Rohre aus hochfesten Stähle mit Laser-MSG-Hybridverfahren sicher geschweißt

Moderne Öl- und Gaspipelines werden zu einem erheblichen Anteil aus längsnahtgeschweißten Großrohren der API-Stahlgüten X65 und X70 hergestellt. Ständig wachsende Erdgas- und Erdölförderraten in Verbindung mit Wanddickenminimierung oder Betriebsdruckerhöhung erfordern zukünftig entsprechende Werkstoffsubstitutionen durch moderne höherfeste Werkstoffe, wie z.B. API-X80, X100 und X120, mit hinreichender Festigkeit und Zähigkeit.

Zur schweißtechnischen Fertigung dieser Rohre kommt das UP-Schweißverfahren zum Einsatz. Zuvor wird die gesamte Rohrlänge mit einer durchlaufenden MSG-Heftnaht geschweißt. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit soll dieser Prozessschritt durch das Laserstrahl-MSG-Hybridschweißverfahren ersetzt werden.

Für den sicheren Betrieb von Großrohren ist neben der Beachtung der Festigkeitseigenschaften vor allem die geforderte Kerbschlagzähigkeit der Schweißverbindung einzuhalten. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens als primäres Forschungsziel das Erreichen einer hinreichenden Zähigkeit im Temperaturbereich von -60 C bis -40 °C bei wirtschaftlichen Prozessparametern definiert und systematisch untersucht.

Das innovative Laserstrahl-MSG-Hybridschweißverfahren ermöglicht eine deutliche Erhöhung der durchschweißbaren Steghöhe beim Rohrlängsnahtschweißen, was zu Wirtschaftlichkeitssteigerungen in der Rohrfertigung führt. Eine erhöhte Wirtschaftlichkeit beim Einsatz der Laserhybrid-Technologie wird, vor allem, in der geänderten Nahtvorbereitung gesehen. Die konstruktive Änderung der Fugenform führt zur Reduktion des Nahtvolumens, was der Reduktion des Bedarfs an Zusatzwerkstoff bei Auffüllen der Naht entspricht. Somit werden die Produktionskosten erheblich gesenkt. Werkstoffseitig besteht der positive Effekt der Laserhybrid-Technologie darin, dass der Wärmeeintrag deutlich reduziert wird und sich dadurch die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindung verbessern.

Im Rahmen dieses Projektes konnte gezeigt werden, dass keine prinzipielle Problematik beim Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen von DY-Längsnähten mit unterschiedlichen Steghöhen bis zu 14 mm besteht, vorausgesetzt, die Prozessparameter sind richtig eingestellt. Die Untersuchungen der Aufmischungsverhältnisse haben gezeigt, dass die maximale Eindringtiefe des Zusatzwerkstoffes bei ca. 14 mm liegt, wobei in den Laserhybridnähten Bereiche mit unterschiedlichen Aufmischungsverhältnissen festgestellt wurden. Die eingesetzte Art des MSG-Lichtbogens hatte keinen erkennbaren Einfluss auf die Aufmischung im Laseranteil der Laserhybridnaht.

Für die Schweißversuche wurden sowohl Massivdrähte als auch Fülldrähte unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung eingesetzt und der Einfluss der verwendeten Schweißzusätze auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Laserhybridnähte untersucht. Es wurde gezeigt, dass die erzielten Werte der Kerbschlagarbeit bei tiefen Testtemperaturen für beide untersuchten Stähle X80 und X120 ausreichend hoch sind, wobei die besten Ergebnisse aufgrund hoher Minimalwerte der Kerbschlagarbeit mit den Metallpulverdrähten erreicht wurden. Die untersuchten Festigkeitseigenschaften der Laserhybridnähte zeigen, dass deren Werte die Anforderungen der in der Pipeline-Branche geltenden Normen erfüllen.

Im Rahmen von Schweißversuchen konnte festgestellt werden, dass das Laserstrahl-MSG-Hybridschweißverfahren bei untersuchten hochfesten Stählen API X80 und X120 reproduzierbar zu Schweißverbindungen mit anforderungsgerechten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften führt. Vorausgesetzt ist vor allem die passende Auswahl der Kantenvorbereitung, Prozessparameter und Zusatzwerkstoffe.

Das IGF-Vorhaben 16415 N (P 822) „Einsatz des Laserstrahl-MSG-Hybridschweißverfahrens an längsnahtgeschweißten Großrohren der Güte API-X80/ -X100 zur Steigerung der Zähigkeit und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit“ der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Sohnstr. 65, 40237 Düsseldorf wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministeriums Wirtschaft und Technlogie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Mitglieder der FOSTA sind führende Stahlhersteller, Stahl verarbeitende Unternehmen und Forschungsinstitute. Zu den Mitgliedern gehören Arcelor Mittal Bremen GmbH, Arcelor Mittal Eisenhüttenstadt GmbH, ArcelorMittal Steel Germany GmbH, Deutsche Edelstahlwerke GmbH, Edelstahl Vereinigung, Georgsmarienhütte GmbH, Salzgitter AG Stahl und Technologie, Saarstahl AG, Stahlwerk Thüringen GmbH, ThyssenKrupp Nirosta GmbH, ThyssenKrupp Steel Europe AG, V & M DEUTSCHLAND GmbH, voestalpine Stahl GmbH, Benteler AG, Daimler AG, Volkswagen AG u.a.