WO2021136755A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundrohres sowie verbundrohr - Google Patents

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WO2021136755A1 PCT/EP2020/087917 EP2020087917W WO2021136755A1 WO 2021136755 A1 WO2021136755 A1 WO 2021136755A1 EP 2020087917 W EP2020087917 W EP 2020087917W WO 2021136755 A1 WO2021136755 A1 WO 2021136755A1
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pipe
tube
resistant
casing
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Torsten Beenders
Helge Dähndel
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Sms Group Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/02—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a composite pipe comprising the production of a casing pipe in the centrifugal casting process from a first material and the application of a material powder from a second material to the still hot inner wall of the casing pipe within the casting mold for the casing pipe, so that the material of the casing pipe with the Material powder introduced into the jacket tube forms an intimate bond with the formation of an inner tube.
  • a composite pipe which was produced at least partially by the centrifugal casting process is known, for example, from EP 1 802410 B1.
  • the method relates to the use of a composite pipe with a first part pipe and a second part pipe, in which one part pipe is arranged in the other part pipe, the first part pipe is a centrifugally cast pipe and the second part pipe was produced from a powder by pressure treatment using hot isostatic pressing.
  • the two part tubes can consist of the same material, the inner part tube being profiled.
  • DE 28 41 295 OS discloses a method for lining the wall of a tubular body made of steel with a wear-resistant material, preferably comprising carbide compounds, by applying a material in powder form to the inner wall rotating around the pipe axis under the influence of heat, this method being characterized in that the inner wall is heated until it melts, the wear-resistant material is introduced into the melt and then melted as the tube cools down while the tube is continuously rotating.
  • a method for producing a composite pipe is known that comprises a first part pipe and a second part pipe which are arranged one inside the other. In the composite pipe described there, the second part of the pipe is produced by spraying a powder onto the first pipe.
  • the first part tube is kept at a high temperature level after its manufacture, so that the sprayed powder is melted by the thermal energy remaining in the first part tube. As the first part tube continues to rotate, the powder and thus the second part tube to be produced are connected to the first part tube.
  • the first part tube, which forms the jacket tube consists of a high-alloy, high-temperature-resistant Fe-Cr-Ni steel, whereas the inner tube consists of a self-flowing powder alloy.
  • Containers either be made entirely of high-alloy materials, such as stainless austenitic steels or duplex steels or nickel or chromium-based alloys, or if they are made of simpler, cheaper materials such as low-alloy steels, they must be renewed at regular intervals.
  • the invention is based on the object of providing tubes which predominantly consist of an inexpensive and easy to process material, but which are nevertheless temperature-resistant, corrosion-resistant and / or wear-resistant at least on the inside.
  • One aspect of the invention relates to a method for producing a composite pipe comprising the production of a casing pipe in the centrifugal casting process from a first material and the application of a material powder from a second material to the still hot inner wall of the casing pipe within the casting mold for the casing pipe, so that the material of the casing pipe An intimate bond is formed with the material powder introduced into the casing tube to form an inner tube, the first material essentially consisting of an unalloyed or low-alloy steel and the second material forming the inner tube being selected from a group of materials comprising high-alloy steels, highly corrosion-resistant, highly wear-resistant or high temperature resistant steels and ceramic materials.
  • the method according to the invention comprises in particular the spraying of a metal powder as material powder onto the still liquid or partially liquid or not yet completely solidified inner surface of the casing tube produced as a centrifugally cast part, preferably during the centrifugal casting process.
  • the jacket tube unlike the methods known in the prior art, consists of a simple and inexpensive material.
  • the jacket tube consists of an unalloyed or low-alloy steel.
  • a low-alloy steel in the context of the present invention is to be understood as meaning a steel which comprises up to 5 percent by mass of alloy constituents.
  • the temperature of the centrifugally cast part is expediently so high when the material powder is sprayed on or applied that the sprayed material powder is at least partially melted in order to obtain an intimate material bond or a metallic bond between the two materials.
  • the material powder is applied immediately after the centrifugal casting of the jacket tube or afterwards, depending on the temperature of the jacket tube.
  • the temperature of the inner wall of the jacket tube is measured before the material powder is introduced and that material powder is then applied to the inner wall of the jacket tube as a function of time on the measured temperature.
  • a temperature measuring device can be provided on one side, preferably at the opening of the casting mold / mold opposite an inlet side, in order to be able to determine the optimal point in time for spraying the material powder via the temperature of the uncoated inner surface of the centrifugally cast part.
  • the Material powder can comprise materials selected from a group comprising rust-resistant martensitic or austenitic steels or duplex steels or other metallic materials based on nickel, chromium, copper, beryllium or titanium.
  • the material powder to be sprayed on can be reinforced with particles, for example with ceramic articles and / or other hard materials and / or with graphite particles. The inclusion of graphite particles has the particular advantage that it gives the material of the inner tube storage properties.
  • a flux for example based on phosphate or borate, can be added to improve the metallic connection between the material of the jacket pipe and the material powder to be melted.
  • a flux can be applied to the inside of the jacket tube before the material powder is sprayed on.
  • the material powder expediently comprises between 5% and 40% wear-resistant materials which are selected from a group comprising titanium carbide, titanium nitride, boron nitride, boron carbide and aluminum oxide
  • the melting temperature of the material powder is preferably between 850 ° C and 1530 ° C.
  • the material powder expediently has an average grain size which is dimensioned in such a way that, due to the kinetic energy of the powder particles, any still liquid covering or. Deoxidation layer or scale layer can be penetrated.
  • the mean grain diameter of the material powder is between 0.01 mm and 1 mm, preferably between 0.02 mm and 0.5 mm.
  • the material powder is applied to the inner wall of the casing tube while the casing tube rotates in the casting mold.
  • the material powder can be applied by means of at least one spray head that can be moved within the jacket tube in the direction of the tube axis. It is expedient to pneumatically convey the material powder to the spray head by means of an inert gas or, in the simplest case, by means of compressed air intended.
  • the spray head can also be rotated inside the jacket tube.
  • the thickness of the inner tube produced is variable. This allows the thickness of the inner tube to be matched to the desired application. This has the advantage that the amount of the relatively more expensive material powder for the inner tube can be minimized.
  • the invention further comprises the provision of a composite pipe that has preferably been produced according to the method described above, which comprises a casing pipe made of an unalloyed or low-alloy material and an inner pipe intimately connected to the material of the casing pipe made of a corrosion-resistant and / or wear-resistant and / or high-temperature-resistant material having.
  • the material of the inner tube is preferably selected from a group comprising rust-resistant martensitic or austenitic steels or duplex steels or other metallic materials based on nickel, chromium or titanium.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres umfassend die Herstellung eines Mantelrohres im Schleudergussverfahren aus einem ersten Werkstoff und das Aufbringen eines Werkstoffpulvers aus einem zweiten Werkstoff auf die noch schmelzeheiße Innenwand des Mantelrohres innerhalb der Gussform für das Mantelrohr, sodass der Werkstoff des Mantelrohres mit dem in das Mantelrohr eingebrachten Werkstoffpulver unter Bildung eines Innenrohrs einen innigen Verbund eingeht, wobei der erste Werkstoff im Wesentlichen aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl besteht und der das Innenrohr bildende zweite Werkstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe von Werkstoffen umfassend hochlegierte Stähle, hochkorrosionsfeste, hochverschleißfeste oder hochtemperaturfeste Stähle und keramische Materialien.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES VERBUNDROHRES SOWIE VERBUNDROHR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres umfassend die Herstellung eines Mantelrohres im Schleudergussverfahren aus einem ersten Werkstoff und das Aufbringen eines Werkstoffpulvers aus einem zweiten Werkstoff auf die noch schmelzeheiße Innenwand des Mantelrohres innerhalb der Gussform für das Mantelrohr, sodass der Werkstoff des Mantelrohres mit dem in das Mantelrohr eingebrachten Werkstoffpulver unter Bildung eines Innenrohrs einen innigen Verbund eingeht.
Derartige Verfahren sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt. Ein Verbundrohr, welches zumindest teilweise im Schleudergussverfahren hergestellt wurde, ist beispielsweise aus der EP 1 802410 B1 bekannt. Das Verfahren betrifft die Verwendung eines Verbundrohres mit einem ersten Teilrohr und einen zweiten Teilrohr, bei dem das eine Teilrohr in dem anderen Teilrohr angeordnet ist, das erste Teilrohr ein Schleudergussrohr ist und das zweite Teilrohr durch Druckbehandlung mittels isostatischem Heißpressen aus einem Pulver erzeugt wurde. Die beiden Teilrohre können aus dem gleichen Werkstoff bestehen, wobei das innere Teilrohr profiliert ist.
Aus der DE 28 41 295 OS ist ein Verfahren zum Auskleiden der Wandung eines rohrförmigen Körpers aus Stahl mit einem verschleißfesten, vorzugsweise Karbidverbindungen umfassenden Werkstoff durch Aufbringen eines pulverförmig vorliegenden Werkstoffs auf die um die Rohrachse rotierende Innenwand unter Einfluss von Wärme bekannt, wobei sich dieses Verfahren dadurch auszeichnet, dass die Innenwandung bis zum Schmelzen erwärmt wird, der verschleißfeste Werkstoff in die Schmelze eingebracht wird und danach mit der Abkühlung unter fortlaufender Drehung des Rohres verschmolzen wird. Aus der US 4,510,988 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres bekannt, dass ein erstes Teilrohr und ein zweites Teilrohr umfasst, die ineinander angeordnet sind. Bei dem dort beschriebenen Verbundrohr wird das zweite Teilrohr durch Aufsprühen eines Pulvers auf das erste Rohr hergestellt. Das erste Teilrohr wird nach seiner Herstellung auf einem hohen Temperaturniveau gehalten, sodass das aufgesprühte Pulver durch die im ersten Teilrohr verbliebene Wärmeenergie geschmolzen wird. Durch die weitergehende Drehung des ersten Teilrohres wird das Pulver und damit das herzustellende zweite Teilrohr mit dem ersten Teilrohr verbunden. Das erste Teilrohr, welches das Mantelrohr bildet, besteht aus einem hochlegierten, hochtemperaturfesten Fe-Cr-Ni Stahl, wohingegen das Innenrohr aus einer selbstfließenden Pulverlegierung besteht.
Für die Lagerung, den Transport oder zur Förderung von hochkorrosiven Medien, wie beispielsweise schwefelhaltigem Rohöl oder mit Sauergas versetztem Erdgas oder für den Transport von Wasserstoff müssen verwendete Rohre oder
Behältnisse entweder vollständig aus hochlegierten Werkstoffen, wie nicht rostenden austenitischen Stählen oder Duplexstählen oder Nickel bzw. Chrombasislegierungen hergestellt sein, oder sie müssen, wenn sie aus einfacheren, preiswerteren Werkstoffen, wie niedriglegierten Stählen bestehen, in regelmäßigen Abständen erneuert werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Rohre bereitzustellen, die überwiegend aus einem preisgünstigen und einfach zu verarbeitenden Werkstoff bestehen, die aber dennoch wenigstens innenseitig temperaturfest, korrosionsfest und/oder verschleißfest sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren umfassend die Merkmale des Anspruchs 1 sowie durch ein Verbundrohr umfassend die Merkmale des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres umfassend die Herstellung eines Mantelrohres im Schleudergussverfahren aus einem ersten Werkstoff und das Aufbringen eines Werkstoffpulvers aus einem zweiten Werkstoff auf die noch schmelzeheiße Innenwand des Mantelrohres innerhalb der Gussform für das Mantelrohr, sodass der Werkstoff des Mantelrohres mit dem in das Mantelrohr eingebrachten Werkstoffpulver unter Bildung eines Innenrohrs einen innigen Verbund eingeht, wobei der erste Werkstoff im Wesentlichen aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl besteht und der das Innenrohr bildende zweite Werkstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe von Werkstoffen umfassend hochlegierte Stähle, hochkorrosionsfeste, hochverschleißfeste oder hochtemperaturfeste Stähle und keramische Materialien.
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfasst insbesondere das Aufsprühen eines Metallpulvers als Werkstoffpulver auf die noch flüssige oder teilflüssige bzw. noch nicht vollständig erstarrte Innenfläche des als Schleudergussteil hergestellten Mantelrohres, vorzugsweise noch während des Schleudergussprozesses. Dabei ist ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung, dass das Mantelrohr, anders als bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren aus einem einfachen und preiswerten Werkstoff besteht. Das Mantelrohr besteht erfindungsgemäß aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl. Unter einem niedriglegierten Stahl im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Stahl zu verstehen, der bis zu 5 Masseprozent Legierungsbestandteile umfasst. Die Temperatur des Schleudergußteils ist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung zweckmäßigerweise beim Aufsprühen bzw. Aufträgen des Werkstoffpulvers so hoch, dass das aufgesprühte Werkstoffpulver zumindest an geschmolzen wird, um einen innigen Materialverbund bzw. eine metallene Verbindung beider Werkstoffe zu erhalten. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Werkstoffpulver unmittelbar nach dem Schleudergießen des Mantelrohres oder zeitlich versetzt danach aufgebracht wird, je nach Temperatur des Mantelrohres. Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperatur der Innenwand des Mantelrohres vor dem Einbringen des Werkstoffpulvers gemessen wird und dass Werkstoffpulver anschließend in zeitlicher Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur auf die Innenwand des Mantelrohres aufgebracht wird. Hierzu kann einseitig, bevorzugt an der Öffnung der Gussform/Kokille gegenüber einer Eingangsseite eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen sein, um über die Temperatur der unbeschichteten Innenfläche des Schleudergussteils den optimalen Zeitpunkt zum Aufsprühen des Werkstoffpulvers bestimmen zu können. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das Abkühlverhalten des
Mantelrohres nach dem Schleuderguss berechnet und/oder simuliert wird und dass aus der Berechnung und/oder Simulation ein optimaler Zeitpunkt für die Einbringung des Werkstoffpulvers ermittelt wird. Das Werkstoffpulver kann Werkstoffe umfassen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend rostträge martensitische oder austenitische Stähle oder Duplexstähle oder andere metallene Werkstoffe auf Nickel-, Chrom-, Kupfer-, Beryllium- oder Titanbasis. Zur Erhöhung der Resistenz gegen Verschleiß oder Korrosion kann das aufzusprühende Werkstoffpulver partikelverstärkt sein, beispielsweise mit Keramikartikeln und/oder anderen Hartstoffen und/oder mit Graphitpartikeln. Die Einlagerung von Graphitpartikeln hat insbesondere den Vorzug, dass damit dem Werkstoff des Innenrohrs Lagereigenschaften vermittelt werden. Weiterhin kann zur Verbesserung der metallischen Verbindung des Werkstoffs des Mantelrohres mit dem aufzuschmelzenden Werkstoffpulver ein Flussmittel, beispielsweise auf Phosphat- oder Boratbasis beigefügt werden. Alternativ kann vor dem Aufsprühen des Werkstoffpulvers ein Flussmittel auf die Innenseite des Mantelrohres aufgetragen werden.
Zweckmäßigerweise umfasst das Werkstoffpulver zwischen 5 % und 40 % verschleißfeste Werkstoffe, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Titancarbid, Titannitrit, Bornitrid, Borcarbid und Aluminiumoxid
Bevorzugt beträgt die Schmelztemperatur des Werkstoffpulvers zwischen 850 °C und 1530 °C.
Das Werkstoffpulver weist zweckmäßigerweise eine mittlere Korngröße aufweist, die so bemessen ist, dass aufgrund der kinetischen Energie der Pulverteilchen eine etwaige noch flüssige Deck-bzw. Deoxidationsschicht oder Zunderschicht durchdrungen werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der mittlere Korndurchmesser des Werkstoffpulvers zwischen 0,01 mm und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,02 mm und 0,5 mm beträgt.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Werkstoffpulver auf die Innenwand des Mantelrohres aufgebracht wird, während das Mantelrohr in der Gussform rotiert.
Das Werkstoffpulver kann mittels wenigstens eines innerhalb des Mantelrohres in Richtung der Rohrachse verfahrbaren Sprühkopfs aufgebracht werden. Zweckmäßigerweise ist eine pneumatische Förderung des Werkstoffpulvers an den Sprühkopf mittels eines Inertgases oder im einfachsten Fall mittels Druckluft vorgesehen. Der Sprühkopf kann zusätzlich innerhalb des Mantelrohres rotiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen und auch besonders vorteilhaft, dass die Dicke des hergestellten Innenrohres variabel ist. Dadurch lässt sich die Dicke des Innenrohres auf den gewünschten Einsatzfall abstimmen. Dies hat den Vorzug, dass die Menge des verhältnismäßig teureren Werkstoffpulvers für das Innenrohr minimiert werden kann. Die Erfindung umfasst weiterhin die Bereitstellung eines Verbundrohres, dass vorzugsweise nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, welches ein Mantelrohr aus einem unlegierten oder niedriglegierten Werkstoff und ein mit dem Werkstoff des Mantelrohres innig verbundenes Innenrohr aus einem korrosionsfesten und/oder verschleißfesten und/oder hochtemperaturfesten Werkstoff aufweist.
Vorzugsweise ist der Werkstoff des Innenrohres ausgewählt aus einer Gruppe umfassend rostträge martensitische oder austenitische Stähle oder Duplexstähle oder andere metallene Werkstoffe auf Nickel-, Chrom- oder Titanbasis.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres umfassend die Herstellung eines Mantelrohres im Schleudergussverfahren aus einem ersten Werkstoff und das Aufbringen eines Werkstoffpulvers aus einem zweiten Werkstoff auf die noch schmelzeheiße Innenwand des Mantelrohres innerhalb der Gussform für das Mantelrohr, sodass der Werkstoff des Mantelrohres mit dem in das Mantelrohr eingebrachten Werkstoffpulver unter Bildung eines
Innenrohrs einen innigen Verbund eingeht, wobei der erste Werkstoff im Wesentlichen aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl besteht und der das Innenrohr bildende zweite Werkstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe von Werkstoffen umfassend hochlegierte Stähle, hochkorrosionsfeste, hochverschleißfeste oder hochtemperaturfeste Stähle und keramische Materialien.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver auf die Innenwand des Mantelrohres aufgebracht wird, wenn sich diese noch im flüssigen oder teilflüssigen Zustand befindet.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver unmittelbar nach dem Schleudergießen des Mantelrohres oder zeitlich versetzt danach aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Innenwand des Mantelrohres vor dem Einbringen des Werkstoffpulvers gemessen wird und das Werkstoffpulver anschließend in zeitlicher Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur auf die Innenwand des Mantelrohres aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlverhalten des Mantelrohres nach dem Schleuderguss berechnet und/oder simuliert wird und dass aus der Berechnung und/oder Simulation ein optimaler Zeitpunkt für die Einbringung des Werkstoffpulvers ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver Werkstoffe umfasst, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend rostträge martensitische oder austenitische Stähle oder Duplexstähle oder andere metallene Werkstoffe auf Nickel-, Chrom-,
Kupfer-, Beryllium- oder Titanbasis.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver zwischen 5 % und 40 % an verschleißfesten Werkstoffen umfasst, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend
Titancarbid, Titannitrit, Bornitrid, Borcarbid und Aluminiumoxid.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur des Werkstoffpulvers zwischen 850 °C und 1530 °C beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Korndurchmesser des Werkstoffpulvers zwischen 0,01 mm und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,02 mm und 0,5 mm beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver auf die Innenwand des Mantelrohres aufgebracht wird, während das Mantelrohr in der Gussform rotiert.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver mittels eines vorzugsweise rotierenden und innerhalb des Mantelrohres in Richtung der Rohrachse verfahrbaren Sprühkopfs aufgebracht wird.
12. Verbundrohr, vorzugsweise hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einem Mantelrohr aus einem unlegierten oder niedriglegierten Werkstoff und einem mit dem Werkstoff des Mantelrohres innig verbunden Innenrohr aus einem korrosionsfesten und/oder verschleißfesten und/oder hochtemperaturfesten Werkstoff.
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