EP0035091B1 - Verfahren zur Herstellung von spannungsrisskorrosionsbeständigen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen aus austenitischen Stählen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von spannungsrisskorrosionsbeständigen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen aus austenitischen Stählen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0035091B1 EP80890152A EP80890152A EP0035091B1 EP 0035091 B1 EP0035091 B1 EP 0035091B1 EP 80890152 A EP80890152 A EP 80890152A EP 80890152 A EP80890152 A EP 80890152A EP 0035091 B1 EP0035091 B1 EP 0035091B1
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drill
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Heinz Dr. Kohl
Josef Dipl.-Ing. Riedl
Hans Dr. Enöckl
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Schoeller Bleckmann GmbH
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Vereinigte Edelstahlwerke AG
Schoeller Bleckmann GmbH
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation

Definitions

  • non-magnetisable drill rods and rod parts are required for directional drilling in order to avoid influencing the measuring devices that are inserted into the drill hole of the rod.
  • austenitic steels based on manganese-chromium have been proposed for non-magnetizable drill collars, which are very stable austenitic and, moreover, can be hardened particularly well (AT-PS 214466).
  • AT-PS 214466 austenitic steels based on manganese-chromium
  • the usual procedure is to achieve higher strengths by cold working.
  • the drill collars are first cold-formed over the entire length and finally the ends containing the connecting threads are additionally subjected to a deformation in order to give these parts of the drill collar, which are subject to greater stress, the necessary strength properties.
  • the casting is therefore hot forged, followed by a heat treatment followed by cold working, with a cross-sectional reduction of around 10% taking place, after which the forging is turned and the hole is drilled.
  • This hollow cylinder is then u. Like. provided.
  • the properties of the drill collars manufactured in this way correspond entirely to the usual requirements in the oil field.
  • they have the disadvantage that they prevent corrosion attacks from, for example, aggressive chloride solutions which are found in boreholes e.g. occur frequently in salt domes, are not sufficiently stable and tend to stress corrosion cracking. This can lead to breaks, which then cause unpleasant and costly failures.
  • the magnetic properties can be changed significantly by high mechanical loads on non-magnetic materials.
  • high mechanical stresses could cause the magnetic martensite to develop in an intrinsically non-magnetic structure.
  • the higher the nickel content the more stable a magnetic alloy remains.
  • the higher the nickel content the higher stress corrosion cracking must be expected since the carbon activity is increased.
  • a component for a generator or electric motor which is made of an austenitic alloy and which is said to be non-magnetic at the same time, this component being shot-peened to increase the resistance to stress corrosion cracking. It is a so-called cap ring.
  • Cap rings are used in large electrical machines, namely the lead wires to the windings of the generator or motor are to be held in their groove by a ring. For reasons of the efficiency of the electrical machine, these components should be non-magnetic. If individual areas of the cap ring can be magnetized, the overall function of the motor or the generator is not endangered.
  • the invention thus relates to a method for producing stress-crack corrosion-resistant, non-magnetizable collars made of austenitic steels, which is characterized in that compressive stresses are caused in the surface area of the collars by the action of mechanically, electrically or chemically triggered impact or pressure energy.
  • This application of residual compressive stresses is preferably achieved by mechanical cold compression of the surface by means of hammering, shot peening or roller burnishing.
  • the residual compressive stresses can, however, also advantageously be caused by underwater spark discharge or by triggering detonation waves.
  • the residual tensile stresses resulting from the previous processing which are also responsible for the occurrence of stress corrosion cracking, can be eliminated in the surface area which is decisive for the corrosion attack while maintaining the non-magnetic properties.
  • the method according to the invention can be successfully applied to all austenitic steel alloys.
  • This device for carrying out the method according to the invention is characterized by an impact gas hammer, which is arranged in a housing and is preferably pressurized, the head part of which carries a firing pin for transmitting the axial impact movement, which has at least two, preferably three or four, movably mounted in guide ribs of the housing provided radially outward impact chisels, which strikes the articulated plates which convert the axial to an essentially radial impact movement.
  • a particular advantage of this device to be used according to the invention is its structurally simple structure, which makes replacing bearings, chisels and other wearing parts completely unproblematic;
  • the device is characterized by great robustness.
  • the tool can be made narrow and can therefore be used easily for machining bores of different, in particular also small, drilling widths.
  • the housing is advantageously connected to a pipe which can be inserted into the hollow, preferably the drill pipe used to produce the hollow, by a releasable connection.
  • the guide ribs of the housing are arranged symmetrically and that the articulated plates are articulated by means of bearing bolts arranged between two mutually associated guide ribs.
  • the hinge plates are approximately rectangular in shape.
  • the chisel is made of hard metal.
  • Fig. 1 the hammer operated with compressed air is shown. This is permanently installed in the housing 2, one end of which is connected to a drill pipe 5 by means of a thread 3 and a guide sleeve 4. Through this line 6 for the compressed air supply.
  • a firing pin 8 with a corresponding insertion end 9 is inserted in the head part 7 of the hammer 1.
  • This firing pin 8 is additionally guided in the guide 10 of the housing 2 and transmits the axial impact movement of the hammer 1 to the articulated plates 11.
  • These are movably arranged about bearing bolts 12 in the symmetrically arranged guide ribs 13 of the housing 2.
  • the bolts 12 are secured with lock washers 14.

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Description

  • Bei den für Tiefbohrungen notwendigen Bohrgestängen werden für Richtbohrungen nichtmagnetisierbare Schwerstangen und Gestängeteile benötigt, um eine Beeinflussung der Messgeräte zu vermeiden, die in die Bohrung der Gestänge eingeführt werden.
  • Für solche Schwerstangen wurden früher ausschliesslich Monel K-Legierungen mit mindestens 63% Nickel, mindestens 25% Kupfer und maximal 5% Aluminium verwendet, die sich als verlässlich unmagnetisch erwiesen haben und dabei gleichzeitig die erforderlichen Festigkeitseigenschaften besitzen.
  • Neben diesen kostspieligen Legierungen wurde versucht, zur Herstellung nichtmagnetisierbarer Schwerstangen austenitische Stähle zu verwenden. Dabei sind bei Schwerstangen aus den üblichen 18/8 Chrom-Nickel-Stählen oft Schwierigkeiten infolge deren ungünstigen unmagnetischen Verhaltens eingetreten. Überdies waren die Festigkeitseigenschaften dieser Werkstoffe unzureichend.
  • Zur Beseitigung dieser Nachteile sind für nichtmagnetisierbare Schwerstangen austenitische Stähle auf der Basis Mangan-Chrom vorgeschlagen worden, die sehr stabil austenitisch sind und sich darüber hinaus besonders gut verfestigen lassen (AT-PS 214466). Bei der Herstellung von homogenen, aus einem Stück bestehenden Schwerstangen aus diesen Stählen wird üblicherweise so vorgegangen, dass durch ein Kaltverformen höhere Festigkeiten erzielt werden. Bei diesem Vorgang werden die Schwerstangen zuerst über die ganze Länge kaltverformt und abschliessend die Enden, welche die Verbindungsgewinde enthalten, noch zusätzlich einer Verformung unterzogen, um diesen höher beanspruchten Teilen der Schwerstange die notwendigen Festigkeitseigenschaften zu geben. Der Guss wird also warmgeschmiedet, dann erfolgt eine Wärmebehandlung, der eine Kaltverformung folgt, wobei eine Querschnittsreduktion im Ausmass von etwa 10% stattfindet, wonach das Schmiedestück überdreht und die Bohrung vorgenommen wird. Dieser Hohlzylinder wird dann mit den erforderlichen Gewinden u. dgl. versehen.
  • Die so hergestellten Schwerstangen entsprechen in ihren Eigenschaften durchaus den üblichen Anforderungen im Ölfeld. Sie haben aber den Nachteil, dass sie gegen die Korrosionsangriffe beispielsweise'von aggressiven Chloridlösungen, die in Bohrlöchern z.B. in Salzstöcken öfters auftreten, nicht genügend beständig sind und zu Spannungsrisskorrosion neigen. Es können dadurch Brüche eintreten, die dann unangenehme und kostspielige Ausfälle verursachen.
  • Zur Vermeidung dieser Art von Korrosion wurde versucht, beständigere Legierungen für Schwerstangen heranzuziehen, welche, wie die AT-PS 308 793 zeigt, die Zusammensetzung: max. 0,07% Kohlenstoff, bis 1,00% Silizium, 0,50-2,00% Mangan, 20,00-25,00% Chrom, 10,00-15,00% Nickel, 0,05-0,50% Stickstoff, Rest Eisen und übliche Begleitelemente aufweisen. Schwerstangen aus diesen Legierungen neigen auch bei Einsatz aggressiver Spülmittel viel weniger zu Spannungsrisskorrosion, haben aber den Nachteil, verhältnismässig kostspielig zu sein.
  • Wie sich im praktischen Bohrbetrieb ergeben hat, sind aber alle diese verschiedenartigen Vorschläge nicht immer in ausreichendem Masse geeignet, ein Auftreten von Spannungsrisskorrosion gänzlich auszuschalten.
  • Zur Verbesserung der Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit wird in der Literatur unter anderem vorgeschlagen, Druckeigenspannungen z. B. durch Sand- oder Stahlstrahlen zu erzeugen (Werkstoffe und Korrosion 1963, Heft 9, Seiten 729-739).
  • Weiters ist es bekannt, dass die magnetischen Eigenschaften durch hohe mechanische Beanspruchungen von amagnetischen Werkstoffen wesentlich verändert werden können. Bei Stahl ist es beispielsweise bekannt, dass durch hohe mechanische Beanspruchungen in einem an sich amagnetischen Gefüge der magnetische Martensit auftreten könnte. Weiters ist es bekannt, dass eine Stahllegierung, je höher der Nickelanteil ist, umso beständiger amagnetisch bleibt, wobei allerdings, je höher der Nickelgehalt ist, eine höhere Spannungsrisskorrosion erwartet werden muss, da die Kohlenstoffaktivität erhöht wird.
  • Aus der DE-A 1 227491 wird ein Bauteil für einen Generator oder Elektromotor bekannt, welcher aus einer austenitischen Legierung aufgebaut ist und der gleichzeitig amagnetisch sein soll, wobei zur Erhöhung der Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion dieser Bauteil kugelgestrahlt werden soll. Es handelt sich hiebei um einen sogenannten Kappenring. Kappenringe werden bei grossen elektrischen Maschinen eingesetzt, und zwar sollen die Zuführungsdrähte zu den Wicklungen des Generators oder Motors durch einen Ring in ihrer Nut gehalten werden. Diese Bauteile sollen aus Gründen des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine amagnetisch sein. Sind einzelne Bereiche des Kappenringes magnetisierbar, so wird jedoch die Gesamtfunktion des Motors oder des Generators nicht gefährdet.
  • Eingehende Untersuchungen haben nun gezeigt, dass sich die Spannungsrisskorrosion bei amagnetischen Schwerstangen aus austenitischen Stählen auch bei den kostengünstigeren Mangan-Chrom-Stählen sicher vermeiden lässt, wenn man im Oberflächenbereich Druckeigenspannungen aufbringt.
  • Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von spannungsrisskorrosionsbeständigen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen aus austenitischen Stählen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass im Oberflächenbereich der Schwerstangen Druckeigenspannungen durch Einwirkung mechanisch, elektrisch oder chemisch ausgelöster Stoss- bzw. Druckenergie hervorgerufen werden.
  • Gemäss einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden zusätzlich im Oberflächenbereich des Hohls der Schwerstangen Druckeigenspannungen durch Einwirkung mechanisch, elektrisch oder chemisch ausgelöster Stoss- bzw. Druckenergie hervorgerufen.
  • Dieses Aufbringen von Druckeigenspannungen wird bevorzugt durch mechanisches Kaltverdichten der Oberfläche mittels Hämmern, Kugelstrahlen oder Rollieren erreicht.
  • Die Druckeigenspannungen können aber auch vorteilhaft durch Unterwasser-Funkenentladung oder durch Auslösung von Detonationswellen hervorgerufen werden.
  • Mit dem erfindungsgemässen Aufbringen von Druckeigenspannungen können die von der vorhergehenden Bearbeitung herrührenden Zugeigenspannungen, die für das Auftreten der Spannungsrisskorrosion auch verantwortlich sind, im für den Korrosionsangriff entscheidenden Oberflächenbereich bei Beibehaltung der amagnetischen Eigenschaften beseitigt werden. Das erfindungsgemässe Verfahren kann mit Erfolg auf alle austenitischen Stahllegierungen angewendet werden.
  • Es hat sich gezeigt, dass Bearbeitungsmethoden, bei welchen das Verdichten der Oberfläche der Bohrung durch mechanische Einwirkung in Richtung etwa senkrecht zur Oberfläche erfolgt, für den angestrebten Abbau der Zugeigenspannungen und den Aufbau von Druckeigenspannungen am vorteilhaftesten sind. Dementsprechend sind Kugelstrahlen, ein Vorgang, bei welchem ähnlich dem Sandstrahlen ein Strahl von Stahlkugeln gegen die Oberfläche gerichtet wird, und Hämmern für die Behandlung der Schwerstangen besonders bevorzugt.
  • Am günstigsten ist es, wenn das Werkzeug, welches die Druckeigenspannungen aufbringt, in der Bohrung der Schwerstange vorgeschoben, die Stange jedoch gedreht wird. Auf diese Weise wird ein besonders gleichmässiges Verdichten der zu bearbeitenden Hohloberfläche erreicht.
  • Da die Bohrungen der Schwerstangen im Durchmesser verhältnismässig klein sind, die Stangenlängen jedoch mindestens 9,15 m betragen, wurde für das erfindungsgemässe Verdichten der Oberfläche durch Hämmern eine spezielle Vorrichtung entwickelt, welche nach dem Prinzip eines Pressluft-Schlagwerkzeuges arbeitet. Diese Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen in einem Gehäuse angeordneten, vorzugsweise pressgasbetriebenen, Schlaghammer, dessen Kopfteil zur Übertragung der axialen Schlagbewegung einen Schlagbolzen trägt, welcher an mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier, in Führungsrippen des Gehäuses beweglich gelagerten, mit radial nach aussen gerichteten Schlagmeisseln versehene, die axiale in eine im wesentlichen radiale Schlagbewegung umwandelnde, Gelenkplatten anschlägt.
  • Besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäss einzusetzenden Vorrichtung ist ihr konstruktiv einfacher Aufbau, der ein Auswechseln von Lagern, Meisseln und anderen Verschleissteilen völlig unproblematisch macht; darüber hinaus zeichnet sich die Vorrichtung durch grosse Robustheit aus. Schliesslich kann das Werkzeug schmal gebaut sein und so leicht zur Bearbeitung von Bohrungen verschiedener, insbesondere auch kleiner Bohrweiten eingesetzt werden. Vorteilhaft ist bei dem Werkzeug das Gehäuse mit einem in das Hohl einführbaren Rohr, vorzugsweise dem zur Herstellung des Hohls dienenden Bohrrohr, durch eine lösbare Verbindung verbunden.
  • Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Führungsrippen des Gehäuses symmetrisch angeordnet und dass die Gelenkplatten mittels zwischen je zwei einander zugeordneten Führungsrippen angeordneten Lagerbolzen gelenkig gelagert sind. Durch diese Ausbildungsform lässt sich ein einfacher Aufbau bei gleichzeitig hoher Arbeitspräzision erreichen.
  • Im allgemeinen haben die Gelenkplatten etwa Rechteckform. Insbesondere um deren Gewicht ohne wesentliche Festigkeitseinbusse zu verringern, wird es bevorzugt, die Gelenkplatten im wesentlichen rechteckförmig und die dem Schlagmeissel abgekehrte Seite der Platten vorzugsweise abgeschrägt auszubilden.
  • Zur Verminderung des Verschleisses ist es vorteilhaft, wenn der Schlagmeissel aus HartmetalJ gefertigt ist.
  • Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemässe Vorrichtung im folgenden näher erläutert:
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, welche sich im Hohl einer Schwerstange befindet; Fig. 2 eine Vorderansicht eines dreistrahlig und Fig. eine Vorderansicht eines vierstrahlig ausgebildeten Werkzeuges.
  • In Fig. 1 ist der mit Pressluft betriebene Schlaghammer dargestellt. Dieser ist im Gehäuse 2 fix eingebaut, dessen eines Ende mittels Gewinde 3 und Führungshülse 4 mit einem Bohrrohr 5 verbunden ist. Durch dieses führt die Leitung 6 für die Pressluftzufuhr. In den Kopfteil 7 des Schlaghammers 1 ist ein Schlagbolzen 8 mit entsprechendem Einsteckende 9 eingeführt. Dieser Schlagbolzen 8 wird zusätzlich in der Führung 10 des Gehäuses 2 geführt und überträgt die axiale Schlagbewegung des Schlaghammers 1 auf die Gelenkplatten 11. Diese sind um Lagerbolzen 12 beweglich in den symmetrisch angeordneten Führungsrippen 13 des Gehäuses 2 angeordnet. Die Bolzen 12 sind mit Sicherungsscheiben 14 gesichert. Die Gelenkplatten 11, deren Anzahl, wie Fig. 2 zeigt, 3 Stück, aber je nach Grösse des Gehäuses, wie Fig. 3 zeigt, auch 4 Stück (dies ist von der zu bearbeitenden Bohrungsgrösse abhängig) betragen kann, übertragen die Axialbewegung des Schlagbolzens 8 in eine Radialbewegung. Die in den Gelenkplatten 11 eingebauten Schlagmeissel 15 z. B. aus Hartmetallhämmern mit der hohen Schlagfrequenz des Schlaghammers 1 auf die Oberfläche 16 der Bohrung der Schwerstange und bewirken so die gewünschte Kaltverdichtung der Oberfläche. Bezüglich der Grössenordnung der Schlagfrequenz kann angegeben werden, dass sich für die Ausführung mit 3 Schlagmeisseln eine solche von 6000-8000 Schlägen/min und für diejenige mit 4 Schlagmeisseln eine solche von 4000-5000 Schlägen/min gut bewährt hat.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von spannungsrisskorrosionsbeständigen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen aus austenitischen Stählen, dadurch gekennzeichnet, dass im Oberflächenbereich der Schwerstangen Druckeigenspannungen durch Einwirkung mechanisch, elektrisch oder chemisch ausgelöster Stoss- bzw. Druckenergie hervorgerufen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich im Oberflächenbereich des Hohls der Schwerstangen Druckeigenspannungen durch Einwirkung mechanisch, elektrisch oder chemisch ausgelöster Stoss- bzw. Druckenergie hervorgerufen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeigenspannungen mittels Hämmern, Kugelstrahlen oder Rollieren hervorgerufen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeigenspannungen durch Unterwasser-Funkenentladung hervorgerufen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeigenspannungen durch Auslösung von Detonationswellen hervorgerufen werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, mit einem in einem Gehäuse (2) angeordneten, vorzugsweise pressgasbetriebenen Schlaghammer (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfteil (7) des Schlaghammers (1) zur Übertragung der axialen Schlagbewegung einen Schlagbolzen (8) trägt, welcher an mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier, in symmetrisch angeordneten Führungsrippen (13) des Gehäuses (2) beweglich gelagerte, mit radial nach aussen gerichteten Schlagmeisseln (15) versehene, die axiale in eine im wesentlichen radiale Schlagbewegung umwandelnde Gelenkplatten (11) anschlägt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkplatten (11) mittels zwischen je zwei einander zugeordneten Führungsrippen (13) angeordneten Lagerbolzen (12) gelenkig gelagert sind.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkplatten (11) im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sind, wobei die dem Schlagmeissel (15) abgekehrte Seite der Platten (11) vorzugsweise abgeschrägt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlagmeissel (15) aus Hartmetall gefertigt ist.
EP80890152A 1980-01-25 1980-12-19 Verfahren zur Herstellung von spannungsrisskorrosionsbeständigen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen aus austenitischen Stählen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Expired EP0035091B1 (de)

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