用于对长钢管进行热处理的方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

根据本发明的所述方面，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。为了控制所述氮化气氛，分析氮化气氛，并根据它提供分析数据。取决于所述分析数据和氮化气氛的预定组分，应用处理器确定氮化气氛的组合物成分的供应，并且根据它产生供应控制信号。取决于所述供应控制信号，将氮化气氛的组合物成分提供给热处理炉。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。

根据本发明的另一方面，提供了一种长钢管，其具有内表面和外表面，所述内表面和外表面具有通过用于热处理的方法而产生的热处理表面层。在用于热处理的方法中，将钢管放置在热处理炉中。然后在预定的氮化温度下将钢管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。在将所述钢管暴露于氮化气氛的同时，控制所述氮化气氛的组分。缓慢地将所述钢管冷却至环境温度，然后从热处理炉中取出钢管。已被热处理的钢管与热处理前的钢管相比具有显著提高的耐腐蚀性和耐磨性。

根据本发明的另一个方面，提供了一种具有内表面和外表面的长钢管，其中所述内表面和外表面具有热处理表面层，其提供了显著的耐腐蚀性和耐磨性，并且所述钢管具有每1米长度小于1.1mm的曲弧度。

本发明的优势在于：它提供了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。

本发明的另一个优势在于：它提供了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。

本发明的又一个优势在于：它提供了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。

附图说明

下面参照附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1a是简化流程图，其显示了根据本发明优选实施例的用于对钢部件进行热处理的方法；

图1b和1c是简化流程图，其显示了根据本发明优选实施例的用于对钢部件进行热处理的方法的控制过程；

图2是简化方框图，其显示了热处理炉系统，该系统适于实施根据本发明优选实施例的用于对钢部件进行热处理的方法；

图3a和3b是简化方框图，其分别显示了长钢管的横截面视图和侧视图，该长钢管应用根据本发明优选实施例的用于对钢部件进行热处理的方法进行热处理；

图4a是简化方框图，其显示了热处理炉的横截面视图，该热处理炉适于应用根据本发明优选实施例的用于对钢部件进行热处理的方法对长钢管进行热处理；以及

图4b是简化方框图，其显示了用于在图4a所示的热处理炉中保持钢管的架子的俯视图。

具体实施方式

除非另外限定，否则这里所使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的意义相同的含义。尽管在本发明的实践或试验中可以使用与这里所述方法及材料类似或者等同的任何方法和材料，但是现在描述优选的方法和材料。

虽然以下优选实施例的描述是参照对碳钢管的热处理而进行的(所述碳钢管用在钻探和地热换热器中)，但是本领域的普通技术人员清楚：本发明的实施例并非限制于此，而是也适用于对各种其它钢部件以及其它类型的钢(诸如合金钢和不锈钢)进行热处理。

参照图1a至1c，提供了根据本发明优选实施例的用于对钢部件进行热处理的方法。在步骤10，将钢部件放置在热处理炉中。例如，所述热处理炉适于处理一个或多个长钢管，诸如钻管或者换热器管，如下面将要更加详细描述的。在将钢部件放置在热处理炉中并且密封热处理炉之后，应用通常5炉氮量，在安全净化阶段，将热处理炉内部的气氛改变为防爆气氛，例如氮气气氛(N₂)-步骤12。然后将热处理炉的内部加热到预定的氮化温度。在加热阶段，将热处理炉中的气氛改变为具有预定组分的氮化气氛-步骤14。所述氮化温度被确定为在380℃和720℃之间，优选在550℃和590℃之间的范围内。所述氮化气氛是氨(NH₃)和离解氨(dNH₃)的混合物，其中dNH₃为75％容积的H₂和25％容积的N₂。

优选地，氮化气氛的混合物被如此确定，使得它根据等式(1)满足成分气体的分压之间的关系，转换成K_N数，其中K_N＝P_NH3/(P_H2)^3/2,(atm^-0.5)：

log₁₀(K_N)＝7.847-0.07687*T+(2.97198e-4)*T²–(4.86132e-7)*T³+(2.80445e-10)*T⁴±0.4 (1)

其中T是氮化温度/处理温度(℃)。

然后，将钢部件在预定氮化温度下暴露于氮化气氛中一个预定的氮化时段，并且在钢部件暴露于氮化气氛的同时控制氮化气氛的组分-步骤16。在图1b中显示了用于控制所述气氛的优选方法。使用一个或多个现有技术的温度传感器，检测热处理炉内部的处理温度，并且据此将处理温度数据提供给与其连接的处理器-步骤16A。而且，对热处理炉中的氮化气氛进行取样，例如在炉子的排气处，如图2所显示的并且如下面所描述的。然后，应用现有技术的气体分析器分析所取样的氮化气氛，并且据此将分析数据提供给与它相连的处理器-步骤16B。在步骤16C接收输入数据(即：表示处理温度T的处理温度数据以及表示分压P_H2、P_NH3和P_N2的分析数据)之后，所述处理器确定氮化气氛的组合物成分的供应并且根据它产生供应控制信号-步骤16D。在诸如电磁阀等标准气流控制阀处接收所述供应控制信号，并且根据它将氮化气氛的组合物成分提供给热处理炉-步骤16E。

优选地，根据图1c所显示的控制过程确定氮化气氛的组合物成分的供应。在收到所述输入信号之后，处理器根据它计算K_N数。如果Log₁₀(K_N)等于根据等式(1)确定的设定点，那么就保持用于NH₃和dNH₃的电流设置。如果Log₁₀(K_N)小于设定点，那么就增加NH₃的流量并减小dNH₃的流量。如果Log₁₀(K_N)大于设定点，那么就减小NH₃的流量并增加dNH₃的流量。

例如，以确定的时段进行处理温度的检测和氮化气氛的取样，并且将表示它们的数据提供给处理器，以便应用标准PID控制环路或者标准模糊型控制环路来执行以上对氮化气氛组合物成分的供应的确定。

优选地，在加热、氮化和第一冷却阶段应用该控制过程。在所述氮化阶段，在预定的氮化温度范围内保持所述处理温度。根据处理温度、材料以及氮化层的期望厚度，以常规方式确定氮化时段。例如，对于低碳钢，氮化时段在550℃下大约为10小时。

任选地，将含碳气体流(CO、CO₂)或者气态碳氢化合物添加到所述气氛中，用于执行碳氮共渗过程。通过在计算分压时考虑含碳气体的存在，能够容易地改变以上控制过程。例如，在典型的碳氮共渗过程中，在大约5％-15％容积的范围内添加CO₂。

在经过预定的氮化时段之后，将钢部件冷却至预定的氧化温度-步骤18。在冷却期间，所述钢部件暴露于非氧化气氛中。在达到预定的氧化温度之后，相应于防爆范围，将所述非氧化气氛改变为氧化气氛，并且将钢部件暴露于氧化气氛中一个预定的氧化时段-步骤20，用于氧化所述氮化层或者碳氮共渗层，以便进一步提高耐腐蚀性。例如，在氧化阶段，将所述钢部件在500℃的氧化温度下暴露于例如100％CO₂的氧化气氛中大约30分钟的氧化时段。选择地，代替CO₂，使用诸如氮气-空气混合物等另一种含氧气态混合物。

在经过预定的氧化时段之后，热处理炉中的气氛被改变为非反应性气体气氛，例如氮气气氛-步骤22，并且在钢部件暴露于非反应性气体气氛的同时将钢部件缓慢地冷却至环境温度或者室温-步骤24。优选地，所述钢部件以每分钟20℃或者更慢的速度被冷却至环境温度。

应当注意，所述氧化过程可以在高达氮化(碳氮共渗)温度的温度下执行，消除步骤18，在低至大约350℃的温度下作为单独的阶段或者通过在冷却阶段期间连续地更换氧化气氛执行，消除步骤18和22。

任选地，省略氧化过程，因此消除步骤18和20。

在冷却至环境温度之后，从热处理炉中取出热处理钢部件(步骤26)。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。

根据本发明优选实施例的用于对钢部件进行热处理的方法可适用于对所有类型的碳钢以及低合金钢(合金元素的总和小于5％质量比)进行热处理。更高合金的钢和不锈钢可能要求在氮化阶段之前应用现有技术(诸如HCl酸活化)进行附加激活。

基于对现有技术的气体氮化/碳氮共渗过程的了解，取决于钢部件的钢材料的类型、期望的表面修整、以及钢部件的期望的耐腐蚀性和耐磨性，确定热处理参数。

确定氮化/碳氮共渗气氛的组分，并且基于如等式(1)所限定的K_N数在氮化/碳氮共渗过程期间控制该组分，为加热和扩散阶段期间白层的形成和增长提供了优化条件，导致显著提高钢部件的耐腐蚀性和耐磨性，同时消除了钢部件的淬火-快速冷却，从而显著减少了钢部件暴露于热应力下。

在初始实验中，根据本发明优选实施例的用于对钢部件进行热处理的以上方法已经应用于表号80(Schedule 80)的黑钢管A级材料(根据ASTM A-53)中，该材料经常用在地热换热器中。

对未处理材料、碳氮共渗材料和碳氮共渗+氧化材料应用加速电腐蚀测试(在293K温度下，在1％(质量)NaCl水溶液中的动电位塔费尔循环实验)，测试所述材料的耐腐蚀性。表1显示了碳氮共渗材料以及碳氮共渗+氧化材料的耐腐蚀性的显著提高。

表1

应用原子力显微技术研究碳氮共渗对材料耐磨性的影响。应用标准的金相技术切割和抛光已处理的样品。利用3微米金刚石研磨膏的最终抛光阶段被延长至15分钟，以显示通过抛光去除的材料的磨损。对碳氮共渗层横截面的AFM扫描允许比较材料芯部和碳氮共渗区域上的材料去除。表2(总结不同区域的残留高度，其中样品块中的铁素体水平被当作Z＝0)显示了碳氮共渗材料的耐磨性的显著提高。

表2

图2显示了热处理炉系统，用于实施对钢部件进行热处理的上述方法。一个或多个钢部件被放置在热处理炉102的内部。在热处理过程期间所使用的气氛经由入口110被提供给炉子102，并且经由出口108从炉子中移除。所述入口110与多个管道(例如管道116.1-116.4)连接，用于从相应的气体供应源接收各种成分气体。通过插入在管道116.1-116.4的每一个中的相应阀118.1-118.4控制成分气体的供应。

通过与以下部件相连的计算机120控制所述热处理过程：位于炉子102内部的温度传感器112；与出口108流体连通的气体分析器114；炉加热机构106；以及阀118.1-118.4。所述计算机120包括用户接口121，诸如显示器126和键盘128，或者触摸屏。应用例如现成计算机处理器等处理器122操作所述计算机，用于执行优选储存在诸如硬盘驱动器或者闪存等非易失性存储器124中的可执行指令。所述处理器与用户接口、存储器、输入端口130以及输出端口132连接。

优选地，炉子102内部的压力以标准方式被控制，其中所述压力被保持为稍微高于环境空气压力，以便防止空气泄露到炉子102中。

应当注意，现有技术的热处理炉容易适合于实施以上方法。

用于钻探和地热换热器中的钢管通常是长管，具有：内径D1与外径D2的比率大于0.55；对于外径D2不大于254毫米的管子，外径D2与长度L的比率小于0.05；以及，对于外径D2大于254毫米的管子，外径D2与长度L的比率小于0.1，如图3a所示。这种钢管必须满足极其限制性的制造公差，特别是关于平直度，要求钢管的曲弧度C为每1米长度小于1.1毫米，如图3b所示。

根据本发明优选实施例的用于对钢部件进行热处理的方法显著提高了钢部件的耐腐蚀性和耐磨性，而无需钢部件的任何淬火-快速冷却。所应用的缓慢冷却过程将钢部件暴露于热应力下减少到以下程度：它允许对上述长钢管进行热处理，用于显著地提高长钢管的耐腐蚀性和耐磨性，同时满足所需的制造公差。

图4a和4b显示了适于对用在钻探和换热器中的长管进行热处理的热处理炉102，所述长管的长度大于3米，通常在3米和12米之间。炉子102例如是井式炉，具有反应罐102A和可移除盖102B。所述盖102B被移除以便将钢管104装载到反应罐102A中以及从反应罐102A中移除。在处理期间，盖102B借助密封件102C以密封方式被安装到反应罐102A上。架子142沿着大致垂直取向的轴线105保持钢管104。

例如，架子142包括：夹持板142D，其具有钻孔142E以便在其中容纳钢管104；底板142B，用于支撑钢管104的底部；以及垂直延伸部142A，其安装有底板142B并且夹持板142D安装于其上。所述底板142B包括孔眼142C，用于允许热处理气氛传输通过钢管的内部。而且，架子142包括环形结构142G和支撑元件142F，环形结构142G安装到所述垂直延伸部142A的顶部，用于方便应用例如起重机的钩子升起和降低所述垂直延伸部，支撑元件142F安装到底板142B的底侧上，用于将底板放置在反应罐102A的底部上方预定距离处。

温度传感器112通常放置在炉子102的几个区域中-顶部、中部和底部。通过应用再循环涡轮机140，进行热处理气氛的强迫再循环，从而实现热处理气氛关于温度和组分的均匀性。所述均匀性依赖于特定的钢管材料、几何形状和炉子设计，并且通常相对于设定点在±6℃和±2％范围内。围绕大致垂直轴线103旋转的再循环涡轮机140的叶片朝着外部区域机械地加快由入口110提供的气氛，导致气氛非常有效的混合(即使在高的炉子102中)，从而在整个热处理过程期间将钢管104的内侧和外侧暴露给关于温度和组分大致均匀的气氛。

替换地，假如钢管具有防止其在处理期间弯曲的适当的支撑，那么钢管可以水平取向地被处理。

已经关于优选实施例对本发明进行了描述。然而，本领域的普通技术人员将清楚，在不脱离这里所描述的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。