[发明专利]用于严重油气环境中的超高强度合金以及制备方法

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及适合于严重的油气环境的合金，更特别的是涉及超高强度合金，其独特的显微结构是通过特别的退火和时效硬化条件获得的，产生了屈服强度、冲击强度、延展性、耐腐蚀性、热稳定性和可成形性的组合，从而使得合金适合于含有二氧化碳和硫化氢的气体混合物的腐蚀性油井应用。

相关技术描述

随着浅和较不腐蚀油井的耗竭，需要较高强度和更耐腐蚀的材料以进行加深钻井和使高腐蚀性井能成功作业。适度腐蚀的井通过多种13Cr钢进行处理。然而，13％Cr合金缺乏应用于较深的腐蚀井所需的中度耐腐蚀性和强度，所述腐蚀井含有二氧化碳和硫化氢的气体混合物。Cayard等在“Serviceability of 13Cr Tubulars in Oil and GasProduction Environments(13Cr管材在油气产生环境中的适用性)”中发表了硫化物应力腐蚀数据，表明13Cr合金对于在酸性气和无酸性气环境之间的过渡区作业的井而言，耐腐蚀性不够。NACE Paper No.112，1998，pp.1-8，其内容通过引用的方式并入本文。

下面的出版物是另外的背景，其也通过引用的方式并入本文：

Eiselstein et al.等享有的日期为1988年11月29日的美国第4,788,036号专利；

Nishiyama et al.等享有的日期为2002年10月1日的美国第6,458,318号专利；以及

Hibner et al.等的出版物，题目为“Comparison of CorrosionResistance of Nickel-base Alloys for OCTG’s and Mechanical Tubing inSevere Sour Service Conditions(用于石油管材和机械管材的镍基合金在严重酸性介质条件下的耐腐蚀性比较)”，NACE Paper No.04110，2004，pp.1-15.

需要Ni基合金用于更高腐蚀性的环境。用于油斑(oil patch)应用的通常使用的高性能合金诸如925，718，G-3，MP35N，TI-6246，C-276和725不是太贵就是不具有高强度和耐腐蚀性的必需组合。本发明的目的是以合理成本提供高强度和耐腐蚀性合金。

发明概述

本发明涉及被最优化以提供改善的耐腐蚀性的Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金组合物。因此，Nb，Ti和Al被最优化以产生γ′和γ″的细分散从而提供高强度。因此，本发明的主要目的是提供易延展、高强度、高冲击强度和耐腐蚀性合金用于生产圆形棒材和管材，特别用于气和/或油井应用。简言之，本发明的合金优选包含以重量百分比计的下述物质：高达15％Fe、18-24％Cr、3-9％Mo、0.05-3.0％Cu、3.6-6.5％Nb、0.5-2.2％Ti、0.05-1.0％Al、0.005-0.040％C、平衡(balance)Ni加上偶然的杂质和脱氧剂。本发明的方法包括最终热处理，其包括固溶退火，随后是淬火或空气冷却以及时效处理。

发明详述

除非另外指明，本发明中提及的化学组成都是重量百分比。按照本发明，合金广泛地含有0-15wt.％Fe、18-24wt.％Cr、3-9wt.％Mo、0.05-3.0wt.％Cu、3.6-6.5wt.％Nb、0.5-2.2wt.％Ti、0.05-1.0wt.％Al、0.005-0.40C、平衡Ni加上偶然的杂质和脱氧剂。此外，合金组合物中的Nb/(Al+Ti)比为2.5至7.5以便提供用于高强度的期望的γ’和γ”相体积分数。更优选地，本发明的合金含有5-15％Fe、18-23％Cr、3-7.5％Mo、0.1-3.0％Cu、3.6-6.4％Nb、0.6-2.1％Ti、0.1-1.0％Al、0.005-0.030％C、平衡Ni加上偶然的杂质和脱氧剂。仍更优选地，本发明的合金含有6-12％Fe、19-22％Cr、3.5-7.0％Mo、1.0-3.0％Cu、4.0-6.2％Nb、0.8-2.0％Ti、0.1-0.7％Al、0.005-0.020％C、平衡Ni加上偶然的杂质和脱氧剂。标称地，本发明的合金基本上由约8％Fe、20.5％Cr、4％Mo、2％Cu、5.5％Nb、1.5％Ti、0.2％Al、0.01％C、平衡Ni加上偶然的杂质和脱氧剂组成。Nb/(Ti+Al)的比为2.5-7.5以提供用于高强度的γ’和γ”相体积分数的期望组合。

如本文所使用的，除非另外指明，所有合金成分添加物都以重量百分比表达。