NO174163B - Fremgangsm}te ved fremstilling av r!rformede legemer som er bestandige mot spenningsrift-korrosjon - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved fremstilling av spenningskorrosjonsbestandige rørformede gjenstander som angitt i krav l's ingress.

Ved boring av et borehull er det nødvendig for vektbelast-ning og stabilisering av borekronen at det fins vektrør og borestrengdeler med høy materialfasthet. For å kontrollere borehullets forløp under boringen og å kunne gjennomføre målrettede boringer, må man ofte og med jevne mellomrom måle hellingen og retningen av borehullet, fortrinnsvis ved hjelp av jordmagnetfeltet. Foråt det skal være mulig å gjennomføre slike målinger i hht. jordmagnetfeltet nøyaktig og uten påvirkninger, må man for disse borestrengdeler anvende fullstendig ikke-magnetiserbare materialer. Ved utprøvning av ikke-magnetiserbare vektrør er det fordelaktig å anvende en fremgangsmåte ifølge EU-PS 14 195.

For ikke-magnetiserbare vektrør ble det til å begynne med utelukkende anvendt Cu-Ni-Al-legeringer, såkalte "Monel-K"-legeringer, fordi disse er fullstendig umagnetiske, har de nødvendige fasthetsegenskaper og gjelder som forholdsvis lette å bearbeide.

"Monel-K"-legeringer er dog relativt kostbare, slik at det for å oppnå økonomiske produkter ble foreslått å anvende austenittiske stålsorter for fremstilling av ikke-magnetiserbare vektrør og borestrengdeler.

Vanlige 18/8 CrNi-stålsorter forholder seg dog magnetisk ugunstig og har lavere fasthetsegenskaper hhv. lavere flytegrenser samt dårlig skjærbarhet, slik at disse materialer er lite egnet.

For å fjerne denne lite tilfredsstillende tilstand, ble det i AT-PS 214 460 foreslått for ikke-magnetiserbare vektrør å anvende stabil-austenittiske stålsorter, især mangan-austenitter, hvorved man må øke hårdheten ved kaldherdning av rådeler som er fremstilt derav, for å oppnå høye flytegrenseverdier for materialet. Slike vektrør oppfyller i sine egenskaper de vanlige fordringer. Men de har den ulempe at de ikke er tilstrekkelig motstandsdyktige mot korrosjonsangrep, f.eks. mot agressive kloridløsninger som ofte opptrer i borehull, og at de eventuelt har en tendens til å vise spenningskorrosjon. Det kan derved opptre brudd som forårsaker bortfall av slike vektrør.

For å forbedre korrosjonsforholdet ved gode magnetiske materialegenskaper og især unngå spenningskorrosjon, ble det også ifølge AT-PS 308 793 foreslått for å fremstille vektrør og borestrengdeler å anvende legeringer med krominnhold på 20-25%, nikkelinnhold på 10-15% og nitrogen-innhold på 0,05-0,5%, hvilke ble underkastet en kaldherdning for å forhøye fasthetsegenskapene.

Også anvendelse av utskillingsherdede legeringer med innhold på ca 33% Ni, 18% Cr, 2% Ti, 0,5% Al og 0,004% N burde bringe vesentlige forbedringer av vektrørs hhv. borestreng-delers bruksegenskaper.

Det høye innhold av dyre legeringselementer i disse materialer kan dog føre til økonomiske ulemper.

For å utnytte de økonomiske fordeler ved fremstilling av vektrør av ikke-magnetiserbare og lett fastningsbare Cr-Mn-stålsorter og å forbedre deres korrosjonsforhold, især motstanden mot spenningskorrosjon, ble det også foreslått (AT-PS 364 592) å fremkalle trykkegenspenninger i over-flateområdet, især i hullrommet, på vektrøret ved innvirkning av mekanisk utløst støt- hhv. trykkenergi. Derved anvendes fortrinnsvis trykkgassdrevne slaghammere hvis hodedel har en slagbolt for å overføre den aksiale slag-bevegelse. Således fremstilte vektrør oppfyller langt på vei de fordringer som stilles til dem på oljefeltet når det gjelder deres egenskaper. De har imidlertid den ulempe at trykkegenspenninger som forhindrer spenningskorrosjon, er det bare mulig å oppnå i små dybder under overflaten. Dette er fremfor alt begrunnet ved at verktøyene ved overflatefor-mingen bare bør oppvise en begrenset slagenergi og multi-pelslag bør til stor grad unngås, fordi stålets formingevne i slagboltens virkefelt svekkes, og det oppstår sprekkdannelser. Fordi formingen av den overflatenære sone på den ene side må være flatedekkende, på den annen side bringer av ovennevnte grunner en gjentatt forming ulemper med seg, er virkningen av fremgangsmåten usikker og vanskelig å kontrollere. Under et tynt overflatesjikt hvor det hersker trykkspenninger, fins det likevel, især i hullrommet i den rørformede del, soner med høye strekkspenninger. Skader på overflaten eller små materialtrettheter kan fremkalle områder med strekkspenninger hvorved det forsterket kan inntre spenningskorrosjon. Ytterligere er det en ulempe at høye lokale fastninger av materialet som dannes ved mekanisk oppbringelse av trykkegenspenninger i den overflatenære sone, forhøyer materialets tilbøyelighet for gropkorrosjon. Ved gropkorrosjon inntreffer deretter en underløpning av trykkspenningssjiktet og en forsterket spenningskorrosjon i delen. Den mekaniske oppbringelse av trykkegenspenninger i delenes overflatesjikt har også den ulempe at bare enkle former hhv. konturer er mulige å behandle hvorved denne fremgangsmåte må skje som siste arbeidstrinn uten påfølgende kalibrering. Det er altså praktisk talt ikke mulig å oppnå trykkegenspenninger i den overflatenære sone, på kanter, gjenger, i hjørner, hull og bakdreininger samt ved avfas-ninger og ujevne overflatedeler, for å forhindre spen-ningskorros j on.

Utfra denne teknikkens stand var det oppgaven for denne oppfinnelse å unngå ovennevnte ulemper og fremskaffe en fremgangsmåte ved fremstilling av rørformede legemer som er bestandige mot spenningskorrosjon, især ikke-magnetiserbare vektrør og borestrengrør av austenittiske stålsorter. En videre oppgave for oppfinnelsen er å fremstille ifølge denne fremgangsmåte rørformede legemer som er bestandige mot korrosjon, især ikke-magnetiserbare vektrør og borestrengdeler av austenittisk stål. Denne oppgave løses ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved at gjenstanden etter oppløsningsglødning og avkjøling og etter omforming ved en temperatur på under 500°C for å høyne materialfastheten samt etter bearbeidelse hhv. anbringelse av et rørhull oppvarmes til en temperatur på 220-600°C, i det minste inntil en temperaturutjevning med en temperaturforskjell på maksimum 10°C i gjenstandens vegg, at gjenstanden holdes maksimum en tid t i minutter ved en temperatur Ti ° C ifølge ligningen

og avkjøles fra denne temperatur hhv. utgangstemperatur ved stigende borttagelse av varmeenergi i det minste fra rørgjenstandens indre overflate, og den avkjølte overflate oppviser fra utgangstemperaturen til den halve verdi mellom utgangstemperatur og værelsestemperatur et temperaturfall på minst 100°C/min.

Fordelaktig er det når gjenstanden avkjøles fra en utgangstemperatur på 280 til 500°C, især 300 til 400°C, med en temperaturforskjell i legemets vegg på høyst 6°C, fortrinnsvis høyst 3°C. Særlig fordelaktig er det når den indre overflate og den ytre overflate av det rørformede legeme avkjøles slik at den indre avkjøling gjennomføres tidsmessig minst 5 s, fortrinnsvis minst 20 s, tidligere og/eller med høyere intensitet enn den ytre overflatekjøling.

Rørformede legemer, især ikke-magnetiserbare vektrør og borestrengdeler av austenittisk stål, som er fremstilt ifølge denne fremgangsmåte, oppviser ifølge oppfinnelsen lokale strekkspenninger på mindre enn 100N/mm<2> i de overflatenære soner inntil en dybde på minst 8 mm. Særlig foretrukket er det når de overflatenære soner oppviser trykkegenspenninger inntil en dybde på minst 4 mm, fortrinnsvis på minst 8 mm, og at eventuelt opptredende strekkegenspenninger er mindre enn 150 N/mm<2> i hele veggens tverrsnitt, altså ligger under utløsningsspenningen for spenningskorrosjon, fortrinnsvis mindre enn 120 N/mm<2>.

Rørformede gjenstander, især vektstenger, utviser, på grunn av rondellens forming ved temperaturer under 500'C, hvilket tjener materialets deformasjonsherdning hhv. gir en høyere flytegrense, betydelige forskjeller i de lokale egenspenninger i veggen, nemlig trykkspenninger ved den ytre overflate og høye strekkspenninger ved hullets, altså rørhullets, overflate, hvilke strekkspenninger ligger vesentlig over grensen for utløsning av spenningskorrosjon. Det ble overraskende funnet at det i en rørformet gjenstand som består av et oppløsningsglødet, avkjølt og kaldherdet austenittisk materiale, kan fremkalles spenningstilstander ved oppvarming til tilsvarende temperaturer ved overholdelse av bestemte betingelser med påfølgende intensiverte avkjøling, hvilke spenningstUstander på grunn av plastiske forandringer i rørveggen innstiller en egenspenningstilstand som langt på vei ikke oppviser noen lokale strekkspenninger over grensen for hvor det utløses spenningskorrosjon. Videre er det, ved et tilsvarende valg av utgangstemperatur og tidsmessig gradvis og/eller med hensyn på intensiteten varierende innen- og utenpåkjøling i veggen på den rørfor-mede gjenstand, mulig å oppnå en egenspenningstilstand hvor det hersker trykkspenninger i de overflatenære områder til en dybde på minst 4 mm. Ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fremkommer således på overraskende måte en egenspenningsomleiring i veggen uten at den ved deformasjonsherdning fremkomne høye fasthet hhv. høye flytegrense i materialet blir ufordelaktig påvirket. Det er viktig at temperaturforskjellene i rørveggene etter oppvarming til utgangstemperaturen er små, fordi spenningsomleiringen ved den intensive avkjøling påvirkes ufordelaktig hhv. lykkes bare i liten grad, og en ønsket egenspenningstilstand er følgelig ikke oppnåelig. Derfor bør temperaturforskjellen i veggen holdes lavere enn 10°C. Å holde temperaturen lengre tid på utgangstemperaturen viser seg å være ugunstig, for derved bringes de oppløsningsglødede, avkjølte og deforma-sjonsherdede stålsorter, f.eks. austenittisk Mn-Cr-stål, i en sensibilisert tilstand for en interkrystallinsk forløp-ende sprekk-korrosjon. Det ble funnet at sensibiliseringen avhenger av diffusjons- og karbiddannelses- samt eventuelt nitriddannelsesprosesser, hvorved temperaturen (T) påvirker holdetiden (t) inntil sensibilisering av materialet logaritmisk ifølge ligningen

Av denne grunn bør man velge holdetiden på utgangstemperaturen mindre enn den verdi som fremkommer fra følgende ligning:

Videre er det viktig at den rørformede gjenstand avkjøles fra utgangstemperaturen ved økende varmeborttagelse i det minste fra innerveggen, fordi de høyeste, fra kaldbearbeid-ningen hhv. deformasjonsherdningen stammende strekkspenninger må omleires i området for veggens indre overflate. Ved små kjøleintensiteter frembringes ikke tilstrekkelig egenspenningsomleiring så at rørveggens avkjølte overflate bør få et temperaturfall fra utgangstemperaturen til den halve verdi mellom utgangstemperatur og værelsestemperatur på minst 100"C/min.

Det var helt overraskende at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen bevirker en egenspenningsomleiring og er anvendelig ved fremstilling av spenningskorrosjonsbestandige rørformede gjenstander, især ikke-magnetiserbare vektrør og rørstreng-deler av austenittiske stålsorter. Dessuten måtte fagver-denens fordommer overvinnes, nemlig at det ved oppvarming til høyere utgangstemperaturer skjer en ikke representerbar deformering hhv. en senkning av flytegrensen i det kaldbear-beidede materiale, og lavere utgangstemperaturer kan ikke ha noen virkning, fordi det ved påfølgende avkjøling bare oppstår elastiske materialomdannelser. Videre antok fagmannen at den forhøyde fasthet og de høye strekkspenninger i rørets overflate forårsaker sprekkdannelser, især lengdesprekker, allerede ved oppvarmingen til utgangstemperaturen. Især måtte korrosjonsfagmannen frykte at en ytterligere oppvarming av et fra oppløsningstemperaturen bråavkjølt og deformasjonsherdet material bevirker en sensibilisering som gjør materialet utsatt i kloridholdige medier med hensyn på kornnedbrytning hhv. interkrystallinske sprekkdannelse.

I det følgende illustreres oppfinnelsen nærmere ved hjelp av en tegning og et eksempel: Fig. 1 viser skjematisk spenningstilstander i veggen på en rørformet gjenstand. Etter deformasjonsherdning ved forming av rørgjenstanden ved en temperatur på under 500"C hersker det i den rørformede gjenstand egenspenninger, nemlig ved rørytterveggen A trykkspenninger, som ifølge kurve (1) overgår til høy strekkspenning mot rørinnerveggen B. Ved oppvarming til en utgangstemperatur på 200°C med en påfølgende intensivert avkjøling av rørinnerveggen reduseres bare i liten grad de der herskende strekkspenninger som vist i kurve (3). Kurvene (4) og (5) viser egenspenningsfordelingene i rørveggen ved en avkjøling fra en utgangstemperatur på 300°C (4) og 400 °C (5) . I området for ytterveggen A er spenningskurven (5) fremstilt avdelt, nemlig i en del (4a) for luftpåvirkning og en del (5b) for vannpåvirkning av ytteroverflaten. Spenningsomleiringen ved en intensivert avkjøling av rørveggen fra temperaturer på f.eks. 300 °C og 400 °C bevirker at i hele rørveggen ligger egenspenningen under 150 N/mm<2>, nemlig utløsningsspenningen for spenningskorrosjon, og bevirker således at gjenstanden er helt bestandig mot spenningskor-ros jon. Derved oppnås ved inneroverflaten trykkspenninger inntil en dybde på mer enn 4 mm.

En intensivert avkjøling fra en utgangstemperatur på f.eks. 550°C øker egentrykkspenningene og deres virkningsområde ved rørveggens inneroverflate (kurve (6)), hvilket kan utnyttes ved en sponskjærende etterkalibrering. Kurve (2) viser spenningsforløpet i en rørvegg hvilket er stillbart ved en fremgangsmåte ifølge AT-PS 364 592 hhv. teknikkens stand, hvorved det hersker høye egenspenninger ved inneroverflaten, dog overgår disse trykkspenninger i høye strekkspenninger ved liten avstand fra overflaten.

I det følgende klargjøres oppfinnelsen ved et praktisk eksempel: En blokk med en vekt på ca 3 t av Mn-Cr-N-stål med en sammensetning på 0,05% C, 19,3% Mn, 13,6% Cr, 2,1% Ni, 0,23% N (angitt i vekt%), resten var især jern, ble primærformet ved varmsmiing i en langsmimaskin til en vektstangrondell med mål på 0 196 x 8800 mm. Avkjøling fra en oppløsningsglø-detemperatur på 1020°C skjedde i et vannbasseng. Rondellen ble justert, kaldsmidd med en formingsgrad på 15%, rettet, dreiet og boret. Målene for det halvferdige produkt var: AD 0 172,3 x ID 0 70,45 x 9250 mm (AD = ytre tverrsnitt, ID = indre tverrsnitt). Egenspenningene var ved AD 0 -157 N/mm<2> (trykkegenspenning) hhv. ved ID +390 N/mm<2> (strekk-egenspenning), hvorved måleverdiene er den aritmetiske middelverdi av 3 målinger med ringkjernemetoden.

En prøve fra den ene ende på det halvferdige produkt ble i en dag utsatt for kokende, vandig løsning av mettet magnesiumklorid (42%, 154°C) hvorved det etter kort tid dannet seg sprekker utgående fra ID.

Det rørformede halvferdige produkt hhv. stangen (ca 700 mm minstelengde for ovennevnte prøve) ble oppvarmet i en elektroovn ved 415°C hvorved det forelå en temperaturforskjell på 0,8°C i rørveggen ved slutten av oppvar-mingstiden. I et spyleanlegg foretoks en jet-kjøling, først på den indre overflate med en mengde av 1500 - 2500 l/min og etter 10 til 30 s, fortrinnsvis 20 s, også på den ytre overflate med en kjølevannmengde på ca 100 l/min og meter lengde med et temperaturfall på overflaten på ca 350°C, i hvert fall til en temperatur under 100°C.

Stangens egenspenningstilstand ved ID endret seg ved denne behandling fra +390 N/mm<2> (strekkspenning) til -410 N/mm<2 >(trykkspenning). Ved det ytre tverrsnitt fikk man likeledes trykkegenspenninger på -120 N/mm<2.> Videre ble, etter avdreininger og utboringer, egenspenningene over veggstyrken målt, hvorved de målte strekkspenninger var mindre enn +110 N/mm<2>. En prøve som var fremstilt av denne stang, og som var undersøkt i den tidligere beskrevne SCC-test, forble fullstendig sprekkfri.

Av det halvferdige produkt fremstilte man en borestrengdel, og fra denne tok man ytterligere prøver på bearbeidede steder. I SCC-testen viste det seg at sponskjærende fordypninger som var anbragt i rørveggen ved fresing, dreiing og høvling, samt de NC-skårede gjenger ikke på noen måte forårsaket sprekker, hvilket er et resultat av den ikke-kritiske egenspenningstilstand i delens hele volum.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er særlig fordelaktig for austenittiske stålsorter med følgende sammensetning: C: max. 0,2 vekt%; Mn: 0-25 vekt%; Cr: 12-3 0 vekt%; Mo: 0-5 vekt%;

Ni: 0-75vekt%;., N: 0-1 vekt%; Ti: 0-3 vekt%; Nb: 0-3 vekt%; Cu: 0-3 vekt%, resten jern. Særlig foretrukket er herved Mn-Cr-austenitter med 17-20 vekt% Mn og 12-14 vekt% Cr og Cr-Ni-austenitter med 17-24 vekt% Cr og 10-20 vekt% Ni.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av spenningskorrosjonsbestandige rørformede gjenstander, især av ikke-magnetiserbare rørstenger og borerørdeler av austenittiske stålsorter, idet det etter en varmebehandling skjer en avkjøling således at innsiden av den rørformede gjenstand avkjøles hurtigere enn utsiden, karakterisert ved at gjenstanden etter oppløsningsglødning og avkjøling og etter omforming ved en temperatur på under 500°C for å høyne materialfastheten samt etter bearbeidelse hhv. anbringelse av et rørhull oppvarmes til en temperatur på 220-600<*>0, i det minste inntil en temperaturutjevning med en temperaturforskjell på maksimum 10°C i gjenstandens vegg, at gjenstanden holdes maksimum en tid t i minutter ved en temperatur T i ° C ifølge ligningen og avkjøles fra denne temperatur hhv. utgangstemperatur ved stigende borttagelse av varmeenergi i det minste fra rørgjenstandens indre overflate, og den avkjølte overflate oppviser fra utgangstemperaturen til den halve verdi mellom utgangstemperatur og værelsestemperatur et temperaturfall på minst 100°C/min.

2. Fremgangsmåte ifølge krav l karakterisert ved at gjenstanden avkjøles fra en utgangstemperatur på 280-500°C, især fra 300-400°C, med en temperaturforskjell i gjenstandens vegg på maksimum 6°C, fortrinnsvis 3°C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2 karakterisert ved at rørgjenstandens indre og ytre overflate avkjøles.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 til 3 karakterisert ved at kjølingen av den rørformede gjenstands indre overflate gjennomføres tidsmessig tidligere og/eller med høyere intensitet enn kjølingen av den ytre overflate.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4 karakterisert ved at den rørformede gjenstands indre overflate avkjøles tidsmessig minst 5 s, fortrinnsvis 20 s, før den ytre overflate avkjøles.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1 til 5 karakterisert ved at det som kjølemiddel anvendes gasser og/eller væsker, især pressluft og/eller vann.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1 til 6 karakterisert ved at det fremkalles ytterligere trykkspenninger i gjenstandens overflateområde ved innvirkning av mekanisk utløst støt- hhv. trykkenergi.