Nahtlos vs ERW – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einleitung

Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen regelmäßig vor der Wahl zwischen nahtlosen und ERW-(Electric Resistance Welded)-Stahlrohren und -Rohrleitungen. Die Entscheidung basiert typischerweise auf einem Abwägen von Leistungsanforderungen wie Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kosten, Verfügbarkeit und nachgelagerten Fertigungsanforderungen wie Schweißen und Umformen. Für Einsatzbedingungen mit hohem Innendruck, niedriger Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen oder engen Maßtoleranzen wird meist eine Lösung bevorzugt; für große Durchmesser und kostengünstige Verteil- oder Strukturanwendungen dominiert oft die andere.

Grundlegend für den Vergleich sind die Unterschiede in der Herstellung des Rohres und wie dieser Fertigungsweg die Werkstoffeigenschaften und das Schweißverhalten beeinflusst. Diese Unterschiede wirken sich auf Mikrostruktur, Ansprechverhalten bei Wärmebehandlung, Güte der Schweißnaht und die praktischen Grenzen nachgelagerter Bearbeitungen aus.

1. Normen und Bezeichnungen

Gängige Normen und Bezeichnungen, auf die Sie sowohl bei nahtlosen als auch bei ERW-Stählen treffen, umfassen:

• ASTM / ASME (USA): z. B. ASTM A106, A179, A192, API 5L für Rohrleitungen; ASME SA-106, SA-179.
• EN (Europa): EN 10216 (nahtlos), EN 10217 (geschweißt), EN 10210/10219 für Baustahl-Hohlprofile.
• JIS (Japan): JIS G3452 (nahtlose Stahlrohre für Kessel), JIS G3461 (ERW).
• GB (China): GB/T 8162 (nahtlose Kohlenstoffstahlrohre für allgemeine Struktur), GB/T 3091 (ERW).

Klassifizierung nach Werkstofftyp: - Kohlenstoffstahl: gebräuchlich für nahtlose und ERW-Rohre. - Legierte Stähle und HSLA: erhältlich in beiden Formen; HSLA- und mikrolegierte Qualitäten sind häufig nahtlos, werden aber auch als ERW gefertigt. - Edelstahl: hergestellt als nahtlos und geschweißt (einschließlich ERW und WIG-Schweißung). - Werkzeugstähle: werden selten als Rohre gefertigt; in typischen Rohrnormen ausgeschlossen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die Zusammensetzung eines Rohres wird durch die Werkstoffgüte (Kohlenstoffstahl, HSLA, legiert, Edelstahl) bestimmt und nicht durch das Herstellungsverfahren. Typische Kontrollphilosophien unterscheiden sich jedoch: Nahtloshersteller streben häufig eine engere Zusammensetzungskontrolle für anspruchsvolle Druck- oder Tieftemperatureinsätze an, während ERW-Hersteller die Chemie auf gute Umformbarkeit und Schweißbarkeit bei Großserien optimieren.

Element	Nahtlos (typische Kontrolle)	ERW (typische Kontrolle)	Funktion in den Eigenschaften
C (Kohlenstoff)	Kontrolliert zur Erfüllung von Festigkeit/Härtbarkeit	Kontrolliert für Festigkeit und Schweißbarkeit	Hauptbestimmend für Festigkeit/Härtbarkeit
Mn (Mangan)	In Mengen zur Festigkeitssteigerung und Entoxidation	Vorhanden; oft etwas höher zur Entoxidation in geschweißten Produkten	Festigkeitssteigernde Lösung; beeinflusst Härtbarkeit
Si (Silizium)	Entoxidationsmittel; begrenzt bei Tiefkühlqualitäten	Entoxidationsmittel; kontrolliert für Schweißnahtqualität	Entoxidationsmittel; beeinflusst Festigkeit und Zunderschutz
P (Phosphor)	Niedrig gehalten für Zähigkeit	Begrenzt für Duktilität und Schweißbarkeit	Gefährdet Zähigkeit bei hohem Gehalt
S (Schwefel)	Niedrig; MnS wird kontrolliert	Kontrolliert; kann in zerspanbaren Qualitäten höher sein	Beeinflusst Zerspanbarkeit, kann Zähigkeit verringern
Cr (Chrom)	Legierungsbestandteil für Festigkeit/Korrosion bei legierten Stählen	Eingesetzt in legierten ERW-Qualitäten zur Festigkeitssteigerung	Verbessert Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit
Ni (Nickel)	Zugabe für Zähigkeit und Tieftemperatureinsatz	Selektiv eingesetzt für Zähigkeit/Korrosionsbeständigkeit	Steigert Zähigkeit und Korrosionsschutz
Mo (Molybdän)	Verwendet für Härtbarkeit und Warmfestigkeit	Ähnliche Funktion in legierten ERW-Qualitäten	Verbessert Kriechfestigkeit und Festigkeit
V, Nb, Ti (Mikrolegierung)	Verbreitet in HSLA/nahtlos für Kornfeinung	In ERW HSLA eingesetzt, kann für Walzprozess optimiert sein	Kornfeinung, Ausscheidungsverfestigung
B (Bor)	Spurzugaben zur Härtbarkeit in vergüteten Güten	Manchmal in wärmebehandelten Qualitäten verwendet	Starker Härtbarkeitsverstärker in ppm-Bereichen
N (Stickstoff)	Kontrolliert, speziell bei Edelstählen	Kontrolliert für Umformung/Schweißen	Stabilisiert Austenit bei Edelstahl; beeinflusst Korrosion

Erläuterung: Legierungselemente werden gezielt eingesetzt, um ein ausgewogenes Verhältnis aus Festigkeit, Zähigkeit, Härtbarkeit und Korrosionsschutz zu erreichen. Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti) verfeinern die Kornstruktur und ermöglichen höhere Festigkeiten ohne Einbußen bei der Duktilität, vor allem bei thermomechanischer Behandlung oder kontrolliertem Walzen.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsverhalten

Nahtlose und ERW-Rohre können auf ähnlichen Grundstählen basieren, unterscheiden sich jedoch in der Ausgangsmikrostruktur aufgrund der Umformung und thermischen Historie.

• Nahtlose Rohre: Hergestellt durch Durchbohren und Strecken eines Vollbrammen oder durch Heißlochwalzen und Walzen. Der Prozess bewirkt eine erhebliche plastische Verformung und Rekristallisationszyklen bei hohen Temperaturen, wodurch oft eine relativ gleichmäßige Mikrostruktur über die Wanddicke entsteht. Bei Kohlenstoff- und HSLA-Güten ist die gewalzte Struktur typischerweise Ferrit–Perlit bei niedrigfesten Qualitäten; bei vergüteten Güten können nach entsprechender Wärmebehandlung Martensit/angelassener Martensit vorliegen.
• ERW-Rohre: Produziert durch Umformen eines Band- oder Flachblechs und Verschweißen der Kanten mittels elektrischem Widerstandsschweißen. Die Schweißnaht erfährt lokale Erwärmung und rasches Abkühlen, was eine ausgeprägte Wärmeeinflusszone (WEZ) und Schweißgut mit Mikrostrukturen je nach Schweißenergie und Chemie erzeugt. Die Bandchemie und Schweißparameter werden so festgelegt, dass Unterschiede in den Eigenschaften der Naht gegenüber dem Grundwerkstoff minimiert sind.

Wärmebehandlungsverhalten: - Normalisierung/Kornfeinung: Sowohl nahtlose als auch ERW-Rohre profitieren von Normalisierung zur Homogenisierung der Mikrostruktur. Nahtlose Rohre sprechen meist gleichmäßig an; ERW-Naht erfordert Beachtung der WEZ, um unerwünschte Härtespitzen zu vermeiden. - Vergüten: Eingesetzt bei hochfesten Güten; mikrolegierte nahtlose Stähle zeigen mit kontrollierter Chemie oft exzellentes Ansprechverhalten. Bei ERW muss die Nahtmetallurgie mit den Vergützyklen kompatibel sein (d.h. Schweißgutchemie und WEZ müssen Zielmikrostrukturen erreichen ohne Überhärtung). - Thermomechanische Verarbeitung: Häufiger und besser kontrollierbar bei nahtloser Fertigung, erlaubt feinkörnige, hochfeste HSLA-Stähle mit guter Zähigkeit.

4. Mechanische Eigenschaften

Die Eigenschaften hängen von Grade, Wärmebehandlung und Fertigungskontrolle ab. Die folgende Tabelle vergleicht typische mechanische Merkmale qualitativ.

Eigenschaft	Nahtlos	ERW	Bemerkungen
Zugfestigkeit	Hoch, gleichmäßig durch die Wand	Im Grundmaterial vergleichbar; Naht kann variieren	Nahtgüte beeinflusst lokale Zugfestigkeit
Streckgrenze	Hoch mit guter Gleichmäßigkeit	Vergleichbar; Nahtbereich kann weichere oder härtere Zone sein	Mikrolegierung und Wärmebehandlung steuern Streckgrenze
Dehnung (Duktilität)	Gleichmäßig im Querschnitt	Im Grundmaterial gut; Nahtzone kann lokale Duktilität reduzieren	Nahtqualität und WEZ-Kontrolle sind entscheidend
Kerbschlagzähigkeit	Oft überlegener, besonders für Tieftemperatureinsätze	Gut bei Spezifikation; WEZ kann kritisch sein	Nahtlos wird bei kritischem Tieftemperatureinsatz bevorzugt
Härte	Gleichmäßig bei wärmebehandelten Güten	Härtegradienten an Naht/WEZ möglich	Wärmebehandlung muss Nahtmetallurgie berücksichtigen

Welches ist stärker/zäher/duktiler: Keine der beiden Formen ist per se stärker; Festigkeit wird durch Werkstoffgüte und Wärmebehandlung bestimmt. Die nahtlose Fertigung ermöglicht oft eine gleichmäßigere Eigenschaftsverteilung durch die Wand und wird häufig gewählt, wenn maximale Zähigkeit, Gleichmäßigkeit und Hochdruckbeständigkeit gefordert sind. ERW kann äquivalente Grundmaterialeigenschaften erreichen, erfordert jedoch eine strenge Prozesskontrolle an der Schweißnaht.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit ist eine zentrale Eigenschaft und wird durch den Kohlenstoffäquivalentwert sowie das Vorhandensein von Legierungs- und Mikrolegierungselementen bestimmt. Zwei gängige Indizes zur qualitativen Bewertung sind:

• Carbon Equivalent nach International Institute of Welding: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (für Anfälligkeit gegenüber Kaltbruch): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation: - Niedrigere $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte korrelieren mit besserer Schweißbarkeit sowie geringerem Risiko für HAZ-Härtung und Kaltbrüche. Nahtlose Rohre, die für hochfeste oder vergütete Einsatzbedingungen vorgesehen sind, können eine höhere Härtbarkeit aufweisen und erfordern daher Vorwärmen/Nachwärmen oder kontrollierte Schweißverfahren. - ERW-Produkte werden häufig bezüglich Schweißbarkeit bereits während der Bandproduktion optimiert (Chemie und Walzbedingungen so gewählt, dass die Härtbarkeit an der Naht minimiert wird). Dennoch sind Naht und Wärmeeinflusszone lokale Bereiche, bei denen Reparaturschweißen oder weiterführende Schweißarbeiten die möglichen Unterschiede in Chemie und Mikrostruktur berücksichtigen müssen. - Bei rostfreien Stählen spielen Schweißbarkeitsaspekte wie Sensibilisierung und Stickstoffgehalt eine Rolle; bei Duplex- oder Super-Duplex-Stählen bestimmen PREN und Phasenverhältnis das Schweißverfahren.

6. Korrosionsschutz und Oberflächenbehandlung

Nicht rostende Stähle: - Sowohl nahtlose als auch ERW-Kohlenstoff- und HSLA-Stähle benötigen für korrosionsanfällige Anwendungen Schutzbeschichtungen: Feuerverzinkung, fusionbonded Epoxy, Lacksysteme oder Innenbeschichtungen. Die Beschichtungsstrategie richtet sich primär nach Umweltbedingungen und Lebensdauer und weniger nach dem Herstellungsverfahren des Rohres, obwohl die Nahtgeometrie die Gleichmäßigkeit und Haftung der Beschichtung beeinflussen kann.

Rostfreie Stähle: - Bei rostfreien Werkstoffen hängt die Korrosionsbeständigkeit von der Legierungszusammensetzung ab. Die Gegenwartszahl für Lochfraßbeständigkeit (PREN) ist hilfreich für austenitische und Duplex-Legierungen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - PREN ist für unlegierte Kohlenstoffstähle nicht anwendbar. Beim Angeben von rostfreien ERW- oder nahtlosen Rohren ist die Kontrolle von Stickstoff und Molybdän entscheidend, um die Ziel-PREN und die geforderte Einsatzleistung zu erreichen.

Hinweis: Wo eine Schweißnaht vorhanden ist, sind Oberflächenbearbeitung und Nachschälung (Passivierung bei rostfreiem Stahl) wichtig, um die Korrosionsbeständigkeit an der Verbindungsstelle wiederherzustellen.

7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit

• Schneiden: Beide Rohrarten lassen sich mit Standardverfahren wie Sägen, Brennschneiden oder Plasmaschneiden bearbeiten. ERW-Nahtstellen können zusätzliches Nacharbeiten erfordern, wenn Schweißraupen oder Innengrat vorhanden sind.
• Biegen/Formung: Nahtlose Rohre tolerieren in der Regel das Umformen und Biegen mit weniger lokaler Verzerrung aufgrund homogener Wandstärkeneigenschaften. ERW-Rohre können Nahtöffnungen oder lokal unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen; die Prozessplanung sollte die Nahtorientierung in Bezug auf die Biegeachse berücksichtigen.
• Bearbeitbarkeit: Kontrollierte Schwefelgehalte verbessern die Zerspanbarkeit; diese sind unabhängig vom Rohrherstellungsprozess. Hochfeste, mikrolegierte nahtlose Rohre können aufgrund höherer Festigkeit und Kaltverfestigung schlechter zerspanbar sein.
• Oberflächenbearbeitung: Schleifen oder Entgraten der ERW-Naht kann erforderlich sein, wenn glatte Innenflächen (z. B. Hydraulikleitungen) gefordert sind oder zerstörungsfreie Prüfungen Nahtanomalien aufzeigen.

8. Typische Anwendungen

Nahtlos	ERW
Druckkessel für Hochdruck, Rohrleitungen in Kraftwerken, Hochdruckanwendungen für Öl und Gas, Tieftemperatur-Einsätze mit kritischer Zähigkeit	Wasser- und Gashauptleitungen, Konstruktionrohre, Fahrgestellrohre im Fahrzeugbau, allgemeine mechanische Anwendungen
Rohrleitungen für Wärmetauscher und prozesstechnisch anspruchsvolle Leitungen	Großrohrleitungen mit Schwerpunkt auf Kosten und schneller Produktion
Tiefbohrkomponenten und Hydraulikanwendungen mit richtungsabhängigen Eigenschaften	Anwendungen, bei denen lange Rohrlängen und niedrige Stückkosten im Vordergrund stehen

Auswahlkriterien: Nahtlose Rohre wählen, wenn eine durchgehende Wanddickenhomogenität, hohe Druckfestigkeit und kritische Zähigkeit (bei Niedrigtemperatur oder sauren Medien) notwendig sind. ERW-Rohre eignen sich für kostenbewusste, volumenstarke und großdimensionierte Anwendungen, bei denen die Nahtintegrität kontrolliert werden kann und die geforderten Eigenschaften im Rahmen der Schweißprodukt-Spezifikationen liegen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: ERW-Produkte sind pro Tonne typischerweise günstiger und in lange, kontinuierliche Längen verfügbar, da die Produktion bandbasiert und hochkapazitiv ist. Nahtlose Produkte sind meist teurer aufgrund des komplexeren Blockprozesses und geringerer Durchsatzraten.
• Verfügbarkeit: ERW ist für Standardgrößen und Qualitäten breit verfügbar; nahtlose Rohre können bei Spezialqualitäten, großen Durchmessern oder engen Toleranzen begrenzter verfügbar sein und längere Lieferzeiten erfordern.

Produktformbedenken: Für Hochdruck- oder zertifizierte Rohrleitungen ist nahtlos häufig in den spezifizierten Qualitäten lagerhaltig; für volumenstarke Strukturrohre und Leitungsrohre dominiert ERW aufgrund wirtschaftlicher Aspekte den Markt.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Aspekt	Nahtlos	ERW
Schweißbarkeit	Guter Grundwerkstoff; keine Naht, aber Schweißung ist äußerlich/unterbrochen	Für Nahtschweißung konstruiert; weiteres Schweißen erfordert Beachtung der HAZ-/Nahtmetallurgie
Festigkeit–Zähigkeit	Hohe Gleichmäßigkeit; exzellente Zähigkeit bei Niedrigtemperatur mit geeigneter Qualität	Im Grundwerkstoff vergleichbar; Naht/HAZ können einschränkend sein
Kosten	Höher	Niedriger

Fazit: - Wählen Sie nahtlose Rohre, wenn eine gleichmäßige Wanddickenverteilung, kritische Druckfestigkeit, überlegene Zähigkeit bei Tiefsttemperaturen oder strenge Normen ohne Naht erlaubt sind, erforderlich sind. - Wählen Sie ERW, wenn Kosten, lange kontinuierliche Längen und Verfügbarkeit in Standardgrößen im Vordergrund stehen und wenn Planung sowie Prüfprogramme die Naht (d.h. Qualität und Prozesskontrolle) so berücksichtigen, dass die mechanischen und zerstörungsfreien Prüfanforderungen erfüllt werden.

Abschließender Hinweis: Bewährte Praxis ist, Leistungsanforderungen (Zugfestigkeit, Kerbschlagarbeit bei Temperatur, Härtegrenzen, akzeptierte zerstörungsfreie Prüfkriterien, Wärmebehandlungsvorgaben) zu spezifizieren und nicht nur „nahtlos“ oder „ERW“ zu benennen. So kann der Lieferant die wirtschaftlichste Fertigungsroute entsprechend den technischen Anforderungen vorschlagen.