DE2146308A1 - Gegen Wasserstoffversprödung resistente Stahlrohre hoher Streckgrenze und Stähle zur Herstellung solcher Rohre - Google Patents
Gegen Wasserstoffversprödung resistente Stahlrohre hoher Streckgrenze und Stähle zur Herstellung solcher RohreInfo
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Description
2W6308
Firma Vallourec, 7 Rond Point Bugeaud, Paris l6, Prankreich
Gegen Wasserstoffversprödung resistente Stahlrohre hoher Streckgrenze und Stähle zur Herstellung solcher Rohre
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf gegen Wasserstoffversprödung
resistente Rohre aus Stahl hoher Streckgrenze sowie Verfahren zur Herstellung dieser Rohre.
Es ist bekannt, daß die Ausbeutung von Erdöllagerstätten oder von säurehaltigen Erdgasen erhebliche Schwierigkeiten
bietet, weil die Säuren, insbesondere Schwefelwasserstoff, eine schädliche Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften
der Stahlrohre ausüben, die für die Ausbeutung der Lagerstätten eingesetzt werden.
Diese Säuren rufen eine Versprödung der üblichen Stähle hervor, so daß sich zunehmend ihre mechanischen Eigenschaften
verschlechtern, sobald sie in die säurehaltige Umgebung kommen.
Um dieses Problem zu lösen, ist bereits vorgeschlagen worden, Stähle zu verwenden, die resistent gegen eine Versprödung
sind. Solche Rohre wurden insbesondere für Erdgasbohrungen im Süden von Prankreich verwendet, wo sie zufriedenstellende
Ergebnisse geliefert haben. Diese Stähle genügen jedoch nur der Gütestufe C 75 der Vorschriften des A.P.I. (American-Petroleum-Institute),
was einer Mindeststreckgrenze von 52,8 kg/mm2 entspricht oder einer modifizierten GUtestufenvariante,
die die Bezeichnung N 80 trägt.
~2~ ORIGINAL INSPECTED
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2H6308 I
Im übrigen hat es der technische Fortschritt mit sich gebracht, daß in der Erdölindustrie jetzt Rohre benötigt werden,
welche bessere mechanische Werte haben. Bei den gegenwärtig durchgeführten Bohrungen, die in immer größere Tiefen gehen,
ergibt sich eine Steigerung der Innendrucke und eine Erhöhung der auf die Bohrrohre aufliegenden Gewichte.
Hieraus ergibt" sich ein Bedürfnis nach Stahlrohren, welche
bessere mechanische Eigenschaften und außerdem eine gute Resistenz gegen Versprödungserscheinungen unter Säure- und
Wasserstoffeinwirkungen haben.
So bemüht man sich jetzt, im Rahmen der A-P.I.-Vorschriften
eine neue Gütestufe C 95 aufzunehmen, die einer Mindeststreckgrenze von 66,8 kg/mm entspricht.
Die yorliegende Erfindung betrifft eine neue Rohrgattung für Erdölbohrungen, welche der Gütestufe C 95 der A.P.I.-Vorschriften
genügt und die Gütestufen C 75 und N 8o erfüllt, gleichzeitig aber auch ausreichende VersprÖdungsresistenz
aufweist, um säurehaltige Lagerstätten zu erschließen.
Um dieses Problem zu lösen, war es erforderlich, einen Stahl zu finden, der gleichzeitig diese von Hause aus widersprüchlichen
Bedingungen erfüllt.
Es ist zunächst notwendig, einen Stahl zur Verfügung zu haben, der zu Qualitätsrohren mit üblichen Herstellungsverfahren
weiterverarbeitet werden kann. Insbesondere muß der gewählte Stahl durch Walzen oder Strangpressen in Form von Voll- oder
Hohlblöcken hergestellt werden könrm,um anschließend durch Längs- oder Querwalzen gemäß einem der üblichen Verfahren zu
Rohren verarbeitet zu werden, ohne daß sich die Bildung von Zunder oder von Rissen ergibt und ohne daß ein anormaler Verschleiß
der bei der Verarbeitung verwendeten Werkzeuge statt-
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findet. Außerdem darf der Stahl nach seiner ersten Abkühlung keine schädliche Versprödung zeigen.
Im übrigen muß der verwendete Stahl einem industriell durchführbaren
Wärmebehandlungsverfahren unterzogen werden können. Dies gilt insbesondere bezüglich einer Wasserabschreckhärtung
nach erfolgter Erhitzung auf Austenitisierungstemperatur, die in konventionellen Anlagen durchführbar sein muß.
Außerdem muß der Stahl genügend durchgehärtet sein, um angesichts der Dickenabmessungen und der Durchmesser der üblichen
Rohre eine Härtung des gesamten Materialvolumens der Rohre
zu ermöglichen. Diese gute Härtbarkeit muß bei Temperaturen gegeben sein, welche bei den Betriebstemperaturen der einschlägigen
Industrieöfen liegt und darf nicht zur Bildung von Rissen führen. Die thermische Behandlung, welcher der
Stahl unterzogen werden muß, darf keinen erheblichen Zeitraum in Anspruch nehmen und die Behandlungstemperatur muß sich
in einem genügend breiten Bereich bewegen, um eine Steuerung in den Toleranzbereichen der Arbeitsgenauigkeit größerer
Industrieöfen zu ermöglichen.
Schließlich müssen die gewählten Stahlsorten ausreichend versprödungsresistent
in bezug auf Sären und Wasserstoffe sein.
Die Erfindung ermöglicht es, die vorstehend genannten Probleme in ihrer Gesamtheit zu lösen.
Aufgabe der Erfindung ist die Erzielung eines Stahlrohres mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, welches
außerdem eine bedeutende Versprodungsresistenz gegenüber Säuren und Wasserstoffen aufweist.
Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß das Rohr aus einem Stahl besteht, der 0,2 % bis 0,45 % C, zwischen 0,6 %
und 1,4 % Mn und 0,8 % - 2,5 #, vorzugsweise 1,2 % - 1,4 % Si
enthält.
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Die Stähle, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Rohre verwendet werden können, weisen vorzugsweise folgende zusätzliche
Merkmale in bezug auf ihre Zusammensetzung auf: Sie haben einen Chromgehalt von weniger als 1,1 % (vorzugsweise
zwischen 0,9 und 1,1 %), einen Molybdängehalt von weniger als
0,5 % sowie einen Vanädingehalt von weniger als 0,5 % und sie
weisen einen geringen Gehalt an metallischen Verunreinigungen, insbesondere einen Nickelgehalt von weniger als 0,5 %» einen
Alurainiumgehalt von weniger als 0,3 Jf, einen Schwefelgehalt
von weniger als 0,05 % und einen Phosphorgehalt von weniger
als 0,07% auf.
Die soeben definierten Stahlrohre weisen eine Streckgrenze von mindestens 63 kg/mm'
Vorschriften entspricht.
Vorschriften entspricht.
von mindestens 63 kg/mm auf, was der GUtestufe C 90 der A.P.
Diese Streckgrenzenwerte werden mit Kohle-, Mangan- und Siliziumgehalten eingestellt, die sich in der Nähe der unteren
Grenzwerte der genannten Bereiche befinden, während bei Stählen, deren Gehalte an den vorgenannten Elementen in der
Nähe der oberen Grenzwerte der Bereiche liegen, die mechanischen Werte höher liegen und man Streckgrenzen von mehr als
67 kg/mm2 erhält, was der Gütestufe C 95 der A.P.I-Vorschriften
entspricht.
Die erfindungsgemäß verwendeten Stähle weisen eine Bruchdehnung von 13 % gemäß dem Prüfstandard ISO auf, bezogen auf
eine Anfangslänge L des Prüflings von L = 5,65 χ S°'^, wobei
S.die Querschnittsflache eines homogenen Prüflings bezeichnet.
Zusätzlich zu den geschilderten guten mechanischen Eigenschaften weisen die erfindungsgemäßen Rohre die Besonderheit
auf, eine ausgezeichnete Resistenz gegen Versprödungserscheinungen durch Säuren zu besitzen, die sich in aus Bohrungen
stammenden Erdgasen oder in bereits weiterverarbeiteten säurehaltigen Erdgasen befinden, welche Wasserdampf oder eine Flüssig·
keit enthalten können. Sie weisen außerdem eine gute Korrosionsfestigkeit gegenüber Chloriden, Hydraten oder anderen
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korrosionserzeugenden Substanzen auf, wie sie in natürlichen
Gaslagerstätten enthalten sind oder durch diese Gase mitgerissen werden.
Die für die Herstellung der Rohre verwendeten Stähle sind sehr widerstandsfähig gegen eine Wasserstoffversprödung bei
gleichzeitiger Korrosionsbeständigkeit gegen Chlorverbindungen, Hydrate und andere Substanzen, die in den Gewässern enthalten
sind, welche in allen Tiefen während der Bohrung und während der Ausbeutung der Lagerstätten auftreten.
Diese Resistenz gegen Versprödung und Korrosion wird unter
den Förderbedingungen in gasförmigem oder flüssigem Milieu
bei Drucken und Temperaturen erreicht, die sehr hoch sein können, z.B. bei Drucken von mehr
Temperaturen von mehr als l6o° C.
Temperaturen von mehr als l6o° C.
können, z.B. bei Drucken von mehr als 1000 kg/cm und bei
Die erfindungsgemäßen Rohre besitzen außerdem eine erhöhte Resistenz gegen Ermüdungs- oder Alterungserscheinungen, die
infolge alternierender sich wiederholender Belastungen oder durch Biegewellen auftreten, was insbesondere dann schwerwiegend
ist, wenn diese Belastungen im wässrigen Milieu und bei pH-Werten von weniger als 7 einwirken,oder wenn solche
mechanischen Belastungen zu mehr oder minder großen statischen Belastungen hinzutreten.
Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Stähle die Herstellung von Rohren unter normalen Herstellungsbedingungen
ermöglichen und insbesondere die Herstellung von nahtlos gewalzten Rohren und sogar von geschweißten
Rohren gestatten.
Bei den geschweißten Rohren ist die thermische Behandlung der überwiegenden Masse des Rohrmaterials nicht erheblich von der
Behandlung ungeschweißter Rohre verschieden; bei Rohren ohne Schweißtnaht kann es jedoch notwendig sein, vorab eine
thermische Behandlung durchzuführen, die auf die geschweißte Zone beschränkt ist, um die Qualität und die Sicherheit der
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Schweißung vor der Endbehandlung des übrigen Rohrmaterials zu verbessern. Diese auf die Schweißzone begrenzte Behandlung
kann vorzugsweise in eine Apparatur für die Herstellung geschweißter Rohre erfolgen.
Schließlich hat es sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäßen Rohre - wahrscheinlich aufgrund ihres Siliziumgehaltes eine
erhöhte Resistenz gegen Abrieb und mechanische Erosion aufweisen, die dann auftreten kann, wenn die im Innern der
Rohre geführten Flüssigkeiten Pestteilchen enthalten, die eine Abriebwirkung entfalten.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden im nachfolgenden ohne Beschränkung der Erfindung mehrere Ausführungsbeispiele
derselben beschrieben.
Beispiel 1 Es wird ein Stahl der nachfolgenden Zusammensetzung
| verwendet: | 0,53 % |
| C | 0,66 $ |
| Mn | 1,24 % |
| Si | 0,56 % |
| Cr | 0,21 % |
| Mo | 0,026 % |
| S | 0,012 % |
| P | |
Die Herstellung der Rohre aus diesem Stahl wird im nachfolgenden beschrieben:
Der Stahl wird in einem SM-Ofen erschmolzen. Nach dem Gießen werden die Blöcke wie üblich geschöpft, geprüft und ausgebessert.
Danach werden die Böcke zu dickem Rundmaterial gewalzt, dessen Enden geschöpft werden. Die Oberfläche wird
geprüft und Oberflächenfehler beseitigt, was insbesondere durch spanabhebende Bearbeitung der gesamten Oberfläche des
Rundlings geschieht.
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Die Rundlinge werden dann in einheitlichen Längen geschnitten, wie sie für die Rohrherstellung benötigt werden. Die Rundlingsabschnitte
werden gleichmäßig auf eine Temperatur von 1250° C erhitzt und einem Schrägwalzwerk: zugeführt, wo eine
Lochung der Abschnitte erfolgt. Daran anschließend wird eine Längung und Dickenreduzierung des hohlen Rdiings in
einem Längswalzwerk durchgeführt, wonach man eine Vergleichmäßigung
der Wanddicke in einem speziellen Walzvorgang durchführt. Schließlich wird eine Warmkalibrierung des
äußeren Durchmessers durchgeführt, wonach man das Rohr langsam an der Luft abkühlen läßt.
Dasso erhaltene Rohr wird einem Rotationdressiervorgang unterzogen und danach auf Austenitisierungstemperatur erhitzt,
bis eine vollständige Umwandlung in Austenit erfolgt ist. Das gerichtete Rohr wird dann einer regelbaren Wasserhärtung
unterzogen, an die sich ein Anlaßvorgang mit gezielter Gefügeeinstellung anschließt. Eine Durchmesserkalibrierung
im Warmzustand kann am Ausgang des Anlaßofens vorgesehen werden.
Anschließend an diese Behandlung kann dann ein letztes leichtes" Rotationsdressieren erfolgen, bei dem sich praktisch
keine Kaltverformung ergibt.
Die mechanischen Werte werden danach mit den üblichen Verfahren
und das NichtVorhandensein von Fehlstellen durch eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung festgestellt.
Man schleift dann die Enden und unterzieht die Rohre einer hydrostatischen Druckprobe. Das so hergestellte Rohr entspricht
den Kennwerten der Gütestufe C 95·
-8-
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-G-Beispiel 2 Man verwendet einen Stahl folgender Zusammen
| setzung: | o,35 |
| C | 0,82 |
| Mn | 1,92 |
| Si | 0,57 |
| Cr | 0,33 |
| Mo | 0,009 |
| S | 0,010 |
| P | |
Der Stahl wird wieder in einem SM-Ofen erschmolzen. Die Vollquerschnitte werden hergestellt, indem man entweder
Blöcke abgießt oder mit einem Stranggießverfahren und dann eine Rundwalzung durchführt. Dann schöpft man die Enden,
schneidet die Knüppel in entsprechende Längen wie sie für die Herstellung von Rohren benötigt werden, nachdem man den
Oberflächenzustand überprüft hat.
Danach heizt man das Material bis auf eine Temperatur bis 1250° C auf. Mittels einer Presse wird anschließend der
Rohrabschnitt gelocht. Danach findet die Längung der Rohrluppen statt, indem diese vorher auf einen langen Dorn aus
geglättetem Stahl aufgebracht wurden und dann einem Walzverfahren unterzogen werden, das als Pilgerschrittwalzen
bekannt ist.
Dann werden wieder die Enden abgeschnitten und danach wird ein Glätten und Kalibrieren auf den endgültigen Durchmesser
durchgeführt. Daraufhin läßt man langsam abkühlen und führt
anschließend die Verfahrensschritte aus, die auch bereits im Ausführungsbeispiel 1 beschrieben worden sind.
Die mechanischen Endwerte entsprechen der Gütestufe C 95 und
man erreicht die nachfolgenden mechanischen Kennwerte:
Streckgrenze 69 kg/mm
Zugfestigkeit 88 kg/mm Bruchdehnung · 24 %
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—Q—
Beispiel 3 Es wird ein Stahl der nachfolgenden Zusammen-
| setzung | verwendet: |
| C | 0,25 |
| Mn | 0,77 |
| Si | 1,42 |
| Cr | 0,57 |
| Mo | 0,28 |
| S | 0,017 |
| P | 0,015 |
Indem man ansonsten wie im Beispiel 1 verfährt, erhält man ein Rohr, das folgende mechanische Eigenschaften aufweist:
| Streckgrenze | 63, | 5 | kg/mm |
| Zugfestigkeit | 82 | kg/mm | |
| Bruchdehnung | 24 | % |
Gemäß einer Ausführungsvariante kann man das Rohr nicht durch Walzen, sondern durch Ziehen in einer Ziehpresse herstellen,
indem man Glas als Schmiermittel benutzt.
Beispiel 4 Man verwendet einen Stahl der folgenden Zusammen-
| setzung: | 0,28 % |
| C | 0,81 % |
| Mn | 1,90 % |
| Si | 0,60 % |
| Cr | 0,076 % |
| Va | 0,015 % |
| S | 0,012 % |
| P | |
-10-
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40
Wenn man ansonsten das Herstellungsverfahren gemäß dem Au£
fUhrungsbeispiel 1 anwendet, erhält man ein Rohr mit den
nachfolgenden mechanischen Eigenschaften:
| Streckgrenze | 62 | ρ kg/mm |
| Zugfestigkeit | - 81 | kg/mrn |
| Bruchdehnung | 25 | fo |
Gemäß einer AusfUhrungsVariante des Verfahrens kann man das
Rohr aus einem Stahlblech derselben Zusammensetzung herstellen, indem man es in einer Längsnaht längs der Erzeugenden
des Rohres verschweißt.
Beispiel 5 Man verwendet einen Stahl der nachfolgenden Zusammensetzung
:
C 0,2β %
Mn 0,72 %
Si 1,95 f>
S 0,008 fo
P 0,010 fo
Indem man ansonsten bei der Herstellung gemäß Ausführungsbeispiel 2 verfährt, erhält man ein Rohr mit den nachfolgenden
mechanischen Eigenschaften:
Streckgrenze 59 kg/mm Zugfestigkeit 77 kg/rnm2 Bruchdehnung 25 fo
Beispiel 6 Es wird ein Stahl der folgenden Zusammensetzung verwendet, der in einem SM-Verfahren hergestellt
worden ist.
-11-
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2U6308
-η-
C 0,32 fo Si · 1,32 fo
Mn 0,70 fo
P 0,016 fo S . 0,027 fo
Cr 0,63 fo
Mo 0,23 f>
Ni 0,11 fo
Al 0,010 fo
Man erhält nach einer Wasserabschreckung und nach Anlassen auf 700 C die folgenden mechanischen Vierte:
Streckgrenze 73 kg/mm
2 Zugfestigkeit 91 kg/mm Bruchdehnung 24 ^
Beispiel 7 Man verwendet einen in einem Elektroofen erschmolzenen
Stahl der folgenden Zusammensetzung:
C 0,35 fo
Si 1,21 fo
Mn 0,68 fo
S 0,018 fo
P 0,012 fo
Cr 0,56 f>
Mo 0,21 #
Nach einer Wasserabschreckung und Anlassen auf 700° C ergeben
sich die folgenden mechanischen Vierte:
Streckgrenze 72 kg/mm
Zugfestigkeit 86 kg/mm
Bruchdehnung 28 fo
-12-
209817/0778
.τ12-
Eine besonders gute Resistenz gegen Versprödung kann bei den Stählen gemäß den beiden letzten Ausführungsbeispielen
festgestellt werden. Dies gilt auch ganz allgemein für solche Stähle, die 0,30 - O,35$C, 1,20 - l,40# Si und 0,9 - 1,1# Cr
enthalten.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann man das Rohr aus einem Blech herstellen, dessen St-ahl die soeben definierte Zusammensetzung
aufweist, indem eine Spiralnahtschweißiang des Bleches durchgeführt wird.
Ansprüche
209 817/0778
Claims (14)
1. Stahlrohr, insbesondere für Erdöl- oder Erdgasbohrungen mit hohen mechanischen Werten und einer hohen Resistenz
gegen Versprödung durch Wasserstoff oder Säuren, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus einem Stahl hergestellt
ist, der 0,20 - 0,45 % C, 0,6 - 1,4 % Mn und 0,8 - 2,5 % Si
enthält.
2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl einen Siliziumgehalt zwischen 1,20 und 1,40 fo aufweist.
3. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Chromgehalt des Stahles zwischen 0,9 und 1,1 % liegt.
4. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt des Stahles unter
0,5 % liegt.
5. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vanadingehalt des Stahles unter
0,5 % liegt.
6. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt des Stahles unter
0,5 % liegt.
7. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumgehalt des Stahles unter
0,03 % liegt.
8. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefelgehalt des Stahles unter
0,05 % liegt.
-14-209817/0778
2U6308
9. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stahl einen Phosphorgehalt unter 0,07 aufweist.
10. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl einer Abschreckung, vorzugsweise
einer Wasserabschreckung, unterzogen ist.
11. Rohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor der
Abschreckung eine Erhitzung zur vollständigen Austenitisierung des Stahles stattgefunden hat.
12. Rohr nach Anspruch 10,oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Stahl nach der Abschreckung einem Anlassvorgang unterzogen wurde.
13. Stahl, insbesondere Stahl für die Herstellung von Rohren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet,
daß er 0,20 - 0,45 f> C, 0,6 - 1,4 fo Mn und 0,8
- 2,5 fo, vorzugsweise 1,2 - 1,4 fo Si enthält.
14. Stahl nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er einen geringen, vorzugsweise unter 1,1 fo liegenen Chromgehalt,
einen geringen, vorzugsweise unter 0,05 f> liegenden Molybdängehalt, einen geringen, vorzugsweise unter 0,5 f>
liegenden Vanadingehalt, einen geringen, vorzugsweise unter 0,5 $>
liegenden Nickelgehalt, einen geringen, vorzugsweise unter 0,03 fo liegenen Aluminiumgehalt, einen geringen, vorzugsweise
unter 0,05 fo liegenden Schwefelgehalt und einen geringen, vorzugsweise unter 0,07 f>
liegenden Phosphorgelialt aufweist.
209817/0778
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