[发明专利]用于对长钢管进行热处理的方法

说明书

技术领域

本发明涉及热处理工艺，更特别地，本发明涉及一种方法，用于长钢管的可控的热处理，以便显著提高长钢管的耐腐蚀性和耐磨性。

背景技术

用在地热换热器中并且用于例如在石油和天然气勘探中钻孔的钢管易于遭受显著的磨损(例如产生于磨蚀和气蚀)以及显著的腐蚀(由于暴露于例如盐水、二氧化碳和硫化氢)，从而显著地降低了它们的使用寿命。

应用现有技术，通过改变材料、涂覆保护性涂层或者电化学镀而增加用于钻探和地热换热器的钢管的使用寿命。

通过应用特别设计的高合金钢(例如不锈钢)而不是碳钢来增加钢管的使用寿命。令人遗憾的是，该方法与材料的巨大成本(例如，不锈钢相对于碳钢的成本)以及生产(包括测试和批准)的改变相关联，所述生产的改变是由于显著不同的材料性质引起的，该不同的材料性质需要不同的成型和焊接过程。

替换地，在碳钢管上涂覆保护性涂层，例如，类金刚石碳(DLC)涂层或者聚合物涂层。美国专利申请2008/0135296教导了使用聚脲基涂层以增加钻管的使用寿命。令人遗憾的是，保护性涂层的涂覆与用于将涂层涂覆到管子内表面和外表面上的工艺和设备的巨大成本相关联，例如等离子工艺。而且，大部分保护性涂层不会改善耐磨性，或者仅仅略微地改善耐磨性，同时产生可能的涂层脱层的风险。

另一种现有技术是电化学镀。例如，硬铬涂层提供良好的耐腐蚀性和耐磨性。然而，管子内表面的涂覆是耗时的并且昂贵的。

应当注意，涂层的涂覆改变了管子的尺寸，通常达到超出制造公差的程度，因此需要设计上的改变。

现有技术的热处理过程(诸如氮化过程或者碳氮共渗过程)显著提高了钢的耐磨性，同时还一定程度上提高了耐腐蚀性。通常，热处理过程不需要热处理部件在设计和生产上的改变，并且以有成本效益的方式实施热处理过程。令人遗憾的是，现有技术的热处理过程(诸如美国专利4,563,223中所披露的碳氮共渗过程)包含淬火步骤，所述淬火步骤与热处理部件从通常大于500℃的处理温度快速冷却到室温相关联，从而造成显著的热应力。当由于淬火步骤所造成的热应力施加到用在钻探和地热换热器中的钢管上时，该热应力导致管子的巨大变形(例如曲弧度)超出制造公差。另外，管子内部的淬火流体的量是少的，导致从内表面和外表面不均匀的热去除，从而增加了形状扭曲的风险。

应当注意，将液态淬火应用于长钢管还造成了巨大的安全危害，这是由于长管内部相对少量的淬火液体快速地蒸发，造成了爆炸性蒸汽从管子的排出。

期望提供一种方法，用于对钢部件进行热处理，其显著提高了耐磨性和耐腐蚀性。

还期望提供一种方法，用于对钢部件进行热处理，其显著提高了耐磨性和耐腐蚀性，同时显著减少了钢部件暴露于热应力下。

还期望提供一种方法，用于对钢部件进行热处理，其显著提高了耐磨性和耐腐蚀性，并且可适用于对用在钻探和地热换热器中的钢管进行热处理。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于对钢部件进行热处理的方法，其显著提高了耐磨性和耐腐蚀性。

本发明的另一个目的是提供一种用于对钢部件进行热处理的方法，其显著提高了耐磨性和耐腐蚀性，同时显著减少了钢部件暴露于热应力下。

本发明的又一个目的是提供一种用于对钢部件进行热处理的方法，其显著提高了耐磨性和耐腐蚀性，并且可适用于对用在钻探和地热换热器中的钢管进行热处理。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于对钢部件进行热处理的方法。所述钢部件被放置在热处理炉中。然后在预定的氮化温度下将所述钢部件暴露于氮化气氛中一个预定的氮化时段。所述氮化气氛具有预定组分。在将所述钢部件暴露于所述氮化气氛的同时，控制所述氮化气氛的组分。缓慢地将所述钢部件冷却至环境温度，然后从所述热处理炉中取出钢部件。已被热处理的钢部件与热处理前的钢部件相比具有显著提高的耐腐蚀性和耐磨性。