NO812301L - Fremgangsmaate for varmebehandling av metall - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte for avlastning av spenning i mikro-struktursveisesømmer og den varmepåvirkede sonen. i tilliggende basismetall ved lavlegeringsstål ved hjelp av induksjonsoppvarming ved den andre etter-sveisevarmebehandling. Det oppvarmede området blir overvåket med et strålingspyrometer for å sikre nøyaktig temperaturstyring av prosedyren.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår spenningsavlastning i mikrostrukturen til metall ved indusering av varme og nærmere bestemt spenningsavlastning ved sveisinger og omgivende område av basismetallet i lav legert stål anvendt ved vanskelige underjordiske omgivelser slik som påtruffet i petroleumsindustrien.

I mange områder av verden blir hydrogensulfid, i alminnelighet kalt "råtten gass" påtruffet hvor oljebrønner blir boret. Tilstedeværelsen av råtten gass i en brønn medfører valg., av materialer som ikke vil bli underlagt sulfidspenningsriss,

som kan bli beskrevet som sprødannelsen av et metall under den kombinerte påvirkningen av strekkspenning og korrosjon ved hydrogensulfid i en vandig omgivelse.

"The National Association of Corrosion Engineers" (NACE) har publisert et materialkrav angående "Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Material For Oil Field Equipment" NACE-standard MR-01-75 (1980 revidert), hvis standard blir anvendt som en materialretningslinje for petroleumsindustrien når det er tale om råtten gass. Standarden fremviser forskjellige krav for godtagbare utførelser i råtten gass av forskjellige ferro og ikke-ferro metaller, fremstilling, bolting, plating og belegging derav, så vel som krav for forskjellige komponenter og anordninger benyttet ved brønnboringen, under-søkelsen, produksjonen og bruken. Lav legeringsstål, som blir valgt inneholdende mindre enn omkring 5% totale lege-ringselementer er godtagbare materialer for en råtten gassomgivelse forutsatt at de møter visse krav som angitt i NACE-standard MR-01-75.

Dersom dette stålet generelt inneholder mindre enn 1% nikkel (Ni), er de aksepterbare forutsatt at de blir underlagt visse termiske behandlinger for å endre stålets mikrostruktur. Det er betonet i NACE-standarden at det er en bestemt vekselvirkning mellom sulfidspenningsriss, varmebehandling og hårdheten i metallet, hvis vekselvirkning er blitt bevist av flere laboratorier og feltdata. Hårdheten er delvis en funksjon av spenningen i mikrostrukturen, og motstandsevnen til metallet mot sulfidspenningsriss blirøket ved senkning av hårdheten ved spenningsavlastningen i mikrostrukturen ved varmebehandling. Da hårdheten er en nøyaktig, ikke destruktiv frembragt prøveparameter, blir den i stor utstrekning benyttet for å overvåke materialenes utførelse. Rockwall "C" hårdhetsskala (HRC) som benyttet i NACE-standarden er primærbasisen for bestemmelsen av en aksepterbar hårdhet for utstyr for sur gassomgivelse, selv om det er klart at andre hårdhetsskalaer kan bli anvendt ved å benytte egnede omformingsfaktorer for sammenligningen. En hårdhet på HRC 22 er som regel den maksimale hårdheten tillatt av NACE for lavlegeringsstål og sveiser derpå i en råtten gassomgivelse. En hårdhet opp til HRC 26 kan bli tolerert for visse rørformede gods, men kun dersom adekvate utførelser er vertifisert med en sulfid-spenningsrissprøve, en prosedyre som nødvendigvis medfører ekstra utlegg. Det er derfor ønskelig å tilveiebringe en hårdhet på HRC 22, idet det skal bemerkes at denne kan være gjennomsnittlig for flere prøver, så lenge som den maksimale HRC til en gjenstand ikke overskrider 23 eller 24.

I mange tilfeller kan en hårdhet på HRC 22 maksimalt for stål og sveiser derpå bli tilveiebragt ved varmebehandling av materialet eller den angjeldende innretningen i en ovn, men i andre tilfeller er dette upraktisk, slik som hvor innretningen er satt sammen og så sveiset, og hvor enheten innbefatter komponenter slik som elastomerforseglinger som blir ødelagt ved høye ovnstemperaturer. Likeledes også ved fravær av forseglinger, kan den ferdige overflaten til innretningen bli ødelagt ved utstrakt utsettelse for høye temperaturer nødvendig ved ovnsbehandlingen. Der finnes således et pro-blem ved produksjonen av noen materialer eller apparatenheter i forhold til NACE-standarden.

Foreliggende oppfinnelse innbefatter en metode for termisk behandling av lavlegeringsstål og sveiser derpå, som benytter elektrisk induksjonsoppvarming, hvis oppvarming blir overvåket som benytter et strålingspyrometer eller andre egnede innretninger, idet induksjonsoppvarmingen blir utført kun på det spesielle området som skal bli spenningsavlastet i en andre etter-sveisvarmebehandling ved en temperatur som nærmer seg det kritiske<v>punktet til det behandlede materialet for en relativt kort tidsperiode. Ved anvendelse av en slik metode blir forseglinger og andre destruktable ikke-metalliske elementer så vel som polerte overflater i relativt tett nærhet av varmebehandlingsområdet tillatt å forbli ved en lav nok temperatur for å sikre dets fullstendighet.

Foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives nærmere med hen-visning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et skjematisk riss av en innretning benyttet ved anvendelsen av foreliggende fremgangsmåte, med en innretning som skal bli varmebehandlet. Fig. 2 viser mikrostrukturen til den varmepåvirkede sonen til basismetallet tilliggende en fusjonssveis, slik som kan bli funnet ved innretningen som skal bli behandlet på fig. 1 før varmebehandlingen. Fig. 3 viser en mikrostruktur av den varme, påvirkede sonen på fig. 2 etter varmebehandlingen ved hjelp av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse.

Spenningsavlastning av mikrostrukturer i metallet ved hjelp av oppvarming i en ovn er vanlig kjent teknikk. Oppvarmingen finner sted over et relativt langt tidsrom, målt i timer. Induksjonsoppvarmingen blir imidlertid i alminnelighet ut-ført i minutter eller sekunder. Visse variabler gir forskjellige tider og temperaturer for tilveiebringelse av ekvivalente resultater fra de to oppvarmingstypene, idet for-holdet mellom disse er blitt uttrykt i følgende ligning:

hvor T_ r og tr„ er ovnstemperaturen (i grader Rankine) og henholdsvis tiden kjent for å frembringe en gitt hårdhet i et metall, og T og t^er ekvivalenttemperaturen (i grader Rankine) og tiden nødvendig for å frembringeJhårdheten med induksjonsoppvarming. C er en konstant som kan bli empirisk bestemt for et gitt métall og er tilnærmet 15 for stål med 0,25-0,50% karboninnhold. Utformingene tilveiebragt av ligningen ovenfor for tid og temperatur skal bli anvendt for induksjonsoppvarmingen av et spesielt metall er naturligvis ytterligere forfinet ved hjelp av empiriske prøver.

Fig. 1 viser en induksjonsoppvarmet innretning betegnet med 10. Induksjonsoppvarmingsinnretningen innbefatter en generator og en lastspoletransformator 12 til hvilken er forbundet en indre induksjonsspole 14 og en ytre induksjonsspole 16.

En egnet generator er en Lepel 100 kW generator, modell T-100-3kcTL. Nøyaktig temperaturstyring ved arbeidsstykket

30 blir tilveiebragt ved bruk av strålingspyrometer /;tre modus proporsjonalstyrer 18, som styrer generatoren, varierer dens utgang som reaksjon på inngangen til en infrarød føler 20, som avføler temperaturen på arbeidsstykket 30. En egnet pyrometer/styrer er IRCON, modell 6-22F15-01-000-1/620. En del av det rørformede arbeidsstykket 30 er vist anbragt mellom den indre induksjonsspolen 14 og den ytre induksjonsspolen 16. De to spolene ble anvendt for å unngå en temperatur-gradient i arbeidsstykket 30, og en ytterligere temperatur-jevnhet blir tilveiebragt ved anordning av arbeidsstykket på en roterende i jigg (ikke vist), hvorved arbeidsstykket 3 0

blir rotert om dets langsgående akse i løpet av induksjonsoppvarmingen .

For å forenkle illustrasjonen, og ikke på noen måte begrens-ende, er det viste arbeidsstykket 30 en del av et "Halliburton Services F.O. Multiple Stage Cementer", beskrevet på side

3347 til "Halliburton Services Sales and Service Catalog

Number 40". Dette arbeidssstykket har flere hindringer for ovnsspenningsavlastning, nemlig tilstedeværelsen av elastomere forseglinger 32 og en polert overflate 34. Fusjonssveisen 36 skal bli spenningsavlastet uten å ødelegge overflaten 34 eller de elastomere forseglingene 32.

"F.O. Multiple Stage Cementer" innbefatter metalliske deler av "AISI (American Iron and Steel Institute" grad 414 0" lavlegeringsstål. De elastomere forseglingene 32 har en maksimal temperaturdestruksjonstoleranse på 162°C. Den polerte overflaten vil begynne å skalle av ved 565°C. Da det er nødvendig for driften av "F.O. Multiple Stage Cementer" at hylsen 36 glir inne i den polerte overflaten 34, kan avskal-ling på overflaten 34 medføre et ubrukelig verktøy. Dersom det ikke var noen forsegling eller noen polerte overflater, kunne arbeidsstykket bli spenningsavlastet ved ovnsoppvarming i en forlenget periode ved 707°C. Da det sammensatte verk-tøyet imidlertid innbefatter disse materialene, er en ovns-behandling umulig. Følgende prosedyre, ulik en ovnsopp-varmingsbehandling, vil gi en enhet og sveiser derpå med de ønskede hårdhetskarakteristikker.

Før sammensetningen blir de metalliske delene til "F.O. Multiple Stage Cementer" i det påfølgende kalt verktøyet,

som innbefatter finkornet sømløs, varmebehandlet og normali-sert AlSI-grad 4140 "lavlegeringsstål" underkastet spennings-avlastningsoppvarming i en ovn ved 707°C i flere timer. Deretter blir den ønskede polerte overflaten 34 maskinert og verktøyet blir satt sammen med elastomerforseglinger 32.

Ved det punktet blir fusjonssveisen 36 fremstilt ved f.eks. en dekket sveiseprosess (SAW) med en foroppvarming ved sveise-punktet på 371°C, en mellompasseringstemperatur på 343°C i løpet av sveiseprosessen, fulgt av avkjøling til under M s-temperaturen, ved hvilken temperatur martensit begynner å dannes, som er tilnærmet 2 6 0°C. Mellompasseringstemperaturen senker avkjølingshastigheten til metallet til.i et godtagbart nivå og minimaliserer restspenningen i konstruksjonen. Der etter blir sveisen underlagt en ettervarme ved 426°C. En lavlegeringsstålelektrode som innbefatter mindre enn 1% nikkel (Ni) blir anvendt ved SAW-prosessen, som er en ASME (American Society of Mechanical Engineers) SF A 5.28 ER80S-D2. Slike elektroder er tilgjengelige i handelen under handels-betegnelsen "Linde 83" eller som "Page 18"."Det anvendte sveiseflussmidlet kan være et nøytralt flussmiddel, klassifisert av AWS (American Welding Society) som A5.17-76 eller A5.23-77. Et egnet flussmiddel er kjent under handels-betegnelsen "Lincoln Electric 880 Flux".

Påfølgende den første ettervarmingen blir arbeidsstykket 30 avkjølt og plassert på en jigg, som orienterer arbeidsstykket 30 mellom den indre induksjonsspolen og den ytre induksjonsspolen 16 til induksjonsoppvarmingsinnretningen 10. Arbeidsstykket 30 blir langsomt rotert på jiggen om dens

akse mellom de to spolene i løpet av hvilken rotasjon sveisen 3 6 blir underlagt en andre ettervarming ved i hovedsaken 726°C i 900 sekunder. Temperaturen blir målt ved hjelp av føleren 20 ved metallflaten til arbeidsstykket 30. Strålingspyrometer/tre modus proporsjonalstyreren 18 opprettholder denne temperaturen nøyaktig ved å styre utgangssignalet til generatoren og lastspoletransformat<p>ren 12 til induksjons-spolene 14 og 16. Når 726°C er tett opp til den kritiske temperaturen,for AlSI-grad 4140 lavlegeringsstålet ved 734°C, er det nødvendig at spenningsavlastningstemperaturen blir nøyaktig overvåket for å unngå en overkritisk temperatur i metallet.

Empiriske prøver på AlSI-grad 4140-gjenstander sveiset og underlagt en andre etteroppvarming ifølge disse spesifika-sjoner har vist at hårdheten til den varmepåvirkede sonen (HAZ) i basismetallet tilliggende sveisen ligger under HRC

23 etter spenningsavlastningen. Undersøkelsesgjenstandene ble belastet til 100% av deres tverrgående spenningsytelse-styrke med maksimal spenning over fusjonssonen til sveisen og underlagt en 5% sur saltoppløsning korroderende ved at- mosfærisk trykk ved 18°C temperatur i 30 dager. Alle gjen-standene motsto sulfidspenningsriss i denne 30 dagers perioden.

Fig. 2 og 3 på tegningene viser mikrostrukturen til HAZ til basismetallet tilliggende en sveisesøm ved 200 gangers for-størrelse på et verktøy. Av fig. 2 fremgår det at det var en moderat spenningspåvirket mikrostruktur ved HAZ etter den første ettersveiseoppvarmingen, som innbefatter martensitt så vel som bainitt, idet sistnevnte opptrer som grupper med nållignende strukturer. Fig. 3 viser HAZ tilliggende sveisingen etter den andre etteroppvarmingen og viser en mer forfinet kornstruktur i stor HAZ med medfølgende senket spenningsnivå. HAZ-hårdheten ble redusert fra HRC 29 målt på fig. 2 til HRC 20 målt på fig. 3. I løpet av spennings-avlastningsprosessen var den maksimale temperaturen ved 24 cm fra sveisesømmen langs den ytre delen av verktøyet 146°C, som er under destruksjonstemperaturen for de elastomere forseglingene 3 2 og vel under avskallingstemperaturen for den polerte overflaten 34.

Det skal bemerkes at etteroppvarmingen anvendt ved SAW-prosessen bidrar til suksessen med den påfølgende andre ettervarmingen når den øker formasjonen av bainitt (betegnet som B på fig. 2) sammen med martensitt til mikrostrukturen, som således reduserer begynnelseshårdheten til HAZ.

Det skal også bemerkes at temperaturene og tidene gitt i ovenfor nevnte illustrasjon er variabel i en viss grad for oppnåelse av det ønskede resultat. F.eks. (igjen benyttet AlSI-grad 4140 lavlegeringsstål) kan en forvarme så lav som 357°C eller så høy som 4 26°C bli anvendt med aksepterbare resultater. Den høyere forvarmetemperaturen på 426°C vil medføre mindre martensittformasjon og en mykere ettersveis-mikrostruktur, men lavere temperatur vil frembringe aksepterbare resultater. En første ettervarming ved 412°C til 482°C vil likeledes kunne bli benyttet. Den første etteroppvarmingen er mindre kritisk for oppvarmingstrinnene, som for-

m

øvrig blir benyttet for å drive ut enatonisk hydrogen fra sveisesømmen. Den mellompasserende temperaturen på 343°C er likeledes en tilnærmelse, idet den viktige betraktningen er reduksjonen av kjølehastigheten ved sveiseområdet til en aksepterbar verdi.

Det skal bemerkes at den kritiske temperaturene gitt for AlSI-grad 4140 lavlegeringsstålet kan variere merkbart fra 734°C, avhengig av den høyaktige kjemiske sammensetningen av stangstabelen tilveiebragt. Den kritiske temperaturen kan strekke seg fra 726°C til 757°C og gir således en mindre variasjon for induksjonsoppvarmingsettervarmetemperaturen. En minimumstid på 350 sekunder ved 723°C kan f.eks. bli anvendt og et akseptabelt resultat tilveiebragt. Den andre etteroppvarmingstemperaturen ved 726°C kan også bli modifi-sert nedover noe, f.eks. til 710°C på en tid tilsvarende 900 sekunder. Under denne temperaturen blir tiden for oppvarmingen for lang sett fra et økonomisk standpunkt. Dess-uten er det ønskelig å opprettholde hårdheten i området på HRC 18-22 for å bevare de mekaniske egenskapene til sveise-materialet og det omgivende basismetallet i HAZ, idet en . for lang oppvarmingstid kan forhindre dette. Utstyret benyttet i råtten gass i petroleumsindustrien kan møte API (American Petroleum Institute) L-80 spenningskravene, så vel som L-80 hårdhetskravene til maksimal HRC 23. Den godtagbare minimale spenningsytelsesstyrken er 5624 kg/cm 2. Reduksjon av hårdhet til under 18 HRC vil medføre at disse kravene ikke kan møtt. Mens det ikke er nødvendig for selve sveisesømmen å møte disse kravene, dersom hårdheten i HAZ blir redusert under 18 HRC, vil basemetallet i HAZ svekkes ved en for lav spenning.

Det skal også bemerkes at bruk av temperaturer ved andre etteroppvarmingen under 710°C i de tilfeller hvor forseglinger, polerte overflater eller andre elementer kan bli ødelagt er tilstede, kan medføre ødeleggelse for disse ele-mentene på grunn av en for lang tid i disse temperaturene som fremdeles som må ansees å være høye for å oppnå det ønskede resultatet.

Det er blitt gjort henvisninger til et spesielt eksempel hvor det behandles AlSI-grad 4140 lavlegeringsstål, men det er klart at foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til dette. Andre lavlegeringsstål, så vel som noen karbon-stål, kan underlegges en behandling på lignende måte.

Det er klart at foreliggende oppfinnelse innbefatter en ny og annen metode for varmebehandling av metaller som vil bli underlagt en råtten gassomgivelse når ovnsoppvarmingen ikke kan benyttes. I tillegg kan prosedyren bli utført innenfor r et svært kort tidsrom med store kontrollmuligheter og en høy jevnhet. Fremgangsmåten som er vist ved sveisesømmer-omgivende HAZ i basemetallet er ikke begrenset til dette, men kan naturligvis anvendes hvor nøyaktige lokale varme-behandlinger for å avlaste spenningen i mikrostrukturen til metaller er ønskelig. Det er klart at en fagmann på området vil kunne modifisere oppfinnelsen innenfor kravenes ramme.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for å tilveiebringe en hårdhet på ikke mer enn 23 på Rockwell "C"-hårdhetsskalaen i den varmepåvirkede sonen i basismetallomgivelsen av sveisesøm, karakterisert ved foroppvarming av basismetallet før sveisingen, opprettholdelse av et mer tilstrekkelig mellompasserende temperatur for å forsinke avkjølingshastigheten til sveiseområdet i en tilstrekkelig grad, sveising mens den mellompasserende temperaturen opp-rettholdes, avkjøling av sveisesømmen og basismetallet under M , første ettervarming av sveisen og basismetallet, avkjø-ling av sveisen og basismetallet, andre etteroppvarming ved induksjonsoppvarming av sveisesø mmen og tilliggende basismetall.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at metallet er AlSI-grad 4140 lavlegeringsstål, og at foroppvarmingen blir utført ved en temperatur mellom 357°C og 426°C, at den mellomliggende temperatur er 343°C, at sveisingen er en fusjonssveis, at den første etteroppvarmingen blir utført ved en temperatur mellom 412°C og 482°C og at den andre etteroppvarmingen blir utført ved en temperatur ved minst 710°C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at induksjonsoppvarmingen blir utført ved en tempe-_ råtur på minst 723°C i minst 350 sekunder.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at induksjonsoppvarmingen blir utført ved en temperatur på minst 710°C og ikke lengre enn 900 sekunder.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at induksjonsoppvarmingen blir utført ved en temperatur ved 726°C i en tid på 900 sekunder eller mindre.

6. Fremgangsmåte for varmebehandling av stål, karakterisert ved at stålet underlegges en induksjonsoppvarming i en tilstrekkelig tid ved en overkritisk temperatur for å tilveiebringe en mikrostruktur-hårdhet på Rockwell "C"-skalaen av ikke mindre enn 18, og ikke mer enn 23.

7. Fremgangsmåte for å tilveiebringe en mikrostruktur av en hårdhet på minst 18 og ikke mer enn 23 på Rockwell "C"-skalaen i den varmepåvirkede sonen som gir en sveisesøm i AlSI-grad 4140 lavlegeringsstål, karakterisert ved induksjonsoppvarming av den varmepåvirkede sonen ved en overkritisk temperatur i minst 350 sekunder.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at den overkritiske temperatur er minst 723°C.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at tiden er minst 350 sekunder eller ikke mer enn 900 sekunder.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at den overkritiske temperaturen er minst 710 C og at tiden er hovedsakelig 900 sekunder.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at den overkritiske temperaturen er 726°C og at tiden er i hovedsaken 900 sekunder eller mindre.