[发明专利]用于安全系统和其它高压应用的滚压成型的高强度材料

说明书

发明背景

在烃回收工业中，所使用的与流体生产的所有方面有关的工具至 少潜在地暴露于非常苛刻的条件下。这些条件可为自然的，如高温和 高压，并且一些可归因于流体如CO₂、H₂S、氯离子和酸刺激。应了解， 这些条件仅仅是示例性的，而且同样涉及到促使材料应力、腐蚀和/ 或环境开裂(无论自然的还是诱发的)的其它条件。

因为井下工具必须在所述条件下操作，所以常规经验是必须使用 极高强度和高度耐腐蚀性的材料。这些性质在外国产且高成本的合金 材料中见到。虽然这些材料是已知的并且对于它们的预定目的将非常 适用，但是它们非常昂贵且通常不能以所需要的尺寸得到。

在所需要的极高强度下，特别是根据NACE MR0175规范，非常少的 材料符合对于腐蚀和抗环境开裂性的材料要求。极高强度、极高耐腐 蚀性、比较厚的壁厚和尺寸均一性的组合先前仅仅可在外国产的合金 如MP35N和Elgiloy中得到。

概述

制造用于油气井的井下工具材料的方法，包括固溶热处理沉淀硬 化的镍合金；在所述固溶热处理之后冷加工所述合金；在所述冷加工 之后时效所述合金并由此制造所述材料。

详细描述

与生产如上所述的超高性能井下工具相关的材料限制和成本可通 过下文描述的制造井下工具的方法来降低。通过以某一顺序采用某些 加工步骤，大大廉价地获得沉淀硬化的镍合金，其能主要在强度方面 增强到使它们可接受地用作超高性能井下工具的水平。目前，如本领 域的普通技术人员所公认的，对于在井眼内的高压或高度腐蚀性环境 中使用的这些合适的耐腐蚀合金的强度存在限制。在本文中所描述并 在本文中加工的材料将超越对于这些合金的当前限制，由此提高总强 度并促进对于部件形状和尺寸的更大自由度，和/或使得评价整个工具 用的性能(例如破裂、拉伸)显著更高。

沉淀硬化的镍合金例如725(UNS NO7725)和625+(UNS NO7716)已 经成功地用于在严重腐蚀性环境中的井下环境中，直到约130-140ksi 的最小屈服强度。该强度是按照NACE MR0175的要求使用固溶处理和时 效热处理所能实现的峰值。当经受如本文中所教导的加工步骤时，可 以进一步增强该合金的强度水平到约160ksi或更高的最小屈服强度。

根据本文中所公开的方法，现在可以制造沉淀硬化的镍合金以具 有更高的最小屈服强度并保持高耐腐蚀性。

为了实现以上阐述的益处，使沉淀硬化的镍合金在约1600°F到约 2000°F的温度范围下经受固溶化热处理并历时约30分钟到约4小时的 时间。该固溶化将允许晶粒生长并促使不同相的小沉淀物溶解在基质 内。可以使用多种时间和温度曲线，约束条件是所述沉淀物被溶解。 在该热处理之后且替代例如沉淀硬化的其它处理，使所述材料根据本 文中的方法经受滚压成型处理，由此向该材料中引入相当大量(在约 20％至约90％之间)的冷加工，或者换句话说该材料由于材料的塑性形变 而强化。在滚压成型工艺中，使用传递极度压缩力的辊子将材料毛坯 冷加工以使材料“变形”以在旋转处理过程中匹配规定的形式。在该 处理中不使用外部施加的热量，但应注意到由于该滚压成型工艺，成 型本身可以引起目标材料的温度升高。滚压成型工艺除了通过冷加工 强化材料之外还提供几乎净成型能力，这减少了机械加工和材料损耗。

随后将目前冷加工的材料导去时效以进一步增加其强度。时效在 约1000°F到约1500°F的较低温度下进行约2到约25小时以使由于应变 硬化的强度组分的损失最小化。由于该时效工艺，最后的机械加工往 往更好地保持耐受性，因为在通过本文的方法制备的材料中存在更低 的内部残余应力，以使得在机械加工期间的扭曲最小化。

通过使用本文所描述的方法，可以改进相对廉价的材料以呈现足 以相当或超出当前服务要求的所需要的强度性质和耐腐蚀性。

虽然已展示并描述了优选的实施方案，可以对其进行改变和替换 而不脱离本发明的精神和范围。因此，应理解的是，本发明已通过举 例说明而非限制进行描述。