DE60014407T2

DE60014407T2 - Verwendung eines rostfreien stahls für unterwasserhilfsleitungen im seewasser

Info

Publication number: DE60014407T2
Application number: DE60014407T
Authority: DE
Inventors: Pasi Kangas
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: US6689231B1; DE60014407D1; MXPA01013329A; SE513235C2; NO20003197L; HK1047604A1; NO332573B1; ZA200110151B; EP1214457B1; AU5860500A; WO2000079017A1; KR20020014818A; RU2002100638A; EP1214457A1; ES2230119T3; SE9902346D0; NZ516142A; KR100706078B1; CA2377398A1; RU2247171C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer nichtrostenden Stahllegierung, die enger bestimmt eine ferritisch-austenitische Stahllegierung für die Verwendung in Form von Röhren, die für eine Anordnung auf dem Meeresboden bestimmt sind, enger definiert bei der Ausnutzung von Öl- und Gaslagern in der See. Das Material bei dieser Anwendung für Röhren mußte bisher gute Korrosionseigenschaften in aggressiven Chloridumgebungen, gute mechanische und physikalische Eigenschaften, gute Ermüdungseigenschaften sowie gute Verträglichkeit gegenüber jenem Typ hydraulischer Fließmittel haben, die in den Röhren transportiert werden sollten. Röhren für diese Anwendung sollen als nahtlose, heiß extrudierte Röhren hergestellt werden.
Unter Ölextraktion auf dem Boden des Meeres werden Löcher abwärts vom Meeresboden in die Öllagerstätte gebohrt. Auf dem Meeresboden wird eine Einheit zur Steuerung des Flusses und für den kontinuierlichen Transport des Rohöls zu jenen Anlagen, wo das Rohöl verarbeitet und raffiniert wird, um brauchbare Produkte oder Halbfertigprodukte zu bekommen, installiert. Bei der Einheit auf dem Meeresboden gibt es u. a. Ventile, die die Aufnahme/den Druck/die Fließgeschwindigkeit usw. steuern sollen, und Kopplungen an Röhren, welche die Möglichkeit ergeben, Chemikalien abwärts in die Öllagerstätte einzuspritzen. Oftmals wird Methylalkohol zum Einspritzen mit dem Zweck verwendet, das Koagulieren des Rohöls zu vermeiden und unerwünschtes Anhalten in der Produktionsleitung zu verhindern.
Die Ventile und die Kupplungen an der Anlage auf dem Meeresboden werden hydraulisch oder elektrisch von einer Plattform, einem Produktionsbehälter oder einer anderen Anlage aus auf Meereshöhe oder an Land gelenkt. Eine sogenannte Unterwasserhilfsleitung (Nabelschnur) verbindet die Lenkeinrichtung mit den Anlagen auf dem Meeresboden. Jener Teil der Unterwasserhilfsleitung, der zwischen dem Meeresboden und dem Meeresspiegel liegt, wird als dynamische Unterwasserhilfsleitung bezeichnet und wird in weitem Umfang durch die Bewegungen im Wasser und auf dem Meeresspiegel beeinflußt. Beispiele solcher Bewegungen sind Ströme im Wasser, Bewegungen der Plattform/des Produktionsbehälters und wellenartige Bewegungen.
1 zeigt eine herkömmliche Unterwasserhilfsleitungsröhre 1, die auf dem Meeresboden abgelegt wurde und von einer Plattform 2 ausgeht, welche auf der Meereshöhe 3 verankert liegt. In dieser Unterwasserhilfsleitung ist eine Anzahl von Röhren 4 für die hydraulische und elektrische Kontrolle miteinander und mit einer mittigen Röhre für das Einspritzen von Chemikalien, wie Methylalkohol, zu einem Röhrenbündel vereinigt. Die Unterwasserhilfsleitung könnte unterschiedliche Gestaltungen haben, je nach den Wartungserfordernissen für die Anlagen auf dem Meeresboden, doch gibt es gewöhnlich eine dickere Röhre in der Mitte für das Einspritzen von Methylalkohol, wobei dünnere Röhren um diese herum gewunden sind. Oftmals wird eine Kunststoffabdeckung 6 verwendet, um die Unterwasserhilfsleitungsröhren zu vereinigen und sie vollständig handhabbar für das Verlegen und Installieren zu machen.
Die Anforderungen an die Röhren 4, 5 in Unterwasserhilfsleitungsröhren sind vorwiegend beständig gegen Korrosion und mechanischer Eigenschaften. Das Röhrenmaterial muß gegen Korrosion in Seewasser beständig sein, das die Außenfläche der Röhren umgibt. Diese Eigenschaft ist es, die als die wichtigste angesehen wird, da Meerwasser sehr korrodierend gegenüber rostfreiem Stahl sein könnte. Außerdem muß das Material eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber den möglicherweise korrodierenden Lösungen sein, die in die Ölquelle eingespritzt werden solle. Das Material muß mit den hydraulischen Fließmitteln, die für die hydraulische Steuerung verwendet werden, ohne Verunreinigung der Fließmittel verträglich sein. Unvermeidbare Verunreinigungen könnten die Funktion bei der Steuerungseinheit am Meeresboden sehr negativ beeinflussen.
Die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Röhrenmaterials sind sehr wichtig für die Anwendung bei Unterwasserhilfsleitungsröhren. Da die Tiefe an der Stelle für die Ölextraktion beachtlich sein kann, wird der dynamische Teil der Unterwsserhilfsleitung allgemein lang und dadurch schwer. Dieses Gewicht muß von der Plattform oder dem schwimmenden Produktionsbehälter getragen werden und wenn die Unterwasserhilfsleitung leichter gemacht wird, könnte der verfügbare Netzaufzug für andere Zwecke als zum Anheben der Unterwasserhilfsleitung benutzt werden. In der Praxis gibt es zwei unterschiedliche Wege, das Gewicht einer Unterwasserhilfsleitung mit bestimmter Gestaltung zu reduzieren. Ein leichteres Material könnte gewählt werden, oder ein Material mit der gleichen Dichte, aber mit höherer Streckgrenze und Zugfestigkeit. Durch Auswahl eines Materials mit höherer Festigkeit könnten Röhren mit dünneren Wänden verwendet werden, und dadurch könnte die Gesamtmasse der Unterwasserhilfsleitung reduziert werden. Je tiefer die See an dem Extraktionsplatz ist, desto wichtiger wird das Gesamtgewicht je Meter des Materials der Unterwasserhilfsleitung.
Außer den guten Korrosionseigenschaften und der hohen Festigkeit hat das Material gute Ermüdungsfestigkeitseigenschaften. Dies trifft besonders für den dynamischen Teil der Unterwasserhilfsleitung zu, die in großem Umfang durch die Bewegungen des Wassers und der schwimmenden Anlage beeinflußt wird.
Die allgemeinen Erfordernisse für eine Unterwasserhilfsleitung kann folgendermaßen zusammengefaßt werden:

Fe-Gehalt: 35–55
PRE(Cr + 3,3 Mo + 16 N): mindestens 40
Streckgrenze beim Zug Rp 0,2 min = 650 MPa.
Dehnfestigkeit Rm = 800–1000 MPa.
Dehnung A5 min 25%
Versuchstemperatur gemäß ASTM G48A min 50°C
Versuchstemperatur gemäß ASTM G48B min 35°C
Schweißfähigkeit
gute Ermüdungsbeständigkeit

Das bis heute am häufigsten verwendete Material für Unterwasserhilfsleitungen war ein ferritisch-austenitischer rostfreier Stahl, der auf dem Markt unter der Bezeichnung Sandvik SAF 2507 angeboten wird und der unter dem Namen UNS S32750 standardisiert ist. Bis heute erwies sich dieses Material als den Forderungen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit genügend. Diese Stahllegierung wird näher beschrieben in der europäischen Patentschrift EP-A-220141 . Die US-A-5589656 beschreibt die Verwendung eines bekannten Duplexstahles, der geeignet ist, in Transportröhren für Harnstoff unter hohem Druck verwendet zu werden. Die EP-A-534864 beschreibt einen geglühten Duplexstahl mit verbessertem Widerstand in Meerwasser und mit einer verbesserten Schlagfestigkeit. Es zeigte sich überraschenderweise, daß man ein Röhrenmaterial mit erhöhter Fließgrenze unter Spannung und mit erhöhter Zugfestigkeit und gleichzeitig einer Beibehaltung guter Duktilität und guten Lochfraßeigenschaften durch Erhöhung des Gehaltes der wichtigen Legierungselemente Cr, N und auch einen adäquaten Gehalt an Mo hat, um eine Superduplexlegierung zu erreichen, die nach Heißextrusion zu nahtlosen Röhren später zu der erforderlichen Endabmessung kaltgewalzt werden und danach schließlich mit einer genau ausgewählten Temperatur abschließend geglüht werden.
Diese Materialtype für Anwendungen als Unterwasserhilfsleitungen wie in Anspruch 1 definiert, und vergleichsweise Tests, die in der gleichen Richtung gehen, die angegeben wird.
Beispiel 1
Das Testmaterial wurde durch diesen von 170 kg Barren hergestellt, diese wurden heiß geschmiedet, um abgerundete Stäbe mit einem Durchmesser von 126 mm zu bekommen, und es wurde heiß zu nahtlosen Röhren mit einer Abmessung von 48 × 5 mm zu bekommen, und es wurde auch kalt gewalzt zu einer Abmessung von 31 × 3 mm. Das Endglühen wurde bei 1040°C, einer Verweilzeit von 5 Minuten, gefolgt von Abschrecken mit Wasser durchgeführt. Die Zusammensetzung ergibt sich aus Tabelle 1. Diese Legierungen wurden als ein Vergleichsbeispiel in Betracht gezogen, welches angibt, daß Materialien, wie dieses, die aus der US-Patentschrift 5582656 bekannt sind, allgemein nicht den Anforderungen der fraglichen Verwendung genü gen, sondern daß es eine optimierte Variante gibt, die notwendigerweise spezielle Anforderungen für die Herstellung stellt, um die geforderten Eigenschaften bei dieser Anwendung zu bekommen, die in der Beschreibung oben erwähnt sind. Tabelle 1 Zusammensetzung des Testmaterials, Gew.-%
Die Materialien wurden hinsichtlich Lochfraßkorrosion in 6%igem FeCl gemäß ASTM G48C getestet, doch eine Ausgangstemperatur von 40°C und Stufen von 5°C, bis Lochfraßkorrosionsangriff auftrat, wurde angewandt. Die Temperatur, bei der dies erstmals geschieht, wird als kritische Lochfraßkorrosionstemperatur (CPT) bezeichnet.
Dehnungstests wurden auch bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Ergebnis des Korrosionstests gemäß ASTM G48C und außerdem Zugtest mit nahtlosen Röhren einer Abmessung von 31 × 3 mm. Durchschnitt zweier Tests je Charge
Beispiel 2
Das Material wurde durch AOD-Herstellung, Heißextrudieren, Heißwalzen zu runden Stäben mit einem Durchmesser von 126 mm, Extrudieren nahtloser Röhren zu einer Abmessung von 33,2 × 3,5 mm und Kaltwalzen zu einer Abmessung von 15,2 × 1,2 mm hergestellt. Das Glühen erfolgte bei zwei verschiedenen Temperaturen, 1020°C und 1060°C, einer Verweilzeit von 2 Minuten, gefolgt von Abschrecken mit Wasser. Tabelle 3 Zusammensetzung des getesteten Materials, Gew.-%
Das Material wurde bezüglich Lochfraßkorrosion teilweise in künstlichem Meerwasser bei erhöhtem Potential (siehe Tabelle 4) teilweise in 6%iger FeCl₃-Lösung (siehe Tabelle 5), welche oftmals für Akzeptanz mit hochlegierten rostfreien Stahlmaterialien verwendet wird und in ASTM G48-Standard spezifiziert ist. In jenen Tests wurde das Material in seiner Endform, d. h. in einer Pilgerstufenwalzmühle gewalzt und geglüht, mit der Oberfläche nach dem Glühen streifenweise poliert, geprüft. Vor dem Testen wurde kein weiteres Polieren der Innen- und Außenoberfläche vorgenommen. Die Ergebnisse zeigen, daß das Material in dieser Form Lochfraßkorrosionseigenschaften hat, die mit Sicherheit mit denen für SAF 2507 entsprechen. Tabelle 4 Kritische Lochfraßkorrosionstemperatur von Unterwasserhilfsleitungsröhren gemäß der Erfindung in künstlichem Meerwasser bei +600 mV SCE von Material mit unterschiedlichen Endglühtemperaturen (1020°C und 1060°C)
Tabelle 5 Kritische Lochfraßkorrosionstemperatur (CPT) von Unterwasserhilfsleitungsröhren in 6%iger FeCl₃-Lösung (ASTM G48-Test) von Material mit unterschiedlichen Endglühtemperaturen (1020°C und 1060°C)
Röhren mit Abmessungen um 10–20 mm Innendurchmesser werden gewöhnlich in einer Unterwasserhilfsleitung verwendet. Für die Stahlsorte SAF 2507 werden für diese Abmessungen eine Streckgrenze unter Spannung von 650 MPa und eine Zugfestigkeit von 850 MPa als jene Werte verwendet, die garantiert werden können und dabei für Gestaltungsberechnungen für die Unterwasserhilfsleitungen benutzt werden. Die Röhren, die mit einer entsprechenden Methode in der Stahlsorte hergestellt werden, die der Erfindung mit entsprechenden Abmessungen entspricht, hat überraschenderweise eine Streckgrenze unter Spannung über 850 MPa und eine Zugfestigkeit über 1000 MPa mit beibehaltener Duktilität A min 25% (siehe Tabelle 6).
Um der Mindestforderung an die Dehnung zu erfüllen, wurde eine Endglühtemperatur von 1060°C verwendet, während eine Endglühtemperatur von 1020°C auferlegt, daß die Mindestforderung für Dehnung sicherlich nicht mit den Erfordernissen übereinstimmt. Jene Ergebnisse zeigen, daß die Röhrenwand mit fast 20–25% im Vergleich mit einer SAF 2507-Röhre für die gleiche Anwendung vermindert werden kann. Für eine Unterwasserhilfsleitung von 2 km mit beispielsweise 12 Röhren in der Gestaltung konnte eine solche Verminderung der Wanddicke eine sehr beachtliche Gesamtgewichtsreduzierung ergeben.
Tabelle 6 Werte für die Festigkeit von Unterwasserhilfsleitungsröhren einer Abmessung von 15, 1 × 1,2 mm bei Raumtemperatur und zwei unterschiedlichen Glühtemperaturen (1020 °C und 1060°C)
Es ist ersichtlich, daß eine Glühtemperatur von 1060°C günstiger als eine Glühtemperatur von 1020°C ist. Der kritische Lochfraßkorrosionswiderstand ist höher bei einem Material, das bei 1060°C geglüht wurde, und der Durchschnitt für die Dehnung bei Spannungstesten ist auch der höchste für ein bei 1060°C geglühtes Material. Es kann besonders beobachtet werden, daß Material, das bei 1020°C geglüht wurde, der Anforderung von wenigstens 25% Dehnung genügt, was das Erfordernis für das vorliegende Unterwasserhilfsleitungsmaterial ist. Eine geeignete Glühtemperatur für das Material ist um 1060°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 1040–1080°C.
Das Röhrenmaterial wurde Stoß auf Stoß mit Hilfe von 0,8 mm TIG-Draht mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie das Basismaterial geschweißt. Als Schutzgas unter dem Schweißen wurde Ar + 3% N₂ verwendet. Die Zusammensetzung für das Filtermaterial erscheint in Tabelle 7.
Tabelle 7 Zusammensetzung des TIG-Drahtes, der in dem Schweißtest verwendet wurde.
Material wurde einem Zugfestigkeitstest gemäß ASTM G48C mit einer Ausgangstemperatur von 40°C und Stufen von 5°C durchgeführt. Die Resultate sind in der Tabelle 8 aufgeführt.
Tabelle 8 Ergebnis des Zugfestigkeitstests und des Lochfraßkorrosionstests (kritische Lochfraßkorrosionstemperatur gemäß ASTM G48C) von Stoß auf Stoß geschweißten Röhren mit zwei unterschiedlichen Glühtemperaturen für das Röhrenmaterial
Die Spannungskontroll-Ermüdungseigenschaften für das Material wurden untersucht und mit jenen anderer hochlegierter rostfreier Stähle verglichen. Die Versuche wurden als spannungsgesteuert unter Veränderung der Belastung mit einer Sinuswellenform und solche mit einer Sinuswellenform und einer mittleren Dehnungsrate von 5 × 10^–3S^–1 durchgeführt.
Die Ergebnisse erscheinen in 2.
Es war deutlich, daß ein Material, welches am meisten geeignet für die oben erwähnte Endglühung und für den gut optimierten Rest für die Anwendung als Unterwasserhilfsleitungsröhre eine Zusammensetzung haben sollte, die auf C-Maximum 0,05%, Si-Maximum 0,8%, Mn 0,30–1,5%, Cr 28,0–30,0%, Ni 5,80–7,40%, N 0,30–040%, Cu-Maximum 1,0%, W-Maximum 2,0%, S-Maximum 0,010%, Rest Fe und üblicherweise auftretende Verunreinigungen bei einem Ferritgehalt von 30–70% und dem Rest Austenit. Nach dem Kaltwalzen am Ende werden die Röhren einem Endglühen bei 1040–1080°C während einer Zeit von 3–10 Minuten, gefolgt von einer Wasserabschreckung, gekühlt.
Es schien so, daß der Stahl nach der vorliegenden Erfindung Ermüdungseigenschaften im gleichen Bereich wie SAF 2507 hat. Die Spannungskontrollermüdungseigenschaften zeigen, wie sehr und wie oft ein Material einer Dehnung ausgesetzt werden kann, bevor Spannungsermüdung in dem Material auftritt. Da die Unterwasserhilfsleitungsröhren zu langen Stücken zusammengeschweißt, auf Trommeln aufgewickelt werden, bevor sie in die Unterwasserhilfsleitungen umwunden werden, ist es nicht unüblich, daß eine Anzahl von Arbeitszyklen dort erfolgt, wo eine bestimmte plastische Verformung auftritt, bevor die Unterwasserhilfsleitung verwendet wird. Die Daten der Spannungsermüdung, die abgenommen wurden, betonen, daß fast kein Bruchrisiko infolge von Spannungsermüdung in einer Unterwasserhilfsleitungsröhre besteht.
Der Stahl besitzt gemäß der oben erwähnten Analyse Eigenschaften, die ausgezeichnet zu der Anwendung als Unterwasserhilfsleitungsröhren passen. Das Material hat eine hohe Kor rosionsbeständigkeit in Meerwasser aufgrund seiner hohen PRE-Nummer und ist mit den meisten derzeit verwendeten Fluiden verträglich, die in den verschiedenen Röhren der Unterwasserhilfsleitungen transportiert werden. Die hohe Materialfestigkeit macht, daß die Wanddicke beachtlich reduziert werden kann im Vergleich mit dem üblichsten Material heute für diese Anwendung, SAF 2507. Die Gewichtseinsparung in der Unterwasserhilfsleitung ist von extremer Bedeutung für die Ölförderung in großen Ozeantiefen, die mehr und mehr üblich wird.
Gemeinsames Verschweißen von Röhren arbeitet zufriedenstellend, was eine Forderung betrifft, für die die Unterwasserhilfsleitungen produziert werden können. Die Ermüdungseigenschaften zeigen, daß die Gefahr, daß die bezüglich der Spannung reduzierten Ermüdungszusammenbrüche fast nicht existent sind.

Claims

Verwendung einer ferritisch-austenitischen Stahllegierung mit einer Zusammensetzung C max 0,05%, Si max bis 0,8%, Mn 0,30–1,5%, Cr 28,0–30,0%, Ni 5,80–7,40%, Mo 2,00–2,50%, N 0,30–0,40%, Cu max 1,0%, W max 2,0%, S max 0,010%, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen mit einem Gehalt von 30–70% Ferrit und dem Rest Austenit für die Herstellung von Röhren, die nach Kaltwalzen bei einer Temperatur von 1040–1080 geglüht werden, wobei diese Röhren geeignet sind, mit hydraulischem Fließmittel gefüllt zu werden, als Unterwasserhilfsleitungen für Lösungen für Chemikalieneinspritzung oder andere Verwendung in der küstennahen Industrie sind.
Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die eine Streckgrenze bei Zugspannung in nahtlosen Röhren von wenigstens 750 MPa und gleichzeitig eine Dehnung von wenigstens 25% zeigt.
Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die eine Streckgrenze bei Zugspannung für nahtlose Röhren von wenigstens 850 MPa und gleichzeitig eine Dehnung von wenigstens 25% zeigt.
Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in der Form von Stahlröhren, die aneinander stumpfgeschweißt und auf Zylinder aufgespult sind.
Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Material in der Form einer heißen extrudierten nahtlosen Röhre verwendet wird, die nach Kaltwalzen bei einer Temperatur von 1040–1080°C mit einer Verweilzeit von 3–10 Minuten geglüht und dann mit Wasser abgeschreckt wird.