[发明专利]厚壁锻件的热处理方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及热处理厚壁锻件领域。更具体地，本发明涉及利用特定成分的低合金钢和控制回火以及淬火工艺来热处理厚壁锻件。

背景技术

井控制是油气勘探的重要方面。当在例如油气勘探应用中钻探井时，安全装置必须放置在适当的位置以防止由于与钻探活动相关联的意外事件对人员的伤害以及对设备的损坏。

油气勘探中的钻井涉及到穿透多种地下地质结构，或“层”。有时，井眼会穿透具有大大高于井眼中保持的压力的地层压力的层。当这发生时，该井被称为“遇到井涌(溢流)(kick)”。与井涌相关联的压力增大基本上由地层流体(其可以是液体，气体或其组合)流入井眼中所致。较高压力的井涌将会从井眼中的进入点向井上(从高压区到低压区域)传播。如果允许井涌到达地面，那么钻井液、测井仪以及其他钻井结构可能会喷出井眼。这些“喷出物”会导致钻探设备(包括，例如，钻机)的灾难性的破坏和井队人员的重大伤亡。

因为井喷的危险，通常在深水钻探装置中在地面或海底安装防喷器(BOP)以有效地密封井眼直至能够进行主动测量以控制井涌。BOP可以这样被启动以使得井涌能够被适当地控制并“循环出”系统。

图1表示现有技术中的环形BOP 101。环形BOP 101包括外壳102、具有延伸穿过外壳并设置在纵轴线103周围的孔102。密封胶芯105设置在环形BOP 101以内，并且也在纵轴线103周围。密封胶芯105包括弹性环形体107和多个金属嵌件109。环形BOP 101由泵入活塞室112的开口113中的流体致动。该流体施加压力至活塞117，其向上驱动活塞117以在纵轴线103周围压缩密封胶芯105。在钻杆沿着纵轴线103存在的情况下，密封胶芯105将密封钻杆的周围。当流体被泵入活塞室的开口115中时，环形BOP 101进行类似反向运动。然后流体转移向下力至活塞117，使得密封胶芯径向扩展。可拆卸头119也能够进入密封胶芯105，从而如果必要的话能够维修或更换密封胶芯105。

因为BOP必须承受高压，因此重要的是BOP的壁较厚且具有均匀的机械性能：抗拉强度和硬度。锻件，比如BOP中使用的锻件，一般由已经被热处理以提高强度和达到特定的最小机械性能的低合金钢制成。低合金钢的热处理通常通过对钢进行正火、奥氏体化、淬火以及回火来完成。正火涉及加热钢至临界温度以上达充足的时间以精炼钢的铁素体粒度，减小残留非均匀应力并产生更均匀的机械性能。锻件然后被允许从正火温度在静止空气中冷却。为了获得最大硬度，金属在奥氏体化后进行液体淬火处理。奥氏体化包括加热钢至临界温度以上达足够的时间以将颗粒结构转变为奥氏体以备淬火。在淬火过程中，奥氏体化的金属被浸入淬火介质比如水、油或聚合物以及在极少的情况下为盐水的淬火槽，可以剧烈地搅动该淬火介质以达到临界的冷却速度以便实现转变成主要为贝氏体或马氏体微结构，从而提高金属的硬度和机械强度。最后，用于该用途的低合金钢总是通过再加热锻件至较低临界温度以下来回火，这降低了淬火金属的高强度和硬度并提高了金属的延展性和韧性。回火也称为“钢回火”或简称“回火”。

当使用大锻件来生产压力容器时，重要的是在热处理之后钢的增大的强度尽可能在锻件的整个截面厚度上都均匀。当钢有许多英寸厚时难以获得均匀的钢强度。当淬火大的锻件时，锻件的与淬火介质相接触的外表面可具有必要高的冷却速度以获得最大限度的转变和附带的机械特性。然而，朝向锻件中心的内部金属块的冷却速率随着金属块离表面和淬火介质越来越远而逐渐变慢。因此，在具有几英寸截面厚度的钢中，在锻件内部最深处的金属块最难增加金属的机械性能和硬度，因为该金属块不能被快速地淬火并且在许多情况下不能满足用于产生相转变的最低临界冷却速度。

当使用大锻件来制造压力容器时，重要的是在热处理之后钢的增大的强度在锻件的整个厚度上尽可能均匀。当钢的厚度为许多英寸厚时难以获得均匀的钢强度。当淬火大锻件时，锻件的与淬火介质相接触的外表面可能具有必要高的冷却速度以实现最大的硬度。不过，在锻件内部随着金属块越来越远离淬火介质，其冷却速度逐渐变慢。因此，在具有数英寸厚度的钢中，在锻件内部最深处的金属块将最难提高金属的硬度，因为质量块不能尽快地淬火。