DE3445371C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Anwendung einer Vergütungsbehandlung mit den sich aus dem Anspruch 1 ergebenden Merkmalen auf Bohr- bzw. Bohrgestängeeinheiten für die Erdgasindustrie mit den ebenfalls im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Rohre für die Erdöl- und Erdgasindustrie und miteinander verschraubbare Einheiten eines Bohrgestänges werden bei Erdbohrungen in große Teufen oder zur Fortleitung des Erdöls auch im oberirdischen Bereich benutzt. Die Rohre sind hauptsächlich durch Innendruck und Längskräfte, die Einheiten durch die Masse des Bohrkopfes, ihre eigene Masse und das Bohrmoment und Biegung mechanisch hochbeansprucht. Es kommen deswegen üblicherweise ausschließlich vergütete Rohre und Einheiten zum Einsatz, die nach dem Vergüten durch sogenannte Verbinder versehen sind. Dies sind Flanschverbinder oder besonders starkwandig kurze Rohrstücke mit Gewinde, durch die die Einheiten zu Bohrgestängen miteinander verbunden sind.

Die Verbinder wurden früher beispielsweise bei den Einheiten auf die Rohrenden aufgeschraubt und dann verschweißt. Inzwischen ist es aber schon üblich, die Rohrverbinder durch Schweißen, z. B. Reibschweißen, mit dem Rohr zu verbinden, die Schweißstelle zu entgraten und spannungsarm zu glühen.

Derartige Rohre und Einheiten genügen den an sie gestellten physikalischen Eigenschaften (Steckgrenze, Dehnung). Sie sind bei Anwesenheit von feuchtem Sauergas nur bis zu einem kleinen Teil ihrer Streckgrenze belastbar. Insbesondere weist der Übergangsbereich von Schweißzone zu Grundwerkstoff bei Rohren bisheriger Fertigung eine äußerst hohe Anfälligkeit für Spannungsrißkorrosion auf. Die Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit wird in schwefelwasserstoffgesättigter Prüflösung nach dem NACE-Standard TM-01-77 geprüft.

Aus der US-PS 43 54 882 ist ein Verfahren zur Herstellung von Rohren für die Erdölindustrie bekannt. Abgesehen von der grundsätzlich unterschiedlichen Ausbildung dieser Rohre ist der Schwefelgehalt zu berücksichtigen, der einen um eine Zehnerpotenz höheren Maximalwert aufweisen kann.

Bei diesen hohen Gehalten ist aber die Qualität der hergestellten Rohre nicht ausreichend, um den vorstehenden Anforderungen zu entsprechen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die korrosionsmechanische Belastbarkeit des Rohres und der Einheit zu erhöhen und der physikalischen Belastbarkeit anzupassen.

Die Anwendung der Gesamtheit der Merkmale im Patentanspruch 1 löst diese gestellte Aufgabe.

Eine besondere Ausgestaltung ergeben die Merkmale im Anspruch 2.

Für die Erfindung kommt es nicht darauf an, ob die zur Verarbeitung kommenden Rohre aus der Walzhitze an Luft abgekühlt oder normalisierend geglüht sind. Ein Vergüten der Ausgangsrohre ist ebensowenig erforderlich. Um einen dickwandigeren Übergang vom Ausgangsrohr zu den Verbindern hin zu schaffen, kann die Wanddicke an den Rohrenden durch achsiales Stauchen im Gesenk verdickt werden. Die Wandverdickung schafft auch eine breitere Schweißfläche.

Die Verbinder sind im allgemeinen Fall Flansche oder kurze sehr dickwandige Rohrstücke. Letztere sind einseitig auf die Wanddicke der verdickten Rohrenden abgedreht und auf dem Gewindebereich vorgearbeitet. Auch diese Verbinder brauchen nicht vor dem Schweißen wärmebehandelt zu werden.

Es gibt Verbinder mit vorgedrehtem Außengewinde oder mit Innengewinde, die paarweise an den Enden des Rohres durch Reibschweißen verbunden werden. Der überstehende Grat wird entfernt.

Rohr und Verbinder sind aus einer Stahlzusammensetzung hergestellt, die nicht beständig gegen abtragende Korrosion ist. Im Falle der Einheiten werden der Bohrflüssigkeit üblicherweise Inhibitoren zugesetzt, so daß die abtragende Korrosion unbeachtlich ist. Die Stahlzusammensetzung ist aber so eingestellt, daß die Wanddicke bei Wasser oder bei Ölabschreckung auch bis zu den größten vorkommenden Dicken am Rohr und an den Verbindern weitgehend durchgehärtet ist, d. h. auf die volle Wanddicke ziemlich gleichmäßige Härte annimmt und damit gleiche Festigkeitseigenschaften hat.

Der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik ist, daß die soweit hergestellten Rohre für die Erdölindustrie und die Einheiten eines Bohrgestänges als ganzes gehärtet werden. Soweit der Abmessungsbereich es zuläßt, wird das Tauchverfahren angewendet. Diese Teile werden daraufhin angelassen und die Wärmebehandlung endet mit der Abkühlung an Luft. Die anzuwendende Temperaturführung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruches. Damit haben die Teile eine auf der ganzen Länge, im besonderen im Schweißbereich und den von der Schweißwärme beeinflußten Bereich des Grundwerkstoffes im Vergleich zum glatten Rohr ein gleichmäßiges ebensolches Gefüge und damit gleiche mechanische Eigenschaften sowie vergleichbare Korrosionsbeständigkeit.

Es folgt die mechanische Bearbeitung des Gewindes, der Dicht- und/oder Anschlagschultern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Einheit eines Bohrgestänges und geht von folgender Stahlzusammensetzung aus (Massenprozent):

C0,45 Si0,25 Mn0,90 Cr1,26 Mo0,36 P0,012 S0,002 und Rest Eisen

Die Ausgangsrohre werden aus Stranggußknüppeln durch Schrägwalzen, Abstrecken über einer zylindrischen Stange im Kontiwalzwerk und durch Streckreduzieren auf die Fertigabmessung 114,3 Außendurchmesser × 9,2 mm Wanddicke gewalzt und an ruhender Luft abgekühlt. In einer erneuten Erwärmung jedoch nur an den Enden auf etwa 300 mm Länge wird die Wanddicke auf ca. 22 mm bei einem Außendurchmesser von etwa 131 mm angestaucht. Es erfolgt erneut Abkühlung an ruhender Luft.

Ebenso erzeugte dickwandige Rohre mit einer Abmessung von 162 mm Außendurchmesser, 36 mm Wanddicke werden in Abschnitten von ca. 370 mm Länge unterteilt und paarweise zu Verbindern mit Außen- und Innengewinde roh vorgedreht. Zur Schweißstelle mit dem Rohr wird ein Übergang abgedreht.

Verbinder und Ausgangsrohr werden durch Reibschweißen verbunden und entgratet, wie dies in der DE-PS 31 33 181 beschrieben ist. Damit liegt die Bohrgestängeeinheit in voller Länge vor. So wird es einer Abschreckhärtung und einem Anlassen einer Anlage zugeführt, wie sie in der DE-PS 15 83 993 beschrieben ist. Das Abschrecken erfolgt von einer Temperatur von 890°C in Öl für etwa 120 Sekunden. Die Bohrgestängeeinheit wird danach auf einem Rost an ruhender Luft ausgelegt. Die Anlaßtemperatur beträgt 690°C. Nach der Abkühlung an Luft kann ein Richten auf Geradheit vorgesehen sein. Die Bohrgestängeeinheit hat jetzt folgende physikalische Eigenschaften

Streckgrenze:694 N/mm² Zugfestigkeit:813 N/mm² Dehnung:26% Härte:25,3 HRC Kerbschlagzähigkeit bei 20° ISO V:80 J

Eine Probe aus der Bohrgestängeeinheit erträgt im Test nach NACE-TM-01-77 80% der Mindeststreckgrenze von 655 N/mm² im Dauerversuch über die vorgeschriebenen 720 Stunden hinaus.

Es folgt die mechanische Bearbeitung, die sich vom üblichen nicht unterscheidet.

Die einzige Figur hierzu zeigt das fertige Produkt des Ausführungsbeispiels, bestehend aus dem Ausgangsrohr 1, den Gewindeverbindern 2 und 3 und die am fertigen Rohr nicht erkennbaren Stellen der Schweißnähte 4 und 5.

Claims (5)

1. Anwendung einer Vergütungsbehandlung mit

• - einem Erwärmen auf eine Temperatur zwischen 50 bis 200 K über Ac₃,
  - einem Abschrecken von dieser Temperatur auf eine Temperatur mindestens 200 K unter Ar₁,
  - einem Anlassen auf eine Temperatur unter Ac₁ und
  - einem anschließenden Abkühlen an Luft,

bei einer Stahllegierung mit

• - 0,20 bis 0,60% C,
  - 0,5 bis 1,8% Mn,
  - 0,5 bis 3,5% (Cr + Mo),
  - nicht mehr als 0,02% P und
  - nicht mehr als 0,005% S

auf Bohr- bzw. Bohrgestängeeinheiten für die Erdöl- und Erdgasindustrie,

• - die aus dünnwandigen bzw. aus mit ggf. durch Warmstauchen verdickten Enden versehenen Ausgangsrohren sowie
  - mit an beiden Enden durch Reibschweißen angesetzten Verbindern bestehen,
  - deren Schweißnähte entgratet und nach der Vergütungsbehandlung spangebend fertig bearbeitet werden und
  - die dadurch folgende Eigenschaften besitzen: Streckgrenze515 bis 760 N/mm² Zugfestigkeitmindestens 660 N/mm² Dehnungmin. 15,5% Härtemax. 26 HRC KerbschlagzähigkeitISO V
  bei Raumtemperatur
  mind. 60 JZeitfestigkeit für 720 Stunden nach NACE-TM-01-77 in einer schwefelwasserstoffgesättigten Prüflösung von 80% der Mindeststreckgrenze.

2. Anwendung der Vergütungsbehandlung nach Anspruch 1 auf eine Bohrgestängeeinheit mit der Maßgabe, daß bei der Stahllegierung für die Ausgangsrohre und die Verbinder

• - der C-Gehalt auf 0,40 bis 0,55% und
  - der Mn-Gehalt auf 0,8 bis 1,8% eingestellt wird,

wobei sich für die Streckgrenze 655 bis 760 N/mm² und für die Zugfestigkeit mindestens 720 N/mm² ergeben.