WO1998031843A1 - Verfahren zur herstellung nahtloser leitungsrohre mit stabiler streckgrenze bei erhöhten einsatztemperaturen - Google Patents

Verfahren zur herstellung nahtloser leitungsrohre mit stabiler streckgrenze bei erhöhten einsatztemperaturen Download PDF

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    • C22C38/12—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for producing seamless line pipes in the quality level range X 52 to X 90.
  • the hydrocarbons e.g. natural gas
  • the hydrocarbons have relatively high temperatures of e.g. Have 100 to 200 ° C.
  • the materials that can be used for conduit pipes under such conditions not only have to be sufficiently weldable and have a certain corrosion resistance, but also have to have a comparatively good yield strength stability.
  • the yield point drop should be as small as possible compared to the yield point at room temperature.
  • an essentially constant stress-strain characteristic is required, i.e. the so-called fatigue expansion should be as low as possible.
  • Tungsten is generally used relatively rarely as an alloying element. As a strong carbide former, it is regularly used to manufacture cold, hot and high-speed steels. It increases their heat resistance, temper resistance and especially wear resistance at high temperatures. In its mode of action, tungsten is similar to molybdenum, so that it can replace molybdenum in a ratio of 2: 1.
  • the object of the invention is to propose a method for the production of seamless conduits, in which a quality level in the range X 52 to X 90 can be set reliably by means of a tempering treatment, and a good yield strength stability with substantially constant stress-strain up to operating temperatures of 200 ° C. - Characteristic can be guaranteed.
  • this object is achieved by hot rolling a tube material made of a steel with the following composition (% by weight):
  • the tubes After hot-rolling and cooling the tubes, they are reheated to a temperature above AC 3 and quenched at a cooling rate of at least 15 ° C / s to below 100 ° C. Finally, the tubes are tempered in the temperature range of 500 to 700 ° C, depending on the desired quality level.
  • the tungsten content is advantageously in the range from 0.35 to 0.70%, particularly preferably in the range from 0.35 to 0.40%. It is recommended that the vanadium content be at least 0.04% adjust.
  • the steel alloy to be used for hot rolling in accordance with the invention may contain other accompanying substances without impairing its properties, such as are found in particular in the production of electrical steel.
  • these accompanying substances are copper, chromium and nickel.
  • the content limits of these accompanying substances should be limited to a maximum of 0.15%.
  • a line pipe hot-rolled according to the invention and quenched after reheating can be adjusted to any quality level in the quality level range from X 52 to X 90 by tempering.
  • the lower the tempering temperature selected the higher the strength values achieved.
  • the toughness properties are improved by higher tempering temperatures.
  • a conduit manufactured according to the invention has a stable yield point at least up to an operating temperature of 200 ° C, i.e. that the yield point drop is very small ( ⁇ 10%).
  • the stress-strain characteristic is essentially constant.
  • the weldability that is important for conduits is guaranteed.
  • the carbon equivalent according to IIW can be set to relatively low values.
  • the molybdenum content can be limited to very small values or even zero. Since tungsten is less expensive than molybdenum, the manufacturing costs of the alloy to be used according to the invention are lower.
  • the carbon equivalent values for the comparative steel were 0.44 and 0.24, respectively.
  • the alloy of the steel used according to the invention differs from the comparison alloy essentially only in that the molybdenum content is 0.15% lower and an additional content of 0.35% tungsten is added instead.
  • the steel used according to the invention when examining its strength properties at a test temperature of 160 ° C., showed a drop in yield strength of only about 5%. How the stress-strain
  • the strength level can be lowered by higher tempering temperatures and increased by lower temperatures.
  • alloys can be selected which have the quality level range from X 52 to X 90 through appropriate remuneration treatment can represent.
  • the examined steel sample according to the invention showed a notched impact value of 92 J / cm 2 with regard to the notched impact strength at a test temperature of -30 ° C (sample position: sheet center, transverse), which is to be regarded as extraordinarily good for the quality class X 85.
  • the weldability of the steel according to the invention can be classified as completely satisfactory, and there is no discernible negative influence of the alloyed tungsten.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nahtloser Leitungsrohre im Gütestufenbereich X 52 bis X 90, mit Streckgrenzenstabilität bis zu einer Einsatztemperatur von 200 °C und mit im wesentlichen stetiger Spannungs-Dehnungs-Charakteristik durch Warmwalzen eines Röhrenvormaterials aus einem Stahl, der folgende Legierungselemente (Gew.-%) enthält: C 0,06-0,18 %, Si max. 0,40 %, Mn 0,80-1,40 %, P max. 0,025 %, S max. 0,010 %, Al 0,010-0,060 %, Mo max. 0,50 %, V max. 0,10 %, Nb max. 0,10 %, N max. 0,015 %, W > 0,30-1,00 %. Rest Eisen und übliche Verunreinigungen, wobei nach dem Warmwalzen eine Wiedererwärmung der abgekühlten Rohre über AC3 erfolgt, dann die Rohre mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 15 °C/s bis auf unter 100 °C abgeschreckt und anschließend im Temperaturbereich 500 bis 700 °C angelassen werden.

Description

Verfahren zur Herstellung nahtloser Leitungsrohre mit stabiler Streckgrenze bei erhöhten Einsatztemperaturen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nahtloser Leitungsrohre im Gütestufenbereich X 52 bis X 90.
Im Zuge der Exploration der Lagerstätten von Kohlenwasserstoffen werden in zunehmendem Maße Vorkommen entdeckt, deren Förderung dadurch erschwert wird, daß die Kohlenwasserstoffe (z.B. Erdgas) relativ hohe Temperaturen von z.B. 100 bis 200 °C aufweisen. Die Werkstoffe, die für Leitungsrohre unter solchen Bedingungen verwendbar sind, müssen nicht nur eine ausreichende Schweißbarkeit und eine gewisse Korrosionsbeständigkeit aufweisen, sondern müssen auch eine vergleichsweise gute Streckgrenzenstabilität haben. Beispielsweise sollte bei einer Temperatur von 160 °C der Streckgrenzenabfall im Vergleich zur Streckgrenze bei Raumtemperatur so gering wie möglich sein. Weiterhin wird eine im wesentlichen stetige Spannungs-Dehnungs-Charakteristik verlangt, d.h. die sog. Lüdersdehnung sollte möglichst gering sein.
Wolfram wird als Legierungselement im allgemeinen relativ selten verwendet. Es findet als starker Karbidbildner regelmäßig Verwendung zur Herstellung von Kalt-, Warm- und Schnellarbeitsstählen. Es erhöht deren Warmfestigkeit, Anlaßbeständigkeit und insbesondere den Verschleißwiderstand bei hohen Temperaturen. In seiner Wirkungsweise ist Wolfram dem Molybdän ähnlich, so daß es im Verhältnis von 2:1 Molybdän ersetzen kann.
Im modernen Kraftwerkbau werden für Dampfleitungen hochwarmfeste ferritische Legierungen mit 9 bis 12 % Chrom eingesetzt. Für diese Stähle ist es bekannt, zur Steigerung der Zeitstandfestigkeit einen Anteil von 1 bis 2 % Wolfram der Legierung zuzufügen. Beispiele hierfür sind die aus Japan stammenden Legierungen P 92 und P 122 sowie die europäische Werkstoffentwicklung E 911. Für Leitungsrohrstähle ist der Einsatz von Wolfram als Legierungselement bisher völlig unbekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung nahtloser Leitungsrohre vorzuschlagen, bei dem durch eine Vergütungsbehandlung eine Gütestufe im Bereich X 52 bis X 90 sicher einstellbar ist und wobei bis zu Einsatztemperaturen von 200 °C eine gute Streckgrenzenstabilität bei im wesentlichen stetiger Spannungs-Dehnungs- Charakteristik gewährleistbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Warmwalzen eines Röhrenvormaterials aus einem Stahl mit folgender Zusammensetzung (Gew.-%):
C 0,06 - 0,18 % Si max. 0,40 %
Mn 0,80 - 1 ,40 %
P max. 0,025%
S max. 0,010 %
AI 0,010 - 0,060 % Mo max. 0,50 %
V max. 0,10 %
Nb max. 0,10 %
N max. 0,015 %
W > 0,30 - 1 ,00 % Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.
Nach dem Warmwalzen und Abkühlen der Rohre erfolgt eine Wiedererwärmung auf eine Temperatur oberhalb AC3 und ein Abschrecken mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 15 °C/s bis auf unter 100 °C. Abschließend werden die Rohre je nach gewünschter Gütestufe im Temperaturbereich von 500 bis 700 °C angelassen.
Zur Abbindung des Stickstoffgehalts ist es vielfach empfehlenswert, der verwendeten Stahllegierung bis zu 0,050 % Ti zuzusetzen. Der Wolfram-Gehalt liegt zweckmäßigerweise im Bereich von 0,35 bis 0,70 %, besonders bevorzugt im Bereich von 0,35 bis 0,40 %. Es empfiehlt sich, den Vanadium-Gehalt auf mindestens 0,04 % einzustellen. Ein Molybdän-Gehalt im Bereich von 0,05 bis 0,40 %, vorzugsweise im Bereich von 0,10 bis 0,25 % hat sich besonders bei den höheren Gütestufen als vorteilhaft erwiesen.
Die erfindungsgemäß für das Warmwalzen einzusetzende Stahllegierung darf ohne Beeinträchtigung ihrer Eigenschaften durchaus weitere Begleitstoffe enthalten, wie sie insbesondere bei der Elektrostahlerzeugung anzutreffen sind. Beispiele für diese Begleitstoffe sind etwa Kupfer, Chrom und Nickel. Die Gehaltsgrenzen dieser Begleitstoffe sollten zweckmäßig jeweils auf maximal 0,15 % beschränkt werden.
Ein erfindungsgemäß warmgewalztes und nach dem Wiedererwärmen abgeschrecktes Leitungsrohr läßt sich durch Vergütung auf eine beliebige Gütestufe im Gütestufenbereich von X 52 bis X 90 einstellen. Je niedriger die Anlaßtemperatur beim Vergüten gewählt wird, um so höher sind die erzielten Festigkeitskennwerte. Durch höhere Anlaßtemperaturen werden die Zähigkeitseigenschaften verbessert. Ein erfindungsgemäß hergestelltes Leitungsrohr weist mindestens bis zu einer Einsatztemperatur von 200 °C eine stabile Streckgrenze auf, d.h. daß der Streckgrenzenabfall sehr gering(< 10 %) ist. Die Spannungs-Dehnungs-Charakteristik ist im wesentlichen stetig. Die für Leitungsrohre wichtige Schweißbarkeit ist gewährleistet. Das Kohlenstoffäquivalent nach IIW läßt sich auf relativ geringe Werte einstellen. Der Molybdän-Gehalt kann auf sehr kleine Werte beschränkt werden oder sogar Null betragen. Da Wolfram kostengünstiger ist als Molybdän, sind die Herstellkosten der erfindungsgemäß einzusetzenden Legierung niedriger.
Die für die Erfindung entscheidend wichtige Zulegierung von Wolfram hat eine für den Fachmann überraschend positive Wirkung mit sich gebracht. Dies soll anhand eines Ausführungsbeispiels und eines Vergieichsbeispiels im folgenden verdeutlicht werden. Die Spannungs-Dehnungs-Charakteristik von Proben der beiden Beispiele ist in den Fig. 1 (Erfindung) und 2 (Vergieichsfall) grafisch dargestellt worden.
Es wurden Probestücke von jeweils 35 mm Dicke untersucht, die in Pilgerstraßensimulation gewalzt worden waren. Die für die beiden Beispiele verwendeten Legierungen sind der folgenden Tabelle zu entnehmen:
Element Erfindung Vergleichsfall C 0,13 % 0,13 %
Mn 1 ,30 % 1 ,25 %
Mo 0,15 % 0,30 %
V 0,05 % 0,05 %
Cr 0,10 % 0,10 %
W 0,35 % -
Ti 0,018 % 0,018 %
N 70 ppm 70 ppm
Für den erfindungsgemäß eingesetzten Stahl wurde das Kohlenstoffäquivalent mit dem Wert TEu = 0,42 bzw. CEPCM = 0,23 ermittelt. Für den Vergleichsstahl ergaben sich Werte für das Kohlenstoffäquivalent von 0,44 bzw. 0,24. Die Legierung des erfindungsgemäß eingesetzten Stahls unterscheidet sich von der Vergleichslegierung im wesentlichen nur dadurch, daß der Molybdän-Gehalt um 0,15 % geringer ist und statt dessen ein zusätzlicher Gehalt von 0,35 % Wolfram zugesetzt ist. Der erfindungsgemäß eingesetzte Stahl zeigte bei der Untersuchung seiner Festigkeitseigenschaften bei einer Prüftemperatur von 160 °C einen Streckgrenzenabfall von lediglich ca. 5 %. Wie der Spannungs-Dehnungs-
Charakteristik in Fig. 1 zu entnehmen ist, fallen die Spannungs-Dehnungs-Kurven bei Raumtemperatur (RT) und bei der Prüftemperatur von 160 °C ab einer plastischen Dehnung von ca. 0,7 % überraschenderweise praktisch völlig zusammen. Im Vergleich dazu zeigt das in Fig. 2 wiedergegebene analoge Spannungs-Dehnungs-Diagramm für den Molybdän-legierten Vergleichsstahl ein deutlich anderes Verhalten. Hier verläuft die Spannungs-Dehnungs-Kurve bei der Prüftemperatur von 160 °C über den gesamten untersuchten Bereich deutlich unterhalb der Spannungs-Dehnungs-Kurve bei Raumtemperatur. Dieses vergleichsweise sehr viel günstigere Spannungs- Dehnungs-Verhalten des erfindungsgemäß verwendeten Leitungsstahls war völlig unerwartet.
Die untersuchte Probe des erfindungsgemäßen Stahls wies bei einer Anlaßtemperatur von 670 °C eine Streckgrenze von Rp0ι2 == 594 MPa auf und erreichte somit das Niveau der Gütestufe X 85. Durch höhere Anlaßtemperaturen läßt sich das Festigkeitsniveau absenken und durch geringere Temperaturen erhöhen. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Gehaltsgrenzen lassen sich Legierungen auswählen, die durch entsprechende Vergütungsbehandlung den Gütestufenbereich von X 52 bis X 90 darstellen können. Die untersuchte Stahlprobe gemäß der Erfindung zeigte im Hinblick auf die Kerbschlagzähigkeit bei einer Prüftemperatur von - 30 °C (Probenlage: Blechmitte, quer) einen Wert der Kerbschlagarbeit von 92 J/cm2, der für die Güteklasse X 85 als außerordentlich gut anzusehen ist. Die Schweißbarkeit des erfindungsgemäßen Stahls ist als völlig befriedigend einzustufen, ein negativer Einfluß des zulegierten Wolframs ist nicht erkennbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung nahtloser Leitungsrohre im Gütestufenbereich X 52 bis X 90, mit Streckgrenzenstabilität bis zu einer Einsatztemperatur von 200 °C und mit im wesentlichen stetiger Spannungs-Dehnungs-Charakteristik durch Warmwalzen eines Röhrenvormateriäls aus einem Stahl, der folgende Legierungselemente (Gew.-%) enthält: C 0,06 - 0,18 % Si max. 0,40 %
Mn 0,80 - 1 ,40 %
P max. 0,025%
S max. 0,010 %
AI 0,010 - 0,060 % Mo max. 0,50 %
V max. 0,10 %
Nb max. 0,10 %
N max. 0,015 %
W > 0,30 - 1 ,00 % Rest Eisen und übliche Verunreinigungen, wobei nach dem Warmwalzen eine Wiedererwärmung der abgekühlten Rohre über AC3 erfolgt, dann die Rohre mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 15 °C/s bis auf unter 100 °C abgeschreckt und anschließend im Temperaturbereich 500 bis 700 °C angelassen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß dem einzusetzenden Stahl zur Abbindung von Stickstoff bis zu 0,050 % Ti zugesetzt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der W-Gehalt des einzusetzenden Stahls im Bereich 0,35 bis 0,70 %. insbesondere im Bereich 0,35 bis 0,40 % eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mo-Gehalt des einzusetzenden Stahls im Bereich 0,05 bis 0,40 %, insbesondere im Bereich 0,10 bis 0,25 % eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der V-Gehalt des einzusetzenden Stahls auf mindestens 0,04 % eingestellt wird.
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