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EP0184978A2 - Verfahren zum Herstellen von Rohren für die Erdöl- und Erdgasindustrie und von Bohrfestängeeinheiten - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Rohren für die Erdöl- und Erdgasindustrie und von Bohrfestängeeinheiten Download PDF

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EP0184978A2
EP0184978A2 EP85730120A EP85730120A EP0184978A2 EP 0184978 A2 EP0184978 A2 EP 0184978A2 EP 85730120 A EP85730120 A EP 85730120A EP 85730120 A EP85730120 A EP 85730120A EP 0184978 A2 EP0184978 A2 EP 0184978A2
Authority
EP
European Patent Office
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pipe
welding
connectors
steel
deburring
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EP85730120A
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EP0184978A3 (en
Inventor
Kurt Dipl.-Phys. Roether
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Vodafone GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING 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
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • C21D9/14Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes wear-resistant or pressure-resistant pipes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING 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
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten

Definitions

  • the invention relates to a method for producing pipes on the one hand according to the preamble of claim 1 and, on the other hand, screwable units of a drill pipe according to the preamble of claim 2.
  • Pipes for the petroleum and natural gas industry and screwable units of a drill pipe are used for drilling wells in large depths or for the transmission of petroleum also in the aboveground area.
  • the pipes are mainly mechanically stressed by internal pressure and longitudinal forces, the units by the mass of the drill head, their own mass and the drilling torque and bending. For this reason, only heat-treated pipes and units are used, which are coated with so-called connectors. These are flange connectors or particularly thick-walled, short pipe sections with a thread, through which the units are connected to form a drill pipe.
  • the connectors were previously screwed onto the pipe ends of the units and then welded.
  • it is already common to weld the pipe connectors e.g. B. friction welding to connect to the tube and deburr the weld and treat by stress relief annealing.
  • Such pipes and units meet the physical properties placed on them (yield strength, elongation). In the presence of moist acid gas, they can only be loaded up to a small part of their yield strength. In particular, the transition area welding to base material in pipes of previous manufacture is extremely susceptible to stress corrosion cracking. The stress corrosion cracking resistance is tested in a hydrogen sulfide-saturated test solution according to the NACE standard TM-01-77.
  • the object of the invention is to increase the corrosion resistance of the pipe and the unit and to match the physical resistance.
  • the problem is solved in generic tubes and units for drill pipe in the measures according to the characterizing features of the claims.
  • the claims stand side by side in that they concern the manufacture of different types of pipes.
  • the claim 1 relates to pipes through which hydrogen sulfide-containing oil or natural gas is mainly passed on to the surface of the earth and also units for which protection is particularly claimed according to claim 2 and which are used for the production of boreholes and which are in a so-called acid gas-rich environment under high mechanical Stress.
  • the wall thickness at the pipe ends can be thickened by axial compression in the die. The wall thickening also creates a wider welding area.
  • the connectors are generally flanges or short, very thick-walled pipe sections. The latter are twisted on one side to the wall thickness of the thickened pipe ends and prepared for the thread area. These connectors also do not need to be heat treated before welding.
  • connectors with a pre-turned external thread and with an internal thread, which are press-welded in pairs at the ends of the pipe.
  • the protruding ridge is removed.
  • the pipe and connector are made of a steel composition that is not resistant to abrasive corrosion.
  • inhibitors are usually added to the drilling fluid, so that the erosive corrosion is irrelevant.
  • the steel composition is adjusted so that the wall thickness in the case of water or oil quenching kung is largely hardened to the greatest possible thicknesses on the pipe and on the connectors, ie it takes on fairly uniform hardness over the full wall thickness and thus has the same strength properties.
  • the pipe for the oil industry and the units of a drill pipe manufactured so far are hardened as a whole. As far as the dimensional range allows, the immersion process is used. These parts are then left on and the heat treatment ends with cooling in air.
  • the temperature control to be used results from the characterizing features of claim 3.
  • the parts have a uniform structure and thus the same mechanical properties over the entire length, in particular in the welding area and the area of the base material influenced by the welding heat as well as comparable corrosion resistance.
  • An embodiment of the invention relates to a unit of a drill pipe and is based on the following steel composition (mass percent):
  • the output tubes are made from continuous cast billets by cross rolling, stretching over a cylindrical rod in the continuous rolling mill and by reducing the stretch to the final dimension of 114.3 diameter x 9.19 mm Wall thickness rolled and cooled in still air. In a renewed heating, however, only at the ends to a length of approximately 300 mm, the wall thickness is compressed to approximately 22 mm with an outer diameter of approximately 131 mm. It is cooled again in still air.
  • the connector and the outlet pipe are connected by friction welding and deburred, as described in DE-PS 31 33 181.
  • the full length of the drill pipe unit is now available. So it is quench hardening and tempering a system supplied, as described in DE-PS 15 83 993. Quenching is done from a temperature of 890 ° C in oil for about 120 seconds.
  • the drill pipe unit is then laid out on a grate in still air.
  • the tempering temperature is 690 ° C. After cooling in air, straightening can be provided.
  • the drill pipe unit now has the following physical properties

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Rohren für die Erdöl- und Erdgasindustrie aus dünnwandigen Ausgangsrohren mit Verbindern an beiden Rohrenden, wobei die Verbinder mit dem Rohrende durch Schweissen verbunden werden und die Schweissnaht entgratet, wärmebehandelt und spangebend fertig bearbeitet wird. Um die korrosionsmechanische Belastbarkeit des/der Rohre und der Einheit zu erhöhen und der physikalischen Belastbarkeit anzupassen wird vorgeschlagen, dass das Ausgangsrohr und Verbinder aus einem Stahl mit 0,20 bis 0,60% C und 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 bestehen und nach dem Schweissen und Entgraten einer Vergütungsbehandlung unterzogen werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von einerseits Rohren gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 und andererseits miteinander verschraubbare Einheiten eines Bohrgestänges gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 2.
  • Rohre für die Erdöl- und Erdgasindustrie und iaiteinander 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 und die Schweißstelle zu entgraten und durch Entspannungsglühen zu behandeln.
  • Derartige Rohre und Einheiten genügen den an sie gestellten physikalischen Eigenschaften (Streckgrenze, Dehnung). Sie sind bei Anwesenheit von feuchtem Sauergas nur bis zu einem kleinen Teil ihrer Streckgrenze belastbar. Insbesondere weist der Übergangsbereich Schweiße 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.
  • Die Aufgabe der Erfindung Desteht darin, die korrosionsmechanische Belastbarkeit des Rohres und der Einheit zu erhöhen und der physikalischen Belastbarkeit anmpasen.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht bei gattungsgemäßen Rohren und Einheiten für Bohrgestänge in den Maßnahmen nach den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche. Die Ansprüche stehen nebeneinander, indem sie die Herstellung verschiedener Rohrarten betreffen. Der Anspruch 1 betrifft Rohre, durch die schwefelwasserstoffhaltiges Erdöl oder Erdgas hauptsächlich an der Erdoberfläche fortgeleitet wird und auch Einheiten, für die besonders gemäß Anspruch 2 Schutz beansprucht wird und die der Herstellung von Erdbohrungen dienen und die sich dabei in einer sogenannten sauergasreichen Umgebung unter hoher mechanischer Beanspruchung befinden.
  • 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 fst 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 den Gewindebereich vorgearbeitet. Auch diese Verbinder brauchen nicht vor dem Schweißen wärmebehandelt zu werden.
  • Es gibt Verbinder mit vorgedrehtem Außengewinde und mit Innengewinde, die paarweise an den Enden des Rohres preßgeschweißt verbunden werden. Der überstehende Grat wird entfernt.
  • Rohr und Verbinder sind aus einer Stahlzusamrnensetzung hergestellt, die nicht beständig gegen abtragende Korrosion'ist. Im Falle der Einheiten wird 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 Ölabschrekkung 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.
  • Das soweit hergestellte Rohr für die Erdölindustvie und die Einheiten eines Bohrgestänges werden als ganzes gehärtet. 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 kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 3. 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 meachanische Bearbeitung des Gewindes, der Dicht- und/oder Anschlagschultern.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Einheit eines Bohrgestänges und geht von folgender Stahlzusammensetzung aus (Massenprozent):
    Figure imgb0001
  • Die Ausgangsrohre werden aus Stranggußknüppeln durch Schrägwalzen, Abstrecken über einer zylindrischen Stange im Kontiwalzwerk und durch Streckreduzieren auf die Fertigabmessung 114,3 Durchmesser x 9,19 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 eiem 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
    Figure imgb0002
  • 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 (4)

1. Verfahren zum Herstellen von Rohren für die Erdöl- und Erdgasin- dustrie aus dünnwandigen Ausgangsrohren mit Verbindern an beiden Rohrenden, wobei die Verbinder mit dem Rohrende durch Schweißen verbunden werden und die Schweißnaht entgratet, wärmebehandelt und spangebend fertig bearbeitet wird,
dadurch h gekennzeichnet ,
daß Ausgangsrohr und Verbinder aus einem Stahl mit 0,20 bis 0,60% C und 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 bestehen und nach dem .Schweißen und Entgraten einer Vergütungsbehandlung unterzogen werden, so daß der Stahl folgende Eigenschaften besitzt:
Figure imgb0003

Zeitfestigkeit für ≥ 720 Stunden nach NACE-TM-01-77 in einer schwefelwasserstoffgesättigten Prüflösung von ≥ 80% der Mindeststreckgrenze.
2. Verfahren zum Herstellen von miteinander verschraubbaren Einheiten eines Bohrgestänges für eine Erdbohrung, die aus Ausgangsrohren und Verbindern besteht, wobei das Ausgangsrohr an seinem ggf. durch Warmstauchen verdickten Ende mit den Verbindern durch Schweißen verbunden, die Schweißnaht entgratet, wärmebehandelt und die Einheit spangebend fertig bearbeitet wird,
dadurch gekennzeichnet ,
daß Ausgangsrohr und Verbinder aus einem Stahl 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 bestehen und nach dem Schweißen und Entgraten einer Vergütungsbehandlung unterzogen werden, so daß der Stahl folgende Eigenschaften besitzt:
Figure imgb0004

Zeitfestigkeit für ≥ 720 Stunden nach NACE-TM-01-77 in einer schwefelwasserstoffgesättigten Prüflösung von ≥ 80% der Mindeststreckgrenze.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch h gekennzeichnet ,
daß Ausgangsrohr und Verbinder aus einem Stahl mit 0,40 bis 0,55 % C, 0,8 - 1,8 % Mn, 0,5 bis 3,5 % (Cr-Mo), nicht mehr als 0,02 % P und nicht mehr als 0,005 % S bestehen und nach dem Schweißen und Entgraten einer Vergütungsbehandlung unterzogen werden, so daß der Stahl folgende Eigenschaften besitzt:
Figure imgb0005

Zeitfestigkeit für ≥ 720 Stunden nach NACE-TM-01-77 in einer schwefelwasserstoffgesättigten Prüflösung von ≥ 80% der Mindeststreckgrenze.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeicknet, daß die Vergütungsbehandlung mit folgender Temperaturführung erfolgt:
Erwärmen auf eine Temperatur zwischen 50 bis 200° über AC3, einem Abschrecken von dieser Temperatur auf eine Temperatur mindestens 200° unter Arl und
einem Anlassen auf eine Temperatur unter Acl.
EP85730120A 1984-12-10 1985-09-11 Verfahren zum Herstellen von Rohren für die Erdöl- und Erdgasindustrie und von Bohrfestängeeinheiten Expired - Lifetime EP0184978B1 (de)

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