DE3240729A1

DE3240729A1 - Metallisches rohrgut mit verbesserter eindrueckfestigkeit und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3240729A1
Application number: DE19823240729
Authority: DE
Inventors: Kenichi Tanaka; Katsuyuki Amagasaki Tokimasa
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1981-11-04
Filing date: 1982-11-04
Publication date: 1983-05-11
Anticipated expiration: 2002-11-05
Also published as: FR2515777B1; FR2515777A1; US4825674A; DE3240729C3; DE3240729C2; CA1196584A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein metallisches Rohrgut mit einer verbesserten Eindrückfestigkeit sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Unter dem Ausdruck "Eindrückfestigkeit" wird im folgenden der Widerstand eines Rohrgutes verstanden, gegen nach innen gerichtete Formveränderungen aufgrund von außen anliegendem Druck auf das Rohrgut. Das erfindungsgemäße Rohrgut umfaßt zahlreiche Ausführungen, die im allgemeinen rohrförmig sind wie z.B. Leitungen, Rohre und Gestänge für Ölquellen,

Das knapper werdende öl- und Erdgasvorkommen führt dazu, daß immer tiefere Ölquellen und Gasquellen angebohrt werden, wobei die so gewonnenen öle und Gase dazu neigen, Wasserstoffsulfid aufzuweisen. Das für solche Bohrungen verwendete Rohrgut muß demzufolge eine höhere Eindrückfestigkeit sowie einen höheren Korrosionswiderstand aufweisen.

Im allgemeinen kann man jedoch davon ausgehen, daß der Korrosionswiderstand und die Eindrückfestigkeit miteinander im Widerspruch stehen. Insbesondere kann die Eindrückfestigkeit durch eine Erhöhung der Bruchfestigkeit vergrößert werden durch Materialverbesserung, d.h. durch geeignete Auswahl der Bestandteile sowie durch Wärmeverarbeitung, wobei jedoch die Erhöhung der Bruchfestigkeit nichts weiter als eine Erhöhung der Zugfestigkeit ist, die unvermeidbar von einer Abnahme des Korrosionswiderstandes begleitet wird. Es besteht demzufolge eine praktische Grenze der Erhöhung der Eindrückfestigkeit durch Auswahl des Materials, woraus folgt, daß die Materialverbesserung allein keine wirksame Maßnahme zur Verbesserung der Eindrückfestigkeit von in öl- oder Gasbohrungen verwendeten Leitungen bedeutet.

Um nun Rohrgut zu erhalten, daß bei Ölbohrungen unter rauhen

Bedingungen einsatzfähig ist, muß die Eindrückfestigkeit unabhängig von dem Korrosionswiderstand erhöht werden. Zu diesem Zweck sind bereits verschiedene Methoden vorgeschlagen worden:
(1) Durchführung eines Schrumpfungsprozesses der Leitung;

(2) Auslassen des Richtens;

(3) Durchführung des Richtens im warmen Zustand;

(4) Ausführen einer Wasserkühlung nach der Vergütung.

Die oben aufgezählten Verfahren weisen jedoch noch einige Nachteile und Unzulänglichkeiten auf.

So weist das Verfahren (1) noch folgenden Nachteil auf: Der Schrumpfungsprozeß wird derart durchgeführt, daß nur die in Umfangsrichtung wirkende Streckfestigkeit erhöht wird,die die direkt zur Erhöhung der Eindrückfestigkeit führt , während die Zugfestigkeit unverändert bleibt. Der Nachteil rührt von der Verwendung der besonderen Schrumpfungsanordnung her, welche eine Vielzahl von Umfangssegmenten aufweist. Es ist relativ schwierig eine gleichmäßige Berührung der ümfangssegmente über den gesamten Umfang des Stahlrohrs zu ermöglichen, so daß die Zunahme der Streckfestigkeit über den Umfang des Stahlrohres veränderlich ist. Es ist mit diesem Verfahren nicht möglich, eine stabile und wirksame Verbesserung der Eindrückfestigkeit zu erzielen.

Das unter (2) genannte Verfahren basiert darauf, daß oftmals eine Verringerung der Eindrückfestigkeit durch eine verbleibende Kompressionsspannung entlang der inneren Umfangswand des Stahlrohres bewirkt wird und zwar aufgrund des Richtens, das als letzter Schritt bei der Rohrherstellung durchgeführt wird. Soll dieses Richten weggelassen werden, so müssen die vorhergehenden Schritte mit einer in der Praxis kaum erreichbaren hohen Präzision durchgeführt werden. Es ist in der Tat relativ schwierig, Stahlrohre gemäß

den Anforderungen der Kunden herzustellen,ohne daß diese gerichtet werden, insbesondere wenn der Rohrdurchmesser klein ist.

Das unter (3) genannte Verfahren dient dazu, das Auftreten der oben genannten restlichen Spannung mittels Durchführung des Richtens bei höheren Temperaturen zu vermeiden. Das Verfahren weist zwar keine grundsätzlichen Probleme auf, wie bei dem unter (2) genannten Verfahren, jedoch ist die Beseitigung der Eigenspannung keine positive Maßnahme und aus sich heraus unzulänglich.

Das unter (4) beschriebene Verfahren ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 38424/1981 be schrieben. Es beruht auf der technischen Annahme, daß die Eindrückfestigkeit dadurch erhöht werden kann, daß der inneren ümfangsfläche eine verbleibende Zugspannung er-

2 teilt wird, deren Größe größer als 20 Kg/mm ist, jedoch geringer als die Streckspannung ist, wobei diese verbleibende Zugspannung durch Abkühlung mittels Wasser nach dem Härten erfolgt. Mit diesem bekannten Verfahren geht jedoch das Verhältnis zwischen den Bedingungen der Wasserkühlung und der Größe der Spannung nicht hervor. Dieses Verfahren kann also nicht als anerkannte Methode betrachtet werden zur kontinuierlichen Verbesserung der Eindrückfestigkeit eines Stahlrohrs. Es sei auch betont, daß der Gedanke bezüglich des Verhältnisses zwischen der Eindrückfestigkeit und der eigenen Zugspannung unzutreffend ist wie aus der folgenden Zusammenfassung hervorgeht. Diese technische Idee geht nämlich von der Annahme aus, daß das Eindrücken eines Rohrs bei Anwendung einer äußeren Kraft an der Innenseite des Rohrs beginnt. Eine derartige Annahme trifft jedoch nicht immer den tatsächlichen Fall, denn sofern eine Eigenspannung in Umfangsrichtung des Stahlrohrs vorher erzeugt worden ist, so beginnt das Eindrücken nicht immer

an der Innenfläche des Rohres, sondern manchmal an der Außenfläche des Rohrs, wenn die in ümfangsrichtung wirkende Spannung der inneren Wandfläche des Rohrs eine bestimmte Größe übersteigt. Die oben genannte Annahme trifft jedoch auf so einen Fall keineswegs zu, so daß die ihr zugrundeliegende technische Idee als leere Theorie anzusehen ist und zu keinen reproduzierbaren Effekten führt.

Alle bisher vorgeschlagenen Verfahren zur Verbesserung der Eindrückfestigkeit ohne Berücksichtigung des Korrosionswiderstandes sind also unvollständig und unbefriedigend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein metallisches Rohrgut zu schaffen mit verbesserter Eindrückfestigkeit, das die oben genannten Nachteile vermeidet, wobei die Eindrückfestigkeit ohne Verschlechterung des Korrosionswiderstandes erzielt wird, das sich zum Einsatz unter rauhen Bedingungen einschließlich der Gegenwart von Wasserstoffsulfid eignet sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rohrgutes.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß das Rohrgut eine in Ümfangsrichtung wirkende, bleibende Zugspannung aufweist in seiner inneren Wandfläche, wobei die Größe dieser Zugspannung zwischen 0 und 15 % der Streckspannung des Rohrgutes beträgt.

Vorzugsweise beträgt die Größe der Zugspannung zwischen 4 % und 10 % der Streckspannung.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das metallische Rohrgut aus einem Material, das aus der Gruppe von unlegiertem Stahl, legiertem Stahl, rostfreiem Stahl und Fe-Ni-Cr-Legierungen ausgewählt ist.

-13-

Vorteilhafterweise wird die in Umfangsrichtung wirkende , bleibende Zugspannung in der Innenwand des Rohrgutes durch gleichförmiges Abkühlen des erwärmten Rohrgutes von außen erzeugt.
5

Vorzugsweise setzt die Kühlung bei einer Temperatur ein, die nicht geringer ist als {£/E + 172)⁰C.

Vorteilhafterweise erfolgt das Abkühlen durch gleichförmiges Zuführen von Kühlwasser zur äußeren Wand des Rohrgutes bei einer Rate W, die bei axialem Vorschub des Rohrgutes die folgende Bedingung erfüllt;

1 0,012 _t2 _

■p ⁽> ' ^D

> ' ^D ' ^Vi'^w-ⁱ _t2⁽B/o,io-i

mit,

W: Zufuhrrate an Kühlwasser (ton/min)

t; Wanddicke des Rohrgutes (mm) D: Außendurchmesser des Rohrgutes (mm) V: Vorschubgeschwindigkeit des Rohrgutes (mm/min) B: 188,8 (T-172- -Si-) <2 : thermischer Ausdehnungskoeffizient des Materials

T: Temperatur,an der die Kühlung einsetzt (⁰C) Ai Streckfestigkeit des Materials

2 E: Elastizitätsmodul (Kgf/mm ).

Vorzugsweise wird der inneren ümfangswand des Rohrgutes die Zagspannung durch Herbeiführung einer gleichförmigen plastischen Deformation in Umfangsrichtung erteilt.

Vorzugsweise wird die in umfangsrichtung wirkende Eigenzugspannung gleichförmig durch Anlogen von wenigstens einem Paar sich diametral gegenüberliegender Kräfte bewirkt, an

die äußere Umfangsfläche des Rohrgutes und Wiederholen des Anlegens dieser erteilten Kräfte an anderen Stellen des Außenumfangs des Rohrgutes.

Vorteilhafterweise wird die in Umfangsrichtung wirkende Zugspannung dadurch erzeugt, daß das Rohrgut durch eine Vielzahl von Ringgruppen geschickt wird, wobei jede Gruppe wenigstens drei Ringe aufweist, deren jeder einen Innendurchmesser aufweist, der um ein Geringes größer als der Außendurchmesser des Rohrgutes ist und wobei die Ringe derart angeordnet sind, daß das Rohrgut durch die Innenöffnungen der Ringe läuft, wobei jede Gruppe ferner eine Antriebsvorrichtung aufweist, so daß benachbarte Ringe in entgegengesetzter Richtung zueinander und diametral zum Rohrgut angetrieben werden, wodurch ein Druck auf den Außenumfang des Rohrgutes ausgeübt wird, das die Ringgruppen derart durchläuft, daß die den Druck aufnehmenden Stellen über den Außenumfang des Rohrgutes verteilt sind.

Vorzugsweise ist die von jeder Ringgruppe dem Rohrgut erteilte Belastung P₁ so gewählfc,daß sie die folgende Beziehung erfüllt

P.

1	1
(D	Er
<1	2 ~ 'ii

1 3D ( 2 ) 25

mit,

E: Elastizitätsmodul

D: Außendurchmesser des Rohrgutes

t: Wanddicke des Rohrgutes

Ό·. Innendurchmesser des Ringes .

Vorteilhafterweise wird die in Umfangsrichtung wirkende bleibende Zugspannung der Innenwandfläche des Rohrgutes durch Anwendung von Kompressionsdrücken auf das Rohrgut erteilt an zwei Paar Druckstellen, wobei jedes Paar zwei Stellen auf-

weist, die innerhalb eines Winkelbereiches von 40° bis 90° vom Mittelpunkt des Querschnittes des Rohrgutes angeordnet sind, sowie auf einem gleichen Querschnitt des Rohrgutes und wobei die zwei Paar Stellen symmetrisch bezüglich des Mittelpunktes des Querschnitts des Rohrguts angeordnet sind, während die Anwendung der Kompressionsdrücke wiederholt durchgeführt wird an verschiedenen Umfangsteilen und Axialteilen des Rohrgutos,

Vorteilhafterweise erfolgt das Anlegen der Kompressionsdrücke durch ein Paar U-förmiger Blöcke, deren jeder das Rohrgut an zwei Stellen berührt, die innerhalb eines Winkelbereichs von 40° bis 90° vom Mittelpunkt des Querschnitts des Rohrguts angeordnet sind. Die ü-fÖrmigen Blöcke können eine Länge aufweisen, die größer als die axiale Länge des Rohrgutes ist, wobei die Kompressionsdrücke wiederholt angelegt werden, während des Rohrgut diskontinuierlich um seine Achse über einen vorgegebenen Winkel verdreht wird.

Die U-förmigen Blöcke können auch eine Länge aufweisen, die kleiner als die Axiallänge des Rohrgutes ist, wobei dann eine Vielzahl von Paaren derart angeordnet sind, daß die Richtungen der von ihnen ausgeübten Kompressionsdrücke um einen vorgegebenen Winkel um die Achse des Rohrgutes versetzt sind, wobei die Kompressionsdrücke kontinuierlich von den Blockpaaren ausgeübt werden, während des Vorschubs des Rohrgutes.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsformen dargestellt sind.

Es zeigen:
35

Figur 1

in grafischer Darstellung das Verhältnis zwischen der Spannung in der Innenwandfläche eines metallischen Rohrgutes und der Eindrückfestigkeit;

Figuren
2A und 2B

Figur 3

schematisch das herkömmliche Richten und die durch dieses Richten im Rohrgut entstehende Spannungsverteilung;

eine schematische Darstellung eines Kühlsystems für ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;

Figur 4 ein Beispiel, bei dem die Flußrate des Kühlwassers gemäß einem Ausführungsbeispiel innerhalb eines gegebenen Bereichs bestimmt ist;

Figur 5 eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Temperatur , bei der die Kühlung

einsetzt und der Veränderung der Streckgrenze des erhaltenen Stahlrohrs;

Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Richten des Rohrgutes und gleichzeitigen Er

zeugen der verbleibenden Zugspannung in der inneren Wandfläche des Rohrgutes;

Figur 7 die Spannungsverteilung im Querschnitt des Rohrgutes bei Behandlung mit der in Figur 6

gezeigten Vorrichtung;

Figuren
und 9

bevorzugte Beispiele von Ringen, die in der Vorrichtung nach Figur 6 verwendet werden;

Pigur 10 eine schematisehe Darstellung der in Figur 6 gezeigten Vorrichtung;

Figur 11 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Komprimierung eines Rohrgutes durch

Anlegen von symmetrischen Drücken an zwei Stellen an der Oberseite und an zwei Stellen an der Unterseite des Rohrgutes;

Figur 12 ein Diagramm der Momente am Rohrgut unter der

Bedingung θ = """/6;

Figur 13 das Verhältnis zwischen dem Winkel ^ von Figur 11 und dem Winkel fi des der Kompressionsspannung ausgesetzten Bereiches;

Figur 14 einen Schnitt durch einen U-förraigen Block zum Anlegen symmetrischer Drücke an zwei Stellen an der Oberseite und an zwei Stellen an der Unterseite dos Rohrgutes gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 15 die Verteilung der Zugspannung in Richtung der Wandstärke eines im Ausführungsbeispiel 1 verwendeten Stahlrohrs;

Figur 16 das Verhältnis zwischen der Kühlwassermenge

und der Größe der Zug spannung in der Innenwandfläche des Stahlrohrs;
30

Figur 17 den Zusammenhang zwischen der Zugspannung und der Eindrückfestigkeitι

Figuren
18,19 und 20 das Ergebnis des Ausführüngsbeipsiels 2 , wo-

bei Figur 18 das Verhältnis der Temperatur , an der die Kühlung einsetzt und der Zugspannung 6 ο in der Innenwandfläche des Stahlrohrs zeigt, Figur 19 das Verhältnis zwischen der Flußrate an Kühlwasser und der Größe der Zugspannung ^_x. und Figur 20 die Eindrückfestigkeit eines Stahlrohrs zeigt, das erfindungsgemäß behandelt worden ist im Vergleich mit einem Stahlrohr, das keiner Kühlung nach dem Abschrecken und Härten unterworfen worden ist;

Figuren

21, 22 und 23

das Ergebnis des Ausführungsbeispiels 3 gemäß der Erfindung, wobei Figur 21 eine grafische Darstellung ist, die die Größe der

Zugspannung

ί _R

in der inneren Wandfläche

des erfindungsgemäß behandelten Stahlrohrs zeigt mit verschiedenen Werten von Innendurchmessern D der Ringe und Verformungen, Figur 22 eine grafische Darstellung ist, die das Verhältnis zwischen der Verformungsgröße und der auf das Rohr wirkenden Kraft P₁ ist und Figur 23 eine grafische Darstellung ist, die das Verhältnis zwischen der Verformungsgröße und der Größe der Zugspannung c _R mittels einer herkömmlichen Methode darstellt und

Figur 24

eine grafische Darstellung, die das Verhältnis zwischen dem Druck der Einheitslänge p/l und der Zugspannung in der inneren Wandfläche des gemäß dem Ausführungsbeispiels 4 der Erfindung erhaltenen Stahlrohrs darstellt.

Unter klarer Erkenntnis des engen Zusammenhangs zwischen der Eindrückfestigkeit in einem metallischen Rohrgut und der in Umfangsrichtung wirkenden Zugspannung in ihr, haben die Erfinder eine genaue Beziehung zwischen der Ein« drückfestigkeit und diese Zugspannung gefunden, wie es in Figur 1 dargestellt ist.

In Figur 1 ist auf der Abszisse das Verhältnis ^'τ>/<ί'γ zwischen der in Umfangsrichtung wirkenden Spannung /_Ώ in der Innenwandfläche des Rohrs und der Streckspannung I _γ des Rohrmaterials angetragen, während an der Ordinate das Verhältnis Pcr/Pcro zwischen dem Eindrückdruck Per des Rohrs und dem Druck Pcro zum Eindrücken eines Rohrs ohne Spannung an der Innenwand angetragen ist. Wie man sieht wird eine erhöhte Eindrückfestigkeit erhalten, wenn die Spannung <>_n in der Innenwand eine Zugspannung ist, d.h. wenn die Bedingung 6 ^ 0 erfüllt ist , während der Prozentsatz bezüglich der Streckspannung <^_y zwischen 0 und 15 % beträgt und vorzugsweise zwischen 4 % und 10 %. Den größten Widerstand gegen Eindrücken erhält man, wenn die Umfangsspannung 6 ungefähr gleich 0,07 ο ist. In Figur 1 sind sowohl an der Ordinate als auch an der Abszisse numerische dimensionslose Werte angetragen. Die Beziehungen sind also nicht von der Streckspannung des Rohrgutes noch durch das Material gegeben, sondern sind rein dynamisch erhalten, so daß die Beziehung ganz allgemein für gewöhnliche metallische Materialien gültig ist. Der Bereich der Spannung wie er in dem durch die oben genannte japanische Offenlegungsschrift 33424/1981 beschriebenen Stand der Technik bekannt ist, ist in Figur 1 als Beispiel dargestellt. Wie man sieht ist dabei die Eindrückfestigkeit nicht größer , sondern kleiner.

Bei der Herstellung von herkömmlichen Stahlrohren für Öl-SS quellen wie es in Figur 2Ά dargestellt ist;, erfolgt das so-

genannte Richten zum Nivellieren und Formen des Stahlrohrs 1, indem dieses eine Vielzahl von Walzen durchläuft, die versetzt zueinander an den oberen und unteren Seiten angeordnet sind, wobei jede Walze in ihrem mittleren Bereich konkav ausgestaltet ist. Die Spannungsverteilung im Querschnitt des Stahlrohrs ähnelt derjenigen, die auftritt, wenn das Stahlrohr 1 einem an einer Stelle konzentrierten Druck ausgesetzt ist, wie es in Figur 2B dargestellt ist.

Weist das Stahlrohr eine sehr dünne Wand auf, so treten die folgenden Biegemomente am Punkt A in Figur 2B und am Punkt B auf, der vom Punkt A 90° entfernt ist

(1) Biegemoment am Punkt A (M_&)

wobei D den Außendurchmesser des Rohrs bedeutet.

(2) Biegemoment am Punkt B (M )

^MB 4 ⁽¹ TT^]'

Daraus folgt die folgende Beziehung zwischen den Spannungen

(j _ und d an den Stellen A und B:
A B

4 _ _ 2 . _J - - ι 75

Der absolute Wert der Zugspannung am Punkt A ist also immer größer als derjenige der Kompressionsspannung am Punkt B. Bei dem herkömmlichen Richten gemäß Figur 2A wird also eine bleibende Druckspannung unvermeidbar in der Innen fläche des Rohrs erzeugt , so daß die Eindrückfestigkeit herabgesetzt wird.

Das Richten ist jedoch unabdingbar zum Nivellieren und Korrigieren der äußeren Gestalt eines durch herkömmliehe Herstellungsverfahren erzeugten Metallrohrs".-

Aufgrund von unfangreichen Versuchen wurde gefunden, daß das Erzeugen der verbleibenden Zugspannung zur Erzielung eines Verhältnisses von O_n/ ( „ im Bereich zwischen 0 und

κ χ

15 % auf zwei Wegen erhalten werden kann₅ nämlich durch eine thermische oder Wärmebehandlung und durch eine mechanische Behandlung.

Erzeugung der ' Zugspannung durch Wärmebehandlung: Zur Erzielung einer in Umfangsrichtung wirkenden Zugspannung in der Innenwand eines Stahlrohrs kann das in Figur 3 gezeigte Kühlsystem verwendet werden= Dieses weist Düsen 3 auf, welche das Stahlrohr 1 umgeben, wobei letzteres in axialer Richtung fortbewegt wird; mit 4 ist ein Thermometer zur Ermittlung der Temperatur des Stahlrohrs 1 bezeichnet und mit 5 ein Geschwindigkeitsmesser zur Messung der Vorschubgeschwindigkeit des Stahlrohrs während mit 6 eine Recheneinheit bezeichnet ist zur Ermittlung der Fließrate an Kühlwasser W als Funktion einer vorgegebenen Formel mit bestimmten Faktoren, wie z.B. die Größe des Strahlrohrs sowie die physikalischen Eigenschaften des Stahlrohrs wie z.B. {#, E). Mit 7 sind Solenoidventile bezeichnet, deren öffnung durch die Recheneinheit 6 bestimmt wird. Die folgenden Werte wurden experimentell nachgeprüft.

Die Größe der im Stahlrohr durch Viasserkühlung erzeugten in ümf angsrichtung wirkenden zugspannung ■ hängt· eng. mit

der Festigkeit des Stahlrohrs , d.h. mit der Streckspannung G (Kgf/mm ) zusammen, sowie mit den Abmessungen des Querschnitts , und dem Außendurchmesser D {mm) der Wandstärke t(mm) und der Zufuhrmenge an Kühlwasser W (Ton/min). 35

Es sei angenommen, daß das erwärmte Stahlrohr 1 sich in axialer Richtung mit einer Geschwindigkeit V (nun/min) bewegt und daß das Kühlwasser gleichmäßig über den gesamten Umfang des sich vorwärtsbewegenden Stahlrohrs 1 von einer Ringdüse 3 zugeführt wird, welche das Stahlrohr 1 umgibt, so daß es gleichmäßig abgekühlt wird. In diesem Fall kann die Größe ^_n der Zugspannung in der inneren Wandfläche des Stahlrohrs nach dem Abkühlen durch die folgende Formel (1) im Zusammenhang mit den oben genannten Bedingungen ausgedrückt werden:

. c .- d = 188,8 ^ -6_y J(T -JT72) - 0 y/E -,V.'' (1 )

^R 1 + 0,0120/ \±
mit

T: Temperatur, an der die Kühlung einsetzt (⁰C)

2 E: Elastizitätsmodul des Stahlrohrs (Kgf/mm ) ■# : thermischer Expansionskoeffizient des Rohrmaterials (1/°C)

Das durch die Formel (1) ausgedrücke Verhältnis erhält man, wenn die Temperatur (T),zu der die Kühlung des . Stahlrohrs einsetzt, größer ist als ( <^_γ/Ε -,V) + 172) ⁰C. Ist die Temperatur T kleiner als die oben angegebene Temperatur , so erhält man keine Spannung in Zugrichtung in der Innenfläche während der Kühlbehandlung.

Andererseits wird die Eindrückfestigkeit des Stahlrohrs erhöht, wenn die in Umfangsrichtung wirkende Spannung ü_r in der Innenfläche des Rohrs der folgenden Bedingung genügt: 0 ^- 6- <■ 0,15 G_n, wobei sie ihren Maximal-

R R _;

wert erhält, wenn die Spannungsgröße 0· „ ungefähr gleich 0,07 ο y ist. Zur Erzielung einer reproduzierbaren Verbesserung der Eindrückfestigkeit wird die Zufuhrmenge an Kühlwasser vorzugsweise derart gesteuert, daß sie die folgende Bedingung erfüllt: 0,04 C *'- <t s 0,1 <? .

BAD ORIGINAL

Durch Ausbilden der Spannung innerhalb dieses

Bereichs ist es möglich, eine Vergrößerung der Eindrückfestigkeit um mehr 4% zu erzielen. Die Zufuhrrate an Kühlwasser zur Erzielung einer verbleibenden

6 _γ -·' «''ν '- 0,10 ^r\ Formel {2) berechnet:

innerhalb des Bereiches von 0,04 6 gemäß der folgenden

Zugspannung wird

0*012

B/ 0,04 -

_fc2*B/0,10 -

mit B * 188,8 (T - 172 -

Das Verhältnis zwischen der Menge an Kühlwasser und der Temperatur wurde für zwei Fälle berechnet: Für einen Fall A mit einer Rohrgeschwindigkeit V von 550 mm/min

2 und einer Streckfestigkeit von 77 Kgf/mra und für den Fall

-> B, in dem die Geschwindigkeit V 550 mm/min und C -56 Kgf/cm betrugen unter Verwendung der oben genannten Formel (2). Die berechneten Werte sind in Figur 4 dargestellt.

Zum Erwärmen des metallischen Rohrgutes kann der vorhergehende Verarbeitungsschritt ausgenutzt werden. So kann das Kühlen z.B. bei einer Temperatur einsetzen, die der Vergütung bei der Herstellung von Rohrgut für Ölquellen entspricht oder der Temperatur nach dem Richten bei höheren Temperaturen entspricht*

Figur 5 zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur T , zu der die Kühlung einsetzt und der Streckfestigkeit des erhaltenen Stahlrohrs. Wie man sieht, ist die Streckspannung 6 und damit die Eindrückfestigkeit in unerwünschter Art herabgesetzt, wenn die Temperatur T die Ver-

BÄD OWGfMAL

gütungstemperatür überschreitet.

Vorzugsweise beträgt demzufolge die Temperatur T,bei der die Kühlung einsetzt, nicht weniger als ( £_γ/Ε . % + 172) ⁰C und nicht mehr als die Vergütungstemperatur beim Tempern.

Erzeugen von Eigenspannung durch mechanische Behandlung: Wie oben ausgeführt, ähnelt die Spannungsverteilung während des herkömmlichen Richtens derjenigen,die durch Druckzufuhr an zwei Stellen erfolgt, d.h. an einer oberen und einer unteren Stelle, so daß ein verbleibender Kompressionsdruck in der inneren Wandfläche des Rohrgutes entsteht, welches die Eindrückfestigkeit erheblich herabsetzt.

Ausgehend davon wurden Versuche durchgeführt zur Ermittlung einer geeigneten Methode um der inneren Umfangswand des Rohrgutes eine bleibende Zugspannung zu erteilen durch Anlegen einer gleichmäßig über den Umfang des Rohrguts verteilten Druckbelastung oder durch Aufbringen eines Druckes an zwei oberen Stellen und an zwei unteren Stellen gleichzeitig.

(1) Anlegen von verteiltem Druck:
Es wurde eine verteilte Druckbelastung von oben und von unten an den Außenumfang des Rohrgutes durch die in Figur gezeigte Vorrichtung durchgeführt. Die in Figur 6 gezeigte Vorrichtung weist zwei Sätze von Ringen auf, deren jeder aus drei Ringen 8 besteht mit einem Innendurchmesser D_R , der ein wenig größer als der Außendurchmesser D des Rohrgutes 1 ist, wobei die drei Ringe 8 nebeneinander angeordnet sind. Jeder Ring 8 ist drehbar mittels dreier Haltewalzen 9 gehalten, die gleichförmig derart angetrieben sind, daß sich alle Ringe 8 in der gleichen Richtung drehen. Eine Walze oder Rolle 9 ist in senkrechter Richtung verschiebbar angeordnet und kann nach oben und unten durch

BAD ORiGJNAt

eine nicht dargestellte Anordnung bewegt werden, Die benachbarten Walzen derselben Grupj>e werden in entgegengesetzter senkrechter Richtung bewegt werden, so daß ein Kompressionsdruck in senkrechter Richtung nach oben und nach unten auf das Rohrgut 1 ausgeübt werden kann, das innerhalb der Ringe angeordnet ii;t, während die Vorrichtung gleichzeitig als Richtvorrichtung dient zur Korrektur der Gestalt des Rohrgutes 1»

Figur 7 zeigt die Spannungsverteilung im Querschnitt des Rohrgutes 1 , das mit dem Kompressionsdruck durch die in Figur 6 gezeigte Vorrichtung beaufschlagt wird. Wie Figur 7 zeigt, wird das Rohrgut 1 mit einem verteilten Druck P. durch die nach unten verschobenen Ringe 8 und die nach oben verschobenen Ringe 8' beaufschlagt.

Die Spannung ο am Punkt A in der Innenwand des Rohrgutes wird innerhalb der Elastizitätsgrenze durch die folgende Beziehung ausgedrückt:
20

mit
E; Elastizitätsmodul

t: Wanddicke des Rohrgutes

D₀: Innendurchmesser der Ringe,
κ

Die am Punkt Λ auftretende Spannung hängt also allein vom Querschnitt der Ringe und des Rohrgutes ab, und ist unabhängig von der Größe des verteilten Drucks P^.

Andererseits kann die Spannung a„ am Punkt B,der vom Punkt A. um 90° entfernt ist , durch die folgende Formel angenähert werden:

bäd original

λ - - 3 P/D , _Λ 2
B _{2 t}2 π

mit

P-: Druck der Längeneinheit.
5

Die Spannung 6_ ändert sich also mit der Größe des verteilten Drucks P₁. Es ist also möglich, eine Spannung <. zu erhalten, deren absoluter Wert größer ist als derjenige der Spannung ο durch geeignete Auswahl des Innendurchmessers P_R der Ringe und des Drucks P-. Der verteilte Druck P₁ , der der Bedingung^ . -? \ S \ genügt, ist durch die folgende Formel (3) bestimmt:

P ? ^{2 E t} . (^p - ¹^) (3)

^{1 J D} (1 - 4 )

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß durch Anwendung der mechanischen Behandlungsart, wie sie in Figur 6 dargestellt ist, die Größe der Zugspannung in der inneren Umfangsflache des Rohrgutes nach dem Richten beliebig eingestellt werden kann, d.h. daß die Zug spannung zum Verschwinden gebracht werden kann oder das die bleibende Spannung in Zugrichtung erzeugt werden kann. Es ist demzufolge möglich, nicht nur eine unerwünschte Abnahme der Eindrückfestigkeit zu vermeiden, sondern eine erhebliche Erhöhung der Eindrückfestigkeit zu erzielen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz der in Figur 6 dargestellten Vorrichtung werden die Lageis teilen, an denen die Ringe 8 gelagert sind durch die Walzen 9 in vertikaler Richtung abwechselnd zueinander versetzt, zur Erzielung einer Verschiebung X zwischen dem Mittelpunkt O' der Ringe 8 in Figur 7 und der Mittelpunkt 0 des Rohrs 1, das durch die Ringe 8 verläuft.

Die Verschiebung X wird im folgenden als Verformung be-

zeichnet. Das Einstellen der Verformung X bedeutet das Einstellen der Größe des verteilten Drucks P. auf das Rohrgut. Verformung wird optimal gewählt zum Aufbringen des erforderlichen Drucks für die Formgebung unter Berücksichtigung der Tatsache, daß je größer die Verformung ist desto größer auch der aufgebrachte Druck. Nach Einstellen der Verformung werden alle Ringe 8 angetrieben, während das zubehandelnde Rohrgut 1 die Ringe mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit von einer Seite zur anderen Seite durchläuft. Der Vorschub des Rohrgutes kann durch einen bekannten Antrieb erfolgen, wie z.B. einen Schieber.

Beim Durchlaufen der Gruppen von Ringen wird das Rohrgut gedreht, so daß es über seinen gesamten äußeren Umfang durch die Ringe 8 , die ihn berühren, mit einem Druck beaufschlagt wird, wobei das Rohrgut 1 aufgrund der Biege- und Kompressionsbeaufschlagung geeignet gestaltet wird.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung klar geworden ist, ändert sich die Größe der im Rohrgut erzeugten Spannung nach dem Richten als Funktion des Innendurchmessers D_R der Ringe und der Stärke des verteilten Drucks während der Behandlung, d.h. der Verformung X. Das heißt, daß die Spannung dahin tendiert, ihre Richtung von der Kompressionsspannung zur Zugspannung zu ändern, sofern der Innendurchmesser D_f_ der Ringe verringert wird und sofern die Verformung X vergrößert wird. Daraus folgt, daß durch geeignete Auswahl der Innendurchmesser D_R und der Verformung X es möglich ist, die spannung derart zu steuern, daß sie in einen bestimmten Bereich fällt (den Erfindungsbereich in Figur 1) und so optimal ist, um eine ausreichende Eindrückfestigkeit zu gewährleisten unter Beibehaltung der erforderlichen Rieht- oder Korrekturschritte.

Vorzugsweise sind die Ecken 10 eines jeden Ringes 8, welche die Außenfläche des Rohrgutes 1 berühren bei diesem Behandlungsschritt abgerundet,wie es Figur 8 zeigt,um keine Beschädigung der Außenfläche des Rohrgutes zuzulassen. Demzufolge soll der Krümmungsradius R der abgerundeten Ränder wenigstens 5 mm betragen. Weist nämlich der Rand eine im wesentlichen rechtwinklige scharfe Kante auf, so würde an der Berührungsstelle ein unendlich großer Druck ausgeübt werden. Ist hingegen der Rand abgerundet, so ist der auf dieselbe Stelle ausgeübte Druck gleich Null, wobei der Krümmungsradius der Abrundung klein sein kann. Eine bestimmte Größe des Krümmungsradius R sollte jedoch eingehalten werden, zur Vermeidung einer Beschädigung der äußeren Wandfläche des Rohrgutes. Aus den durchgeführten Versuchen , deren Ergebnisse in Tabelle 1 zusammengefaßt sind, läßt sich entnehmen, daß der Krümmungsradius R wenigstens 5 mm betragen sollte, um einen ausreichenden Schutz der Rohroberfläche gegen Beschädigung zu erhalten.

Tabelle 1

Krümmungsradius (R) (mm)	0	2,5 ^; 5	7,5
Beschädigung	stark	leicht keine	keine

Der in Figur 6 dargestellte Ring ist von der einfachsten Gestalt und besteht nur aus einem ringförmigen Körper. Dieser Ring muß jedoch nicht so ausgestaltet sein, sondern kann auch aus einer Ringanordnung bestehen, die, wie in Figur 9 dargestellt ist, aus einer Vielzahl von schmalen Walzen 8b besteht, die drehbar an der Innenfläche eines

ringförmigen Teils 8a derart angeordnet sind, daß die Walzen 8b in rollender Berührung mit der äußeren Fläche des Rohrgutes sind.

Es sei betont, daß die Verwendung einer eigenen, bekannten Vorschubeinrichtung für das Rohrgut nicht wesentlich ist. So können z.B. die Ringe 8 derart angeordnet sein, daß ihre Achsen in beiden Richtungen bezüglich der Vorschubrichtung des Rohrgutes geneigt sind, wie es in Figur 10 gezeigt ist, so daß die Ringe 8 eine axiale Vorschubkraft auf das Rohrgut ausüben und letzteres in axialer Richtung vorschieben, wie es auch bei den bekannten konkaven Walzen der Fall ist, die in Figur 2Ä dargestellt sind. In diesem Fall ist as jedoch erforderlich, die Innenflächen der Ringe an die Außenfläche des Rohrgutes anzupassen.

Druckbeaufschlagμng an zwei oberen und zwei unteren Stellen:

Die Spannungsverteilung wurde untersucht, während einer Kompression des Rohrgutes 1 durch parallele Drücke, die gleichzeitig an vier Punkten entlang des Umfanges seines Querschnittes aufgebracht wurden. Zwei obere Beaufschlagungspunkte und zwei untere Druckbeaufschlagungspunkte sind symmetrisch bezüglich der senkrechten Linie angeordnet,welche durch die Achse des Rohrgutes verläuft und zwar unter einem gleichen Winkel Ö von der senkrechten Linie.

Das Moment M₁ im Winkelbereich von Ά , der zwischen 0 und θ von der senkrechten Linie y-y' entfernt ist, ist durch die folgende Formel (4) gegeben:

PD

^M1 1 Γ Ί

—I = —I ) (IT - 29) sin Θ- 2 cos β V = konstant ^ 0 ...(4)

In ähnlicher Weise ist das Moment M„ im Winkelbereich zwischen θ und *"/2 durch die folgende Formel (5) gegeben :

^sin

^{cos θ}]

< - sin θ

Die erhaltene Momentverteilung bei einem Winkel '? von TT /6 ist in Figur 12 dargestellt. In diesem Fall ist das am Punkt Λ auftretende Moment negativ, so daß eine Zugspannung in der Innenfläche des Rohrgutes auftritt, während das Moment am Punkt B positiv ist, so daß eine Konipress ions spannung an der Innenfläche des Rohrgutes entsteht.

Sofern die um den Punkt B herum entstehende Kompressionsspannung einen absoluten Wert aufweist, der größer ist als derjenige, der um den Punkt A herum entstehenden Zugspannung, d.h. wenn die folgende Beziehung (6) erfüllt ist, kann eine bleibende Zugspannung in der inneren Wandfläche des Rohrgutes erzeugt werden, indem letzteres verdreht wird, so daß ihr die Kompression wiederholt zugeführt wird, so daß das gesamte Rohrgut mit der Kompression beaufschlagt wird.

( -M₁ ) > 0

(6)

Die Druckverteilung in Figur 12 genügt dieser Bedingung Wie man sieht, ist eine Kompressionsspannung mit einem absoluten Wert größer als derjenige der Spannung am Punkt A innerhalb des Winkelbereichs C- möglich.

Daraus läßt sich die folgende Bedingung ableiten: 2- i (7Γ- 2Θ) sine - 2 cos9j + sin·^ - sin9 -> 0

die sich zur folgenden Formel (7) umformen läßt:

4Θ 4
sin ^y. > (— - 1) sin θ + £ cos6 (7)

Andererseits gilt auch die folgende Beziehung {8}:

Aus den Formeln (7) und (8) ergibt sich der Bereich für den Winkel (^%- , wie er in Figur 13 dargestellt ist. Der Winkelbereich f" kann einen Wert von ' · 0 annehmen, wenn der Winkel ö einen Wert > 20° annimmt. Nimmt andererseits der Winkel '^ einen Wert von > 45° an, so ist es schwierig, das Rohrgut 1 mit parallelem Druck zu beaufschlagen. Aus diesem Grund wird vorzugsweise ein Wert des Winkels θ zwischen 20° und 45° gewählt.

Erfindungsgemäß wird Folgendes vorgeschlagene Herstellung eines oberen ü-förmigen Blocks 11 und eines unteren ü-förmigen Blocks 11', die paarweise derart angeordnet sind, daß jeder U-förmige Block das Rohrgut 1 an Stellen berühren kann, die durch einen. Winkel 2 & (20° c θ £- 45°) von der Mittenachse voneinander getrennt sind und deren Länge größer ist als diejenige des Rohrgutes 1; Zusammendrücken des Rohrgutes 1 in senkrechter Richtung durch die oberen und unteren Blöcke und Wiederholung der Druckbeaufschlagung unter Wechsel der Druckpunkte durch Verdrehung des Rohrgutes 1. Die Blöcke 11, 11' können auch kürzer sein als das Rohrgut. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, das Rohrgut in axialer Richtung vorzuschieben, während der Druckbeaufschlagung

Es ist auch möglich, das Rohrgut 1 durch einen geeigneten Antrieb durch eine Vielzahl von Blockpaaren vorzuschieben,

deren jedes einen Querschnitt aufweist, wie er in Figur dargestellt ist und die versetzt zueinander in axialer Richtung derart angeordnet sind, daß die Druckbeaufschlagungsrichtung regelmäßig variiert. In diesem Fall können die Blöcke 11, 11' mit Walzen 12, 12' versehen sein zur rollenden Berührung mit dem Rohrgut 1.

Die Walzen 12, 12' müssen nicht parallel zur Achse des Rohrgutes 1 sein, das die Blöcke 11, 11' durchläuft. Es ist möglich, die bleibende Zugspannung in der inneren Umfangsflache des Rohrgutes dadurch zu erzeugen, daß das Rohrgut nur durch ein Paar Blöcke 11, 11' geführt wird, während sich das Rohrgut um seine Achse dreht. In diesem Fall sollten die Blöcke 11, 11' Walzen 12, 12' aufweisen, die unter einem Winkel zur Vorschubrichtung des Rohrguts angeordne t s ind.

Im folgenden werden einige vorteilhafte Ausführungsformen gemäß der Erfindung beschrieben.

Beispiel 1

Ein Stahlrohr mit 0,23 % C-O,23 % Si-1,48 % Mn-O,10 % Mo, mit einem Außendurchmesser von 5,5" (= 139,70 mm) und einer Wanddicke von 8,7 mm wurde als Testrohr verwendet.

Dieses Stahlrohr wies eine dickenmäßig verteilte Umfangs-Eigenspannung auf wie in Figur 15 dargestellt ist, sowie

2 eine Kompressionseigenspannung von ungefähr 30 kgf/mm

2 in ihrer Innenwand. Die Streckspannung >' _γ betrug 77 kgf/mm ,

Dieses Stahlrohr wurde erneut auf eine Temperatur von mehr als 500⁰C erwärmt und dann von außen mittels Kühlwasser bei unterschiedlichen Kühlraten abgekühlt um so unterschiedliche Größen von Spannungen in der Innenwand des Rohrs zu erzeugen. Figur 16 zeigt den Zusammenhang zwischen der Menge an Kühlwasser und der in der Innenwand

3740729

des Rohrs während des Tests erzeugten Spannung. Durch diesen Test wurde bestätigt, daß die Spannung in der Innenwand des Rohrs beliebig einstellbar ist zwischen den Bereichen 30 Kgf/mm (Zug) und -30 Kgf/mm (Zug) durch Änderungen der Kühlbedingung nach dem Erwärmen. Die Teststücke der derart behandelten Rohre wurden dann einem Eindrücktest unterworfen, wobei die in Figur 17 dargestellten Werte erhalten wurden. Da die Streckspannung in Umfangsrichtung sich geringfügig ändert, ist an der Ordinate der bereits oben erwähnte Wert Pcr/Pcro angetragen. Figur zeigt deutlich, daß, wenn die in der Innenwand erzeugte bleibende Spannung eine Zugspannung ist, die nicht größer als 15 % von d_Y ist, wie es von der Erfindung gefordert wird, einehöhrexe Eindrückfestigkeit erzielt wird als es mit den herkömmlichen Rohren der Fall ist, in denen die bleibende Spannung Null ist.

Beispiel 2

Stahlrohre mit einer chemischen Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften , wie sie in Tabelle 2 dargestellt sind wurden in diesem Test verwendet. Das Testrohr A war ein normal gewalztes Rohr, während das Testrohr B ein durch Abschrecken und Härten vergütetes Rohr war. Der Außendurchmesser und die Wanddicke beider Rohre betrugen 114 mm bzw. 6,88 mm.

Tabelle 2

	C	Si	Mn	P	S	Y.P { Y)	T. S
A	0,25%	0.24%	1.32%	0*022%	0.021%	68.OKg/mm²	79.8Kg/mra²
B	0.24%	0.36%	1.49%	0.026%	0.011%	89.2Kg/mm²	94„9Kg/mm²

bad original

Mit diesen Testrohren wurde eine Kühlbehandlung durchgeführt mittels einer Kühlanlage gemäß Figur 3, wobei die Kühlbedingungen verändert wurden.

Figur 18 zeigt den Wert der Unfangsspannung ο in der Innenwand des Rohrgutes nach der Kühlbehandlung mit einer Kühlwasserzufuhrrate W von 0,65 Ton/min und einer Rohrvorschubgeschwindigkeit von V von 550 mm/min , wobei die Temperatur T verändert wurde, bei der die Kühlung begann.

Figur 19 zeigt ferner die Spannung c in der Innenwand des Stahlrohrs nach dem Kühlvorgang, wobei die Kühlung bei der oben genannten Temperatur T von ,600⁰C einsetzte und die Geschwindigkeit V 550 mm/min betrug, während die Kühlwasserzufuhrrate verändert wurde. Aus diesen Figuren wird deutlich, daß die Eigenspannung /, _n eine Funktion

verschiedener Faktoren ist, wie z.B. der Temperatur T. der Kühlwasserzufuhrrate W und der Streckspannung / . Das Verhältnis zwischen der Ξigenspannung λ und diesen Faktoren wie es in Figuren 18 und 19 dargestellt ist, genügt der oben genannten Formel (1).

Um den erfindungsgemäß erzielbaren Kühleinflußeffekt zu bestätigen, wurden Versuche mit verschieden großen Stahlrohren durchgeführt, die vergütet waren,wobei die gleiche Kühlanlage verwendet wurde und in der die Wasserzufuhrrate W gemäß der oben genannten Formel (2) gesteuert wurde, als Funktion der Änderung der Temperatur T,zu der die Kühlung einsetzte. Figur 20 zeigt den Grad an Verbesserung der Eindrückfestigkeit, dargestellt als Verhältnis der Eindrückfestigkeit der kühlbehandelten Stahlrohre zur mittleren Eindrückfestigkeit der Bezugsrohre, die vergütet waren und die gleiche Größe und Zusammensetzung wie die Testrohre aufwiesen. Aus dieser Figur ist deutlich, daß die Eindrückfestigkcit der Stahlrohre , die erfindungsgemäß einer Kühlbehandlung unterworfen wurden,

erhefalich größer ist; bei einem Verhältnis von Durchmesser zu Dicke D/t des Stahlrohrs von 12 erhält man verbesserte Werte von ungefähr 8 %.

Beispiel 3

Versuchsrohre mit einer chemischen Zusammensetzung wie sie in Tabelle 3 dargestellt ist, wurden einmal einem erfindungsgemäßen Richten unterworfen und einmal einem herkömmlichen Richten. Die Äußendurchmesser, Wandstärken und die Streckfestigkeit der Testrohre betrugen 244,5 mm, bzw. 15,11 mm und 79,2 kgf/mm².

Tabelle 3 (Gew.-%)

C	Si	Mn	P	S	Cr
0.23	0.30	1.21	0.021	0.024	0.27

Das erfindungsgemäße Richten erfolgte mit der in Figur 6 dargestellten Vorrichtung, wobei drei Arten von Ringen 8 mit unterschiedlichen Innendurchmessern verwendet wurden, nämlich D_R 260 mm, 270 mm und 280 mm, während die Verformung X verändert wurde. Die Meßergebnisse der Uiafonysspannunycin in der Innenwand der Rohre sind in Figur 21 dargestellt. aus dieser Figur wird deutlich, daß die erfindungsgemäße Verwendung der Ringe bewirkt, daß die Spannung nach der Behandlung in den bevorzugten Bereich I fällt um so für eine ausreichende Eindrückfestigkeit zu sorgen durch geeignete Auswahl der Verformungsgröße X in Abhängigkeit

-36-der Innendurchmesser D₀ der Ringe.

Figur 22 zeigt den Zusammenhang zwischen der VerformungsgrÖße und der Größe der Druckbeaufschlagung auf das Rohrgut während der erfindungsgemäßen Behandlung. Aus dieser Figur wird deutlich, daß die Druckbeaufschlagung erheblich größer ist proportional zur Zunahme der Verformung.

Danach wurde das Richten durch herkömmliche Richtverfahren durchgeführt mit der in Figur 2A dargestellten Vorrichtung unter Verwendung von konkaven Walzen, wobei die Verformung geändert wurde. Die Spannung in der Innenwand des Rohrgutes nach der Behandlung wurde für jedes Rohr gemessen und die Meßergebnisse in Figur 23 dargestellt.

Wie aus dieser Figur deutlich wird, bewirkt das herkömmliche Verfahren das Entstehen einer Kompressionseigenspannung, deren Größe zunimmt, mit zunehmender Verformung. Allgemein läßt sich sagen, daß eine Verformung von wenigstens 15 mm erforderlich ist um ein ausreichendes Richten zu erzielen. Aus Figur 23 geht hervor, daß eine Verformungsgröße von 15 mm eine Kompressionseigenspannung von ungefähr -18 kgf/mm erzeugt, die rechnerisch zu -0,23 f. bezüglich der Zugspannung >' ermittelt wurde. Diese Kompressionseigenspannung bewirkt eine Verringerung von etwa 20 % der Eindrückfestigkeit verglichen mit derjenigen vor der Behandlung, wie der Zusammenhang in der Figur 1 deutlich werden läßt.

Im Gegensatz dazu kann gemäß der Erfindung eine 1,08-fache Erhöhung der Eindrückfestigkeit erzielt werden verglichen mit derjenigen vor der Behandlung wenn der Innendurchmesser der Ringe zwischen 270 und 280 mm liegt. Das bedeutet, daß das erfindungsgemäße Vorfahren eine um 30 % größereEindrückfestigkeit nach dem Richten liefert im Vergleich zum

herkömmlichen Verfahren. Es sei ferner betont, daß die in Figur 6 dargestellte Vorrichtung eine Außengestalt liefert, die im wesentlichen gleich derjenigen ist, wie sie durch herkömmliche Methoden erzielt wird. 5

Beispiel 4

Es wurden Stahlrohre als Testrohre verwendet, deren Material und chemische Zusammensetzung in Tabelle 4 angegeben ist und deren Außendurchmesser/ Wanddicken und Längen 177,8 mm bzw. 18,54 mm bzw. 500 mm betrugen.

2 Die Streckfestigkeit betrug 72,6 Kg/mm . Die Testrohre wurden dem Druck eines Paar ü-förmiger Blöcke unterworfen, deren Querschnitt in Figur 14 dargestellt ist. Die Länge der Blöcke betrug 600 mm und der Abstand der Kontaktstellen betrug 180 mm. Der Kompressionsdruck wurde wiederholt angelegt während das Stahlrohr gedreht wurde um so eine Exgenzugspannung in der Innenwand des Stahlrohrs zu erzeugen.

Tabelle 4. Chemische Zusammensetzung

C Si Mn P S Cr

'■ ~~

0.23 0.28 1.28 0.014 0.012 0.31

Figur 24 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Druck P/l (Kg/mm) mit der Größe der Eigenzugspannung im Rohr , die durch Anlegung dieses Drucks erzielt wurde. Aus dieser Figur geht hervor, daß bei dem vorliegenden Beispiel die Spannung jeweils in Zugrichtung entsteht und die Größe dieser Zugspannung mit der Zunahme der

Druckbeaufschlagung zunimmt. Es ist daher ein Leichtes einen derartigen Wert für die Zugspannung zu erzielen, daß dieser im gewünschten Bereich liegt.

.39-

L e e r s e i t e

Claims

Halt · Berngruber · Czyfculka Patentanwälte

1 0881 / ch

Sumitomo Metal Industries, Ltd., 15, 5-chome, Kitahama, Higashi-ku, Osaka, 541 Japan

Metallisches Rohrgut mit verbesserter Eindrückfestigkeit und Verfahren zu seiner Herstellung ._

Pa ten tanspr üch e

si ./Metallisches Rohrgut mit verbesserter Eindrückfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandfläche des Rohrgutes eine in Umfangsrichtung wirkende, bleibende Zugspannung aufweist, deren GröOe zwischen 0 und 15 % der Streckspannung des Rohrgutes beträgt.
2. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Zugspannung zwischen 4 und 10 % der Streckspannung beträgt.
3. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrgut aus einem Material besteht, das aus der Gruppe von unlegiertem Stahl, legiertem Stahl, rostfreiem Stahl und Fe-Ni-Cr-Legierung ausgewählt ist.
4. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung wirkende, bleibende Zugspannung in der Innenwandfläche durch gleichmäßiges Abkühlen des erwärmten Rohrgutes von außen entsteht.
5. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung bei einer Temperatur einsetzt, die nicht geringer ist als (3 _γ/Ε -^ + 172) ⁰C.
6. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung durch gleichmäßige Zufuhr von Kühlwasser an die Außenwandfläche des Rohrgutes erfolgt, wobei die Kühlwasserrate W während des axialen Vorschubs des Rohrgutes die folgende Bedingung erfüllt:

0/012 2 -c ^ 1 ,0,012 _% 2 _ ⁾ 'D-V=Wi, -z() -D

W: Kühlwasserzufuhrrate (ton/min)

t: Wanddicke des Rohrgutes (mm)

D: Außendurchmesser des Rohrgutes (mm) V: Vorschubgeschwindigkeit des Rohrgutes (nun/min)

B: 188,8 ^- (T - 172 - -^t )

.#: thermischer Expansionskoeffizient des Materials T: Temperatur, bei der die Kühlung beginnt (⁰C) Γ : Streckfestigkeit des Materials E: Elastizitätsmodul (Kg/mm ).
7. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bleibende Zugspannung in der Innenwand fläche des Rohrgutes durch eine plastische Deformierung der Innenwand in Umfangsrichtung erzeugt wird.
8. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bleibende Zugspannung gleichförmig erzeugt wird durch Anlegen ein paar sich diametral gegenüberliegender verteilter Drücke auf der Außenwandfläche des Rohrgutes, wobei das Anlegen der verteilten Drücke wiederholt wird, während sich die Druckbeaufschlagungsstellen an der Außenwand des Rohrgutes ändern.
9. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dauerhafte Zugspannung dadurch erzeugt wird, daß das Rohrgut eine Vielzahl von Gruppen von Ringen durchläuft, wobei jede Gruppe wenigstens drei Ringe aufweist, deren jeder einen Innendurchmesser besitzt, der etwas größer als der Außendurchmesser des Rohrgutes ist und wobei die Ringe so angeordnet sind_f daß das Rohrgut durch die Ringe läuft und wobei jede Gruppe eine Antriebsvorrichtung aufweist zum entgegengesetzten Antrieb benachbarter Ringe senkrecht zur Achse des Rohrgutes, so daß ein Druck auf die Außenwand des Rohrgutes ausgeübt wird, während das Rohrgut durch die Gruppe von Ringen derart geführt wird, daß die Druckbeaufschlagungsstellen durch die angetriebenen Ringe sich über die Außenwand des Rohrgutes verteilen.
10. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der verteilte Druck P^ auf das Rohrgut durch jede Ringgruppe so gewählt ist, daß er die folgende Bedingung erfüllt:

P > " (D -.Pr) 1 - 3 D * _M _ 2_.

mit

E: Elastizitätsmodul

D: Außendurchraesser des Rohrgutes t: Wandstärke des Rohrgutes

D_: Innendurchmesser des Ringes^
11. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in ümfangsrichtung verbleibende Zugspannung Inder Innenwandfläche des Rohrgutes erzeugt wird, durch Beaufschlagen des Rohrgutes mit einem Kompressions-

-A-

druck an zwei Paaren von Stellen, wobei jedes Paar zwei Stellen aufweist, die innerhalb eines Winkelbereichs von 40° bis 90° von der Achse des Rohrgutes liegen sowie senkrecht zur Achse des Rohrgutes und wobei beide Paar Druckbeaufschlagungsstellen symmetrisch bezüglich der Achse des Rohrgutes angeordnet sind, während die Beaufschlagung mit dem Kompressionsdruck wiederholt an in ümfangsrichtung und Axialrichtung verschiedenen Stellen des Rohrgutes erfolgt.
12. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Korapressionsdruckbeaufschlagung durch ein Paar U-förmiger Blöcke erfolgt, deren jeder das Rohrgut an zwei umfangsmäßig voneinander getrennten Stellen berührt, die innerhalb des Winkelbereiches von 40° bis 90° von der Achse des Rohrgutes liegen.
13. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ü-förmigen Blöcke eine Länge aufweisen, die größer ist als die axiale Länge des Rohrgutes und daß die Kompressionsdruckbeaufschlagung wiederholt erfolgt während des Rohrgut schrittweise um seine Achse um einen vorgegebenen Winkel verdreht wird.
14. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Blöcke eine Länge aufweisen, die kleiner ist als die Axiallänge des Rohrgutes und daß eine Vielzahl von Paaren derart angeordnet sind, daß die

Richtungen der Kompressionsdruckbeaufschlagung durch diese Paare versetzt zueinander sind um einen vorgegebenen Winkel um die Achse des Rohrgutes , wobei die Kompressionsdruckbeaufschlagung kontinuierlich erfolgt während das Rohrgut durch die Blockpaare hindurchgeführt wird.
15. Metallisches Rohrgut nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrgut ein Rohr zur Verwendung in
Ölquellen ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt:
Anlegen von in Umfangsrichtung wirkenden Koinpressionsdrücken an die Innenwandfläche des Rohrgutes um in dieser engen Wandfläche eine in Umfangsrichtung wirkende bleibende Spannung zu erzeugen, deren Größe zwischen 0 und 15 % der Streckspannung des erhaltenen Rohrgutes beträgt.
17. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrguts
nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,, daß die Größe der bleibenden Zugspannung zwischen 4 und 10 % der
Streckspannung beträgt.
18. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrgut aus einem Material besteht, das aus der Gruppe von unlegiertem Stahl, legiertem Stahl, rostfreiem Stahl
und Fe-Ni-Cr-Legierungen ausgewählt ist.
19. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die in
umfangsrichtung wirkende bleibende Zugspannung in der
Innenwandfläche des Rohrgutes dadurch erzeugt wird, daß das erwärmte Rohrgut von außen gleichförmig ausgekühlt wird.
20. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung bei einer Temperatur einsetzt, die nicht geringer ist als ( d /E .^ + 172)⁰C.

-S-
21. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung durch gleichmäßige Zufuhr von Kühlwasser zur Außenwandfläche des Rohrgutes erfolgt mit einer Rate W, die die folgende Bedingung erfüllt bei gleichzeitigem axialen Vorsprung des Rohrgutes:

1 , 0,012 2 _, ,. - _τ. 1 , 0.012 2 _ „ .2 ¹Β/0,04 - V V-W - ₂ <_Β/_0/10 _ -|i " ν

L» L.

mit

W: Kühlwasserzufuhrrate (ton/min)

t: Wanddicke des Rohrgutes (mm)

D: Außendurchmesser des Rohrgutes (mm)

V: Vorschubgeschwindigkeit des Rohrgutes (mm/min)

B: 188,8 ff (T-172- -|^)

-tf: thermischer Expansionskoeffizient des Materials

T: Temperatur , an der die Kühlung einsetzt (⁰C)

Ji Streckfestigkeit des Materials

2
E: Elastizitätsmodul (Kg/mm ).
22. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die bleibende Zugspannung in der Innenwandfläche des Rohrgutes durch eine gleichförmige plastische Deformierung der Innenwandfläche in radialer Richtung erzeugt wird.
23. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung wirkende bleibende Zugspannung gleichförmig dadurch erzeugt wird, daß wenigstens ein Paar sich diametral gegenüberliegender verteilter Drücke an die Außenwandfläche des Rohrgutes angelegt werden, und daß das Anlegen dieser verteilten Drücke wiederholt wird, während die Druckbeaufschlagungsstellen an der

-7-Äußenwandflache des Rohrgutes geändert werden.
24. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung wirkende bleibende Zugspannung dadurch erzeugt wird, daß das Rohrgut eine Vielzahl von Gruppen von Ringen durchläuft, wobei jede Gruppe wenigstens drei Ringe aufweist, deren jede einen Innendurchmesser besitzt, der etwas größer als der Außendurchmesser des Rohrgutes ist und wobei die Ringe so angeordnet sind, daß das Rohrgut durch die Ringe läuft und wobei jede Gruppe eine Antriebsvorrichtung aufweist zum entgegengesetzten Antrieb benachbarter Ringe senkrecht zur Achse des Rohrgutes, so daß ein Druck auf die Außenwand des Rohrgutes ausgeübt wird, während das Rohrgut durch die Gruppe von Ringen derart geführt wird, daß die Druckbeaufschlagungsstellen durch die angetriebenen Ringe sich über die Außenwand des Rohrgutes verteilen.
25. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der verteilte Druck P, auf das Rohrgut durch jede Ringgruppe so gewählt ist_r daß er die folgende Bedingung erfüllt

¹ "" ^3D * (1 - —)
mit

E: Elastizitätsmodul
D: Außendurchmesser des Rohrgutes t: Wandstärke des Rohrgutes
D_: Innendurchmesser des Ringes.
26. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die in ümfangsrichtung wirkende bleibende Zugspannung in der Innenwandfläche des Rohrgutes erzeugt wird durch Beaufschlagen des Rohrgutes mit Kompressionsdrücken an zwei

Paar Stellen, wobei jedes Paar zwei Stellen aufweist, die innerhalb eines Winkelbereichs von 40° bis 90° von der Achse des Rohrgutes liegen, sowie senkrecht zur Achse des Rohrgutes und wobei beide Paar Druckbeaufschlagungsstellen symmetrisch bezüglich der Achse des Rohres angeordnet sind, während die Beaufschlagung mit dem Kompressionsdruck wiederholt an in Umfangs— richtung und Axialrichtung verschiedenen Stellen des Rohrgutes erfolgt.
27. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionsdruckbeaufschlagung durch ein Paar U-förmiger Blöcke erfolgt, deren jeder das Rohrgut an zwei umfangsmäßig voneinander getrennten Stellen berührt, die innerhalb des Winkelbereichs von 40° bis 90° von der Achse des Rohrgutes liegen.
28. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Blöcke eine Länge aufweisen, die größer ist als die axiale Länge des Rohrgutes und daß die Kompressionsdruckbeaufschlagung wiederholt erfolgt während das Rohrgut schrittweise um seine Achse um einen vorgegebenen Winkel verdreht wird.
29. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Rohrgutes nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Blöcke eine Länge aufweisen, die kleiner ist als die Axiallänge des Rohrgutes und daß eine Vielzahl von Paaren derart angeordnet sind, daß die Richtungen der Kompressionsdruckbeaufschlagung durch diese Paare versetzt zueinander sind um einen vorgegebenen Winkel um die Achse des Rohrgutes , wobei die Kompressionsdruckbeaufschlagung kontinuierlich erfolgt, während das Rohrgut durch die Blockpaarc hindurchgeführt wird.