Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschweißten Stahlrohren hoher Festigkeit, Zähigkeits- und Verformungseigenschaften insbesondere Großrohre nach dem UOE-Verfahren, bei dem, ausgehend von einem warmgewalzten Blech, ein Rohr kalt eingeformt, verschweißt und auf Solldurchmesser kalibriert und nach dem Schweißen und Kalibrieren einer Wärmebehandlung mit einer Temperatur im Bereich von 100-400°C unterworfen wird.

Durch Kaltformgebung, z. B. nach dem UOE-Verfahren hergestellte Rohre benötigen am Blech Streckgrenzen in Höhe des spezifizierten Mindestwertes, um am fertigen Rohr die geforderten Sicherheiten gegen Fließen zuverlässig zu erfüllen.

Für Rohre aus hochfesten Stählen mit einer Streckgrenze R_{t 0,5} ≥ 550 MPa(X80 entsprechend API-5L) sind diese Anforderungen aufgrund der gleichzeitig geforderten Zähigkeits- und Verformungseigenschaften in der Praxis nur mit vergleichsweise hohem Ausgangsstreckgrenzenverhältnis darstellbar, so daß eine Einhaltung der nach geltendem Regelwerk maximal zulässigen Streckgrenzenverhältnisse z.B. max. 0,93 nach API5L infolge der Kaltverfestigung beim Einformen und Kalibrieren der Rohre in der Großserie kaum oder nur mit erhöhtem technischen Aufwand und entsprechend hohen Produktionskosten zu bewerkstelligen ist. Darüber hinaus nimmt die integrale Verformungsreserve durch die Kaltformgebung als Folge der hohen Ausgangsstreckgrenzenverhältnisse mit steigendem Gütegrad ab, so daß in der Praxis die am Bauteil erforderliche integrale Verformungsreserve ε_up ≥ 2% im Rahmen der üblichen Streuungen an Rohren aus Stahl mit einer Streckgrenze R_{t 0,5} ≥ 550 MPa (X80) nur knapp und an Rohren aus Stahl mit einer Streckgrenze R _{t 0,5} ≥ 620 Mpa (X90) bislang nicht erreicht werden konnte. Mit "integraler Verformungsreserve ε_up" ist die mittlere plastische Umfangsdehnung des Rohres vor Beginn der Wandeinschnürung analog der Gleichmaßdehnung im Laborzugversuch gemeint (Hohl, G.A. and Vogt, G.H: Allowable strains for high strength line pipe. 3R international, 31. Jhg., Heft 12/92, S. 696-700).

Zur Überwindung dieses Problems hat es in der Vergangenheit Überlegungen gegeben durch Veränderung der Legierungszusammensetzung und/oder der Walztechnik die geforderten höheren Verformungskennwerte zu erreichen. Diesen Möglichkeiten sind aber in der Praxis Grenzen gesetzt, da zum einen bestimmte Zulegierungen wie z.B. Nickel das Produkt erheblich verteuern oder deren Zugabe verformungstechnische Probleme bereitet wie z.B. Bor und zum anderen die Technologie des thermomechanischen Walzens hinsichtlich des einzustellenden Temperaturfensters, der Abkühlgeschwindigkeiten und der Umformgrade nur begrenzt veränderbar ist.

Aus der 196 10 675 C1 ist ein unter der Bezeichnung "bake hardening" lautendes Verfahren zur Erhöhung der Bauteilfestigkeit bekannt. Darunter wird eine künstliche Alterung infolge des Einbrennlackierens verstanden. Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise in einem Zinkbad, das von dem zuvor kaltgewalzten Band durchlaufen wird. Die Zinkbadtemperaturen liegen im Bereich von 450 - 470°C. Damit die Oberflächenveredelung konventioneller DP (Dualphasen) -Stähle betriebssicher möglich ist, wird ein Stahl folgender Zusammensetzung in Gew.% vorgeschlagen
0,05 bis 0,3% Kohlenstoff
0,8 bis 3,0% Mangan
0,4 bis 2,5% Aluminium
0,01 bis 0,2% Silizium

Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Nach dem Kaltwalzen schließt sich eine Wärmebehandlung vorzugsweise in einer Feuerverzinkungsanlage oder in einem Durchlaufglühofen an.

Das Gefüge besteht aus einer ferritischen Matrix, in die insefförmig Martensit eingelagert ist. Die Mindestkennwerte die mit dem bekannten Verfahren erreichbar sind Dehngrenze (R_p0.2) ≥ 200 MPa Zugfestigkeit (R_m) ≥ 550 MPa Bruchdehnung (A₈₀) ≥ 25% Streckgrenzenverhäftnis (R_p0.2/R_m) ≤ 0,7

Die wesentlichen das vorgeschlagene Verfahren begünstigenden Elemente sind Aluminium und Silizium. Das letztgenannte Element Si wird niedrig gehalten, um die Bildung von rotem Zunder beim Warmwalzen zu unterdrücken. Roter Zunder birgt die Gefahr von Zundereinwalzungen, die beim Beizen des Bandes zu Oberflächeninhomogenitäten führen. Hohe Al-Gehafte fördern die Fenitbildung bei der Glühung zwischen den Umwandlungstemperaturen A_C1 und A_C3. Die Perlitbildung wird zu deutlich längeren Zeiten verschoben, so dass sie bei den realisierbaren Abkühlraten unterdrückt werden kann. Die Haftbedingungen sowohl der Zinkschicht als auch der Zink-Eisen-Legierungsschicht werden durch Al verbessert.

Das bekannte Verfahren ist für geschweißte Rohre aus hochfesten Stählen z.B. der, Güte X80 mit einer Mindestreckgrenze von 550 MPa nicht anwendbar, da eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 450 - 470°C wegen der langen Aufwärm- und Haltezeiten unwirtschaftlich ist. Das Streckgrenzenvefiältnis dieser hochfesten Stähle liegt beispielsweise für eine Güte X65 bei> 0,70, ansonsten im Bereich zwischen 0,80 - 0,93.

Aus der JP-B 61-44123 und JP-B 60-26809 ist ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Stahles der Qualität X80 (API-Norm) mit ausgezeichneter Tieftemperaturzähigkeit bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Stahl mit den Elementen C, Si, Mn, P, S, Nb und Al, Rest Eisen und verfahrensbedingten Verunreinigungen erschmolzen und daraus eine Bramme im Strang gegossen. Durch ein TM-Walzen wird die Bramme in ein warmgewalztes Blech umgeformt und dieses zu einem Schlitzrohr eingeformt. Nach dem Schweißen und Kalibrieren wird das so erzeugte Rohr einer Wärmebehandlung im Bereich von 100 - 400 °C mit einer Haltezeit zwischen 0,5- 120 Minuten unterworfen.

Als erfindungswesentlich wird hervorgehoben, dass zur Erhöhung der Tieftemperaturzähigkeit die Gesamt-Verweilzeit zwischen der ersten Walzabfolge und der zweiten Walzabfolge im Bereich ≤ 60 Sekunden liegen soll.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung geschweißter Stahlrohre hoher Festigkeit, Zähigkeits- und Verformungseigenschaften insbesondere Großrohre nach dem UOE-Verfahren anzugeben, mit dem Qualitäten ≥ X90 mit einer Mindeststreckgrenze von 620 MPa sowie sauergasbeständige Güten wirtschaftlich und prozeßsicher unter Einhaltung der vom Regelwerk festgelegten Obergrenze für das Streckgrenzenverhältnis darstellbar sind.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.

Gemäß dem Lösungsvorschlag wird ausgehend von einem Blech aus einem Stahl der Zusammensetzung in Gew.%
0,02 bis 0,20% Kohlenstoff
0,05 bis 0,50% Silizium
0,50 bis 2,50% Mangan
0,003 bis 0,06% Aluminium

Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen das Rohr nach dem Schweißen und Kalibrieren einer Wärmenachbehandlung im Temperaturbereich von 100-300 Grad Celsius und einer der Rohrwanddicke angepassten Haltezeit mit anschließender Abkühlung an Luft oder durch Zwangskühlung unterworfen. Die Haltezeit.richtet sich vorwiegend nach der durchzuwärmenden Erzeugniswanddicke und hängt von der Art der Wärmezufuhr ab. Dies bedeutet, daß die Haltezeiten in einem Extremfall nur Sekunden und im anderen Extremfall mehrere Stunden betragen kann. Das so erzeugte Rohr weist bei gleich hoher Festigkeit gegenüber konventionell hergestellten Erzeugnissen um mehr als doppelt so hohe Verformungsreserven auf, ohne die vom aktuellen Regelwerk festgelegte Obergrenze für das Streckgrenzenverhältnis zu überschreiten. Optimale Ergebnisse werden erreicht, wenn die Mindestausgangsstreckgrenze am Blech der um den Streckgrenzenanstieg durch Kaltformgebung und Wärmeeffekt verminderten Mindeststreckgrenze am Rohr entspricht. Ein so hergestelltes Rohr zeichnet sich durch Alterungsbeständigkeit und besonders hohe Homogenitäten der Eigenschaften am Rohrumfang aus, wobei die angegebene Stahlanalyse hinsichtlich der Hauptelemente den Bereich der hochfesten Großrohrstähle abdeckt. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können optional noch weitere Elemente bis zur angegebenen Höchstgrenze zulegiert werden, um besonderen Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Erzeugniswanddicke zu genügen.

Untersuchungen haben ergeben, daß mit der vorgeschlagenen Wärmebehandlung die mechanischen Werkstoffkennwerte insbesondere die Streckgrenze in einem Maße erhöht werden, so daß die geforderten Mindestwerte prozeßsicher erreicht werden. Mit prozeßsicher ist gemeint, daß die Erhöhung eine Reserve bedeutet, die es gestattet die üblichen Schwankungen hinsichtlich Legierungszusammensetzung, Wanddicke, Walzparameter usw. zuzulassen, ohne Gefahr zu laufen auch beim Zusammentreffen mehrerer ungünstig liegender Parameter den geforderten Mindestwert zu unterschreiten. Die ansonsten üblichen Sondermaßnahmen können dadurch entfallen.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß durch eine solche Wärmebehandlung konditionierte Rohre sich bei Betriebstemperatur unterhalb der Wärmebehandlungstemperatur, z. B. 200 Grad Celsius, als alterungsbeständig verhalten, so daß für Leitungen aus solchen Rohren während der betrieblichen Einsatzdauer keine weiteren Veränderungen der mechanischen Eigenschaften zu erwarten sind. Naturgemäß gilt diese Aussage auch für Rohre aus Stahlgüten < X80, deren Eigenschaften am Umfang und in der Fertigungsserie mittels einer solchen Wärmebehandlung mit größerer Prozeßsicherheit und kleineren Streuungen einzustellen sind.

Die Wärmebehandlung kann in einem Durchlaufofen oder beim Durchlauf einer Induktionsspule erfolgen. Das letztgenannte Verfahren ist vorzugsweise in eine Rohraußenisolierungsanlage integrierbar. Dies bedeutet, daß die für die Aufbringung der ein-oder-mehrlagigen Isolierung erforderliche Erwärmung des Rohres gleichzeitig zur Steigerung der Festigkeitseigenschaften auf das erforderliche Niveau genutzt werden kann, da die für die Isolierung erforderliche Temperatur in dem vorgeschlagenen Bereich von 100-300 Grad Celsius liegt.

Der Vorteil ist, daß die im Abnahmeversuch nach der Isolierung ermittelten Festigkeits- und Verformungseigenschaften damit für die gesamte Nutzungsdauer einer Rohrleitung maßgebend sind. Der Einsatz von Blechen und Bändern mit niedriger Ausgangsstreckgrenze erscheint auch in der Weise vorteilhaft nutzbar, indem zur Einformung zum Schlitzrohr kleinere Umformkräfte benötigt werden. Dieser Vorteil ist insbesondere bei dickwandigen Rohren von Bedeutung.

Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Wärmebehandlung ist darin zu sehen, daß sie einen Beitrag zur reproduzierbaren Darstellung der Streckgrenzenverhältnisse auf niedrigem Werteniveau sowie einer Homogenisierung der Festigkeitseigenschaften in der Fertigungsserie leistet, so daß gegenüber konventionell hergestellten Rohren am Bauteil höhere Verformungsreserven gegen duktilen Bruch erreichbar sind.

Den Effekt einer Homogenisierung der Festigkeitseigenschaften kann man noch dadurch steigern, wenn man bei dem nach dem UOE-Verfahren hergestellten Großrohren vor der Wärmebehandlung eine Konditionierung der Rohre entsprechend dem in der DE 195 22 790 A1 vorgeschlagenen Verfahren vornimmt. Die hierdurch ganz gezielt je nach Anwendungszweck für Innen- oder Außendruckbelastung darstellbaren Rohreigenschaften bringen in Verbindung mit der hier vorgeschlagenen Wärmenachbehandlung hinsichtlich Streuung der Werte am Rohrumfang und von Rohr zu Rohr sowie in bezug auf die potentionell am Bauteil darstellbare Formänderungsreserve die besten Ergebnisse.

Das vorgeschlagene Verfahren ist anwendbar für längsnahtgeschweißte und schraubennahtgeschweißte Rohre (auch Spiralrohre genannt) nach dem HFI- und nach dem UOE-Verfahren.

Um z B. ein Rohr mit 56" Außendurchmesser und 19.1 mm Wand aus Stahl X100 nach üblicher Verfahrensweise herzustellen, wird am Blech eine 2.0%-Dehngrenze von Rp2.0 ≥ 710 MPa und eine Zugfestigkeit von Rm ≥ 770 MPa gebraucht. Da die finalen Festigkeitseigenschaften durch die Ausgangswerte am Blech und die Kaltverfestigung beim Einformen und Kalibrieren der Rohre auf Solldurchmesser festgelegt sind, werden am fertiggestellten Rohr Streckgrenzenverhältnisse erreicht, die für das Formänderungsvermögen des innendruckbeaufschlagten Bauteils eine Einschränkung darstellen. Dadurch bedingt war an hochfesten Rohren die üblicherweise bei ε_up ≥ 2% geforderte integrale Dehnung nach konventionellem Verfahren in der Praxis bisher kaum oder nicht sicher genug darstellbar.

Um ein Rohr gleicher Güte und Abmessung nach neuem Verfahren herzustellen, benötigt man am Blech nur eine 2.0%-Dehngrenze von Rp2.0 ≥ 640 MPa statt der ≥ 710 MPa und eine Zugfestigkeit von Rm ≥ 770 MPa, wobei insbesondere die Streckgrenze in Abhängigkeit von der Analyse der eingesetzten Stahlgüte und dem Verformungsgrad bei der Umwandlung vom Blech zum Rohr um den angegebenen Wert schwankt. Beispielsweise weist die eingesetzte Stahlgüte folgende Analyse in Gew.% auf:

• C 0,096; Si 0,383; Mn 1,95; Al 0,035; P 0,015;Ti 0,019; Cr 0,062;
• Mo 0,011; Ni 0,045; Nb 0,042; V 0,005; Cu 0,045; N 0,005; B 0,001.

Da hier die in Umfangsrichtung benötigten Festigkeitseigenschaften simultan durch die Wärmenachbehandlung des Rohres erreicht werden, genügen am Blech zur Darstellung der spezifizierten Rohrgüte niedrigere Ausgangswerte der Dehngrenzen und Streckgrenzenverhältnisse, wodurch eine Erhöhung der Gleichmaßdehnungen auf Werte Ag ≥ 8.5% am Blech und auf Werte Ag ≥ 6.5% am Rohr ermöglicht wird. Gegenüber konventionell hergestellten Rohren ist dadurch ein doppelt so hohes Formänderungsvermögen realisierbar, so daß die notwendigen Voraussetzungen für eine produktionssichere Darstellung der integralen Bauteilreserve ε_up ≥ 2% im Rahmen der herstellungsbedingten Streuungen auch für Rohrgüten eines X 100 zuverlässig erfüllbar sind.

Das Ausmaß der durch die Wärmenachbehandlung in Rohrumfangsrichtung erreichbaren Steigerungen der Rt0.5-Dehngrenzen hängt von der Stahlzusammensetzung, den C- und N-Anteilen in Zwangslösung und den Parametern des Rohrherstellungsprozesses ab und beträgt nach heutigem Stand der Erkenntnisse bis zu 18% der am expandierten Rohr an Rundzugproben nachgewiesenen Rt0.5-Dehngrenze. Für unexpandierte Rohre wie z. B. HFI-Rohre werden Steigerungen von bis zu 12 % nach den bisherigen Erfahrungen erreicht. Die Zugfestigkeiten Rm nehmen durch die Wärmenachbehandlung um ca. 20 MPa zu.