S135 Stahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen in Bohrrohren

S135-Stahl, klassifiziert als ein mittel-kohlenstofflegierter Stahl, wird hauptsächlich in der Herstellung von Bohrrohren für die Öl- und Gasindustrie eingesetzt. Diese Stahlgüte zeichnet sich durch ihre hohe Festigkeit und Zähigkeit aus, wodurch sie für anspruchsvolle Anwendungen in rauen Umgebungen geeignet ist. Die hauptsächlichen Legierungselemente im S135-Stahl umfassen Kohlenstoff, Mangan und Chrom, die zu seinen mechanischen Eigenschaften und der Gesamtleistung beitragen.

Umfassender Überblick

S135-Stahl ist speziell für den Einsatz in Bohrrohren entwickelt worden, wo er hohen Stress- und Ermüdungsniveaus während der Bohroperationen standhalten muss. Der mittlere Kohlenstoffgehalt bietet eine Balance zwischen Festigkeit und Duktilität, die es dem Stahl ermöglicht, die dynamischen Lasten, die in Bohranwendungen auftreten, zu ertragen. Die Zugabe von Mangan verbessert die Härte und erhöht die Abriebfestigkeit, während Chrom zur Korrosionsbeständigkeit und allgemeinen Zähigkeit beiträgt.

Vorteile von S135-Stahl:
- Hohe Festigkeit: S135-Stahl zeigt eine ausgezeichnete Zug- und Fließfestigkeit, wodurch er für tiefe Bohranwendungen geeignet ist.
- Gute Zähigkeit: Die Zähigkeit des Stahls stellt sicher, dass er Energie absorbieren und Bruch unter dem Einfluss von Stoßlasten widerstehen kann.
- Korrosionsbeständigkeit: Die Legierungselemente bieten eine gewisse Beständigkeit gegenüber korrosiven Umgebungen, die in Öl- und Gasanwendungen entscheidend ist.

Beschränkungen von S135-Stahl:
- Kosten: Im Vergleich zu niedrigeren Stahlgüte kann S135 teurer sein, aufgrund seiner Legierungselemente und Bearbeitungsanforderungen.
- Schweißbarkeit: Obwohl S135 geschweißt werden kann, erfordert es eine sorgfältige Berücksichtigung von Vor- und Nachbehandlung, um Rissbildung zu vermeiden.

Historisch gesehen hat S135-Stahl eine bedeutende Rolle in der Entwicklung von Bohrtechnologien gespielt, indem er die notwendige Festigkeit und Langlebigkeit für moderne Bohroperationen bietet. Seine Marktposition ist gut etabliert, insbesondere in Regionen mit umfassenden Öl- und Gasexplorationsaktivitäten.

Alternative Namen, Standards und Äquivalente

Standardorganisation	Bezeichnung/Güte	Land/Region der Herkunft	Hinweise/Anmerkungen
UNS	S13500	USA	Nächster Äquivalent zu API 5DP
API	135	USA	Standard für Bohrrohre
ASTM	A53	USA	Ähnliche Eigenschaften, aber nicht speziell für Bohrrohranwendungen
EN	10225	Europa	Geringfügige zusammensetzungsunterschiede
JIS	G3444	Japan	Ähnliche Anwendungen in der strukturellen Verwendung

Die obige Tabelle hebt die verschiedenen Standards und Äquivalente für S135-Stahl hervor. Während einige Güten ähnlich erscheinen mögen, können subtile Unterschiede in der Zusammensetzung die Leistung, insbesondere in hochbelasteten Anwendungen wie Bohrungen, beeinflussen. Beispielsweise ist API 5DP ein Standard für Bohrrohre, während S13500 speziell für verbesserte mechanische Eigenschaften abgestimmt ist.

Wichtige Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol)	Prozentsatzbereich (%)
Kohlenstoff (C)	0,28 - 0,34
Mangan (Mn)	0,60 - 0,90
Chrom (Cr)	0,20 - 0,40
Phosphor (P)	≤ 0,025
Schwefel (S)	≤ 0,025

Die hauptsächlichen Legierungselemente im S135-Stahl spielen entscheidende Rollen:
- Kohlenstoff: Erhöht Härte und Festigkeit, kann jedoch die Duktilität verringern, wenn der Gehalt zu hoch ist.
- Mangan: Verbessert die Härte und Abriebfestigkeit, kritisch für Bohrrohranwendungen.
- Chrom: Verbessert die Korrosionsbeständigkeit und die allgemeine Zähigkeit, die für die Haltbarkeit in rauen Umgebungen unerlässlich ist.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Typischer Wert/Bereich (metrisch)	Typischer Wert/Bereich (imperial)	Referenzstandard für die Prüfmethoden
Zugfestigkeit	Geglüht & Vergütet	620 - 700 MPa	90 - 102 ksi	ASTM E8
Streckgrenze (0,2% Offset)	Geglüht & Vergütet	450 - 550 MPa	65 - 80 ksi	ASTM E8
Elongation	Geglüht & Vergütet	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
Härte (Rockwell)	Geglüht & Vergütet	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
Schlagfestigkeit	-	40 J bei -20°C	29,5 ft-lbf bei -4°F	ASTM E23

Die mechanischen Eigenschaften des S135-Stahls machen ihn besonders geeignet für Anwendungen, die hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern. Die Kombination aus hoher Zug- und Fließfestigkeit ermöglicht es ihm, bedeutenden mechanischen Belastungen standzuhalten, während die Dehnung und Schlagfestigkeit sicherstellen, dass er Energie absorbieren kann, ohne zu brechen.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Wert (metrisch)	Wert (imperial)
Dichte	-	7,85 g/cm³	0,284 lb/in³
Schmelzpunkt	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Wärmeleitfähigkeit	20°C	50 W/m·K	34,5 BTU·in/h·ft²·°F
spezifische Wärmekapazität	20°C	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F

Wichtige physikalische Eigenschaften wie Dichte und Wärmeleitfähigkeit sind bedeutend für Anwendungen, die Wärmeübertragung und strukturelle Integrität betreffen. Die Dichte von S135-Stahl weist auf seine Robustheit hin, während seine Wärmeleitfähigkeit auf moderate Wärmeübertragungskapazitäten hinweist, die in Bohranwendungen, wo Temperaturmanagement entscheidend ist, wichtig sein können.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosionsmittel	Konzentration (%)	Temperatur (°C/°F)	Widerstandsbewertung	Hinweise
Chloride	3-5	25°C/77°F	Ausreichend	Risiko von Lochkorrosion
Schwefelsäure	10	20°C/68°F	Schlecht	Nicht empfohlen
Atmosphärisch	-	Variiert	Gut	Moderate Beständigkeit

S135-Stahl zeigt eine ausreichende Beständigkeit gegenüber Chloriden, was in Offshore-Bohrumgebungen entscheidend ist. Allerdings ist seine Leistung in sauren Bedingungen schlecht, was eine sorgfältige Berücksichtigung bei der Verwendung in solchen Umgebungen erforderlich macht. Im Vergleich zu anderen Güten wie API 5L X65, die eine bessere Korrosionsbeständigkeit bieten, könnte S135 in stark korrosiven Umgebungen zusätzliche Schutzmaßnahmen erfordern.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenzwert	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Maximale kontinuierliche Betriebstemperatur	400°C	752°F	Eignet sich für moderate Wärme
Maximale intermittierende Betriebstemperatur	500°C	932°F	Nur kurzfristige Exposition
Skalierungs-Temperatur	600°C	1112°F	Risiko von Oxidation bei hohen Temperaturen

S135-Stahl behält seine mechanischen Eigenschaften bis zu moderaten Temperaturen, was ihn für Anwendungen geeignet macht, bei denen Wärme eine Rolle spielt. Bei Temperaturen über 400°C steigt jedoch das Risiko von Oxidation und Skalierung, was die Integrität des Materials beeinträchtigen kann.

Fertigungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißverfahren	Empfohlenes Füllmetall (AWS-Klassifikation)	Typisches Schutzgas/Flux	Hinweise
SMAW	E7018	Argon + CO2	Vorwärmen empfohlen
GMAW	ER70S-6	Argon	Nachbehandlung erforderlich

S135-Stahl kann mit verschiedenen Verfahren geschweißt werden, benötigt jedoch besondere Aufmerksamkeit bezüglich Vor- und Nachbehandlungen, um Rissbildung zu vermeiden. Die Verwendung von wasserstoffarmen Füllmetallen wird empfohlen, um die Integrität der Schweißnaht zu wahren.

Zerspanbarkeit

Zerspanungsparameter	S135-Stahl	AISI 1212	Hinweise/Tipps
Relativer Zerspanungsindex	60%	100%	S135 ist schwerer zu bearbeiten
Typische Schnittgeschwindigkeit	30 m/min	50 m/min	Hartmetallwerkzeuge für beste Ergebnisse verwenden

Die Zerspanbarkeit des S135-Stahls ist mittelmäßig und erfordert geeignete Werkzeuge und Schnittgeschwindigkeiten, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Der höhere Kohlenstoffgehalt kann zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß führen, was den Einsatz hochwertiger Schneidwerkzeuge notwendig macht.

Formbarkeit

S135-Stahl zeigt eine moderate Formbarkeit, die für Kalt- und Warmumformungsprozesse geeignet ist. Aufgrund seines mittelkohlenstoffhaltigen Inhalts kann es jedoch zu Kaltverfestigung während der Kaltumformung kommen, was den Grad der Deformation ohne Rissbildung einschränken kann. Empfohlene Biegeradien sollten beachtet werden, um sicherzustellen, dass das Material während der Umformungsoperationen nicht seine Grenzen überschreitet.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Hauptzweck / Erwünschtes Ergebnis
Glühen	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 Stunden	Luft	Verbesserung der Duktilität und Verringerung der Härte
Härten	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 Minuten	Öl	Erhöhung von Härte und Festigkeit
Tempering	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 Stunde	Luft	Verringerung der Sprödigkeit und Verbesserung der Zähigkeit

Wärmebehandlungsprozesse beeinflussen erheblich die Mikrostruktur und Eigenschaften des S135-Stahls. Härten erhöht die Härte, während das Tempern hilft, Spannungen abzubauen und die Zähigkeit zu erhöhen, wodurch es für hochbelastete Anwendungen geeignet ist.

Typische Anwendungen und Endverwendungen

Branche/Sektor	Beispiel für eine spezifische Anwendung	Wesentliche Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl (kurz)
Öl und Gas	Bohrrohre	Hohe Zugfestigkeit, Zähigkeit	Erforderlich für tiefes Bohren
Bergbau	Verrohrungen	Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit	Haltbarkeit in rauen Bedingungen
Bau	Strukturelle Komponenten	Hohe Festigkeit, Schweißbarkeit	Wesentlich für strukturelle Integrität

S135-Stahl wird überwiegend in der Öl- und Gasindustrie für Bohrrohre verwendet, wo seine hohe Festigkeit und Zähigkeit entscheidend sind. Darüber hinaus findet er Anwendung im Bergbau und im Bauwesen, wo Haltbarkeit und Widerstand gegen raue Umgebungen von größter Bedeutung sind.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke

Merkmal/Eigenschaft	S135-Stahl	API 5L X65	AISI 4140	Kurze Pro-/Kontra- oder Abwägungsnotiz
Wesentliche mechanische Eigenschaft	Hohe Festigkeit	Mittlere Festigkeit	Hohe Festigkeit	S135 bietet bessere Zähigkeit
Wesentliche Korrosionsaspekt	Ausreichende Beständigkeit	Gute Beständigkeit	Ausreichende Beständigkeit	API 5L X65 ist besser für korrosive Umgebungen
Schweißbarkeit	Mittel	Gut	Gut	S135 erfordert sorgfältige Behandlung
Zerspanbarkeit	Mittel	Gut	Mittel	S135 ist schwieriger zu bearbeiten
Ungefähre Relativkosten	Mittel	Mittel	Niedrig	Kosten variieren je nach Anwendung
Typische Verfügbarkeit	Allgemein	Allgemein	Allgemein	In der Industrie weit verbreitet

Bei der Auswahl von S135-Stahl für spezifische Anwendungen sind Überlegungen wie Kosten, Verfügbarkeit und mechanische Eigenschaften entscheidend. Während S135 hervorragende Festigkeit und Zähigkeit bietet, können seine Schweißbarkeit und Zerspanbarkeit Herausforderungen darstellen. Im Vergleich bieten Güten wie API 5L X65 eine bessere Korrosionsbeständigkeit, was sie für unterschiedliche Umgebungen geeignet macht.

Zusammenfassend ist S135-Stahl ein wichtiges Material in der Öl- und Gasindustrie, das eine einzigartige Kombination aus Festigkeit, Zähigkeit und moderater Korrosionsbeständigkeit bietet. Seine Eigenschaften machen ihn für anspruchsvolle Anwendungen geeignet, aber eine sorgfältige Berücksichtigung seiner Einschränkungen und Fertigungseigenschaften ist entscheidend für optimale Leistung.