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(11) | EP 1 264 906 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung |
| (57) Die Erfindung betrifft die Verwendung einer sprühkompaktierten Cu-Ni-Mn-Legierung,
bestehend aus 10 bis 25 % Ni, 10 bis 25 % Mn, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen,
als Werkstoff zur Herstellung von Werkzeugen und Komponenten für den Offshore-Bereich
und den Bergbau, insbes. für Bohranlagen. Dank der günstigen Eigenschaftskombination bietet sich vorzugsweise die Verwendung als Ersatzwerkstoff für Be-haltige Kupferwerkstoffe an. |
[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung als Werkstoff zur Herstellung von Werkzeugen und Komponenten für den Offshore-Bereich und den Bergbau, insbes. für Bohranlagen.
[0002] In der Offshore-Technik werden für hohe Beanspruchungen mechanische Komponenten (wie etwa Bohrgestänge, Verschraubungen, Bolzen, etc.) verlangt, die u. a. hohe Belastbarkeit aufweisen und sehr gute Korrosionseigenschaften haben müssen sowie weder ferromagnetisch sein dürfen noch beim Aufeinanderprallen durch pyrophore Reaktionen wegspritzender Splitter Explosionen oder Feuer auslösen dürfen.
Für die in diesem Einsatzgebiet verwendeten Werkstoffe werden folgende, spezifische Eigenschaften gefordert. Hierzu zählen:
1. Magnetische Eigenschaften:
Um meßtechnische Anforderungen des Bohrstrangs im Bereich von Kompaßmeßsystemen zu
erfüllen (Messung des Erdmagnetfelds und der daraus ableitbaren Richtungsinformation)
müssen Bohrstrangkomponenten in diesem Bereich unmagnetisch sein, da in Anwesenheit
von magnetischen Werkstoffen Fehlmessungen durch Beeinflussung des Magnetfeldes erfolgen.
Die magnetische Suszeptibilität χ sollte dementsprechend 20.10-6 nicht überschreiten.
(Dabei gibt χ nach der GI.
= µo . χ .
das Verhältnis der Magnetisierung
[
] zur magnetischen Feldstärke
[
] an, mit µo = 4 π . 10-7 = 1,256 . 10-6 [
] als magnetischer Feldkonstante.)
2. Streckgrenze/Härte:
Der Bohrstrang unterliegt hohen mechanischen und physikaiisch/chemischen Beanspruchungen.
Die einzelnen Strangelemente werden durch Gewindeverbindungen miteinander verbunden.
Wegen der hohen Kräfte, die im Bohrloch auftreten, werden die einzelnen Strangelemente
unter Aufbringung hoher Drehmomente miteinander verschraubt. Um plastische Verformungen
der Gewinde zu vermeiden, muß der Werkstoff eine hohe Streckgrenze haben.
Die Bohrstrangoberflächen werden durch Abrasion und Erosion beansprucht. Der Verschleiß
wird durch eine möglichst hohe Materialhärte auf ein Minimum reduziert.
3. Zähigkeit:
Die genauen Belastungskollektive sind in der Regel unbekannt. Untersuchungen an aufgetretenen
Schäden haben jedoch gezeigt, daß sehr hohe schwingende aber auch schlagartige Belastungen
auftreten können. Die Zähigkeit der eingesetzten Werkstoffe spielt daher für das sichere
Funktionieren eine entscheidende Rolle. Die Zähigkeit der eingesetzten Kupferlegierung
sollte deshalb für ein Festigkeitsniveau maximiert und möglichst gleichmäßig über
den Querschnitt sein.
4. Korrosionsbeständigkeit:
Auf der Sohle des Bohrlochs werden die Felsformationen mechanisch zertrümmert und
mit einer sogenannten Bohrspülung an die Oberfläche gepumpt. Erhöhte Temperatur und
der chemische bzw. physikalisch-chemische Angriff durch die Spülflüssigkeit erfordern
eine hohe Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Werkstoffe. Insbesondere muß der
Werkstoff in schwefelhaltigen Medien resistent gegen Spannungsrißkorrosion sein.
5. Freßverhalten:
Die Verschraubung der einzelnen Bohrstrangelemente unter hohem Drehmoment darf zu
keiner Kaltverschweißung ("Fressen") führen. Daher sollten möglichst artfremde Materialien
(z. B. Stahl mit NE-Metall) miteinander verbunden werden.
Bei Gewindeverbindungen von Bohrstrangkomponenten aus austenitischen, nichtmagnetisierbaren
Stählen werden deshalb oftmals Zwischenstücke aus einer hochfesten Kupferlegierung
dazwischengeschraubt. Als geeigneter Kupferwerkstoff wurde bisher beispielsweise Kupfer-Beryllium
(UNS C 17200) eingesetzt.
[0003] Für diese Anforderungen werden nach dem Stand der Technik Komponenten und Werkzeuge aus Kupferwerkstoffen, insbes. aus Cu-Be-Legierungen eingesetzt, die diese Eigenschaften in besonderer Weise auf sich vereinen. Als Beispiel gelten hierfür die Kupfer-Beryllium-Zwischenstücke, die bei austenitischen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen (sog. "drill collars") verwendet werden.
[0004] Nachdem nun das Umweltbewußtsein in der Bevölkerung immer stärker wird, rücken Gesichtspunkte der Umweltverträglichkeit und Gesundheitsgefährdung zunehmend auch in das Zentrum des Interesses von Anlagenausrüstern für die Offshore-Technik. Jegliche Kritikpunkte gilt es zu vermeiden.
[0005] Wegen möglicher gesundheitsgefährdender Wirkungen von Be-Stäuben und -Dämpfen, die bei unsachgemäßer Bearbeitung Be-haltiger Werkstoffe auftreten können, werden daher zunehmend Forderungen nach Be-freien Werkstoffen gestellt.
[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kupferwerkstoff zu finden, der das geforderte Eigenschaftsprofil ebenfalls möglichst weitgehend erfüllt, dabei aber Be-frei ist.
[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung gelöst, die aus 10 bis 25 % Nickel, 10 bis 25 % Mangan, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht (die Prozentangabe bezieht sich auf das Gewicht).
[0008] Es hat sich nun überraschend herausgestellt, daß mit Cu-Ni-Mn-Legierungen der vorgeschlagenen Be-freien Zusammensetzung nicht nur alle Anforderungen erfüllt werden können, sondern auch beträchtliche Vorteile in der Verfügbarkeit gegenüber den gebräuchlichen Cu-Be-Legierungen erzielt werden und durch die Herstellung mittels Sprühkompaktierens auch eine selektiv bessere technologische Eignung gefunden wird, insbes. werden die Anforderungen an Bohrstrangkomponenten gemäß API (American Petroleum Institute)-Specification 7 ("Specification for Rotary Drill Stem Elements") 38. Ed., April 1, 1994, erfüllt.
[0009] Es sind zwar Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen als solche bereits bekannt (vgl. beispielsweise US-PS 2.234.552/DEAN) und es ist beispielsweise auch im Bereich der elektrischen und elektronischen Bauteile bekannt, die relativ teuren Cu-Be-Legierungen durch preiswertere Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen zu ersetzen, der beanspruchte Verwendungszweck für eine sprühkompaktierte Legierung dieser Art ist allerdings nicht vorbekannt.
[0010] Der Urformprozeß für den Kupferwerkstoff erfolgt durch Sprühkompaktieren (vgl. den sog. "OSPREY"-Prozeß beispielsweise nach den GB-PSen 1.379.261/1.599.392 oder EPS 0.225.732). Als Vorform bieten sich Bolzen an, die durch typische Warmformverfahren (Pressen, Walzen, Schmieden) zu Halbzeugfabrikaten (Stangen, Rohren, Profilen, Buchsen) verarbeitet werden.