專利名稱：內(nèi)嵌壓力容器的熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及油氣生產(chǎn)期間使用的油田部件和設(shè)備。具體地，本 發(fā)明涉及熱處理油田部件的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有多種用于鉆井和產(chǎn)烴的設(shè)計(jì)，包括陸上和海上鉆井生產(chǎn)機(jī)組。海
平臺(tái)、張力腿平臺(tái)、翼梁型平臺(tái)(spar-type platform)和本領(lǐng)域已知的其它平 臺(tái))而改變。海上機(jī)組的控制裝置的類型和位置也可改變，包括濕式水下 采油樹系統(tǒng)，其控制裝置設(shè)置在位于海底的井口的頂部；以及干式采油樹 系統(tǒng)，其控制裝置設(shè)置在平臺(tái)上。
油井鉆探和生產(chǎn)期間使用的部件，無(wú)論何種位置和設(shè)計(jì)，均遭受腐蝕、 磨損和疲勞。例如，對(duì)于海上鉆井和生產(chǎn)，所使用的部件和設(shè)備經(jīng)受動(dòng)態(tài) 環(huán)境，在這種環(huán)境下近地表和地下潛流可引起彎曲和/或旋轉(zhuǎn)應(yīng)力。在典型 的深水海上生產(chǎn)中，例如，立管在位于海平面的浮式平臺(tái)和位于海底的井 口之間延伸。由于井口靜置于海底，而立管和平臺(tái)或鉆機(jī)是活動(dòng)的，因而 彎曲和旋轉(zhuǎn)應(yīng)力可導(dǎo)致生產(chǎn)部件疲勞，生產(chǎn)部件包括浮力裝置、應(yīng)力消除 接頭、用于壓載或張力管線的系纜環(huán)板連接件(pad-eye connections for ballast or tension line)、應(yīng)力接頭、防噴器(BOP)、控井組件、泥漿提升組件(mud lift module)、壓艙配重(ballastweight)以及本領(lǐng)域已知的其它部件。這些部件(包 括平臺(tái)處的連接件、立管接頭和井口部件)均可能經(jīng)受由于海上環(huán)境的動(dòng)態(tài) 特性而引起的應(yīng)力和應(yīng)變。
作為遭受磨損、腐蝕和疲勞的部件的另一實(shí)例，在儲(chǔ)層油氣生產(chǎn)過(guò)程 中常使用桿式泵。這種深井泵由游梁式抽油機(jī)(walking beam pumping unit) 機(jī)械起動(dòng)，游梁式抽油機(jī)的一端連接在電源上，而另一端連接一串鋼桿(例 如抽油桿)上，鋼桿相互連接形成伸入井內(nèi)的鉆柱，鉆柱的另一端連接在深 井泵上。在泵送過(guò)程中，由桿構(gòu)成的鉆柱進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這可能引起鉆柱偏轉(zhuǎn)。抽油桿由于與生產(chǎn)油管內(nèi)壁的摩擦接觸而遭受磨損。盡 管流體環(huán)境起到潤(rùn)滑劑的作用，但抽油桿表面還是發(fā)生磨損。另外，組裝 過(guò)程中使用的工具，例如用于鉆柱定心的工具，可能造成桿表面的磨損。 對(duì)于產(chǎn)爛井，流體包含可能對(duì)桿表面具有附加的磨損作用的溶解鹽類和未 溶解礦物。在發(fā)生磨損的同時(shí)，抽油桿中的金屬遭受井下化學(xué)物質(zhì)引起的 強(qiáng)腐蝕性侵蝕。這些桿在其整個(gè)使用壽命中還經(jīng)受極高的循環(huán)軸向拉伸并 可能經(jīng)受軸向疲勞。
除了以上簡(jiǎn)要描述的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、磨損應(yīng)力和腐蝕應(yīng)力以外，油田部件 還可能經(jīng)受鉆井和生產(chǎn)過(guò)程中遭遇的高溫高壓所引起的疲勞。鉆井過(guò)程包 括穿透各種地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)或稱為"地層，，的層。有時(shí)，井筒將穿透地層壓力明 顯高于井筒中壓力的地層。在出現(xiàn)這種情況時(shí)稱井已"溢流"。伴隨溢流出現(xiàn) 的壓力升高通常是由地層流體(可以是液體、氣體或它們的組合)流入井筒所 引起。壓力較高的溢流往往從進(jìn)入井筒的位置向井口蔓延(從高壓區(qū)域向低 壓區(qū)域)。正常的工作壓力和高壓溢流致使油田部件經(jīng)受額外的疲勞。
過(guò)去，經(jīng)受疲勞負(fù)荷條件的油田部件由單一的金屬合金制造。常用的 合金一般是低合金鋼，對(duì)低合金鋼進(jìn)行熱處理加工以獲得適于負(fù)荷條件的 機(jī)械性能。使用高強(qiáng)度鎳基合金制造這些部件通常就成本而言是不允許的。
在很多情況下，這些油田部件可能需要滿足油氣田金屬部件的設(shè)計(jì)標(biāo)
準(zhǔn)，例如針對(duì)金屬經(jīng)受各種環(huán)境組合物、pH、溫度和H2S分壓時(shí)的性能， NACE國(guó)際組織(前身為美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)，National Association of Corrosion Engineers)和歐洲腐蝕聯(lián)合會(huì)(European Federation of Corrosion)確 立的要求。例如，對(duì)于調(diào)質(zhì)狀態(tài)的低合金鋼，NACEMR0175將部件的最大 硬度限制為洛氏C 22或布氏237。
對(duì)于大多數(shù)低合金鋼，在NACE最大硬度限制下能夠達(dá)到的最大屈服 強(qiáng)度為約80,000-90,000 psi。極少數(shù)低合金鋼能夠在具有任意便于使用的大 尺寸的截面厚度上實(shí)現(xiàn)這種屈服強(qiáng)度和硬度的組合。例如，當(dāng)截面厚度大 于四至六英寸時(shí)，很多低合金鋼在熱處理時(shí)不能夠通過(guò)調(diào)質(zhì)在其整個(gè)截面 厚度上達(dá)到所需的機(jī)械性能。
由于疲勞壽命可能受到相對(duì)材料的屈服強(qiáng)度作用于材料的應(yīng)力量的影 響，因而當(dāng)外加應(yīng)力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的50%時(shí)許多材料表現(xiàn)出較短的疲 勞壽命。因而，如果部件用于如NACE MR0175所定義的疲勞負(fù)荷條件，則可將容許外加應(yīng)力限制為50至65 ksi或以下
如果在這種應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞失效，則除了通過(guò)降低作用于部件的
負(fù)荷來(lái)降低外加應(yīng)力以外沒(méi)有其它可以采取的措施。因?yàn)樵诓怀^(guò)NACE MR0175要求的最大硬度值的情況下不可能明顯提高合金的機(jī)械強(qiáng)度，所以 降低外加應(yīng)力是此前能夠采取的唯一方案。另外，疲勞強(qiáng)度還取決于延展 性。由于延展性和強(qiáng)度是成相反關(guān)系的材料性能，因而通過(guò)提高材料強(qiáng)度 提供疲勞性能可能達(dá)不到預(yù)期目的。
疲勞失效是材料表面或緊鄰材料表面處高的拉伸應(yīng)力引發(fā)的現(xiàn)象。因 而，采用表面改性處理，例如噴丸硬化、通過(guò)滲氮或滲碳表面硬化以及火 焰硬化或感應(yīng)硬化(inducdonhardening),通過(guò)使表面保留殘余壓應(yīng)力，來(lái)提 高材料的疲勞強(qiáng)度。由于部件具有壓力殘余負(fù)荷時(shí)裂紋比較難于引發(fā)和/或 擴(kuò)展，因而表面包含殘余壓應(yīng)力的部件不易疲勞失效。
盡管這些表面改性處理可有助于減少或消除疲勞失效，但噴丸硬化和 滲氮限于表面，而滲碳以及火焰或感應(yīng)硬化通常不能夠改進(jìn)材料性能達(dá)到 表面以下大于約0.050英寸的深度。另外，對(duì)于設(shè)備用于防酸性氣體腐蝕或 海水環(huán)境而言，這些表面改性方法可能與NACE MR0175的要求不一致或 背離NACE MR0175的要求。例如，表面或近表面處產(chǎn)生的硬度可能超過(guò) 硫化物或氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的閾值。
如上所述，油田部件的壽命還可能受到腐蝕如暴露于H2S的影響。多 年來(lái)，油田工具業(yè)(oil tool industry)的部件僅僅在環(huán)形槽、密封區(qū)和潤(rùn)濕表 面上進(jìn)行包層覆面，來(lái)避免井筒液對(duì)基體金屬的損害。例如，美國(guó)專利No. 6,737,174披露了表面被銅合金覆蓋的抽油桿。在其它包層覆面方法中，施 用厚度通常為0.060至0.187英寸的耐腐蝕合金(CRA)包層，例如鎳基合金 625(即鉻鎳鐵625)，以保護(hù)基體金屬免受腐蝕性侵蝕。其它CRA也可用于 這些應(yīng)用，但工業(yè)上基本統(tǒng)一使用合金625進(jìn)行石油工具設(shè)備的CRA包層。 此前，除了保證包層材料的強(qiáng)度等于或大于基體金屬的強(qiáng)度以外，對(duì)包層 材料的強(qiáng)度未給予任何關(guān)注》
期望獲得使用壽命延長(zhǎng)的油田零部件，包括經(jīng)受高溫、腐蝕性流體、 高應(yīng)力水平和/或疲勞負(fù)荷條件(包括循環(huán)負(fù)荷條件)的部件。因而，需要在 各種極端工作條件(包括疲勞負(fù)荷條件)下具有改善的性能的油田部件。
在現(xiàn)有技術(shù)中，閘板式和套筒式環(huán)空BOP主體以及附屬設(shè)備通常制造用于高達(dá)15,000 psi的工作壓力及高達(dá)250。F的溫度。使用單個(gè)經(jīng)粗加工和 熱處理的低合金鋼鍛件或使用經(jīng)粗加工、熱處理并工藝焊接在一起的多個(gè) 低合金鋼鍛件制造這些BOP主體。鑄件與鍛件一樣已經(jīng)或僅僅可能用于制 造在這種工作條件下使用的閘板式BOP主體。
在現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)可由F22低合金鋼制造的一體式單、雙或三閘板BOP 主體進(jìn)行淬火和最終回火，以滿足最終的材料規(guī)格要求?；蛘?，可通過(guò)將 經(jīng)淬火和最終回火的改性8630低合金鋼部件焊接在一起，制造裝配式BOP 主體。然后將主體機(jī)加工為近終形，并使用耐腐蝕性合金如AIS1 316奧氏 體不銹鋼或鎳基合金625在APT環(huán)形槽、閥蓋面(bonnet fece)、內(nèi)部頂蓋密 封區(qū)以及工程圖紙上指定的其它區(qū)域中進(jìn)行焊接覆面。
在工藝焊接和/或覆面焊接之后，按照常規(guī)，根據(jù)制造部件所用的鋼號(hào) 在一定的溫度下對(duì)BOP主體進(jìn)行焊后熱處理(PWHT)。PWHT的目的主要在 于將焊接部位的熱影響區(qū)(HAZ)的硬度降至NACE MRO175要求的最大硬度 等級(jí)HRC 22或布氏237 ，以獲得抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)性能。
控制焊接規(guī)定(controlling welding specification), ASME Section IX要求 這種PWHT在低于基體金屬本身回火溫度的溫度下進(jìn)行。PWHT操作往往 降低了基體金屬的機(jī)械性能，并且限制了在基體金屬的機(jī)械性能水平降至 部件所需的基體金屬最低要求以下之前特定BOP主體可焊接和焊后熱處理 的時(shí)間。在進(jìn)行了 PWHT操作之后，將主體精加工為最終的空間構(gòu)造。
如本文所詳細(xì)說(shuō)明的，可改變現(xiàn)有的制造工藝，以使用高強(qiáng)度、時(shí)效 硬化、耐腐蝕性合金CRA選擇性強(qiáng)化一體式主體的覆蓋BOP主體中地表 或近地表高應(yīng)力的區(qū)域。這種改變可允許制造在高于15,000 psi的工作壓力 和350&F以上的工作溫度下使用的BOP主體。
然而，如上所述，在采用現(xiàn)有的制造方法的情況下，PWHT溫度足以 獲得所要求的最大HAZ硬度值，但PWHT溫度對(duì)于時(shí)效硬化CRA覆面材 料獲得所要求的機(jī)械性能而言過(guò)低。如果為了達(dá)到CRA覆面材料的機(jī)械性 能而升高PWHT溫度，則PWHT溫度可能等于或超過(guò)BOP主體的F22基 材的回火溫度，這是ASME Section DC所不允許的。
例如，當(dāng)用于包層覆面焊接熔敷的CRA填充金屬為鉻鎳鐵725且基材 為F22低合金鋼時(shí)，F(xiàn)22鋼必須在1150F (621。C)的最低溫度下進(jìn)行焊后熱 處理4至8小時(shí)或以上。對(duì)截面厚度在8英寸以上的F22低合金鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)，以達(dá)到85,000 psi的最小屈服強(qiáng)度。為達(dá)到所述最小屈服強(qiáng)度，需要在 1150°F至1250°F(621°C至677。C)的回火溫度下歷經(jīng)8至10小時(shí)或以上。然 而，由于鉻鎳鐵725為時(shí)效硬化合金，因而為了達(dá)到最小屈服強(qiáng)度為約 120,000 psi的機(jī)械性能，鉻鎳鐵725必須在1200°F (649。C)下時(shí)效最短8至 24小時(shí)。所有這些不同的回火溫度和時(shí)間、PWHT溫度和時(shí)間、以及時(shí)效 硬化溫度和時(shí)間可能互相沖突。
如果如上所述按照常規(guī)對(duì)基體金屬進(jìn)行淬火和最終回火，則鉻鎳鐵 725的時(shí)效硬化溫度和時(shí)間將使F22基體金屬進(jìn)一步回火，可能使F22基體 金屬的機(jī)械性能降至最低規(guī)定要求以下。如果如上所述對(duì)F22上的鉻鎳鐵 725焊縫接頭進(jìn)行PWHT，則能滿足最大HAZ硬度并保持F22的機(jī)械性能， 但鉻鎳鐵725焊接金屬可能不能夠達(dá)到在覆面中所需的機(jī)械性能。

發(fā)明內(nèi)容
回火以使基材回火并使包層材料時(shí)效硬化。
另一方面，本發(fā)明涉及閘板式防噴器的主體，該主體包括穿過(guò)主體的 垂直孔、穿過(guò)主體與垂直孔交叉的水平孔，其中該主體用包層材料選擇性 地強(qiáng)化，并該主體通過(guò)這樣的方法形成，該方法包括于選定的時(shí)間和選定 的溫度最終回火，以使基材回火并使包層材料時(shí)效硬化。
另 一方面，油田部件的制造方法包括使用可時(shí)效硬化的包層材料選擇 性強(qiáng)化基材，以及選擇性地加熱包層材料，以使包層材料時(shí)效硬化并使基 材保持低于其回火溫度。
通過(guò)以下說(shuō)明和所附權(quán)利要求，其它方面和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明強(qiáng)化的凸緣頸的截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明制造油田部件的方法的方框圖。
具體實(shí)施例方式
一方面，本發(fā)明涉及制造或強(qiáng)化油田部件的方法。另一方面，本發(fā)明涉及經(jīng)選^t奪性強(qiáng)化的油田部件的熱處理，以減少或消除應(yīng)力和/或疲勞失效。
如本文所用，"油田部件"是指凸緣、閥蓋、雙端凸緣管、應(yīng)力接頭、 防噴器、抽油桿、水下油井組件、閥門(如節(jié)流閥)、及鉆井和油氣生產(chǎn)常用 的其它設(shè)備和部件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，盡管沒(méi)有具體披露或詳 細(xì)描述，但本發(fā)明還可應(yīng)用于其它油田部件。
部件i義計(jì)和分析
在運(yùn)輸、安裝和工作過(guò)程中，油田部件經(jīng)受基于疲勞負(fù)荷條件的應(yīng)力 和應(yīng)變，其中大多數(shù)疲勞負(fù)荷條件可連續(xù)、半連續(xù)或循環(huán)出現(xiàn)。負(fù)荷條件 可包括熱負(fù)荷、壓力負(fù)荷或機(jī)械負(fù)荷。例如，當(dāng)井筒4交熱(例如300 。F)并設(shè) 置于10,000英尺32。F的水中時(shí)可能出現(xiàn)熱負(fù)荷。壓力負(fù)荷可能由向外作用 于油田部件的內(nèi)(井筒)壓造成或者由向內(nèi)的靜水(例如水下)夕卜壓造成。此外， 機(jī)械負(fù)荷可能包括閥蓋和凸緣螺栓的緊固預(yù)加負(fù)荷、軸向拉伸和壓縮負(fù)荷、 撓矩。因而，負(fù)荷條件可包括內(nèi)壓、外壓、軸向拉伸、軸向壓縮、縱向拉 伸、縱向壓縮、軸向撓矩、縱向撓矩、提升拉伸和撓曲、溫度極限以及其 它負(fù)荷狀態(tài)中的至少一種。在這些負(fù)荷條件下作用于設(shè)備的局部應(yīng)力狀態(tài) 的強(qiáng)度對(duì)設(shè)備的循環(huán)壽命可具有顯著的影響。對(duì)經(jīng)受各種疲勞負(fù)荷條件的 油田部件的性能進(jìn)行分析可改善油田部件的設(shè)計(jì)和/或性能，從而延長(zhǎng)油田
部件的使用壽命。
有限元分析(FEA)是對(duì)過(guò)于復(fù)雜而不能夠通過(guò)嚴(yán)格的分析方法分析的 結(jié)構(gòu)件或部件中的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析的有效且強(qiáng)大的方法。采用這些方 法，將結(jié)構(gòu)件或部件分解為各種類型、尺寸和形狀的大量小單元(數(shù)量有限 的單元)。假定所述單元具有簡(jiǎn)化的變形模式(線性、二次等)并通常在位于 所述單元的角或邊上的"節(jié)點(diǎn)"處連接。然后，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理， 即力的平衡和負(fù)荷的連續(xù)性，得到大型聯(lián)立方程系統(tǒng)(網(wǎng)格)，來(lái)數(shù)學(xué)組裝所 述單元。
可借助于計(jì)算機(jī)求解該大型聯(lián)立方程系統(tǒng)，得到負(fù)荷作用下結(jié)構(gòu)件或 部件的變形形狀。可基于此計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變。執(zhí)行這種FEA的合適軟件包 括ABAQUS (可購(gòu)自 ABAQUS, Inc.) 、 MARC(可購(gòu)自MSC Software Corporation)和ANSYS (可購(gòu)自ANSYS, Inc.)等?？刹捎帽绢I(lǐng)域已知的任意 形狀的有限元。然而，六邊形單元通常高度穩(wěn)定且在模擬模型中的高應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)可能較為有利。
可釆用簡(jiǎn)化的油田部件設(shè)計(jì)和/或模型，以有助于油田部件的分析。例
如，可通過(guò)"平滑化"復(fù)雜的部件:沒(méi)計(jì)，簡(jiǎn)化對(duì)該:沒(méi)計(jì)的應(yīng)力和應(yīng)變集中的分 析。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"平滑化，，是指簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)以用于FEA 的各種方法。例如，可改進(jìn)內(nèi)角來(lái)嘗試減小或消除其半徑，以簡(jiǎn)化隨后構(gòu) 建的模型。這些方法可允許平滑模型(即由平滑設(shè)計(jì)構(gòu)造的FEA模型)的分 析與確定結(jié)果相關(guān)聯(lián)并收斂于該確定結(jié)果(對(duì)未經(jīng)平滑化的模型進(jìn)行分析時(shí) 不可能)。因而，可通過(guò)FEA分析由平滑設(shè)計(jì)構(gòu)造的模型，來(lái)確定整體或體 積應(yīng)變狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)分析體積應(yīng)變，來(lái)預(yù)測(cè)各種疲勞負(fù)荷條件下油田部件 的性能和可能發(fā)生的失效。
FEA的一個(gè)目的可能在于隔離高應(yīng)力或應(yīng)變區(qū)域并確定趨于降低循環(huán) 壽命的區(qū)域。分析各種疲勞負(fù)荷條件下部件的性能所得到的有限元分析結(jié) 果可用于確定油田部件中經(jīng)受疲勞失效的區(qū)域。 一旦確定經(jīng)受疲勞失效的 區(qū)域，即可重新設(shè)計(jì)這些區(qū)域，或者可標(biāo)記出這些區(qū)域來(lái)進(jìn)行冶金加工， 例如隨后將進(jìn)行描述的選擇性強(qiáng)化。
應(yīng)確定部件可能的負(fù)荷狀態(tài)或疲勞負(fù)荷條件以輸入FEA。如上所述， 所述負(fù)荷狀態(tài)或疲勞負(fù)荷條件可包括正常工作壓力、高壓溢流、提升拉伸 和撓曲、溫度極限以及其它負(fù)荷狀態(tài)。疲勞負(fù)荷條件的數(shù)據(jù)應(yīng)包括典型值 或預(yù)期值以及最大和/或最小值和這些負(fù)荷變化的頻率，以能夠進(jìn)行完整的 分析。
還應(yīng)確定用于形成油田部件的基材的性能，從而確定最大容許應(yīng)力峰 值(SB峰值)。可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)確定材料性能，或者可供選擇地，可由商購(gòu) 材料的性能數(shù)據(jù)提供材料性能。例如，可基于在NACE環(huán)境下(即NACE國(guó) 際組織針對(duì)油氣田設(shè)備試驗(yàn)確立的環(huán)境)進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定所述值，應(yīng)力 應(yīng)滿足循環(huán)壽命要求并且小于發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂時(shí)的應(yīng)力。
更具體地，可確定基材的拉伸性能。材料的拉伸強(qiáng)度是失效前材料可 能經(jīng)受的應(yīng)力(拉伸)最大值。當(dāng)應(yīng)力作用于材料時(shí)，材料產(chǎn)生應(yīng)變以適應(yīng)該 應(yīng)力。 一旦對(duì)于該材料而言應(yīng)力過(guò)大，則該材料不能夠再產(chǎn)生應(yīng)變，從而 失效。將材料的失效點(diǎn)稱為極限拉伸強(qiáng)度。
然后，可采用基于FEA的方法，利用負(fù)荷條件和材料性能對(duì)油田部件 進(jìn)行分析。應(yīng)認(rèn)為設(shè)計(jì)和工作負(fù)荷的所有排列生成部件的完整分析結(jié)果。還應(yīng)使用根據(jù)溫度降低額定值的合適螺栓預(yù)加負(fù)荷和材料性能數(shù)據(jù)。
生成油田部件的模型(即聯(lián)立方程的網(wǎng)格)以用于有限元分析?？缮删?br> 有特定設(shè)計(jì)特征的部件三維模型。可選擇這些設(shè)計(jì)特征以產(chǎn)生特定的性能
特征。因而，生成模型還可包括下述步驟輸入部件設(shè)計(jì)以生成模型并平 滑化所輸入的設(shè)計(jì)?？蓪⒏鞣N平滑化方法應(yīng)用于設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)化FEA分析。可 通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)程序包(例如購(gòu)自Autodesk, Inc.的AutoCAD和購(gòu) 自Parametric Technology Corporation的Pro/Engineer)才艮據(jù)i殳計(jì)生成才莫型,并 將該才莫型輸入FEA程序包。可供選擇地，可通過(guò)FEA程序包(例如ABAQUS 和PATRAN)本身生成模型。
接著，可采用模型通過(guò)FEA模擬作用于部件的負(fù)荷條件。優(yōu)選地，這 些模擬疲勞負(fù)荷條件反映油田部件在正常使用時(shí)可能經(jīng)受的負(fù)荷狀態(tài)或應(yīng) 力。此外，在對(duì)作用于模型的疲勞負(fù)荷條件進(jìn)行模擬之后，可分析所述負(fù) 荷條件下的應(yīng)力曲線圖，該應(yīng)力曲線圖示出了油田部件模型中出現(xiàn)的應(yīng)力 和變形。應(yīng)力曲線圖可確定并示出在作用于油田部件的模擬負(fù)荷條件下油 田部件模型中出現(xiàn)應(yīng)力的位置和大小。
可分析和評(píng)價(jià)應(yīng)力曲線圖以確定模型的性能和特征。如果可進(jìn)一步改 進(jìn)模型，則可生成另一模型或者重新生成(改進(jìn))當(dāng)前的模型。由此得以通過(guò) FEA進(jìn)一步模擬模型，以確定進(jìn)一步改進(jìn)或模型化之后模型的性能。另夕卜， 如果認(rèn)為模型能夠接受且滿足任意和/或所有特定標(biāo)準(zhǔn)，則可如下所述將該 模型用于制造油田部件。
選擇性強(qiáng)化
數(shù)值方法(例如FEA分析)的目的包括確定、隔離和突出油田部件中經(jīng) 受疲勞失效的區(qū)域。例如，可確定可能導(dǎo)致在NACE環(huán)境下早期失效的應(yīng) 力狀態(tài)。FEA結(jié)果可用于生成應(yīng)力和應(yīng)變曲線圖，來(lái)確定部件中經(jīng)受疲勞 失效的區(qū)域。
在制造油田部件時(shí)可改進(jìn)所確定的經(jīng)受疲勞失效的區(qū)域。例如，可在 空間圖像或圖紙中標(biāo)出所述區(qū)域，注明經(jīng)受疲勞失效的高應(yīng)力區(qū)域的深度 和橫向范圍(長(zhǎng)度和寬度)?？衫L出輪廓圖，示出局部應(yīng)力區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度
和深度。例如，可將疲勞區(qū)域的表面位置轉(zhuǎn)移至適當(dāng)?shù)闹圃靾D紙上u然后，
可利用與基材冶金學(xué)結(jié)合的強(qiáng)度較高的材料，選擇性強(qiáng)化所確定的疲勞區(qū)域。
強(qiáng)度較高的材料可包括其它低合金鋼或強(qiáng)度和/或耐腐蝕性高于低合金 鋼基體金屬的中合金鋼，并且能夠在外加應(yīng)力與屈服強(qiáng)度之比較低的情況 下耐受外加應(yīng)力。降低強(qiáng)度較高的材料的外加應(yīng)力與屈服強(qiáng)度之比可降低 外加應(yīng)力引發(fā)疲勞開裂、疲勞裂紋擴(kuò)展和最終疲勞失效的趨勢(shì)。例如，高
強(qiáng)度合金如合金625可用于代替低合金基體金屬并與低合金基體金屬結(jié)合。 可代替基體金屬的部分厚度達(dá)0.500英寸或以上的包層合金的選擇可基于 包層所用合金的外加應(yīng)力與屈服強(qiáng)度之比作出。
在一些實(shí)施方案中，可利用內(nèi)嵌包層(inlaydad)選擇性地強(qiáng)化基材。在
其它實(shí)施方案中，可利用覆面包層(overlayclad)選擇性地強(qiáng)化基材。可利用 壓力、熱量、焊接、釬焊、輥壓接合、爆炸結(jié)合、焊接覆面(weldoverlaying)、 壁紙或它們的組合，結(jié)合包層嵌體或覆面與基材。在一些實(shí)施方案中，可 使用電弧焊法如埋弧焊接(SAW)法或鴒極惰性氣體(TIG)保護(hù)焊接法，結(jié)合 包層與基材。在其它實(shí)施方案中，可使用電弧焊包層法、熱等靜壓包層法(HTP 包層法)、自緊包層法、激光包層法或這些方法的任意組合，結(jié)合包層與基 材。在一些實(shí)施方案中，可使用一個(gè)或多個(gè)包層，例如具有兩層(基材和包 層)的單包層、雙包層(具有3層)或達(dá)到7層或更多層的包層。
在一些實(shí)施方案中，可利用包層嵌體選擇性地強(qiáng)化基材。在各種實(shí)施
并縫焊/密封焊接于適當(dāng)?shù)奈恢?。在其它?shí)施方案中，可根據(jù)FEA應(yīng)力曲線 圖確定包層嵌體的形狀。
包層嵌體或覆面的厚度或平均厚度在一些實(shí)施方案中可高達(dá)0.625英 寸或以上。包層嵌體的平均厚度在一些實(shí)施方案中可為約0.010英寸至約 0.625英寸，在其它一些實(shí)施方案中可為約0.050英寸至約0.500英寸，在 再一些實(shí)施方案中可為約0.125英寸至約0.375英寸。
在其它實(shí)施方案中，由高強(qiáng)度合金制成的壓力配合或冷縮配合部件可 結(jié)合油田部件使用。例如，在將由高強(qiáng)度合金(例如鉻鎳鐵725)制成的實(shí)心 部件(例如凸緣、閥蓋、閥體等)壓力配合或冷縮配合于主體之后，可將所述 實(shí)'g部件密封焊接于低強(qiáng)度基體u
在其它實(shí)施方案中，可利用與基材冶金學(xué)結(jié)合的強(qiáng)度較高的材料代替 所確定的疲勞區(qū)域中的基體金屬。例如，可打磨或機(jī)加工高應(yīng)力區(qū)中的基體金屬并利用與基材冶金學(xué)結(jié)合的強(qiáng)度較高的材料代替高應(yīng)力區(qū)中的基體金屬。
在一些實(shí)施方案中，選擇性強(qiáng)化是強(qiáng)度較高的材料在基材上的包層覆 面。在其它實(shí)施方案中，選擇性強(qiáng)化可以是強(qiáng)度較高的材料在基材中的打 磨或機(jī)加工凹口中的包層覆面。
包層合金的選擇可基于包層合金的耐腐蝕能力(包括應(yīng)力腐蝕開裂)和 增強(qiáng)其施用及意圖保護(hù)的油田部件部分的機(jī)械強(qiáng)度的能力(例如通過(guò)與低合
金基體冶金學(xué)結(jié)合)u在典型覆面中，例如，期望包層材料的強(qiáng)度至少等于
其所施用的基體金屬的強(qiáng)度。即，期望堆焊合金(如合金625)與低合金鋼基 體金屬(例如屈服強(qiáng)度為75，000 psi的低合金鋼)的屈服強(qiáng)度匹配?？墒┯脧?qiáng) 度較高的材料構(gòu)成的包層，該包層的厚度覆蓋該較高強(qiáng)度包層中的局部應(yīng) 力，從而形成滿足油氣田部件和設(shè)備的NACE或其它標(biāo)準(zhǔn)且同時(shí)滿足設(shè)計(jì) 的強(qiáng)度和疲勞要求的油田部件。
在一些實(shí)施方案中，基材可以是F22低合金鋼，這種鋼含有約2重量 %鉻和1重量％鉬。可供選擇地，基材可以是4130或8630改性低合金鋼 (modified low-alloy steel)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，還可使用具有適 用于油氣環(huán)境的適宜耐腐蝕性、硬度和拉伸性能的其它材料作為基材。
在一些實(shí)施方案中，包層覆面或嵌體可由高屈服強(qiáng)度沉淀硬化耐腐蝕 性合金如鉻鎳鐵725或鉻鎳鐵725 NDUR形成。在其它實(shí)施方案中，包層 覆面或嵌體可由高屈服強(qiáng)度沉淀硬化耐腐蝕合金如合金718或鉻鎳鐵718 SPF形成。在其它實(shí)施方案中，包層覆面或嵌體可由其它沉淀硬化耐腐蝕合 金如17-4PH、鉻鎳鐵625或耐熱鎳鉻鐵925形成。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理 解的是，其它高強(qiáng)度耐腐蝕材料也可用作包層。優(yōu)選地，包層材料與基材 相容并且是沉淀硬化合金。
可獲得焊絲、粉末或帶式填充金屬形式的合金用作包層以進(jìn)行焊接包 層，還可獲得粉末形式的合金用作包層以用于HIP包層操作。還可獲得可 用于自緊包層操作的其它形式的合金。
一旦選擇了包層法或多種包層法的組合，即可根據(jù)FEA應(yīng)力分析結(jié)果 確定包層的最小厚度和位置。包層的所需厚度或深度可根據(jù)用于形成包層 的合金、包層和基材之間形成的結(jié)合、源自用于結(jié)合包層材料與基材的工 藝的包層材料稀釋而改變。 一旦確定了經(jīng)受疲勞失效的區(qū)域的值和位置，即可選擇包層合金?？赡軣o(wú)需包覆整個(gè)油田部件。具體地，可能僅部件的 一部分需要包層。此外，可在應(yīng)力較低的區(qū)域選擇性布置明顯較小的包層 厚度，從而防止與井筒流體接觸的區(qū)域腐蝕。
例如，現(xiàn)參考圖1，示出了經(jīng)強(qiáng)化以控制疲勞的凸緣頸的示意圖。容器
主體10通過(guò)凸緣頸14與一體式凸緣12連接。凸緣頸14可能經(jīng)受與凸緣 12連接的部件移動(dòng)、螺栓在螺栓孔16中張緊、孔18中的流體外推作用于 容器主體10的內(nèi)壓所引起的疲勞負(fù)荷條件，以及其它負(fù)荷條件。凸緣頸14 的外徑表面20以及從凸緣頸14穿過(guò)壁厚所到達(dá)的容器10的內(nèi)徑表面22 常經(jīng)受高疲勞負(fù)荷條件，并可通過(guò)上述方法使用包層嵌體或包層覆面24、 26選擇性強(qiáng)化。例如，經(jīng)受疲勞負(fù)荷條件的凸緣頸是用于水下井口組件的 閘板式和套筒式環(huán)空防噴器主體上的下凸緣。組件中的閘板式和套筒式環(huán) 空防噴器主體經(jīng)受極大的循環(huán)彎曲負(fù)荷，由此造成凸緣頸上嚴(yán)重的彎曲疲 勞狀況。選擇性強(qiáng)化可額外賦予經(jīng)受疲勞負(fù)荷條件的區(qū)域更大的抗應(yīng)力腐 蝕開裂性能。
再例如，可選擇性強(qiáng)化鉆井或生產(chǎn)立管應(yīng)力接頭，以減少或消除疲勞 失效。此前，這種應(yīng)力接頭由高強(qiáng)度鈦合金制造，由于鈦合金的模量明顯 低于低合金鋼，因而與低合金鋼相比鈦合金能夠耐受更大的撓度。然而， 鈦部件極為昂貴且不具備"疲勞強(qiáng)度"特性。鋼部件表現(xiàn)出疲勞強(qiáng)度，在此疲 勞強(qiáng)度以下部件不會(huì)失效，而與循環(huán)次數(shù)無(wú)關(guān)，但鈦部件將最終失效，而 與循環(huán)負(fù)荷的大小無(wú)關(guān)。因而，通過(guò)選擇性強(qiáng)化低合金鋼，可能使用成本 較低的材料制造出能夠耐受彎曲和偏轉(zhuǎn)更長(zhǎng)時(shí)間(即更多循環(huán))的應(yīng)力接頭。
再例如，可選擇性強(qiáng)化桿式泵的經(jīng)受高循環(huán)軸向疲勞的抽油桿和其它 部件，以減少或消除疲勞失效。例如在抽油桿的OD表面上使用高強(qiáng)度表面 層也可延長(zhǎng)此類部件的使用壽命。另外，高強(qiáng)度耐腐蝕材料可能減少使用 環(huán)境產(chǎn)生的任意腐蝕疲勞作用。
再例如，可選擇性強(qiáng)化閥體，以減少或消除疲勞失效、減少或消除腐 蝕、和/或以更經(jīng)濟(jì)的方式制造。對(duì)于一些閥門(例如節(jié)流閥)，選擇性強(qiáng)化 還可減少或消除節(jié)流閥下游(即j氐壓)一側(cè)高速流動(dòng)造成的^f曼蝕。
再例如，除凸緣頸以外，防噴器主體也可能經(jīng)受疲勞并可進(jìn)行選擇性 強(qiáng)化以減少或消除疲勞失效。如上所述，安裝防噴器以限制可能受高壓溢 流影響的設(shè)備。防噴器有數(shù)種，其中最常見的為閘板式防噴器和套筒式環(huán)空防噴器(包括球形防噴器)。例如目前制造了各種孔徑范圍的閘板式防噴
器，這些閘板式防噴器可具有2,000至15,000psi的工作壓力范圍。然而， 可能需要在更高壓力和更高溫度條件下(大于15,000 psi且大于250 。F)使用 閘板式防噴器。具體地，可能需要額定工作壓力為20,000 psi、 25,000 psi 及更高壓力且工作溫度高達(dá)350°F或更高的閘板式防噴器。例如，參見2006 年9月28日提交的Huff、和Khandoker的名稱為"Reinforcement of Irregular Pressure Vessels，，的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 11/528,873,在此引入其全文作為參考。 在高溫和/或高壓條件下使用的防噴器的上述FEA結(jié)果表明，對(duì)防噴器不同 部位如節(jié)流器和壓井槽(kill pocket)的選擇性強(qiáng)化可能使防噴器能夠在更高 的溫度和壓力下使用。
上述數(shù)值方法(FEA分析)的目的包括確定、隔離和突出BOP設(shè)備中處 于高應(yīng)力狀態(tài)或峰值應(yīng)力(SB峰值)狀態(tài)的區(qū)域。例如，可確定可能導(dǎo)致在 NACE環(huán)境下早期失效的應(yīng)力狀態(tài)。BOP的FEA結(jié)果可用于生成應(yīng)力和應(yīng) 變曲線圖，來(lái)確定容器中高應(yīng)力集中的區(qū)域。
另外，應(yīng)力和應(yīng)變曲線圖可用于限定油田部件使用的鑄件或鍛件的臨 界截面厚度(critical section thickness) (CST),以準(zhǔn)確地確定在選定的溫度下 合適的熱處理時(shí)間。將臨界截面厚度定義為必須在整個(gè)厚度范圍內(nèi)具有某 些最低機(jī)械性能的部件的最大厚度。例如，壓力容器或BOP的應(yīng)力小、壁 厚的部分可能不需要在其整個(gè)厚度范圍內(nèi)具有80,000 psi的屈服強(qiáng)度，但較 薄的部分可能需要在該部分的整個(gè)厚度范圍內(nèi)具有80,000 psi的屈服強(qiáng)度； 在該實(shí)例中，4支薄的部分可具有CST。總的熱處理時(shí)間可包括加和在一起 的第一時(shí)間(以分鐘/英寸CST計(jì))和第二時(shí)間(以小時(shí)計(jì))。出于本文的目的， 將第 一 時(shí)間稱為"保壓"時(shí)間("dwell" time),將第二時(shí)間稱為"浸泡"時(shí)間 ("soak" time)。例如，典型的常規(guī)熱處理時(shí)間可包括30分鐘/英寸CST的保 壓時(shí)間和1小時(shí)的浸泡時(shí)間。在該實(shí)例中，CST為0英寸的油田部件使用 的鍛件在選定的溫度下需要6小時(shí)的熱處理時(shí)間(即10英寸x30分鐘/英寸的 保壓時(shí)間+ 1小時(shí)的浸泡時(shí)間)。
此外，應(yīng)力和應(yīng)變曲線圖可用于隔離應(yīng)力超出基材屈服強(qiáng)度選定百分 比的區(qū)域。例如，具體地，對(duì)于用作基材的合金，超過(guò)屈服強(qiáng)度80%的區(qū) 域可能不能夠滿足NACE要求(如下所述)，或者在特定應(yīng)用中例如在內(nèi)壓和 溫度的特定組合下工作時(shí)可能不能夠提供足夠的工程安全系數(shù)。例如，BOP中應(yīng)力可能超出基材屈服強(qiáng)度選定百分比的區(qū)域包括底座槽(seat pocket)、 閥蓋附近的BOP槽和BOP內(nèi)孔(垂直孔、水平孔、垂直孔和水平孔的交叉 部分)。這些應(yīng)力和應(yīng)變曲線圖還可用于計(jì)算超出基材屈服強(qiáng)度選定百分比 的高應(yīng)力區(qū)域的深度。
在制造BOP時(shí)可改進(jìn)所確定的高應(yīng)力區(qū)域。例如，可在空間圖像或圖 紙中標(biāo)出所述區(qū)域，注明超過(guò)容許SB峰值應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)域的深度和橫向 范圍(長(zhǎng)度和寬度)?？衫L出輪廓圖，示出超出基材屈服強(qiáng)度選定百分比的局 部應(yīng)力區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度和深度。例如，可將峰值應(yīng)力區(qū)的表面位置轉(zhuǎn)移 至適當(dāng)?shù)闹圃靾D紙上。然后，可利用強(qiáng)度較高的材料選擇性強(qiáng)化所確定的 高應(yīng)力區(qū)域。在一些實(shí)施方案中，這種強(qiáng)度較高的強(qiáng)化材料可與基材冶金 學(xué)結(jié)合。
硬化
選擇性強(qiáng)化的油田部件，包括凸緣頸、防噴器、抽油桿和其它部件， 特別是暴露于腐蝕性流體的那些，可能需要滿足油氣田金屬部件的設(shè)計(jì)標(biāo) 準(zhǔn)，例如針對(duì)金屬經(jīng)受各種環(huán)境組合物、pH、溫度和H2S分壓時(shí)的性能， NACE國(guó)際纟且織(前身為National Association of Corrosion Engineers)禾口 European Federation of Corrosion確立的要求(包括NACE MR0175、 NACE TM0177和NACE TM0284)。例如，對(duì)于調(diào)質(zhì)狀態(tài)的j氐合金鋼，NACE MRO175將部件的最大硬度限制為洛氏C 22或布氏23 7 。除了達(dá)到選擇性強(qiáng) 化區(qū)域所期望的屈服強(qiáng)度以外，還必須滿足這些硬度限制。
然而，在達(dá)到所需屈服強(qiáng)度的同時(shí)滿足硬度限制可能需要改變目前的 制造方法。焊后熱處理溫度和時(shí)間可能與時(shí)效硬化溫度和時(shí)間相沖突。例 如，在使用鎳基耐腐蝕合金選擇性強(qiáng)化低合金鋼基材的情況下，焊后熱處 理溫度可能足以達(dá)到包層覆面焊接過(guò)程中熱影響區(qū)所要求的最大硬度值， 但P WHT溫度可能對(duì)于使時(shí)效硬化CRA覆面材料獲得所要求的機(jī)械性能而 言過(guò)低。
為克服這些對(duì)抗的溫度和時(shí)間要求，開發(fā)出制造選擇性強(qiáng)化油田部件 的方法，以使基材以及用于選擇性地強(qiáng)化基材的材料獲得所需的性能。在 一種方法中，油田部件使用的鑄件、鍛件或熱等靜壓壓制件可由包括但不 限于低合金鋼的基材制造。適宜的低合金鋼可包括但不限于改性4130、 8630和F22。
然后對(duì)基材進(jìn)行正火。例如，F(xiàn)22低合金鋼鍛件可于1750。F正火30 分鐘/英寸厚度加1小時(shí)。如有必要，然后還可將鑄件、鍛件或熱等靜壓壓 制件粗加工為所需的構(gòu)造。
正火之后，可對(duì)鑄件、鍛件或熱等靜壓壓制件進(jìn)行淬火和快速回火 (Q&ST)以防止開裂。如本文所用，"快速回火"是指輕度軟化合金并降低開 裂(特別是所謂的自裂)幾率的中低溫?zé)崽幚怼＠?，由F22制成的部件可進(jìn) 行達(dá)到卯0-1000。F的Q&ST,歷經(jīng)約30分鐘/英寸CST的保壓時(shí)間和1小 時(shí)的浸泡時(shí)間。任選地，可在快速回火之后進(jìn)行上述粗加工。鍛造、鑄造 以及壓制部件可能特別脆，淬火之后的快速回火可允許它們被使用、輸運(yùn) 和/或進(jìn)一步機(jī)加工而不會(huì)開裂。
通常，在常規(guī)做法中，可通過(guò)正火、奧氏體化、固溶退火、回火、時(shí) 效硬化、熱處理和本領(lǐng)域已知的其它方法對(duì)油田部件使用的4#件、^欺件和 壓制件進(jìn)行完全熱處理，以在內(nèi)嵌或外覆CRA材料之前達(dá)到所需的最終材 料性能。例如，按照常規(guī)做法，在低合金鋼例如4130、 8630或F22制成的 BOP主體上的例如凸緣連接件上的環(huán)形襯墊槽中焊接內(nèi)嵌CR.A材料例如鉻 鎳鐵625之前，對(duì)該BOP主體進(jìn)行完全熱處理并至少部分地機(jī)加工。在常 規(guī)做法中，然后在低于基材回火溫度的某一溫度下對(duì)這種內(nèi)嵌BOP主體進(jìn) 行應(yīng)力消除(即退火)，以確保保持基材的屈服強(qiáng)度。
根據(jù)本文，油田設(shè)備中使用的經(jīng)Q&ST的鑄件、鍛件和壓制件可在沒(méi) 有完全回火的情況下進(jìn)行精加工以及使用包層材料進(jìn)行選擇性強(qiáng)化(如上所 述)。 一旦經(jīng)過(guò)選擇性強(qiáng)化，即可對(duì)包層材料進(jìn)行精加工(如有必要)以達(dá)到 最終的幾何形狀。另外，在選擇性強(qiáng)化之后，油田部件可在選定的溫度下 在選定的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷本文稱為"最終回火"的熱處理單獨(dú)步驟。在一種實(shí)施方 案中，選定的時(shí)間介于基材完全回火所需的時(shí)間和包層材料時(shí)效硬化所需 的時(shí)間之間。此外，選定的最終回火可實(shí)現(xiàn)下述中的一種或多種(a)達(dá)到 基材所需的機(jī)械性能，(b)基材和包層材料之間焊縫的熱影響區(qū)的焊后熱處 理，和(c)包層材料的時(shí)效硬化(也稱為"沉淀硬化")。
在另一種實(shí)施方案中，在通過(guò)選擇性地加熱進(jìn)行最終回火之后，可通 過(guò)"附加熱處理，，進(jìn)一步強(qiáng)化包層材料。例如，可使用本領(lǐng)域已知的陶覺(jué)電熱 毯使包層材料"附加時(shí)效"。在包層材料附加時(shí)效的示例性實(shí)施方案中，使用陶瓷電熱毯加熱包層材料表面，使得在包層材料和基材之間建立溫度梯度， 從而使基材的溫度總是低于最終回火溫度(或者，具體地，比最終回火溫度
低約50-100。F)。
在另一實(shí)施方案中，可時(shí)效硬化的包層材料可用于常規(guī)淬火及最終回 火油田部件的選擇性強(qiáng)化(如上所述)，然后可如上所述使包層"附加時(shí)效"而 不影響"最終"回火。
在一些實(shí)施方案中，基材的回火溫度和包層材料的時(shí)效硬化溫度之間 的關(guān)系推動(dòng)了最終回火過(guò)程。在一些實(shí)施方案中，基材可具有與包層材料 的時(shí)效溫度相差100°F以內(nèi)的回火溫度。在其它實(shí)施方案中，所述兩個(gè)溫 度可相隔75。F或50°F。
因而，在一些實(shí)施方案中，所需的回火循環(huán)和所需的時(shí)效硬化循環(huán)兩 者所要求的時(shí)間使得它們?cè)诳偟淖罱K回火時(shí)間(保壓時(shí)間加浸泡時(shí)間)上是 一致的，從而達(dá)到基材和包層兩者所要求的性能。在其它實(shí)施方案中，回 火循環(huán)和時(shí)效硬化循環(huán)兩者所要求的時(shí)間使得總的最終回火時(shí)間介于所需 的回火時(shí)間和所需的時(shí)效硬化時(shí)間之間，從而可達(dá)到基材和包層材料兩者 所要求的性能。
如上所述，最終回火可實(shí)現(xiàn)基材和包層材料兩者所需的性能。在一些 實(shí)施方案中，最終回火可Y吏基材達(dá)到80 ksi至95 ksi的屈服強(qiáng)度。在其它實(shí) 施方案中，最終回火可使包層材料達(dá)到至少115 ksi的屈服強(qiáng)度。在其它實(shí) 施方案中，最終回火可產(chǎn)生基材的最大硬度為HRC22或布氏237的油田部 件。在選定的實(shí)施方案中，各部件均滿足這些性能。
最終回火溫度在一些實(shí)施方案中可介于約1200。F至約300。F之間，在 其它實(shí)施方案中可介于約1225°F至1300。F之間，在再一些實(shí)施方案中可介 于1215°F至1225。F之間，在一些實(shí)施方案中，最終回火溫度可大于基材的 焊后熱處理溫度。
在一些實(shí)施方案中，選擇性強(qiáng)化油田部件的最終回火時(shí)間可以為30至 60分鐘/英寸CST"保壓"時(shí)間加1至2小時(shí)"浸泡"時(shí)間。在其它實(shí)施方案中， 選擇性強(qiáng)化部件的最終回火時(shí)間可以為30至45分鐘/英寸CST"保壓"時(shí)間 力口 1至2小時(shí)"浸泡，，時(shí)間。在再一些實(shí)施方案中，最終回火時(shí)間可以為38 至42分鐘/英寸CST"保壓"時(shí)間加約1小時(shí)"浸泡"時(shí)間。
如上所述，本發(fā)明可提供制造選擇性強(qiáng)化油田部件的方法。油田部件可包括使用包層材料選擇性強(qiáng)化的基材，該方法可包括于選定的時(shí)間和溫 度對(duì)油田部件進(jìn)行最終回火，以使基材回火并使包層材料時(shí)效硬化。
現(xiàn)參考圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明制造選擇性強(qiáng)化油田部件的方法的方框 圖。制造方法50可包括為油田部件提供基材的步驟52。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 當(dāng)理解的是，提供基材的步驟52可包括但不限于基材的鍛造或鑄造、熱等 靜壓、粗加工以及基材的正火。接著，制造方法50可包括經(jīng)處理基材的淬 火和快速回火(Q&ST)56。在快速回火56之后，可使用包層材料對(duì)基材進(jìn)行 選擇性強(qiáng)化58。選擇性強(qiáng)化58例如可包括使用耐腐蝕合金內(nèi)嵌基材，其中 耐腐蝕合金可具有高于基材的強(qiáng)度。在選擇性強(qiáng)化58之后，油田部件(即基 材和包層材料)可經(jīng)歷最終回火60。最終回火60可包括于選定的時(shí)間和溫 度對(duì)油田部件進(jìn)行最終回火，以使基材回火并使包層材料時(shí)效硬化。
示例性實(shí)施方案
可根據(jù)本發(fā)明如下改進(jìn)上述現(xiàn)有的制造方法?？砂凑张c目前相同的方 式鍛造和粗加工閘板式.BOP主體，但將改進(jìn)粗加工BOP主體的熱處理。與 目前采取的措施相同，還將在適宜的溫度下對(duì)主體進(jìn)行正火和奧氏體化并 進(jìn)行液體淬火。在完成液體淬火之后，改變回火溫度，降至更低的值，進(jìn) 行"快速，，回火或中低溫回火。如前所述，快速回火的一個(gè)目的是防止經(jīng)淬火 的低合金鋼材料在加工過(guò)程中直至最終回火時(shí)自裂。
獲得經(jīng)粗加工及快速回火熱處理的鍛件后，BOP主體即可準(zhǔn)備進(jìn)行焊 接覆面。然后可對(duì)BOP主體進(jìn)行覆面焊接以選擇性強(qiáng)化通過(guò)上述應(yīng)力分析 確定的那些區(qū)域，可將所述區(qū)域轉(zhuǎn)移到工程圖紙上。在全部焊接完成之后， 可將BOP主體裝入回火爐，以進(jìn)行最終回火和低合金鋼基體上覆面包層材 料的焊縫接頭的聯(lián)合熱處理》
最終回火由基體金屬的回火構(gòu)成，以達(dá)到材料規(guī)格所要求的基體金屬 機(jī)械性能?；鼗疬€可為焊縫接頭的HAZ提供PWHT，這是因?yàn)榛鼗?時(shí)效溫 度高于基材/CRA焊縫接頭常用的PWHT溫度。最后，回火可對(duì)高強(qiáng)度CRA 覆面填充金屬起到時(shí)效硬化熱處理的作用。
這種最終回火過(guò)程是可行的，這是因?yàn)槔缭谶m當(dāng)選擇和處理基材和 CR.A覆面的情況下基體金屬的回火溫度和CRA覆面材料的時(shí)效溫度可幾 乎相同?；鼗鹧h(huán)和時(shí)效硬化循環(huán)兩者所需的時(shí)間使得它們可達(dá)到平衡并獲得兩種材料所要求的性能。
可使用獨(dú)立的合格試驗(yàn)試樣QTC確定合金的機(jī)械性能，可獨(dú)立于部件 本身對(duì)該試樣進(jìn)行熱處理，條件是按照API針對(duì)用于石油勘探生產(chǎn)業(yè)的部 件制定的具體標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣進(jìn)行熱處理。例如，為驗(yàn)證BO.P主體符合材料性 能要求，可由制造BOP主體的同爐鋼制造兩個(gè)合格試驗(yàn)試樣QTC。由鍛造 主體的同爐低合金鋼制造的兩個(gè)合格試驗(yàn)試樣QTC可采用相同的循環(huán)溫度 和時(shí)間與主體鍛件同時(shí)或獨(dú)立于主體鍛件進(jìn)行正火、奧氏體化、液體淬火 和回火。其中一個(gè)QTC可在獲得材料規(guī)格所要求的機(jī)械性能所需的溫度和 時(shí)間下進(jìn)行回火。另一個(gè)QTC可與選擇性強(qiáng)化BOP—起進(jìn)行最終回火。然 后可將這些QTC送至機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，以保證基材和包層 材料滿足特定的要求。
以這種方式對(duì)BOP主體進(jìn)行最終回火可允許基材和包層材料滿足所需 的性能，包括屈服強(qiáng)度、硬度和/或NACE對(duì)抗應(yīng)力腐蝕開裂性能的要求。 另外，CR.A嵌體應(yīng)具有更好的抗軸向或彎曲疲勞失效性能并有助于減少軸 向或彎曲疲勞失效。
例如，如上所述，可按照常規(guī)的制造方式制造和加工F22鍛件或鑄件。 但可對(duì)熱處理進(jìn)行改進(jìn)。正火和奧氏體化溫度循環(huán)和時(shí)間以及液體淬火可 保持不變?？蓪⒒鼗饻囟茸?yōu)槊?。F(482。C)至1:100。F(593。C),可使在該溫 度下歷經(jīng)的時(shí)間縮短或保持不變。然后可使用鉻鎳鐵725或其它時(shí)效硬化 合金或者CRA選擇性強(qiáng)化鍛造的BOP主體。
一旦完成焊接操作，即可將選擇性強(qiáng)化的BOP主體裝入熱處理爐，以 進(jìn)行最終回火(可以是聯(lián)合回火、時(shí)效和PWHT),從而<吏F22基體金屬的 HAZ消除應(yīng)力退火，使鉻鎳鐵725 CRA焊接金屬嵌體時(shí)效硬化，達(dá)到F22 鍛件的機(jī)械性能。還可使用其它時(shí)效硬化合金和/或CRA例如鉻鎳鐵718 SPF (合金718)作為填充金屬用于該應(yīng)用?？筛鶕?jù)焊接處理合格記錄(PQR.) 確定并依據(jù)焊接處理規(guī)定(WPS)證實(shí)最終回火(聯(lián)合回火/PWHT/時(shí)效硬化熱 處理)的溫度和時(shí)間。在完成最終回火之后，可將經(jīng)過(guò)相同處理的QTC送至 冶金學(xué)實(shí)驗(yàn)室，以確定材料的機(jī)械性能并確定材料的機(jī)械性能是否滿足材 料規(guī)格的要求。
由于PWHT和回火循環(huán)可與包層嵌體金屬的時(shí)效硬化同時(shí)進(jìn)行，因而 基體金屬的機(jī)械性能沒(méi)有在低合金鋼基體金屬回火之后單獨(dú)進(jìn)行PWHT時(shí)可能出現(xiàn)的任何損失。
在示例性實(shí)施方案中，閘板式BOP主體鍛件由F22合金制造。于1750。F 對(duì)粗鍛件進(jìn)行正火，歷經(jīng)30分鐘/英寸CST的"保壓"時(shí)間和1小時(shí)的"浸泡，， 時(shí)間。然后進(jìn)行水淬并于900。F快速回火30分鐘/英寸CST加小時(shí)。
任選地，然后對(duì)經(jīng)過(guò)淬火和快速回火的閘板式BOP主體進(jìn)行粗加工， 例如對(duì)"焊頸"進(jìn)行粗加工以便將凸緣焊接在BOP主體上。任選地，然后將 各種附件如凸緣連接件或夾具焊接在Q&ST主體上，這些附件可優(yōu)選同樣 由Q&ST F22合金構(gòu)成。然后對(duì)Q&ST主體進(jìn)行精加工并使用鉻鎳鐵725 內(nèi)嵌于需要選擇性強(qiáng)化和/或改善耐腐蝕性的區(qū)域。任選地，進(jìn)一步加工內(nèi) 嵌區(qū)域。最后，使具有內(nèi)嵌強(qiáng)化體的精加工主體于.1220。F"最終回火，，歷經(jīng) 約40至42分鐘/英寸CST的"保壓"時(shí)間和1小時(shí)的"浸泡"時(shí)間。經(jīng)過(guò)該處 理之后，F(xiàn)22基材的屈服強(qiáng)度為約85,000 psi,嵌體鉻鎳鐵725的屈服強(qiáng)度 大于1.15,000 psi。另外，最終回火處理還起到消除焊件熱影響區(qū)中殘余應(yīng)力 的作用，因而無(wú)需附加P WHT 。
在另一示例性實(shí)施方案中，可由改性8630環(huán)形鍛件制造套筒式環(huán)空 BOP主體，所述鍛件已經(jīng)過(guò)淬火并且已于約900。F快速回火歷經(jīng)30分鐘/ 英寸臨界截面的"保壓"時(shí)間和1小時(shí)的"浸泡"時(shí)間。Q&ST環(huán)可堆疊在一起 并縱向進(jìn)行全熔透焊接?？蓪?duì)Q&ST環(huán)的焊接堆疊體進(jìn)行機(jī)加工并使用 INCONEL 725焊接嵌體材料進(jìn)行選擇性強(qiáng)化，然后于約1260。F最終回火， 歷經(jīng)約30至45分鐘/英寸CST的保壓時(shí)間和約1小時(shí)的浸泡時(shí)間。
本申請(qǐng)^L露的實(shí)施方案和方法可有利地通過(guò)FEA生成和分析油田部件 模型，采用應(yīng)力和/或疲勞分析，以確定在特征在于大量應(yīng)力的疲勞負(fù)荷條 件下部件的響應(yīng)。然后可利用所得到的分析結(jié)果改進(jìn)部件設(shè)計(jì)、改善部件
在疲勞負(fù)荷條件下的性能。
有利地，本發(fā)明可提供基于ASME Section-VIII Div-3或類似的高壓高 溫設(shè)備設(shè)計(jì)原則建立整個(gè)油田部件設(shè)計(jì)的方法。部件可滿足NACE峰值應(yīng) 力和循環(huán)壽命要求。本申請(qǐng)披露的方法和實(shí)施方案可提供工作壽命延長(zhǎng)的 油田部件。例如，可模型化反復(fù)壓縮、彎曲等模擬疲勞負(fù)荷條件下的油田 部件，以確定可延長(zhǎng)油田部件工作壽命的設(shè)計(jì)特征。
有利地，本發(fā)明可提供制造油田部件的方法，與試圖由可滿足NACE MR0175要求的實(shí)心高強(qiáng)度耐腐蝕合金或其它金屬制造部件相比，該方法成本較低。鑒于包層以下距離井筒流體潤(rùn)濕表面0.250至0.500英寸處的主體 的機(jī)械強(qiáng)度可能明顯低于經(jīng)受疲勞失效的局部應(yīng)力區(qū)所要求的機(jī)械強(qiáng)度， 尤為如此。其它實(shí)施方案可強(qiáng)化現(xiàn)有的部件設(shè)計(jì)，從而可通過(guò)使用適用于 油氣環(huán)境的較高強(qiáng)度材料選擇性強(qiáng)化油田部件，來(lái)應(yīng)對(duì)硫化物應(yīng)力腐蝕開 裂或與腐蝕相關(guān)的極限條件。
包層合金的選擇可主要依據(jù)包層的高機(jī)械強(qiáng)度并且還可依據(jù)包層和基 體之間達(dá)到的冶金學(xué)結(jié)合。包層的額外貢獻(xiàn)可能是包層合金賦予油田部件 的耐腐蝕性。包層的另 一貢獻(xiàn)在于部件的內(nèi)表面的任意劃痕或鑿口不易延 伸到包層深度以下，從而使包層得以繼續(xù)保護(hù)其所沉積的低合金鋼基體。 具體地，包層還將繼續(xù)保護(hù)部件以免出現(xiàn)經(jīng)常在油田部件內(nèi)腔中發(fā)現(xiàn)的孔 蝕。另外，修復(fù)包層中的鑿口可能比修復(fù)低合金鋼基體中的類似損傷容易 且成本較低。
另一方面，本發(fā)明可有利地提供制造選擇性強(qiáng)化油田部件的方法。該 方法可包括于選定的時(shí)間和溫度對(duì)油田部件進(jìn)行最終回火，以使基材回火 并使用于形成選擇性強(qiáng)化油田部件的包層材料時(shí)效硬化。該方法可以這種 方式有利地實(shí)現(xiàn)基材所需的性能、連接基材和包層材料的焊縫接頭的焊后 熱處理、以及包層材料的時(shí)效硬化。
盡管針對(duì)數(shù)量有限的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但受益于本發(fā)明 的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下可設(shè)計(jì)其 它實(shí)施方案。因而，本發(fā)明的范圍應(yīng)僅受限于所附權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種制造油田部件的方法，該油田部件包括基材和可時(shí)效硬化的包層材料，該方法包括于選定的時(shí)間和選定的溫度最終回火所述油田部件，以使所述基材回火并使所述包層材料時(shí)效硬化。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述選定的溫度高于所述基材的后焊接熱 處理溫度。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中所述最終回火包括 使所述基材回火，以具有所需的機(jī)械性能； 對(duì)所述基材和所述包層材料之間的焊接熱影響區(qū)進(jìn)行熱處理；及 使所述包層材料時(shí)效硬化。
4. 權(quán)利要求l的方法，其中所述基材包括4130低合金鋼、F22低合金 鋼和改性8630 4氐合金鋼中的至少 一種。
5. 權(quán)利要求1的方法，其中所述時(shí)效硬化材料包括鉻鎳鐵725、合金 718、合金625和17-4PH不銹鋼中的至少 一種。
6. 權(quán)利要求1的方法，其中所述選定的溫度介于約1200。F至約1300。F 之間。
7. 權(quán)利要求1的方法，其中所述選定的溫度介于約1225。F至約1300。F之間。
8. 權(quán)利要求1的方法，其中所述選定的溫度介于約1215。F至約1225°F之間。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中所述選定的時(shí)間為30至60分鐘/英寸臨界 截面厚度加上1至2小時(shí)。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中所述選定的時(shí)間為30至45分鐘/英寸臨 界截面厚度加上1至2小時(shí)。
11. 權(quán)利要求1的方法，其中所述選定的時(shí)間為38至42分鐘/英寸臨 界截面厚度加上約1小時(shí)。
12. 權(quán)利要求1的方法，其中所述熱處理使得包層材料具有至少115 ksi 的屈服強(qiáng)度。
13. 權(quán)利要求1的方法，其中所得油田部件的基材具有237的最大布氏硬度。
14. 權(quán)利要求1的方法，其中所述油田部件包括防噴器主體、應(yīng)力接頭、 閥體和抽油桿中的至少 一種。
15. 權(quán)利要求1的方法，還包括選擇性加熱所述包層材料，以使該包層 材料時(shí)效硬化并使所述基材保持低于回火溫度。
16. 權(quán)利要求1的方法，還包括 提供基材；使所提供的基材快速回火；使用包層材料選擇性強(qiáng)化經(jīng)快速回火的基材。
17. 權(quán)利要求16的方法，其中所述提供包括鍛造、機(jī)加工、熱等靜壓 和鑄造中的至少一種。
18. 權(quán)利要求16的方法，其中所述基材根據(jù)有限元分析選擇性地強(qiáng)化。
19. 一種利用權(quán)利要求1的方法制造的閘板式防噴器。
20. —種閘板式防噴器的主體，包括 穿過(guò)所述主體的垂直孔； 穿過(guò)所述主體并與所述垂直孔交叉的水平孔； 其中所述主體用包層材料選擇性地強(qiáng)化；及其中所述主體是通過(guò)這樣的方法現(xiàn)成的，該方法包括于選定的時(shí)間和 選定的溫度最終回火，以使所述基材回火并使所述包層材料時(shí)效硬化。
21. 權(quán)利要求20的閘板式防噴器的主體，其中所述主體包括至少一個(gè) 凸緣頸，其中該至少一個(gè)凸緣頸用包層材料選擇性地強(qiáng)化。
22. 權(quán)利要求20的閘板式防噴器的主體，其中所述主體根據(jù)有限元分 析的結(jié)果選擇性地強(qiáng)化。
23. —種制造油田部件的方法，該方法包括使用可時(shí)效硬化的包層材料選擇性地強(qiáng)化基材；及 選擇性加熱所述包層材料，以使所述包層材料時(shí)效硬化并使所述基材保持低于回火溫度。
全文摘要
一種制造油田部件的方法，該油田部件包括基材和可時(shí)效硬化的包層材料，該方法包括于選定的時(shí)間和選定的溫度最終回火油田部件，以使基材回火并使包層材料時(shí)效硬化。一種閘板式防噴器的主體，包括穿過(guò)主體的垂直孔和穿過(guò)主體與垂直孔交叉的水平孔，其中使用包層材料選擇性強(qiáng)化主體，并且其中通過(guò)包括于選定的時(shí)間和選定的溫度最終回火的方法形成主體，以使基材回火并使包層材料時(shí)效硬化。
文檔編號(hào)C21D9/00GK101563471SQ200780046631
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月2日
發(fā)明者基思·普魯?shù)? 菲利普·A·赫夫 申請(qǐng)人:海德里爾美國(guó)制造有限責(zé)任公司