DE2657269B2

DE2657269B2 - Verfahren zur Herstellung von Stahlrohren

Info

Publication number: DE2657269B2
Application number: DE2657269A
Authority: DE
Inventors: Vernon R. Northbrook Ill. Fencl (V.St.A.)
Original assignee: Grotnes Machine Works Inc Chicago Ill (vsta)
Current assignee: Grotnes Machine Works Inc Chicago Ill (vsta)
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1976-12-17
Publication date: 1979-08-23
Also published as: DE2657269A1; US4018634A; FR2336486B1; FR2336486A1; JPS5280262A; CA1038796A; IT1067294B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stahlrohren, wie es im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist

Bei einer Verformung eines Stahlrohres, bei welchem dieses zusammengedrückt wird, wird die sogenannte Ringdruckfestigkeit, d.h. die Festigkeit gegen am Umfang angreifende Druckbelastungen, erhöht, während die sogenannte Ringzugfestigkeit, d.h. die Festigkeit gegenüber Umfangsdehnungen, herabgesetzt wird. Im Fall eines Rohres, das aus einer flachen Platte mit Hilfe der bekannten »U-O«-Methode hergestellt wird, bei welcher die Platte zunächst in eine U-Form und dann in eine O-Form gebogen wird, werden Druckdeformationen auf die Platte ausgeübt, um diese zu einem runden Rohr zu formen. Das derart geformte Rohr weist dementsprechend eine relativ hohe Ringdruckfestigkeit und eine relativ niedrige Ringzugfestigkeit auf, welch letztere deutlich unter der Zugfestigkeit des plattenförmigen Ausgangsmaterials liegt Wenn derartige Rohre in Bereichen eingesetzt werden sollen, in denen hohe Dehnungsfestigkeiten verlangt werden, beispielsweise bei öl· und Gas-Pipelines, dann erhält man die erforderliche Zugfestigkeit üblicherweise durch ein Dehnen des Rohres. Da das Rohr dabei unter eine Dehnungsbelastung gesetzt wird, vergrößert sich dabei die Zugfestigkeit des Rohres, üblicherweise sogar über die Zugfestigkeit des plattenförmigen Ausgangsmaterials. Gleichzeitig wird aber die Druckfestigkeit herabgesetzt Db man das Dehnen des Rohres Üblicherweise mechanisch ausführt, gibt es normaler* weise einen kleinsten Rohrdurchmesser, unterhalb dessen der Dehnungsvorgang praktisch nicht mehr ausführbar ist, insbesondere im Fall von Rohren mit relativ dicken Wänden.

Zur Erhöhung der Ringzugfestigkeit ist es weiterhin bekannt, bei aus plattenförmigen! Material gerollten und durch eine Längsnaht verschweißten Rohren, die zu Dimensionierungszwecken und zur Erzeugung eines genau kreisförmigen Querschnittes mit einem radial nach innen gerichteten Druck beaufschlagt worden sind, durch den der Durchmesser des Rohres zwischen '/4% und «/2% verringert wird, diese Rohre einer Wärmebehandlung zu unterziehen, bei welcher die Rohre auf eine Temperatur erhöht werden, die unterhalb der Umwandlungstemperatur des Stahles liegt (DE-OS 17 58389).

Der Grund für die Erhöhung der Ringzugfestigkeit dieser Rohre liegt in einer Ausheilung von Verspannungen, die sich aufgrund des sogenannten Bauschinger-Effektes bei der Kaltverformung des Rohres ergeben. Zu einer weiteren Erhöhung der Ringzugfe&tigkeit wird

is außerdem vorgeschlagen, das Rohr zusätzlich einer Kaltdehnung zu unterwerfen.

Bei diesen bekannten Verfahren wird zwar die Ringzugfestigkeit der Rohre beträchtlich erhöht jedoch haben in dieser Weise hergestellte Rohre eine relativ geringe Ringdruckfestigkeit insbesondere, wenn die Ringzugfestigkeit durch Kaltdehnung erhöht worden ist

Den bekannten Verfahren gelingt es daher nur, entweder Rohre mit hoher Ringdrackfestigkeit oder

Rohre mit hoher Ringzugfestigkeit herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem sowohl die Ringdruckfestigkeit als auch die Ringzugfestigkeit von Rohren erhöht werden kann.

jo Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß man den Durchmesser des Rohres vor der Wärmebehandlung zur Erhöhung der Druckfestigkeit um mindestens 1,5% schrumpft

Mit diesem Verfahren, das eine relativ starke Schrumpfung der Rohre mit einer anschließenden Wärmebehandlung auf eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur vorsieht gelingt es überraschenderweise, die Ringzugfestigkeit der Rohre zu erhöhen, ohne daß die Erhöhung der Ringdruckfestigkeit der Rohre durch die relativ starke Schrumpfung wieder rückgängig gemacht wird. Dieses Ergebnis ist überraschend, weil bei herkömmlichen Verfahren in der Regel die Erhöhung der Ringzugfestigkeit eine Verringerung der Ringdruckfestigkeit bewirkt hat Es war bekannt daß eine Ringdruckfestigkeitserhöhung bei Kompression aufgrund von Gefügeänderungen auftritt von denen der Fachmann bei Kenntnis der Lehre der DE-OS 17 58 389 an sich hätte erwarten müssen, daß diese Gefügeänderungen bei der Wärmebehandlung ausheilen, so daß die Verbesserung der Ringdruckfestigkeit bei dieser Wärmebehandlung verlorengehen müßte.
Unerwarteterweise hat sich herausgestellt daß dies nicht der Fall ist sondern daß im Gegenteil diese Wärmebehandlung diese Gefügeeigenschaften zwar derail verändert daß die Ringzugfestigkeit verbessert wird, daß aber die Ringdruckfestigkeit durch die Wärmebehandlung praktisch nicht abnimmt

μ Die mit dieser Methode erzeugten Rohre sind besonders zur Verwendung als Unterwasser-Pipelines und Unterwasser-Bohrrohre geeignet Das beschriebene Verfahren ist nicht sonderlich aufwendig und kann daher in großem Umfang durchgeführt werden.

Vorzugsweise verringert man den Durchmesser des Rohres beim Schrumpfen um einen Betrag zwischen 3 und 10%. Die Erwärmung des Rohres erfolgt vorzugsweise auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen

26O⁰C und 538° C Dabei wird die Ringzugfestigkeit des Rohres mindestens 15% größer als die Zugfestigkeit des plattenförmigen Ausgangsmaterials.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient der weiteren Erläuterung. Obwohl die Erfindung anhand bestimmter Ausführungsbeispiele beschrieben wird, soll darin keine Beschränkung liegen. Entsprechende Abwandlungen und Äquivalente werden ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfaßt

Das Rohr wird zunächst aus einer flachen Stahlplatte geformt, die allgemein als »Mutterplatte« bezeichnet wird. Die Platte selbst wird gemäß den geforderten Festigkeitseigenschaften des Rohres und des besonderen Verfahrens, mit welchem das Rohr geformt und behandelt wird, ausgewählt Selbstverständlich versucht man immer, aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglichst dünnes Platteomaterial zu verwenden, aber es gibt auch Bereichern denen die Herstellung von Rohren mit immer gröSeren Wandstärken nötig wird, beispielsweise bei der Herstellung moderner Unterwasser-Pipelines mit großem Durchmesser oder bei der Verlegetechnik derartiger Rohre. Beispielsweise ist berichtet worden, daß Pläne zur Verlegung einer Pipeline in der Nordsee ein Stahlrohr mit einer besonders hohen Stahlqualität (US-Spezifikation X-80) erfordern, dessen Durchmesser 12132 cm und dessen Wandstärke 5,08 cm betragen.

Zur Formung des Rohres wird das plattenförmig«; Ausgangsmaterial, db Mutterplatte, in aufeinanderfolgenden mechanischen Bearbeitungsschritten in eine zylindrische Konfiguration gepreßt. Sowohl die Vorrichtungen als auch die Yechniken, die hierbei angewandt werden, sind allgemein begannt, beispielsweise unter der Bezeichnung »U-O«-Formung. Während des Formungsprozesses wirken auf die Metallplatte verschiedenartige Belastungen ein, aber die Hauptverformung besteht in einer Kompression in Umfangsrichtung. Als Folge davon hat das geformte Rohr eine Ringzugfestigkeit, d. h. eine Dehnfestigkeit in Umfangsrichtung, die wesentlich unter dem Zugfestigkeitswert des Ausgangsmaterials liegt Dies ergibt sich als Folge des sogenannten »Bauschinger-Effekts«, der besagt, daß plastische Druckbeanspruchung des Metalls den Belastungswert herabsetzt, bei welchem das Metall bei Dehnung nachgibt Dasselbe gilt umgekehrt Wenn im vorliegenden Zusammenhang von einer Vergrößerung der Ringzugfestigkeit die Rede ist, ist immer gemeint, daß dadurch die Streckgrenze des Metalls bei Zugbeanspruchung heraufgesetzt wird.

Der Hauptteil des Bauschinger-Effekts tritt üblicherweise im letzten Stadium des Formprozesses auf, in welchem das plattenförmige Material von der U-Form in die endgültige O-Form gepreßt wird.

Wenn das plattenförmige Ausgangsmaterial in Zylinderform gebracht ist, werden seine Längskanten durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden, so daß das fertige Rohr eine in Längsrichtung durchgehende Lot· oder Schweißnaht aufweist Nach dem Löten oder Schweißen werden die Rohre normalerweise in äft sich bekannter Art entgratet und nachgearbeitet, damit sie glatte und abgerundete Kanten haben.

Das Rohr wird daraufhin einem Schrumpfprozeß unterzogen. Bei diesem läßt man einen nach innen gerichteten Druck auf die Außenfläche des Rohres einwirken, um so den Rohrdurchmesser um mindestens 13% zu verringern. Gleichzeitig vergrößert man dabei die Rohrwandstärke und die Rohrlänge, außerdem wird der Stahl dabei kaltverfestigt Dieses Schrumpfen kann mit einer bekannten Vorrichtung durchgeführt werden, die eine kreisförmige Anordnung von Gesenken oder Stempeln aufweist, welche die gewünschte Radialbelaitung mechanisch auf das Rohr aufbringen. Die plastische Druckbelastung des Metalls während des Schrumpfens führt zu einer erhöhten Ringdruckfestigkeit des Rohres, jedoch wird dabei die Ringzugfestigkeit

ίο des Rohres verringert, was auf den oben beschriebenen Bauschinger-Effekt zurückzuführen ist

Die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich über einen relativ weiten Bereich der Schrumpfung oberhalb 1,5% des Durchmesserwertes.

is Besonders günstig erweist sich jedoch eine Schrumpfung, die den Außendurchmesser des Rohres um etwa 3 bis 10% verringert Selbstverständlich erhöht sich beim Schrumpfen auch die Wandstärke des Rohres, so daß das plattenförmige Ausgangsmaterial dünner sein muß als die erwünschte Wandstärke des fertigen Rohres.

Nach dem Schrumpfen wird das Rohr auf eine Temperatur erwärmt, die unterhalb der Umwandlungstemperatur des Stahles liegt, die aber hoch genug ist, um die Ringzugfestigkeit des Ausgangsmaterials zu erhöhen. Wenn in diesem Zusammenhang von »Umwandlungstemperatur« des Stahls gesprochen wird, so ist damit die Temperatur gemeint, bei welcher austenitische Obergänge auftreten, üblicherweise geschieht dies bei Temperaturen Ober 788° C In dem in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren wird das Rohr nur auf eine Temperatur zwischen etwa 260 und 538° C erwärmt typischerweise auf eine Temperatur von etwa 371°C
Die Wärmebehandlung des Rohres kann mit jeder geeigneten Heizvorrichtung durchgeführt werden, es ist jedoch besonders günstig, die Erwärmung mittels Induktionsheizung durchzuführen, da diese Art der Heizung besonders wirksam und besonders gut steuerbar ist Nach der Erwärmung de*. Rohres auf die erwünschte Temperatur muß dieses nicht über einen längeren Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten werden, man kann das Rohr sofort wieder abkühlen lassen.

Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt

daß diese Wärmebehandlung des geschrumpften Rohres bei relativ niedrigen Temperaturen zu einer beträchtlichen Steigung der Ringzugfestigkeit des Rohres führt während gleichzeitig die Ringdruckfestigkeit erhalten bleibt Die Zunahme der Ringzugfestigkeit ist dabei bei größerer Schrumpfung, beispielsweise in einem Bereich zwischen 3% und 10%, stärker. Offenbar schaltet die Wärmebehandlung den Bauschinger-Effekt aus, weicher die Ringzugfestigkeit während des Formens und des Schrumpfens des Rohres verringert Dabei wird die Ringzugfestigkeit des Rohres erhöht, während die Kaltverfestigung des Rohres erhalten bleibt, die offenbar die hohe Ringdruckfestigkeit des Rohres verursacht Es hat sich herausgestellt, daß durch diese kombinierte Schrumpf- und Wärmebehandlung Rohre hergestellt werden können, deren Ringzugfestigkeit so hoch liegt wie bei Röhren, die in bekannter Weise gedehnt worden sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird jedoch die Verwendung von in das Rohrinnere eintretenden Formwerkzeugen vermieden.

Außerdem ergeben sich dabei Rohre mit höherer Ringdruckfestigkeit Diese Kombination von hoher Ringzugfestigkeit und hoher Ringdruckfestigkeit ist besonders bei Unterwasser-Pipelines erwünscht, da

diese sowohl erheblichen Druck- als auch erheblichen Zugbelastungen unterliegen. In der Vergangenheit hat man das Schrumpfen von Rohren nur zur Erhöhung der Druckfestigkeit des Rohres durchgeführt, und zwar üblicherweise eher bei Bohrrohren als bei Pipeline-Rohren. Rohre, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, sind für beide Anwendungsbereiche äußerst geeignet

Zur Illustration der vorliegenden Erfindung werden im folgenden einige Beispiele angegeben:

Beispiele

Ein Rohr aus Stahl der US-Bezeichnung X-60 mit einem Außendurch.iiesser von 91,44 cm und einer

IO Wandstärke von 0,99 cm wurde in zwei 45,72 cm lange Teile zerschnitten. Der Durchmesser der Endteile dieser zwei 45,72 cm langen Rohrstücke wurde dann durch Schrumpfen in einer Durchlaufpresse derart verringert, daß die vier Endteile des Rohres um 1,5%, 3%, 4,5% und 6% geringere Durchmesser aufwiesen. Proben des Rohres wurden dann auf 0,2%-Dehngrenze, Zugfestigkeit und Dehnung in Umfangs- und Längsrichtung vor und nach dem Schrumpfprozeß untersucht, wobei entsprechend den Standardspezifikationen 5L für Leitungsrohre des API (American Petroleum Institute) vorgegangen wurde. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:

Schrumpfung, % 0 1,5

3,0

4,5

6,0

0,2%-Dehngrenze in Umfangsrichtung 47,99 45,67 46,17 46,58 48,26

in kp/mm²

Zugfestigkeit in Umfangsrichtung 60,79 54,89 55,30 55,21 55,52

kp/mm²

Dehnung in Umfangsrichtung in % 34,0 34,0 33,0 34,3 31,8

Schrumpfung, % 1,5 3,0

4,5

6,0

0,2%-Dehngrenze in Längsrichtung 55,12 57,20 59,97 62,33

in kp/mm²

Zugfestigkeit in Längsrichtung 60,15 60,43 62,97 633

in kp/mm²

Dehnung in Längsrichtung, in % 29,5 27,5 27,5 26

Anschließend wurden Proben des geschrumpften temperatur abkühlen. Die oben angegebenen UnterRohres JO Minuten lang auf eine Temperatur von 371⁰C ⁴⁰ suchungen wurden dann durchgeführt, die folgendes ererwärmt und anschließend ließ man sie auf Raum- gaben:

0,2%-Dehngrenze in Umfangsrichtung

in kp/mm²

Zugfestigkeit in Umfangsrichtung

in kp/mm²

Dehnung in Umfangsrichtung, in %

0,2% Dehngrenze in Längsrichtung

in kp/mm²

Zugfestigkeit in Längsrichtung

in kp/mm²

Dehnung in Längsrichtung, in %

Schrumpfung 1,5	in % 3,0	4,5	• 6,0
55,39	54,98	59,84	60,02
59,75	59,66	63,06	63,42
30,5 57,C2	30,8 59,84	27,0 59,52	24,0 62,79
60,65	62,65	62,70	64,S8
29,3	28,5	27,3	26,5

Die Wärmebehandlung hat also die 0,2%-Dehngrenze in Umfangsrichtung der vier Proben um 213, 19,1, 28,4 bzw. 243% über die entsprechende Dehngrenze der geschrumpften Proben vor der Wärmebehandlung erhöht Die Zugfestigkeit in Umfangsrichtung Siegt sogar um 15,4, 14.5, 24,6 bzw. 25,1% Über der des plattenförmigen Ausgangsmaterials, alro Jer Mutterplatte. Die Zugfestigkeit in Umfangsrichtung wurde ebenfalls um 8,8, 7,9, 14,1 bzw. 14,2% über die entsprechenden Zugfestigkeitswerte in Umfangsrichtung der geschrumpften Proben vor der Wärmebehandlung gesteigert

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Stahlrohren verbesserter Ringzug- und Ringdruckfestigkeit, aus Blechen oder Platten durch Umbiegen und Verschweißen oder Verlöten, bei dem man das Rohr durch Beaufschlagung der Rohraußenfläche mit einem radial nach innen wirkenden Druck schrumpft und bei dem man das Rohr dann auf eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur des Stahles erwärmt, die so hoch gewählt ist, daß die Ringzugfestigkeit des Rohres erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daB man den Durchmesser des Rohres vor der Wärmebehandlung zur Erhöhung der Druckfestigkeit um mindestens 13% schrumpft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB man den Durchmesser des Rohres beim Schrumpfen um einen Betrag zwischen 3 und 10% verringert

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daB das Rohr auf eine Temperatur fan Bereich zwischen 260°C und 538°C erwärmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daB man das Rohr mittels Induktionsheizung erwärmt