NO155793B - Fremgangsmaate for fremstilling av roer av sveisbart, legert staal med lavt karboninnhold. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår fremstilling av rør av legert stål, egnet for undersjøiske rørledninger for hydrokarboner, rør for oljeboring og plattformkonstruksjoner til sjøs som skal ha en særlig høy grad av sikkerhet, og for alle anvend-elser der det kreves høy duktilitet ved lave temperaturer, og særlig liten tendens til sprekkdannelse ved lave temperaturer.

Nærmere bestemt har oppfinnelsen særlig tilknytning til ut-forskning av hydrokarbonforekomster i arktiske områder og til fremstilling av rør med stor veggtykkelse.

En kjent fremgangsmåte for fremstilling av rør av denne type omfatter at det tas utgangspunkt i passende legerte stål med mangan og molybden, at det fremstilles plater, og at platene utsettes for kontrollert valsing.

Imidlertid er den således kjente fremgangsmåte begrenset til tykkelser på inntil 30 mm, og gir en rekke metallurgiske ulemper.

Således avtar f.eks. isotropien med tykkelsen, og forholdet mellom fastheten i henholdsvis tverr-retning og lengderetning kan være omtrent 0,6 - 0,7 for platetykkelse på ca. 30 mm. Dette vil si at fastheten i tverr-retningen er vesentlig mindre enn i lengderetningen.

I henhold til den foreliggende oppfinnelsen er man kommet frem til at dersom stålet i stedet for å valses formes ved sentri-fugalstøping, og dersom det sentrifugalstøpte produkt utsettes for en kontrollert nedkjøling og en passende termisk behandling, oppnås en meget finkornet ferrittisk struktur ved veggtykkelser som er vesentlig større enn 30 mm, også for tykkelser inntil 150 mm, og det oppnås mekaniske egenskaper som er forbedret og er like i alle retninger, dvs. isotropiske. Dessuten oppnås et produkt med meget god sveisbarhet. Konstateringen av dette er meget overraskende, ettersom støpte produkter hittil har vært ansett for å være av dårligere kvalitet enn valsede produkter og for å oppvise mer ujevn struktur, idet pressingen eller valsingen bryter støpestruk-turen og gjør det mulig å oppnå optimale egenskaper, i det minste ved valsing.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte for fremstilling av rør av sveisbart, legert stål med lavt karboninnhold, idet stålet omfatter, foruten jern, inntil 0,08 vekt% karbon, inntil 0,30 vekt% silisium, 1,20 - 2,20 vekt% mangan og i det minste et metall som danner karbider, slik som molybden, mellom 0,20 og 0,50 vekt%, og fremgangsmåten kjennetegnes ved at røret sentrifugalstøpes, og at røret, etter uttak fra støpeformen, utsettes for en kontrollert nedkjøling, herding og anløping.

Det kan således fremstilles stålrør med en diameter mellom 100 og 2000 mm og en veggtykkelse mellom 10 og 150 mm.

Andre særpreg og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende beskrivelse av utførelseseksempler vist på den vedføyde tegning.. Fig. 1 viser skjematisk et lengdesnitt gjennom en innretning for sentrifugalstøping av rør i en sandform. Fig. 2 viser en innretning for sentrifugalstøping av rør i en permanent form. Fig. 3 viser skjematisk hvordan enden av et støpt rør føres inn i en åpning i en ovn for termisk behandling. Fig. 4 viser et mikrografisk bilde forstørret 400 ganger, av den ferittiske struktur i et rør fremstilt i henhold til oppfinnelsen.

Oppfinnelsen er særlig egnet for rørkonstruksjoner med felles-betegnelsen off-shore konstruksjoner, dvs. konstruksjoner til bruk til sjøs, langt fra kysten, eller som undersjøiske led-ninger for hydrokarboner i arktiske områder, og særlig for produkter som skal benyttes ved lave temperaturer.

Oppfinnelsen omfatter at det utvelges legerte stål av kjent type og med lavt karboninnhold (maks. 0,08%), og med mangan og et metall som danner karbider, slik som molybden, niob, vanadium eller tantal, at stålet formes ved sentrifugalstøping for å oppnå rør, at nedkjølingen av disse rør kontrolleres og at rørene utsettes for en passende termisk behandling.

Stålet kan f.eks. ha følgende sammensetning, angitt i vekt%, i tillegg til jern:

karbon < 0,08%

silisium < 0,30%

mangan 1,20 til 2,20%

molybden 0,20 til 0,50%

svovel < 0,010%

fosfor < 0,015%

Inntil de seneste år har økningen av karboninnholdet eller kontrollert valsing vært de enkleste midler for å øke elasti-tetsgrensen, men begge disse midler medfører ulemper.

Den foreliggende oppfinnelse medfører to muliggheter for fast-hetsøkning uten å påvirke duktiliteten for stålrørene:

en finkornet ferittisk struktur,

behandling for oppnåelse av en tilstrekkelig stabil karbidfase som er homogent dispergert i feritten.

Denne finkornete ferittiske struktur og den stabile karbidfase som er homogent dispergert oppnås med den ovenfor nevnte sammensetning av karbon, silisium og mangan, idet karboninn holdet holdes over 0,03%, og at det tilsettes slike elementer som molybden, vanadium, niob eller tantal, som fremmer dannelsen av en herdbar fase og bidrar til at det dannes karbider, nitrider eller karbon-nitrider ved høye temperaturer, begren-ser den austenittiske kornstørrelse og gjør strukturen finkornet, idet innholdet av molybden, niob, vanadium, tantal og andre metaller av samme familie bevirker dannelse av karbider.

Av hensyn til desoksyderingsforholdene er det gunstig med et lite innhold av aluminium, f.eks. 0,02 - 0,08%, samt et visst innhold av kalsium og cerium.

I henhold til oppfinnelsen formes stålet ved å støpes i en sentrifugal-støpeform, som har passende lufting eller kjøling, slik som i en sandform, eller en permanent form, dvs. en metallkokille.

I eksemplet illustrert i fig. 1 utføres sentrifugalstøpingen på følgende måte: det anvendes en rørformet sentrifugeringsform med akse x-x, en spesiell sand 1, og åpninger la. Formen 1 holdes i rotasjon om sin akse x-x, f.eks. ved-hjelp av en tannkrans 2 og et tann-hjul 3 i inngrep med tannkransen, samt en drivenhet 4 med motor og eventuelt reduksjonsgir.

Det flytende stål med den angitte sammensetning støpes i sandformen 1 ved å tilføres gjennom en kanal 5, idet det er translatorisk relativ bevegelse mellom formen 1 og kanalen 5 for at det flytende metall skal kunne fordeles over hele lengden av formen. For dette formål er enten formen 1 lagret på en sleide og innrettet til translatorisk bevegelse i forhold til den faststående kanal 5, eller kanalen 5 er bevegelig mens formen 1 er fastmontert. I det viste eksempel er formen 1 fastmontert. Slike innretninger for sentrifugalstøpning er forøvrig velkjente.

Sentrifugalstøpning ved hjelp av sandform benyttes særlig ved enhetlig fremstilling eller for små serier, fordi det må benyttes en ny sandform 1 for hver støpning, idet sanden bare kan brukes en gang. Sandformer kan anvendes for sentrifugal-støpning av rør både med stor veggtykkelse og stor diameter.

Det støpes således et stålrør T med diameter som kan være på 100 - 2000 mm, og veggtykkelsen e kan være mellom 10 og 150 mm. Lengden av røret T kan variere mellom 3 og 12 m.

Ved eksempelet vist i fig. 2 anvendes en permanent støpeform, dvs. en kokille 6, mens resten av støpemaskinen tilsvarer det som er vist i fig. 1, iallefall i grove trekk. Kokillen 6 kjøles utvendig, f.eks. ved hjelp av en rørledning 7 for sprøyting av vann. Den indre vegg i kokillen 6 er foret med et ikke vist, kjent material som tjener til å beskytte kokillen og til å oppnå et rør T med riktig dimensjon. Ved denne fremgangsmåte støpes rør med utvendig diameter mellom 90 og 1000 mm, og med veggtykkelse mellom 10 og 120 mm. Lengden av rørene T kan variere mellom 2 og 10 m.

Etter sentrifugalstøpingen og før den termiske behandling ned-kjøles røret T med kontrollert hastighet. Denne nedkjølingen finner sted før røret tas ut av formen når det brukes en sandform 1, og når det brukes en kokille 6 skjer nedkjølingen i en kjølegrop etter at røret er tatt ut av kokillen.

Etter at det støpte rør er tatt ut av sandformen 1 eller kokillen 6 har røret en temmelig grov struktur.

Det uttatte rør T gjennomgår en homogeniserende behandling ved 1050°C, ved at det, som vist i fig. 3, anbringes i en ovn 8 for passende regulert termisk behandling.

Deretter kan røret utsettes for en termisk herding med regulert hastighet, fra en austenittiseringstemperatur mellom 800 og 950°C samt en termisk anløpning ved en temperatur på mellom 600 og 700°C. Disse behandlinger gjør det mulig å bestemme de mekaniske egenskaper.

De nevnte termiske behandlinger kan anvendes for rør med meget stor veggtykkelse, dvs. mellom 60 og 150 mm.

Forløpet av de termiske behandlinger er en funksjon av røre-nes veggtykkelse i hele området mellom 10 og 150 mm.

For små veggtykkelser, mellom 10 og 60 mm, er det tilstrekkelig med en herdende nedkjøling og en anløping.

Gjennomføringen av de termiske behandlinger sikrer den ønskede dannelse av ferritt og dispergering av karbider i ferritten.

Dersom et stålrør T utsettes for en mikrografisk undersøkelse med hensyn til strukturen (fig. 4), konstateres det at strukturen har meget fine, acikulære ferrittkorn. Størrelsen av kornene er større enn 10 ^ im etter ASTM-skalaen (norm E. 112-63 for kornstørrelse). Størrelsen av karbidene er 1 - 2 yum og deres innbyrdes avstand 2-10 yum. Karbidene er meget jevnt fordelt i ferritten og befinner seg i meget liten grad i korngrensene i ferritten.

Strukturen er således homogen og isotrop.

Kombinasjonen av de trekk som inngår i oppfinnelsen, nemlig valg av stålets sammensetning,

sentrifugalstøpning,

kontrollert nedkjøling, eventuell ■

homogenisering, samt herding etter austenittisering og anløp-ning, gjør at det oppnås stålrør med meget gode mekaniske egenskaper, dvs. en optimal kombinasjon av styrke og duktilitet, særlig ved lave temperaturer. Til forskjell fra kjente fremgangsmåter er kontraksjonsverdien for stål til rør i henhold til den foreliggende oppfinnelse større enn 50%, slik at

det unngås enhver risiko for "laminar tearing", dvs. laminær oppspaltning ved sveising, selv ved meget tykke rør. Dessuten er den metallurgiske tilstand for slike stål stabil, fordi den er oppnådd ved termiske behandlinger, til forskjell fra tilstander oppnådd ved termomekanisk behandling, slik som valsing.

Den lave karbonekvivalent, den finkornete ferritt, og stabi-liteten i strukturen gir et produkt som er meget godt sveisbart under alle vanlige forhold, og krever ingen forvarming, iallefall ikke for forholdsvis store veggtykkelser (60 mm). Ved riktig valg av tilsatsmaterial for sveising samt bruken av riktig teknikk er det mulig å oppnå hovedsakelig de samme mekaniske egenskaper i de soner som utsettes for høy temperatur som i materialet forøvrig. Dersom sveisingen utføres ved passende temperatur vil de mekaniske egenskaper utenfor sveisesonen ikke forandre seg, slik at de mekaniske egenskaper i sveisesonen og i materialet forøvrig er homogene.

I en følgende tabell angis tre eksempler på termisk behandling av rør i henhold til oppfinnelsen, samt et eksempel på fremstilling av et rør ved sentrifugalstøping.

Som det fremgår av den etterfølgende tabell er forskjellen mellom eksempel 1 og eksempel 2 at eksempel 2 angår et stål med niob istedet for molybden, hvilketøker den mekaniske styrke og elastisitetsgrensen uten å senke bruddforlengelsen eller seigheten.

Eksempel 3 skiller seg fra eksempel 1 ved at det inngår vanadium, med mulighet til et visst innhold av niob. Dette stål har noe forbedrede mekaniske egenskaper enn stålet angitt i eksempel 1, men bruddforlengelsen og seigheten er noe nedsatt.

I alle tre eksempler inngår meget små innhold av svovel og fosfor.

Eksempelet på fremstilling angitt i tabellen er basert på et stål i henhold til eksempel 3.

Det oppnås følgende fordeler med den foreliggende oppfinnelse :

a) Fordeler med sentrifugalstøping

Det utnyttes virkningen av sentrifugalkrefter for å gi det

støpte metall en regelmessig form i støpeformen. Metallet utsettes for en sentrifugalkraft på 80 - 120 g. På grunn av denne store sentrifugalkraft renses det flytende metall. Under virkningen av sentrifugalkraften vil tunge elementer bevege seg utover og lette elementer innover, slik at slike forurensninger som gass og urenheter som er lettere enn metallet føres inn i hulrommet. De oppsamlede forurensninger kan fjernes mekanisk. Den hurtige størkning i den avkjølte form under overtrykk gir finkornet struktur, gode mekaniske egenskaper og høy densitet. Egenskapene er hovedsakelig isotropiske.

Den kontrollerte, retningsbestemte størkning motvirker dannelsen av sprø soner..

Strukturen blir meget finkornet pga. den intense kjøling.

Etter størkning kan den termiske nedkjøling av det støpte rør kontrolleres.

b) Metallurgiske fordeler

høy renhet i metallet,

isotrope fysiske og mekaniske egenskaper,

ingen sprø soner,

god sveisbarhet.

Særlig når det gjelder sveisbarheten har sentrifugalstøpt stål gode egenskaper, pga. den homogene struktur.

Alt etter veggtykkelsen til de rør som skal fremstilles kan det tilsettes nikkel, hvilket gir høy duktilitet uten å påvirke fastheten. Mengden av nikkel kan være inntil 1, 5%.

Av hensyn til desoksydasjon kan aluminium inngå i en mengde på mellom 0,02 og 0,08 vekt%, og det kan dessuten brukes små mengder kalsium og cerium.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av rør av sveisbart, legert stål med lavt karboninnhold, idet stålet omfatter, foruten jern, inntil 0,08 vekt% karbon, inntil 0,30 vekt% silisium, 1,20 - 2,20 vekt% mangan og i det minste et metall som danner karbider, slik som molybden, mellom 0,20 og 0,50 vekt%, karakterisert vedat røret sentrifugal-støpes, og at røret, etter uttak fra støpeformen, utsettes for en kontrollert nedkjøling, herding og anløping.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat det for rør med veggtykkelser over 60 mm og inntil 150 mm utføres en homogenisering, herding og anløping.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat det for rør med veggtykkelser mellom 10 og 60 mm utføres herding og anløping.