Spezialstahl auf Ölsuche

Auch wenn alternative Energien kontinuierlich Marktanteile gewinnen – Erdöl ist nach wie vor einer der wichtigsten Rohstoffe moderner Industriegesellschaften.

05. Dezember 2011

Auch wenn alternative Energien kontinuierlich Marktanteile gewinnen – Erdöl ist nach wie vor einer der wichtigsten Rohstoffe moderner Industriegesellschaften. Die leicht erreichbaren Lagerstätten sind heute weltweit nahezu ausnahmslos erschlossen. Um auch unzugängliche Gebiete nach neuen Ölfeldern zu erkunden, werden daher immer aufwendigere Suchmethoden benötigt.

Mit Hilfe hochmoderner Bohrwerkzeuge ist es heute möglich, in jede beliebige Richtung zu bohren und anschließend den Rohstoff über weite Strecken zur Erdoberfläche zu fördern. Edelstähle für diesen Bohrstrang müssen nicht nur hohem Druck, extremen Temperaturen und starker Korrosion standhalten, sondern auch magnetisch durchlässig sein, um die hochempfindlichen Instrumente für die Erdölsuche nicht zu beeinflussen. Weltweit fertigen nur wenige Stahlkocher diese anspruchsvollen Stähle – in Deutschland zum Beispiel die Deutschen Edelstahlwerke, ein Unternehmen der Schmolz + Bickebach AG.

Durch Richtbohrungen (Directional Drilling) werden heute Erdölfelder erschlossen, die bis zu fünf Kilometer tief und mehr als zehn Kilometer entfernt vom Bohrturm liegen. In der Offshore-Förderung ist das Richtbohren die übliche Form der Erschließung, da so von wenigen Bohrinseln aus die oft weitläufigen Lagerstätten erreicht werden. Auch an Land setzt sich das Directional Drilling zunehmend durch. Mit diesem Verfahren können Lagerstätten unter besiedeltem und unzugänglichem Gelände erreicht oder Naturschutzgebiete geschont werden.

Im Richtbohrstrang sitzen hinter dem Bohrmeißel auf etwa 50 Metern Bauteile aus hochentwickeltem nichtrostendem Edelstahl. Zum einen finden sich hier Drill-Collars, die kontinuierlich Spülflüssigkeit zuführen, um das vom Bohrkopf zerkleinerte Gestein an die Erdoberfläche zu spülen. Zum anderen werden in den MWD/LWD (Messurement While Drilling / Logging While Drilling) genannten Strangsegmenten geometrische Instrumente gelagert, die einerseits Daten über Gesteinsinformationen sammeln und andererseits Messungen am Erdmagnetfeld vornehmen, um Lage und Richtung der Bohrung detailliert zu bestimmen. Daher müssen die Bohrstrangteile, insbesondere in unmittelbarer Nähe der Messgeräte, amagnetisch sein, das heißt eine magnetische Durchlässigkeit aufweisen, die keine Kompassabweichungen erzeugt. Nur wenn das Erdmagnetfeld nicht durch den Stahl der Strangelemente abgelenkt wird, sind präzise Messungen möglich.

Einsatz von Spezialstählen

„Ein wesentliches Kriterium für den wirtschaftlichen Einsatz amagnetischer Edelstahllegierungen in diesem Bereich ist die Langlebigkeit der Legierungen“, erklärt Peter Grüneberg, Leiter Vertrieb und technische Kundenberatung Spezialprodukte bei der Deutschen Edelstahlwerke GmbH. Um den starken mechanischen Beanspruchungen durch Zug- und Druckspannungen bis 1500 MPa sowie der Torsion durch die Drehung des Bohrkopfs und des Stranges standzuhalten, müssen die Stähle eine hohe Festigkeit aufweisen. Ein ebenfalls zentraler Punkt ist die Korrosionsbeständigkeit, da die Spülflüssigkeit korrosive Inhaltsstoffe wie mehrprozentige Natriumchlorid-, Kaliumchlorid- oder Magnesiumchlorid-Lösungen enthält, die das noch nicht verrohrte Bohrloch stabilisieren sollen. „Die MWD werden im Vergleich zu den Drill-Collars sehr viel aufwendiger und teilweise auch dünnwandig angearbeitet, um die hochempfindlichen Messgeräte optimal im Bauteil zu platzieren. Daher muss diese Legierung noch beständiger gegen Lochfraß und dennoch gut zu zerspanen sein“, führt Grüneberg aus. Die Entwicklung und Herstellung solcher Lösungen in Spezialstahl zählt zu den Kernkompetenzen der Deutsche Edelstahlwerke GmbH.

Stahlproduktion

Grundlage für die Stahlproduktion der Deutschen Edelstahlwerke ist Schrott, also hochwertige Sekundärrohstoffe, die sortenrein in einem 130-Tonnen-Elektrolichtbogenofen chargiert werden. Hat der flüssige Stahl die Abstichtemperatur erreicht, wird die Schmelze zur Weiterverarbeitung in eine bereitstehende Pfanne entleert. Hier findet anschließend die sekundärmetallurgische Behandlung des Stahls statt.

Um amagnetische Stähle herzustellen, muss eine spezielle, stabile austenische Kristallstruktur erzeugt werden. Diese wird durch eine Zugabe von circa 20 Prozent Mangan sowie Nickel und Stickstoff erreicht. Die für die MWD benötigte Legierung des Magnadur 601 unterscheidet sich von dem Magnadur 501, aus dem die Drill-Collars gefertigt werden, durch die höheren Zugaben von Chrom, Nickel, Stickstoff und Molybdän. Dadurch werden eine gesteigerte Lochfraßbeständigkeit und höhere Festigkeit nach der Kaltverfestigung erreicht. Anschließend werden beide Legierungen stickstofflegiert. „Hierzu wird das Gas über eine sogenannte Lanze in die Schmelze gespült, ähnlich wie Sauerstoff einem Aquarium zugeführt wird“, veranschaulicht Grüneberg.

Guss und Warmkaltverfestigung

Im Anschluss wird der Stahl im Strangguss senkrecht vergossen. Das flüssige Metall läuft dabei abwärts durch wassergekühlte Kupferkokillen. „Dieses von uns in Witten entwickelte Verfahren ist in dieser Form weltweit einmalig. So sind wir in der Lage, auch hochlegierte Stähle wie die Amagnite 501 und 601 senkrecht zu gießen, und vermeiden damit die Gefahr der Rissbildung, die beim bekannteren Kreisbogenguss eher besteht“, führt Grüneberg aus. Der geschliffene Strangguss wird anschließend vorgeschmiedet, im Wasserbad zu einem gewissen Grad abgekühlt und schließlich auf einer Rotationsschmiedemaschine kaltverfestigt. Hierbei schiebt sich der Stahl mit einer kontinuierlichen Drehung durch ein mit vier Hämmern ausgestattetes Joch, um eine gleichmäßige Verformung des Stabes zu erreichen. Dieser aufwendige, mehrstufige Schmiedeprozess ist notwendig, um dem Gefüge eine größtmögliche Härte und Festigkeit zu verleihen.

Anarbeitung

Anschließend werden die Stäbe geschält, auf Länge gesägt und feingerichtet. Die Anarbeitung der MWD übernehmen in der Regel hochspezialisierte Zulieferer der Ölkonzerne, um die Bauteile optimal an die verwendeten Instrumente anzupassen. Die mechanische Bearbeitung der Drill-Collars hingegen erfolgt bei den Deutschen Edelstahlwerken mittels einer hochmodernen Tieflochbohrmaschine. Dabei handelt es sich um Bohrungen zwischen 50 und 80 Millimetern auf einer Länge von 9,5 Metern. „In einem letzten Schritt führen wir eine Verfestigung der Bohrungsinnenfläche der Drill-Collars durch. Über das Rollieren der Rohrinnenwände erzielen wir eine Veränderung der Druckeigenspannung, vermeiden so Spannungsrisskorrosion und erreichen eine deutlich gesteigerte Haltbarkeit“, erklärt Stahlexperte Grüneberg. „Vor dem Versand werden unsere Produkte noch eingehend auf Materialfehler und Fremdeinschlüsse geprüft, die die magnetische Permeabilität beeinflussen könnten.“

kontinuierlichen Drehung durch ein mit vier Hämmern ausgestattetes Joch, um eine gleichmäßige Verformung des Stabes zu erreichen. Dieser aufwendige, mehrstufige Schmiedeprozess ist notwendig, um dem Gefüge eine größtmögliche Härte und Festigkeit zu verleihen.

Anarbeitung

Anschließend werden die Stäbe geschält, auf Länge gesägt und feingerichtet. Die Anarbeitung der MWD übernehmen in der Regel hochspezialisierte Zulieferer der Ölkonzerne, um die Bauteile optimal an die verwendeten Instrumente anzupassen. Die mechanische Bearbeitung der Drill-Collars hingegen erfolgt bei den Deutschen Edelstahlwerken mittels einer hochmodernen Tieflochbohrmaschine. Dabei handelt es sich um Bohrungen zwischen 50 und 80 Millimetern auf einer Länge von 9,5 Metern. „In einem letzten Schritt führen wir eine Verfestigung der Bohrungsinnenfläche der Drill-Collars durch. Über das Rollieren der Rohrinnenwände erzielen wir eine Veränderung der Druckeigenspannung, vermeiden so Spannungsrisskorrosion und erreichen eine deutlich gesteigerte Haltbarkeit“, erklärt Stahlexperte Grüneberg. „Vor dem Versand werden unsere Produkte noch eingehend auf Materialfehler und Fremdeinschlüsse geprüft, die die magnetische Permeabilität beeinflussen könnten.“