekannt (vgl. beispielsweise US-PS 2.234.552/DEAN) und es ist beispielsweise auch im Bereich der elektrischen und elektronischen Bauteile bekannt, die relativ teuren Cu-Be-Legierungen durch preiswertere Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen zu ersetzen, der beanspruchte Verwendungszweck für eine sprühkompaktierte Legierung dieser Art ist allerdings nicht vorbekannt.
    Der Urformprozeß für den Kupferwerkstoff erfolgt durch Sprühkompaktieren (vgl. den sog. "OSPREY"-Prozeß beispielsweise nach den GB-A- 1.379.261/1.599.392 oder EP-A- 0.225.732). Als Vorform bieten sich Bolzen an, die durch typische Warmformverfahren (Pressen, Walzen, Schmieden) zu Halbzeugfabrikaten (Stangen, Rohren, Profilen, Buchsen) verarbeitet werden.
    Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich nach den Ansprüchen 2 bis 6.

    Claims (6)

    1. Verwendung einer mittels Sprühkompaktieren hergestellten Kupfer-Nickel-Manganlegierung, bestehend aus 10 bis 25% Nickel, 10 bis 25% Mangan, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, als Werkstoff zur Herstellung von Bohrstrangkomponenten.
    2. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Legierung nach Anspruch 1, die 17 bis 23 % Nickel und 17 bis 23 % Mangan enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
    3. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die 19,5 bis 20,5 % Nickel und 19,5 bis 20,5 % Mangan enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
    4. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine homogene und seigerungsarme Verteilung aller Legierungselemente vorliegt, für den Zweck nach Anspruch 1.
    5. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Legierung nach Anspruch 4, die eine mittlere Korngröße DK = 50 bis 70 µm ein sprühkompaktierten Zustand aufweist, für den Zweck nach Anspruch 1.
    6. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Werkstoff, der die Anforderungen gemäß API (American Petroleum Institute)-Specification 7 ("Specification for Rotary Drill Stem Elements") 38. Ed., April 1, 1994, erfüllt, für den Zweck nach Anspruch 1.
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