Amagnetische nichtrostende Stähle für Anwendungen in der Erdöl- und Erdgasexploration Andrea Bauch Jan Felix Lohmann

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1 Amagnetische nichtrostende Stähle für Anwendungen in der Erdöl- und Erdgasexploration Andrea Bauch Jan Felix Lohmann

2 KURZPROFIL DEW EINSATZ VON STAHL IN DER ERDÖL- BZW. ERDGAS EXPLORATION WARUM AMAGNETISCHE ROSTFREIE WERKSTOFFE? AMAGNETISCHE DEW STAHLSORTEN MIT DEREN EIGENSCHAFTSPROFILEN ZUSAMMENFASSUNG 2

3 1 KURZPROFIL DEW 3

4 Tradition trifft Innovation: Deutsche Edelstahlwerke (DEW)» führend in der Herstellung und Verarbeitung von Spezialstahl- Langprodukten» Anbieter von kundenindividuellen und innovativen Spezialstahllösungen» Hohe Wertschöpfungstiefe: Technische Beratung, Verarbeitung und Service bis zu jeder Anarbeitungsstufe» Hauptabnehmer: Automobilindustrie, Maschinen- und Anlagenbau, Luftfahrtindustrie, Verteidigungsindustrie und Handel» DEW ist ein Unternehmen der SCHMOLZ + BICKENBACH Gruppe mit weltweit ca. 1. Mitarbeitern Auf einem Blick Gründungsjahr Standorte (Witten = Sitz der Gesellschaft) DEW: 27 Witten: seit 1854 Siegen: seit 1846 Krefeld: seit 19 Hagen: seit 1853 Mitarbeiter Rund 4. Umsatz (214) Rund 1,2 Mrd. Versand (214) Produkte Fertigprodukte Tochterunternehmen Rund 785. t Spezialstahl-Langprodukte Draht (ab,7 mm), Rohblöcke, Halbzeug, Röhrenvormaterial, Stabstahl, Breitflachund Flachstahl, Freiformschmiedestücke (bis 1.1 mm), Pulvermetalle Dornstangen, Kaltwalzen Deutsche Edelstahlwerke KarriereWERKSTATT GmbH, dhi Rohstoffmanagement GmbH, Deutsche Edelstahlwerke Härterei Technik GmbH 4

5 2 EINSATZ VON STAHL IN DER ERDÖL- BZW. ERDGAS EXPLORATION 5

6 Einsatz von Stahl in der Erdöl- bzw. Erdgas Exploration» Einsatz unterschiedlichster Analysen und Produktformen» Die Deutsche Edelstahlwerke GmbH (DEW) konzentriert sich hierbei auf Stabstahlanwendungen im Bereich des Bohrstranges und hier vornehmlich auf die letzten ca. 5 m vor dem Bohrkopf. 6

7 Einsatz von Stahl in der Erdöl- bzw. Erdgas Exploration» Hauptanwendungen unserer Werkstoffe sind: Meeresboden Erdöllager Drill collars: Dickwandige Rohre, um über das Eigengewicht eine Vortriebskraft auf den Bohrkopf zu erzeugen. Stabilizer: Stabilisierung des dünneren Bohrstranges innerhalb der Bohrung Mess- und Ortungsgehäuse: MWD/LWD Technik (Measurements While Drilling / Logging While Drilling) Rotor/Strator: Antriebsmotor des Bohrkopfes Drive Subs: Kupplung zwischen Bohrkopf und Antrieb 7

8 Einsatz von Stahl in der Erdöl- bzw. Erdgas Exploration» Produzierte Stahlsorten Vergütungsstähle: AISI 413, 414, 4145, 433, 863 und ASTM A182 F22 Rostfreie Werkstoffe: , 1.46, 1.421, und XM19 Amagnetische Werkstoffe: Magnadur 51, 59 und 61 (Basis für richtungsgesteuerte Bohrprozesse / Directional Drilling) 8

9 3 WARUM AMAGNETISCHE ROSTFREIE WERKSTOFFE? 9

10 Warum amagnetische rostfreie Werkstoffe?» Directional Drilling Erschließung von Ölfeldern die bis zu 5 km Tiefe, mehr als 1 km entfernt vom Bohrturm liegen In Offshore-Förderung Vorteil, Erschließung verschiedene Ölfelder von einer Bohrinsel Onshore-Förderung gewinnt dieses Verfahren zunehmend an Bedeutung» Voraussetzung Genaue und eindeutige Lage des Bohrkopfes im dreidimensionalen Raum geosensible Messinstrumente installiert hinter dem Bohrkopf (sammeln Gesteinsinformationen, bestimmen Erdmagnetfeld) 1

11 Warum amagnetische rostfreie Werkstoffe?» Daher müssen die Bohrstrangteile, insbesondere in unmittelbarer Nähe der Messgeräte, amagnetisch sein, das heißt eine magnetische Durchlässigkeit aufweisen, die keine Kompassabweichung erzeugt. Nur wenn das Erdmagnetfeld nicht durch den Stahl der Strangelemente abgelenkt wird, sind präzise Messungen möglich.» Zur Aufnahme dieser hochsensiblen Messinstrumente produzieren die Deutschen Edelstahlwerke die etablierten amagnetische Werkstoffe Magnadur 51 und 61 sowie den neuen Magnadur 59 11

12 4 AMAGNETISCHE DEW STAHLSORTEN MIT DEREN EIGENSCHAFTSPROFILEN 12

13 Amagnetische Stähle Chemische Zusammensetzung C Si Mn P S Cr Mo Ni N PREN* Magnadur 51,4,3,6 18,5 22,,3,5 13, 15,,35,5,25,5,32,4 19, - 23, Magnadur 59,5,3 18, 2,,3,5 17, 19,,9 1,2 2,8 3,5,5,6 28, - 32,6 Magnadur 61,5,3 18, 2,,3,5 15,5 17,5 2, 2,8 4,2 5,,4,5 28,5-35, * PREN: Pitting resistance equivalent number %Cr + 3,3x %Mo + 16x %N 13

14 Amagnetische Stähle Mikrostruktur Magnadur 51 Magnadur 59 Magnadur 61 geätzt: HCL + H 2 O +,1xHNO 3 (6 C) 14

15 Amagnetische Stähle Magnetische Eigenschaften 1,6 1,5 zulässige Magnetisierbarkeit Relative Permeabilität 1,4 1,3 1,2 1,1 1, Magnadur 51 Magnadur 59 Magnadur 61 15

16 Amagnetische Stähle Mechanische Eigenschaften Steckgrenze und Zugfestigkeit [MPa] Streckgrenze Zugfestigkeit Zugfestigkeit > 93 MPa Streckgrenze > 8 MPa Magnadur 51 Magnadur 59 Magnadur 61» Zugversuch Bruchdehnung und Brucheinschnürung [MPa] Längserprobung Prüftemperatur 25 C 25,4 mm unter der Oberfläche Bruchdehnung Brucheinschnürung Magnadur 51 Magnadur 59 Magnadur 61 16

17 Amagnetische Stähle Mechanische Eigenschaften 3» Kerbschlagarbeit Längserprobung Charpy V-Kerb Prüftemperatur 25 C 25,4 mm unter der Oberfläche Kerbschlagarbeit [J] Kerbschlagarbeit > 12 J 1 Magnadur 51 Magnadur 59 Magnadur 61 17

18 Amagnetische Stähle Härteverlauf 4 38 Härte HB 2,5 / 187, Abstand von der Oberfläche Magnadur 51 Magnadur 59 Magnadur 61 1" unter O Kern 1" unter O 18

19 Amagnetische Stähle Dauerschwingfestigkeit Magnadur 51 σ D = ± 473 MPa Magnadur 61 σ D = ± 442 MPa Magnadur 59 σ D = ± 367 MPa 19

20 Amagnetische Stähle Korrosionsbeständigkeit Magnadur 51 Magnadur 59 Magnadur 61 Interkristalline Korrosionsprüfung nach ASTM A262 Methode A 2

21 Amagnetische Stähle Korrosionsbeständigkeit Stromdichte - Potential - Kurven der Magnadur Werkstoffe Magnadur 51 Magnadur 59 Magnadur 61 Stromdichte i log [ma/cm²] 1,E+2 1,E+1 1,E+ 1,E-1 1,E-2 1,E-3 1,E-4 1,E-5 1,E Lösung: 8 ppm ClGeschwindigkeit:,1 mv/s Potential U [mvh] Magnadur 51 Magnadur 59 Magnadur 61 Freies Korrosionspotential mvh Lochfraßpotential mvh PREN

22 Amagnetische Stähle Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit Magnadur 59 Magnadur 61 Elektrolyt: MgCl 2 Siedetemperatur 155 C Prüflast von 31 MPa Prüfdauer von 1 h 22

23 5 ZUSAMMENFASSUNG 23

24 Zusammenfassung» Amagnetische Werkstoffe wie der Magnadur 59 können für die Erdöl- bzw. Erdgasexploration genutzt werden» Stabiler austenitischer Werkstoff mit nichtmagnetischen Eigenschaften» Mechanische Eigenschaften (Festigkeits- und Duktilitätskennwerte) sind vergleichbar mit Magnadur 61» Korrosionsbeständigkeit (spezifische Anwendung) ähnlich Magnadur 61» Lochkorrosionsbeständigkeit durch hohen PREN-Wert 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Thank you for your attention