Technisches Gebiet
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Die vorliegenden Erfindung betrifft ein flexibles Rohr für den Transport eines Fluids
mit einem hochfesten Stahl, das eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber der
wasserstoffinduzierten Rißbildung und Sulfid-Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit
aufweist und ausgezeichnete Charakteristiken insbesondere sogar in nasser
Schwefelwasserstoffumgebung besitzt.
Technischer Hintergrund
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In letzter Zeit wurde beobachtet, daß die schwefelwasserstoffhaltige Umgebung
(Umgebung mit nassem Schwefelwasserstoff) häufiger auftritt mit Zunahme der Tiefe
von Bohrlöchern für Gas und Rohöl.
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Bis zu diesem Zeitpunkt lag bei dem flexiblem Rohr für den Transport eines Fluids,
das zum Beispiel einen Schutzdraht um ein Kunststoffinnenrohr als eine
Metallverstärkungsschicht hatte, welches für den Transport von zum Beispiel Rohöl
verwendet wird, insofern ein Problem vor, als daß Wasser und Schwefelwasserstoff
durch das zwischen den Verstärkungsschichten liegende Kunststoffinnenrohr
permiierten, und diese Wirkung wurde eine wasserstoffinduzierte Rißbildung (HIC)
und eine durch Sulfid hervorgerufene Korrosionsrißbildung (SSCC) in dem
Metallverstärkungsstahlmaterial verursacht, obgleich diese Metallverstärkungsschicht
nicht direkt mit der innen befindlichen sauren Flüssigkeit in Kontakt trat.
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Bezüglich der Sulfid-Spannungsrißkorrosion ist es im allgemeinen möglich, dessen
Auftreten zu verhindern, indem die Härte im Falle von Kohlenstoffstahl bis zu HRC
22 (Rockwell-C-Härte 22) eingestellt wird. Aus diesem Grund wird für das flexible
Rohr für den Transport eines Fluids, das in einer sauren Umgebung einzusetzen ist,
ein Metallverstärkungsmaterial das in solch einer Weise hergestellt wurde, daß ein
Drahtmaterial aus kohlenstoffarmem Stahl mit bis zu 0,2 Gew.-% (nachfolgend wird
Gew.-% einfach durch % angegeben) C zu einem geformten Stahldraht (Flachdraht
oder rinnenförmiger bzw. genuteter Draht) mit einer festen Form im Schnitt durch
Ziehen, gefolgt durch eine Kaltbearbeitung, wie geformtes Ziehen, Verarbeitung mit
einer Formrolle oder Walzen verarbeitet wurde, bisher so wie es ist eingesetzt oder
nach dem Tempern bei niedriger Temperatur von bis zu 500ºC, um die Zugfestigkeit
auf bis zu 784 N/mm² (80 kgf/mm²) einzustellen (eine Zugfestigkeit von 80 kgf/mm²
entspricht etwa einer HRC 22).
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Mit Zunahme des Partialdruckes des Schwefelwasserstoffs in der angewandten
Umgebung, wie sich herausgestellt hat, tritt allerdings bei dem gewalzten
kohlenstoffarmen Stahlmaterial eine durch Wasserstoff induzierte Rißbildung auf.
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In herkömmlicher Weise ist ein Produktionsbeispiel einer Stahlplatte mit
ausgezeichneter HIC-Charakteristik in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Sho
63-1369 offenbart. Diese enthält bis zu 0,12 % C und spezielle Elemente wie Ti, Mo
oder Ni, und sie zeigt eine Beständigkeit gegenüber der wasserstoffinduzierten
Rißbildung durch die Regulierung der Walzbedingungen. Es ist allerdings in
besonderer Weise schwierig, eine Technik zu erdenken oder anzuwenden, um die
Charakteristik einer Beständigkeit gegenüber der wasserstoffinduzierten Rißbildung
einem Stahldraht mit hohem Kohlenstoffgehalt zü vermitteln, in Begleitung mit der
Kaltverarbeitung der Erfindung in bezug auf das Herstellungsverfahren der Stahlplatte.
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Wenn außerdem ein herkömmlicher kohlenstoffarmer Stahl als Verstärkungsmaterial
verwendet wird, lag ebenfalls das Problem vor, daß die Abnahme der Festigkeit beim
Schweißen desselben beträchtlich ist, was es unmöglich macht, große
Konstruktionsspannungen anzunehmen.
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Die US-A-4 585 062 offenbart einen Stahlstab hoher Festigkeit, der in einer
Säureumgebung einsetzbar ist, welcher allerdings nicht Aluminium enthält. Es wird
vorgeschlagen, daß Elemente, wie Cr, Ni, Cu und Ca, welche im allgemeinen das
Auftreten von HIC unterdrücken, in der Stahlzusammensetzung enthalten sind.
Offenbarung der Erfindung
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Als ein Ergebnis ausführlicher Untersuchungen im Hinblick auf diese Situation, wurde
ein hochfester Stahl mit ausgezeichneter Beständigkeit gegenüber der
wasserstoffinduzierten Rißbildung und Sulfid-Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit und
geringerer Abnahme bezüglich der Festigkeit an Schweißstellen gemäß der Erfindung
entwickelt.
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Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein flexibles Rohr für den Transport eines
sauren Fluids, umfassend ein aus einem Kautschuk oder Kunststoff hergestelltes
Innenrohr, eine auf dem Innenrohr vorgesehene Metallverstärkungsschicht und eine
auf der Metallverstärkungsschicht vorgesehene Kunststoffhülle bereit, wobei die
Metallverstärkungsschicht aus einem Stahlband hoher Festigkeit mit einer
Zugfestigkeit von 490 bis 784 N/mm² (50 kgf/mm² bis 80 kgf/mm²) gebildet ist,
welches
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C: 0,40 - 0,70 %
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Si: 0,1 - 1 %
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Mn: 0,2 - 1 %
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P: Bis zu 0,025 %
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S: Bis zu 0,010 %
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Al: 0,008 - 0,050 %
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und ferner Al: 0,008 bis 0,050 % und als Rest Fe sowie unvermeidbare
Verunreinigungen enthält und welches eine sphäroisidierte Struktur besitzt.
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Im nachfolgenden werden die Gründe dafür erklärt, daß die Legierungsbestandteile in
dem bei der Erfindung verwendeten Stahlmaterial beschränkt sind.
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Da unterhalb von 0,40 % C die gewünschte Festigkeit nicht durch das
sphäroisidierende Tempern bzw. Glühen erreicht werden kann und die Abnahme in
der Festigkeit an Schweißstellen beträchtlich ist, wurden 0,4 % als untere Grenze
angesetzt. Außerdem, wenn C 0,70 % überschreitet, wird eine Hart-Kalt-Bearbeitung
schwierig, und feine Risse treten innerhalb des Stahldrahtes während der Verarbeitung
auf, was nicht nur zu einer Verschlechterung der HIC-Charakteristik führt, sondern
auch zu Rissen an den Kanten, somit wurde 0,70 % als obere Grenze angesetzt.
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Si ist in Mengen von mindestens 0,10 % oder mehr als Desoxidationsmittel
notwendig, und die Festigkeit verbessert sich mit zunehmender Menge desselben.
Wenn sie jedoch oberhalb von 1 % liegt, wird die Decarburisierung heftig in den
Gußstücken und dem Heizofen für den Vorblock. Dieses verbleibt im Stahldraht so
wie es ist, und die Risse treten am häufigsten während der Kaltbearbeitung auf,
wodurch eine Menge von über 1 % nicht zu bevorzugen ist.
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Mn ist in Mengen von 0,2 % oder mehr zur Verhinderung der Heißsprödigkeit
notwendig. Da außerdem Mn ein weniger teueres Element ist und die Festigkeit
verbessert, ist es um so mehr bevorzugt, je größer die Menge desselben ist. Allerdings
ist Mn ebenfalls ein Element, was die Neigung hat, zusammen mit P zur Segregation
zu führen, und die Auftrittshäufigkeit von HIC bedingt durch die zentrale Segregation
wird bei der Erfindung besonders bedeutend, somit wurde 1 % als obere Grenze
angesetzt.
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P besitzt die Neigung, in den Korngrenzen zu segregieren, was die Bearbeitbarkeit
vermindert und die HIC-Risse induziert, somit ist es um so bevorzugter, je geringer
die Menge davon ist. Bei der Herstellung mittels des kontinuierlichen Gießens jedoch,
tritt die Rückführung von P bedingt durch die hohe Schmelztemperatur auf, wodurch
die obere Grenze nur auf 0,025 % angesetzt wurde.
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Im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit in Ergänzung zu den ähnlichen
schädlichen Effekten von P ist es um so bevorzugter, je geringer die Menge an S ist.
Jedoch wurde die Menge auf bis zu 0,010 % angesetzt, was derzeit die wirtschaftliche
Herstellung erlaubt. Außerdem ist die industrielle Herstellung hinreichend möglich in
einer Menge von bis zu 0,001 % S.
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Es gibt Fälle der Verwendung von Al zur Herstellung von feinen Kristallkörnchen und
für Desoxidationsmittel, und im Gegensatz dazu gibt es Fälle, kein Al hinzuzusetzen,
um grobkörnigen Stahl zu erhalten und nichtmetallische Inklusionen im Stahl aufgrund
von Al zu verhindern. Wenn Al hinzugesetzt wird, ist es normalerweise notwendig, es
in Mengen von mindestens 0,006 % oder mehr als ein lösliches Al einzusetzen, das
zum Beispiel dafür erforderlich ist, die Körnchen fein zu machen. Da allerdings die
Aufteilung (Verhältnis) der Gesamtmenge an Al zwischen löslichem Al und
unlöslichem Al zu diesem Zeitpunkt 8:2 ist, wurde die untere Grenze auf 0,008 %
angesetzt. Wenn Al 0,050 % übersteigt, nehmen die nichtmetallischen Inklusionen im
Stahl zu, was die Produktqualität und Ausbeute verringert. Unter Berücksichtigung
der Schmelzausbeute und der Dispergierung sind 0,015 bis 0,035 % für gewöhnlich
als Al-Zugabe zu bevorzugen.
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Andererseits zeigt die Menge an Al im Stahl einen Wert unterhalb von 0,008 % im
Falle keiner Al-Zugabe.
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Ferner liegt das Merkmal der Erfindung darin, daß nach der Kaltbearbeitung der
Stahlmaterialien mit den oben beschriebenen Zusammensetzungen das
sphäroisidierende Tempern durchgeführt wird, um die Arbeitsspannung zu eliminieren und
gleichzeitig eine Umwandlung von der perlitischen Struktur zu einer Struktur zu
erreichen, bei der das feine sphäroisidierte Zementit in dem Ferrit (Matrix) dispergiert
ist, das heißt die sphäroisidierte Struktur.
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Und neuerdings wurde festgestellt, daß die durch Tempern erhaltene sphäroisidierte
Struktur ausgezeichnet bezüglich der HIC-Charakteristik gegenüber der perlitischen
Struktur ist. Dies wird darauf zurückgeführt, daß die in den Stahl eingedrungenen
Wasserstoffatome sich an der Grenze zwischen Zementit und Ferrit aufbauen und dort
die Kerne für HIC bilden, jedoch im Falle der sphäroisidierten Struktur (Zementit),
aufgrund der geringen Menge an Spannung, wird das Auftreten von Rissen
unterdrückt, und keine lokalen Bereiche hoher Dislokationsdichte, welche zum
Fortpflanzungsweg der Risse werden, bestehen, wodurch die Charakteristik der
Beständigkeit gegenüber der wasserstoffinduzierten Rißbildung ausgezeichnet wird.
Außerdem ist das Ausmaß der sphäroisidierten Struktur in der Erfindung
vorzugsweise Nr. 1 bis Nr. 3 unter den Einteilungen Nr. 1 bis Nr. 6, die in dem
Photo der sphäroisidierten Struktur gemäß zum Beispiel JIS G3539 gezeigt sind.
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Dieses liegt daran, daß oberhalb Nr. 4 das Ausmaß der Sphäroisidierung gering ist,
was zu dem Auftreten von Rissen bedingt durch HIC führt; und dieses ist nicht
bevorzugt.
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Um außerdem die bevorzugte sphäroisidierte Struktur mit den bei der Erfindung
verwendeten Bestandteilsystemen zu erreichen, ist eine Tempertemperatur von
ungefähr 600ºC notwendig.
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Der bei der Erfindung verwendete Stahl kann durch die Bearbeitung als ein Stahldraht
oder Stahlkabel, dieses Stahlband oder Stahlrohr aufbauend, eingesetzt werden. Dabei
ist der Stahldraht der allgemeine Ausdruck der geformten Stahldrähte (Flachdraht und
rinnenförmiger Draht), wobei die fixierte Form im Querschnitt kreisförmig,
quadratisch oder angular ist, wobei die Stahlmaterialien (Drahtmaterial oder Stahlstab)
den Verarbeitungsprozessen, wie dem Formziehen, der Verarbeitung durch
Formrollen oder dem Walzen, unterzogen werden.
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Wenn dieser verarbeitete Stahldraht und dieses Stahlband, so wie sie sind, eingesetzt
werden, tritt dabei HIC in den Bereichen innerhalb des Stahldrahtes auf, wo die
Spannungen dazu neigen, sich im Verhältnis gesehen zu konzentrieren, wodurch das
Tempern notwendig wird. Wenn allerdings die Zugfestigkeit vom Stahldraht 784
N/mm² (80 kgf/mm²) nach dem Tempern übersteigt würde die Härte über HRC 22
liegen, was die Sulfid-Spannungsrißkorrosion verursachen würde, wodurch das
Anfordernis entsteht, daß die obere Grenze der Zugfestigkeit bei bis zu 784 N/mm²
(80 kgf/mm²) liegt.
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Und bei
dem als eine Metallverstärkungsschicht eines flexiblen Rohrs für den
Transport eines Fluids, zum Beispiel für ein vorgenanntes tiefes Bohrloch,
einzusetzende Schutzstahl wird eine große Konstruktionsspannung aufgenommen, und
um das Gewicht des flexiblen Rohrs zu senken, sollte die Zugfestigkeit 490 N/mm²
(50 kgf/mm²) oder mehr sein. Wenn dieses nicht erfüllt ist, wird das Rohr für den
Transport am Ende sowohl gegen internen Druck als auch gegen externen Druck nicht
beständig sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die Figur 1 ist ein longitudinaler Querschnitt eines flexiblen Rohrs für den Transport
eines sauren Fluids gemäß der Erfindung.
Beste Ausführungsform um die Erfindung zur Wirkung kommen zu lassen
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Im nachfolgenden werden in den Beispielen die Charakteristiken der bei der Erfindung
verwendeten Stahlmaterialien mit jenen von herkömmlichen Materialien und
Vergleichsmaterialien verglichen, wie erläutert werden wird.
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Die Drahtmaterialien (9,5 mm im Durchmesser und 5,5 mm im Durchmesser) mit den
in Tabelle 1 aufgezeigten Zusammensetzungen wurden einer
Kaltmatrizen-Verarbeitung und dem Flachwalzen unterzogen, um Flachdrähte mit einer Dicke von etwa 3
mm bis 0,9 mm zu erhalten. Dann wurden nach dem Tempern bei den in Tabelle 2
aufgeführten Temperaturen ein Zugtest und HIC-Test durchgeführt. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 2 aufgeführt.
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Für den Zugtest wurde ein Streifen mit einer Länge von 450 mm verwendet. Die
Beurteilung der HIC-Charakteristiken wurde gemäß dem nachfolgenden Verfahren
durchgeführt: Dabei wurde ein oben beschriebener Flachdraht zu einer Länge von 100
mm geschnitten und in eine Lösung von 5% NaCl-0,5% CH&sub3;COOH-gesättigtes H&sub2;S
während 96 Stunden bei 25ºC eingetaucht. Dann wurden 3 Querschnittsbereiche
poliert, und das Auftreten von Mikrorissen wurde unter einem optischen Mikroskop
begutachtet.
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Nr. 6 bis Nr. 10 in Tabelle 1 sind Drahtmaterialien mit einem Durchmesser von 9,5
mm vor der Kaltverarbeitung, und Nr. 11 bis Nr. 14 sind jene mit 5,5 mm im
Durchmesser. Darunter sind die Drahtmaterialien der Erfindung, Nr. 11 und Nr. 12,
wobei die anderen Vergleichsmaterialien und herkömmliche Materialien sind.
Tabelle 1
Nr.
Chemische Zusammensetzung
Einteilung
Vergleichsmaterial
Herkömmliches Material
Material der Erfindung
*1 Flache Form (t: Dicke, l: Länge)
*2 In Übereinstimmung zu den Einteilungen Nr. 1 bis 6 im Photo 1 der
sphäroisidierten Struktur gemäß JIS G3539.
*3 Unter Nr. 6 bis Nr. 10 und unter Nr. 11 bis Nr. 14, Drahtmaterialien mit 9,5 mm
im Durchmesser bzw. mit 5,5 mm im Durchmesser wurden in der Kälte
verarbeitet.
Tabelle 2
Ergebnisse
Nr.
Einteilung
Form bei Kaltbehandlung *1 t x 1 (mm)
Tempertemperatur (ºC)
Zugfestigkeit N/mm² (kgf/mm²)
Auftreten von HIC (%)
Ausmaß der sphäroidisierten Struktur *2
Vergleichsmaterial
Herkömmliches Material
Material der Erfindung
kein Tempern
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Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, erzielten im Falle der Drahtmaterialien ohne
Tempern (Nr. 6 und Nr. 9) und mit Tempern bei geringer Temperatur (Nr. 7) bei den
Vergleichsmaterialien und herkömmlichen Materialien die Zugfestigkeit sehr hohe
Werte, und Risse traten beim HIC-Test auf.
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Außerdem ist in den Fällen der Drahtmaterialien mit geringem C-Gehalt und hohem
S-Gehalt bei den Bestandteilen (herkömmliche Materialien Nr. 8 und 10), die
außerhalb der Erfindung liegen, die Sphäroisidierung unzureichend, und aufgrund
einer stärker perlitischen Struktur tritt HIC auf.
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Andererseits, wie bei den Vergleichsmaterialien Nr. 13 und 14 gesehen werden kann,
wenn die Tempertemperatur hoch wird, verbessert sich das Ausmaß der
sphäroisidierten Struktur, jedoch nimmt die Zugfestigkeit ab, was nicht zu bevorzugen ist.
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Wie oben tritt gemäß der Erfindung eine optimale sphäroisidierte Struktur auf, und
die erforderlichen Charakteristiken der Zugfestigkeit und HIC sind gleichzeitig
befriedigend.
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Als nächstes wurden bezüglich des flexiblen Rohrs für den Transport eines sauren
Fluids der Erfindung und herkömmlicher Transportrohre die Charakteristiken der
dafür verwendeten Stahlmaterialien verglichen. Bei diesem Transportrohr, wie in
Figur 1 gezeigt, wird der bezüglich der Beständigkeit gegenüber der
wasserstoffinduzierten Rißbildung ausgezeichnete innere Verstärkungsstahldraht 2
(rinnenförmiger Stahldraht) spiralförmig auf ein Kunststoffinnenrohr 1 gewickelt, so
daß die obere Schicht 2-1 und die untere Schicht 2-2 miteinander verbunden sind, und
eine weiter außen liegende Verstärkungsschicht 3 (Stahlband) aus der gleichen
Materialqualität ist spiralförmig darauf gewickelt mit einem größeren Abstand als die
innere Verstärkungsschicht 2, so daß zwei obere und untere Schichten in
entgegengesetzten Richtungen verlaufen. Die Metallverstärkungsschicht kann mit
jeder der Innen- und Außenverstärkungsschichten (entweder 2 oder 3) gebildet
werden. Die am weitesten außen liegende Schicht ist eine Kunststoffhülle und
verhindert, daß die Metallverstärkungsschichten durch die äußere Umgebung Schaden
nehmen.
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Ein Beispiel der Charakteristiken der Metallverstärkungsschicht ist in Tabelle 3 im
Vergleich zu herkömmlichem Material aufgeführt.
Tabelle 3
Herkömmliches Material
Die Erfindung betreffendes Verstärkungsmaterial
Zusammensetzung %
Tempertemperatur
Temperzeit
Zugfestigkeit
Wasserstoffinduzierte Rißbildung *
Sulfid-Spannungsrißkorrosion **
Zugfestigkeit bei Schweißstellen
min.
Auftreten von Rissen
Keine Risse
* Das Testverfahren entspricht dem NACE (American Corrosion Engineering
Association)-Standard TM-02-84.
** Das Testverfahren entspricht dem NACE-Standard TM-01-77.
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Gemäß Tabelle 3 tritt beim die Erfindung betreffenden Verstärkungsmaterial keine
wasserstoffinduzierte Rißbildung auf und dennoch sind die Zugfestigkeiten in
normalen Bereichen und Schweißstellen höher als jene herkömmlicher Artikel.
Nutzbarkeit in der Industrie
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Wie oben beschrieben, ist der bei der Erfindung verwendete hochfeste Stahl
ausgezeichnet bezüglich der Charakteristik der wasserstoffinduzierten Rißbildung und
wurde niemals zerstört, selbst wenn es in einer drastischen Umgebung von nassem
Schwefelwasserstoff eingesetzt wurde.
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Somit treten bei der Verwendung des hochfesten Stahls gemäß der Erfindung für die
Metallverstärkungsschicht von flexiblen Rohren für den Transport saurer Fluide als
ein Stahlband zerstörende Schädigungen, wie wasserstoffinduzierte Rißbildung oder
Sulfid-Spannungsrißkorrosion, nicht auf, und ferner ist die Festigkeit in normalen
Bereichen und an Schweißstellen der Verstärkungsschicht hoch, wodurch es möglich
geworden ist, hohe Konstuktionsspannungen auf sich zu nehmen und einen Weg für
das Leichtermachen des flexiblen Rohrs zu öffnen.