Stahlrohre sind das Rückgrat der Öl- und Gasindustrie und werden in jeder Phase eingesetzt, von der Förderung über die Verarbeitung bis hin zum Transport.
Die Auswahl des richtigen Rohrtyps ist entscheidend für die Gewährleistung eines sicheren, effizienten und zuverlässigen Betriebs.
DerZwei Hauptkategorien von Stahlrohren sind nahtlose und geschweißte, jedes mit einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen.
In diesem Artikel bieten wir einen umfassenden Vergleich nahtloser und geschweißter Rohre im Kontext der Öl- und Gasindustrie.
Wir behandeln die Herstellungsprozesse, die wesentlichen Eigenschaften und Vorteile jedes Typs sowie die häufigsten Anwendungen.
Wir werden auch die verschiedenen Materialoptionen besprechen, darunter Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, Edelstahl und Nickellegierungen, und Anleitungen zur Auswahl der richtigen Sorte für verschiedene Umgebungen geben.
Abschließend befassen wir uns mit den praktischen Aspekten der Spezifikation und Bestellung von Rohren, einschließlich der relevanten Normen, Abmessungen und Endbearbeitungen.
Am Ende dieses Artikels werden Sie die Unterschiede zwischen nahtlosen und geschweißten Rohren gründlich verstehen und in der Lage sein, fundierte Entscheidungen für Ihre Öl- und Gasprojekte zu treffen.
Rohrtypen erklärt
Die Öl- und Gasindustrie verwendet drei Hauptstahlrohrtypen: Nahtlos, ERW (Electric Resistance Welded) und LSAW (Longitudinal Submerged Arc Welded).
Nahtlose Rohrebestehen aus massiven Stahlbarren, die erhitzt und über eine Form geschoben oder gezogen werden, um ein Hohlrohr ohne Schweißnähte zu erzeugen.
Sie werden häufig für Hochdruckanwendungen in Upstream-Vorgängen wie Bohrungen und Explorationen, der Flüssigkeitsübertragung im Mittelstrom, der Downstream-Raffinierung und Versorgungsdiensten eingesetzt.
ERW-Rohrewerden durch Kaltumformung hergestellt, wobei Stahlspulen in zylindrische Formen gebracht werden und die Naht mithilfe von elektrischem Strom zusammengeschweißt wird.
Die Schweißnaht verläuft über die gesamte Rohrlänge. ERW-Rohre sind kosten-effektiv für Anwendungen mit niedrigem-bis-mittlerem-Druck, wie zum Beispiel dem Transport von Wasser, Öl und Gas.
LSAW-Rohrewerden durch Biegen und Längsschweißen von Stahlplatten hergestellt, wobei die Naht gerade (Längsnaht) oder spiralförmig verläuft.
Sie werden für Rohre mit großem-Durchmesser (16-60 Zoll) in kritischen Anwendungen verwendet, beispielsweise für Öl- und Gaspipelines über große Entfernungen durch Städte oder unter Wasser.
Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zwischen diesen Rohrtypen und ihren typischen Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie zusammen:
| Rohrtyp | Herstellung | Druckbewertung | Typische Anwendungen |
|---|---|---|---|
| Nahtlos | Keine Schweißnaht | Hoch | Stromaufwärts, Mittelstrom, stromabwärts |
| ERW | Eine gerade Naht | Niedrig-mittel | Wasser-, Öl- und Gastransport |
| LSAW | 1-2 gerade oder spiralförmige Nähte | Niedrig-mittel | Wasser-, Öl- und Gastransport |
Herstellungsprozess für nahtlose, ERW- und LSAW-Rohre
Nahtlose Rohrproduktion
Nahtlose Rohre werden durch einen Warmumformprozess ohne Schweißen hergestellt. Die Hauptschritte sind:
Ein massiver runder Stahlbarren wird in einem Drehherdofen auf etwa 1204 °C/2200 °F erhitzt.
Der glühende Knüppel wird dann mit einer Lochstechspitze in der Mitte durchstochen, um ein hohles Rohr zu erzeugen.
Das Hohlrohr durchläuft eine Stopfenmühle, in die ein Dorn eingeführt wird. Anschließend wird das Rohr gerollt, um die Wandstärke zu verringern und die Länge zu erhöhen.
Anschließend wird das Rohr durch Kalibriergerüste geführt, um die endgültigen Abmessungen zu erreichen.
Nach dem Abkühlen wird das Rohr gerichtet, abgelängt, geprüft und versendet.
Nahtlose Rohre können weiter kaltgezogen werden, um Rohre mit kleineren Durchmessern und dünneren Wänden herzustellen.
ERW-Rohrproduktion
ERW-Rohre werden durch Kaltumformen von Stahlspulen und Schweißen der Naht hergestellt:
Die passende Breite und Stärke des Stahlcoils wird ausgewählt und auf einen Abwickler geladen.
Das Band läuft durch Rollen und formt es nach und nach in eine runde Form.
Die Längskanten werden erhitzt, indem ein hochfrequenter Strom zwischen ihnen hindurchfließt.
Rollen pressen die Kanten zusammen, um eine Schmelzschweißnaht zu erzeugen, ohne dass Zusatzwerkstoff hinzugefügt werden muss.
Das geschweißte Rohr durchläuft Kalibriergerüste, um den endgültigen Durchmesser zu erreichen.
Das Rohr wird auf Länge geschnitten, die Enden werden geformt (glatt, abgeschrägt, mit Gewinde usw.) und das Rohr wird vor dem Versand getestet.
Der gesamte ERW-Prozess erfolgt kontinuierlich, wobei sich das Rohr mit konstanter Geschwindigkeit durch die Form- und Schweißgerüste bewegt.
Herstellung von LSAW-Rohren
LSAW-Rohre werden aus geformtem und geschweißtem Stahlblech hergestellt:
Es werden Stahlplatten ausgewählt und die Kanten gefräst, um sie für das Schweißen vorzubereiten.
Die Platte wird auf einer Abkantpresse vorgebogen, um sie in eine runde Form zu bringen.
Eine AU-Presse formt die Platte in eine U-Form, und eine O-Presse schließt das U zu einem Rohr.
Die Längsnaht wird zunächst innen geheftet, um die Kanten zusammenzuhalten.
Das Rohr wird dann durch automatische Schweißstationen geführt, die mehrere Durchgänge von Unterpulverschweißnähten innerhalb und außerhalb der Naht ausführen.
Ein mechanischer Expander dehnt das geschweißte Rohr leicht aus, um eine ordnungsgemäß runde Form zu erreichen.
Das Rohr wird auf Länge geschnitten, abgeschrägt, hydrostatisch getestet und vor dem Versand geprüft.
LSAW-Rohre werden im Allgemeinen für größere Durchmesser (16 Zoll und mehr) verwendet und haben dickere Wände als ERW-Rohre.
Vor- und Nachteile von nahtlosen, ERW- und LSAW-Rohren
Nahtlose Rohre
Vorteile:
Keine Schweißnaht eliminiert potenzielle Schwachstellen und ermöglicht höhere Druckstufen
Eine glatte Innenoberfläche reduziert Reibung und Turbulenzen und sorgt so für bessere Strömungseigenschaften
Überragende Festigkeit, Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Biege- und Stoßkräfte
Hervorragende Korrosionsbeständigkeit durch fehlende Schweißnaht
Bewältigt hohe Temperaturen und Drücke gut und eignet sich daher ideal für kritische Öl- und Gas-, Chemie- und Energieanwendungen
Nachteile:
Aufgrund des komplexen Herstellungsprozesses teurer als geschweißte Rohre
Begrenzter Größenbereich, mit Herausforderungen bei der Herstellung sehr kleiner oder sehr großer Durchmesser
Größere Längen sind kompliziert, daher sind die Größenoptionen möglicherweise eingeschränkter als bei geschweißten Rohren
Dickere Wände und höheres Gewicht als geschweißte Rohre
ERW-Rohre
Vorteile:
Geringere Kosten als nahtlos aufgrund eines einfacheren und automatisierteren Schweißprozesses
Erhältlich in längeren Längen, da es keine Größenbeschränkungen wie bei Nahtlos gibt
Dünnere Wände und geringeres Gewicht als nahtlos, bei dennoch guter Festigkeit
Glatte Innen- und Außenflächen
Geeignet für allgemeine Anwendungen mit niedrigem bis mittlerem{0}Druck, z. B. im Versorgungs- und Bauwesen
Nachteile:
Die Schweißnaht ist eine potenzielle Schwachstelle im Vergleich zur nahtlosen Naht und verringert die Druckwerte
Schweißnähte sind anfälliger für Korrosion als nahtlose Körper
Um die Integrität sicherzustellen, sind umfangreiche Tests der Schweißnaht erforderlich
Nicht geeignet für kritische Anwendungen mit hohem{0}Druck, hoher-Temperatur oder anspruchsvollen Einsatzbedingungen
LSAW-Rohre
Vorteile:
Bewältigt aufgrund schwererer Wände und mehrerer Schweißdurchgänge höhere Drücke und mechanische Belastungen als ERW
Größenflexibilität-eine häufige Wahl für Rohre mit großem Durchmesser über 16 Zoll
Enge Toleranzen und gute Maßkontrolle
Geeignet für kritische Anwendungen wie Öl- und Gasfernleitungen
Nachteile:
Aufgrund der schwereren Materialien und des speziellen Schweißverfahrens ist es teurer als ERW
Es besteht die Möglichkeit von Schweißfehlern, wenn der Prozess nicht ausreichend kontrolliert wird und strenge Inspektionen und Tests erforderlich sind
Dicke und schwere Wände erhöhen die Materialkosten im Vergleich zu ERW
Größen- und Längenbeschränkungen im Vergleich zu ERW
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nahtlose Rohre höchste Festigkeit, Druckkapazität und Korrosionsbeständigkeit bieten und sich daher ideal für anspruchsvolle Öl- und Gas-, Chemie- und Kraftwerksanwendungen eignen.
Die Nachteile sind höhere Kosten und begrenztere Größenoptionen.
ERW ist eine kostengünstige Wahl für allgemeine Versorgungs- und Bauanwendungen, bei denen die Schweißnaht kein großes Problem für die Integrität darstellt.
Es bietet eine große Auswahl an Größen und langen Längen.
LSAW ist eine Hochleistungsschweißoption für Rohrleitungen mit großem{{1}Durchmesser und hohem-Druck, die höchste Schweißqualität und Inspektion erfordern.
Die mehrlagigen Schweißnähte sorgen für eine nahezu nahtlose Festigkeit.
Der Schlüssel liegt in der Auswahl des richtigen Produkts auf der Grundlage einer gründlichen Anwendungsbewertung sowie des Drucks, der Temperatur, der Korrosivität und der Kritikalität der Umgebung.
Auswahl der idealen Stahlsorten für Öl- und Gasrohre
Legierter Stahl
Legierte Stähle enthalten über Eisen und Kohlenstoff hinaus Legierungselemente, um Festigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Hochtemperaturleistung zu verbessern.
Niedriglegierte Stähle (weniger als 8 % Legierungsgehalt) werden in der Öl- und Gasindustrie häufig für Folgendes verwendet:
Bohrgestänge und Schwerstangen
Gehäuse und Schläuche
Ventile, Bohrlochköpfe und Weihnachtsbäume
Befestigungselemente wie Muttern, Bolzen und Bolzen
Die Legierungselemente sorgen für eine höhere Festigkeit, wodurch dünnere Wände verwendet werden können, was Gewicht und Kosten reduziert. Einige Legierungen sind auch beständig gegen Rissbildung und Korrosion durch Schwefelwasserstoff (H2S).
Kohlenstoffstahl
Kohlenstoffstähle enthalten hauptsächlich Eisen und Kohlenstoff sowie nur Restmengen anderer Elemente.
Sie werden je nach Kohlenstoffgehalt in kohlenstoffarme, mittlere oder kohlenstoffreiche Stoffe eingeteilt. Kohlenstoffstähle werden häufig in der Öl- und Gasindustrie verwendet für:
Flusslinien und Pipelines
Lagertanks und Druckbehälter
Strukturbauteile wie Balken, Platten und Rohre
Niederdruck-Rohrleitungssysteme
Kohlenstoffstähle sind stark, zäh und relativ kostengünstig.
Allerdings weisen sie eine geringe Korrosionsbeständigkeit auf und sind bei saurem Betrieb anfällig für H2S-Risse. Oft sind Inhibitoren oder Beschichtungen erforderlich.
Edelstahl
Rostfreie Stähle enthalten mindestens 10,5 % Chrom, das eine schützende Oxidschicht auf der Oberfläche bildet und so für eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit sorgt.
Zu den in Öl und Gas verwendeten Sorten gehören:
Austenitisch (Serie 300): 304, 316, 317, 321, 347
Ferritisch: 405, 430
Martensitisch: 410, 420, 431
Duplex:2205, 2507 Super-Duplex
Edelstahl wird für kritische Komponenten verwendet, die Meerwasser, Produktionswasser, CO2, Chloriden und leicht sauren Umgebungen ausgesetzt sind:
Unterwasserausrüstung
Bohrlochkopf- und Weihnachtsbaumkomponenten
Wärmetauscher und Druckbehälter
Rohrleitungen, Ventile und Instrumentierung
Die hohe Festigkeit der Duplex-Sorten ermöglicht dünnere Wände, während Super-Austenit- und Super-Duplex-Sorten für Widerstandsfähigkeit gegenüber aggressiven Bedingungen sorgen.
Edelstahl hat jedoch höhere Anschaffungskosten als Kohlenstoffstahl.
Nickellegierungen
Nickellegierungen enthalten einen hohen Anteil an Nickel und anderen Elementen wie Chrom und Molybdän für maximale Korrosionsbeständigkeit, selbst in heißen, sauren und stark sauren Umgebungen. Zu den gängigen Noten gehören:
Nickel-Kupfer:Monel 400, K-500
Nickel-Chrom-Eisen: 825, 625, 718
Nickel-Chrom-Molybdän: C-276, 2550, 686
Nickel-Eisen-Chrom:800, 800H, 800HT
Nickellegierungen werden für die anspruchsvollsten Anwendungen verwendet, bei denen rostfreie Stähle nicht ausreichen:
Sauergasbrunnen und Fließleitungen
Unterwasserverteiler und Jumper
Bohrlochwerkzeuge und Sicherheitsventile
Behälter und Rohrleitungen in Raffinerien und Gasanlagen
Die hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Stabilität bei hohen Temperaturen ist mit deutlich höheren Kosten verbunden als bei rostfreien Stählen.
Nickellegierungen sind rauen Umgebungen vorbehalten, die andere Legierungen schnell schädigen würden.
Kohlenstoffstahl ist eine wirtschaftliche Wahl für viele Öl- und Gasanwendungen, während legierte Stähle bei Bedarf eine höhere Festigkeit und Zähigkeit bieten.
Rostfreie Stähle widerstehen Korrosion in wässrigen Umgebungen, während Nickellegierungen die Leistung in heißen, sauren und sauren Umgebungen verbessern.
Die Zusammensetzung, Temperatur und der Druck der Flüssigkeit müssen sorgfältig bewertet werden, um die optimale Legierung für langfristige Zuverlässigkeit und Sicherheit auszuwählen.
Grundlegendes zu den Abmessungen und Größen nahtloser und geschweißter Rohre
Nennrohrgröße (NPS)
Die Rohrgröße wird normalerweise durch die Nennrohrgröße (NPS) angegeben, bei der es sich um eine dimensionslose Kennung handelt. Bei den Größen 1/8 bis 12 Zoll entspricht der NPS dem ungefähren Innendurchmesser (ID) des Rohrs in Zoll, wobei übliche Brüche verwendet werden. Beispielsweise hat ein NPS-2-Rohr einen Innendurchmesser von etwa 2,1 Zoll.
Für Größen ab 14 Zoll ist der NPS der ungefähre Außendurchmesser (OD) in Zoll. Ein NPS-20-Rohr hat also einen Außendurchmesser von etwa 20 Zoll.
Es ist wichtig zu beachten, dass der genaue Außen- und Innendurchmesser je nach der angegebenen Wandstärke variieren kann.
Wandstärke
Die Wandstärke bestimmt die Druckstufe und das Gewicht des Rohres. Sie wird normalerweise durch die Sch-Nummer (Sch) oder die tatsächliche Dicke in Zoll oder Millimetern angegeben.
Die Standardnummern lauten 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 und 160. Je höher die Zahl, desto dicker die Wand. Beispielsweise hat ein NPS 6 Sch 40-Rohr eine Wandstärke von 0,280 Zoll, während ein NPS 6 Sch 80-Rohr eine Wandstärke von 0,432 Zoll hat.
Für einen bestimmten NPS haben Pipes mit unterschiedlichen Zeitplänen den gleichen Außendurchmesser, aber unterschiedliche IDs. Der Außendurchmesser bleibt konstant und der Innendurchmesser nimmt mit zunehmender Wanddicke ab.
Relevante ASME-Standards
Die ASME (American Society of Mechanical Engineers) veröffentlicht mehrere Standards, die die Abmessungen von Rohren aus verschiedenen Materialien abdecken:
ASME B36.10:Geschweißter und nahtloser Kohlenstoffstahl und legierter Stahl
ASME B36.19:Edelstahl
ASME B36.20:Metallischer Werkstoff für allgemeine Anwendungen
ASME B36.21:Nichtmetallischer Werkstoff für allgemeine Anwendungen
Diese Normen enthalten Maßtabellen für NPS 1/8 bis 80, in denen Außendurchmesser, Innendurchmesser, Wandstärke, Gewicht pro Fuß und andere kritische Parameter für jede Kombination aus NPS und Zeitplan oder Wandstärke angegeben sind.
Die Standards stellen herstellerübergreifend einheitliche Abmessungen sicher, obwohl innerhalb der angegebenen Toleranzen gewisse Abweichungen zulässig sind.
Bei der Spezifizierung oder Bestellung von Rohren ist die Bezugnahme auf die entsprechende Norm von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die Abmessungen den Anwendungsanforderungen, Rohrleitungsvorschriften und Vorschriften entsprechen.
Nahtlose und geschweißte Rohrlängen und Endbearbeitungen
Rohrlängen
Stahlrohre sind üblicherweise in drei Längen erhältlich:
Einzelne Zufallslängen (SRL)sind die gebräuchlichste und wirtschaftlichste Option. Die genauen Längen variieren, liegen aber typischerweise zwischen 16 und 24 Fuß. Das Werk optimiert die Längen, um den Ausschuss während der Produktion zu minimieren.
Doppelte Zufallslängen (DRL):Diese sind doppelt so lang wie Einzelläufer und liegen zwischen 32 und 48 Fuß. Sie sind seltener und möglicherweise nur begrenzt verfügbar, können aber die Anzahl der in einer langen Pipeline erforderlichen Verbindungen reduzieren.
Spezifische Schnittlängen:Rohre können je nach Kundenwunsch in bestimmten Längen bestellt werden. Dies ist teurer, da dadurch möglicherweise mehr Ausschuss für die Mühle anfällt und zusätzliche Einrichtungs- und Handhabungsarbeiten erforderlich sind. Schnittlängen werden in der Regel nur dann angegeben, wenn die genaue Länge entscheidend ist, beispielsweise bei der Spulenfertigung oder bei Offshore-Installationen, bei denen Verbindungen genau passen müssen.
Die verfügbaren Längen können auch je nach Größe und Wandstärke des Rohrs variieren. Größere Durchmesser und schwerere Wände sind schwieriger zu handhaben und zu transportieren, sodass sie möglicherweise auf kürzere Längen beschränkt sind.
Endabschlüsse
Die Enden des Rohrs können je nach Art der Verbindung auf verschiedene Weise bearbeitet werden:
Glattes Ende (PE):Die Enden werden quadratisch abgeschnitten und unbearbeitet gelassen. Dies ist die einfachste Option, die zum Schweißen oder für mechanische Verbindungen geeignet ist.
Abgeschrägtes Ende (BE):Die Enden werden in einem Winkel, typischerweise 30 Grad oder 37,5 Grad, geschnitten, um eine V--Nut zum Schweißen zu erzeugen. Die Fase ermöglicht ein vollständiges Eindringen des Schweißgutes in die Verbindung. Abgeschrägte Enden sind die häufigste Wahl für Schweißkonstruktionen.
Gewindeende (TE):Die Enden sind entweder mit einem Außengewinde (männlich) oder einem Innengewinde (weiblich) versehen, um das Zusammenschrauben der Rohre zu ermöglichen. Gewindeverbindungen werden häufig für Niederdruckanwendungen wie Wasser- oder Luftleitungen sowie temporäre oder tragbare Installationen verwendet. Die Gewinde können konisch (NPT) oder gerade (BSPP oder BSPT) sein.
Mit Gewinde und gekoppelt (AGB):Ein Ende ist mit einem Außengewinde versehen und darauf ist eine Kupplung (Hülse) aufgeschraubt. Das andere Ende der Kupplung ist mit einem Innengewinde versehen, um das nächste Rohr aufzunehmen. Dies ermöglicht eine schnelle Montage und Demontage vor Ort.
Gerilltes Ende:Am Umfang des Rohrs ist in der Nähe des Endes eine Nut eingeschnitten, um eine mechanische Verbindung aufzunehmen. Nutkupplungen ermöglichen eine schnelle Installation und eine gewisse Flexibilität der Verbindung, um thermische Ausdehnung oder Kontraktion auszugleichen.
