在压力容器中建立强度梯度的方法

专利名称：在压力容器中建立强度梯度的方法
技术领域：
本发明总体上涉及油气生产期间使用的油田部件和设备。具体地，本 发明涉及热处理油田部件的方法。
背景技术：
现有多种用于钻井和产烃的设计，包括陆上和海上钻井生产机组。海 上钻井生产机组设计可根据水深和所用平台的类型(例如浮式平台、半潜式 平台、张力腿平台、翼梁型平台(spar-type platfomi)和本领域已知的其它平 台)而改变。海上机组的控制装置的类型和位置也可改变，包括湿式水下 采油树系统，其控制装置设置在位于海底的井口的顶部；以及千式采油树 系统，其控制装置设置在平台上。
油井钻探和生产期间使用的部件，无论何种位置和设计，均遭受腐蚀、 磨损和疲劳。例如，对于海上钻井和生产，所使用的部件和设备经受动态 环境，在这种环境下近地表和地下潜流可引起弯曲、拉伸和/或旋转应力。 在典型的深水海上生产中，例如，立管在位于海平面的浮式平台和位于海底的井口之间延伸。由于井口静置于海底，而立管和平台或钻机是活动的， 因而所产生的应力可导致生产部件疲劳，生产部件包括浮力装置、应力消
除接头、用于压载或张力管线的系缆环板连接件(pad-eye connections for ballast or tension line)、应力接头、防喷器(BOP)、控井组件、泥浆提升组件 (mudlift module)、压抢配重(ballast weight)以及本领i或已知的其它部件。这 些部件(包括平台处的连接件、立管接头和井口部件)均可能经受由于海上环 境的动态特性而引起的应力和应变。
作为遭受磨损、腐蚀和疲劳的部件的另一实例，在储层油气生产过程 中常使用杆式泵。这种深井泵由游梁式抽油机(waUdng beam pumping unit) 机械起动，游梁式抽油机的一端连接在电源上，而另一端连接一串钢杆(例 如抽油杆)上，钢杆相互连接形成伸入井内的钻柱，钻柱的另一端连接在深 井泵上。在泵送过程中，由杆构成的钻柱进行往复运动或旋转运动，这可 能引起钻柱偏转。抽油杆由于与生产油管内壁的摩擦接触而遭受磨损。尽 管流体环境起到润滑剂的作用，但抽油杆表面还是发生磨损。另外，組装 过程中使用的工具，例如用于钻柱定心的工具，可能造成杆表面的磨损。 对于产烃井，流体包含可能对杆表面具有附加的磨损作用的溶解盐类和未 溶解矿物。在发生磨损的同时，抽油杆中的金属遭受井下化学物质引起的 强腐蚀性侵蚀。这些杆在其整个使用寿命中还经受极高的循环轴向拉伸并 可能经受轴向疲劳。
除了以上简要描述的动态应力、磨损应力和腐蚀应力以外，油田部件 还可能经受钻井和生产过程中遭遇的高温高压所引起的疲劳。钻井过程包 括穿透各种地下地质结构或称为"地层"的层。有时，井筒将穿透地层压力明 显高于井筒中压力的地层。在出现这种情况时称井已"溢流"。伴随溢流出现 的压力升高通常是由地层流体(可以是液体、气体或它们的组合)流入井筒所 引起。压力较高的溢流往往从进入井筒的位置向井口蔓延(从高压区域向低 压区域)。正常的工作压力和高压溢流致使油田部件经受额外的疲劳。
过去，经受疲劳负荷条件的油田部件由单一的金属合金制造。常用的 合金一般是低合金钢，对低合金钢进行热处理加工以获得适于负荷条件的 机械性能。使用高强度镍基合金制造这些部件通常就成本而言是不允许的。
在很多情况下，这些油田部件可能需要满足油气田金属部件的设计标 准，例如针对金属经受各种环境组合物、pH、温度和H2S分压时的性能，NACE国际组织(前身为美国腐蚀工程师协会，National Association of Corrosion Engineers)和欧洲腐蚀联合会(European Federation of Corrosion)确 立的要求。例如，对于调质状态的低合金钢，NACEMR0175将部件的最大 硬度限制为洛氏C 22或布氏237。
对于大多数低合金钢，在NACE最大硬度限制下能够达到的最大屈服 强度为约80,000-90,000 psi。极少数低合金钢能够在具有任意便于使用的大 尺寸的截面厚度上实现这种屈服强度和硬度的组合。例如，当截面厚度大 于四至六英寸时，很多低合金钢在热处理时不能够通过调质在其整个截面 厚度上达到所需的机械性能。
由于爽劳寿命可能受到相对材料的屈服强度作用于材料的应力量的影 响，因而当外加应力超过材料屈服强度的50。/。时许多材料表现出较短的疲 劳寿命。因而，如果部件用于如NACE MR0175所定义的疲劳负荷条件， 则可将容许外加应力限制为50至65 ksi或以下
如果在这种应力水平下发生疲劳失效，则除了通过降低作用于部件的 负荷来降低外加应力以外没有其它可以采取的措施。因为在不超过NACE
MR0175要求的最大硬度值的情况下不可能明显提高合金的机械强度，所以 降低外加应力是此前能够采取的唯一方案。另外，疲劳强度还取决于延展 性。由于延展性和强度是成相反关系的材料性能，因而通过提高材料强度 提供疲劳性能可能达不到预期目的。
疲劳失效是材料表面或紧邻材料表面处高的拉伸应力引发的现象。因 而，采用表面改性处理，例如喷丸硬化、通过渗氮或渗碳表面硬化以及火 焰硬化或感应硬化(induction hardening),通过使表面保留残余压应力，来提 高材料的疲劳强度。由于部件具有压力残余负荷时裂紋比较难于引发和/或 扩展，因而表面包含残余压应力的部件不易疲劳失效。
尽管这些表面改性处理可有助于减少或消除疲劳失效，但喷丸硬化和 渗氮限于表面，而渗碳以及火焰或感应硬化通常不能够改进材料性能达到 表面以下大于约0.050英寸的深度。另外，对于设备用于防酸性气体腐蚀或 海水环境而言，这些表面改性方法可能与NACE MR0175的要求不一致或 背离NACE MR0175的要求。例如，表面或近表面处产生的硬度可能超过 〃琉化物或氯化物应力腐蚀开裂的阈值。
如上所述，油田部件的寿命还可能受到腐蚀如暴露于H2S的影响。多
6年来，油田工具业(oil tool industry)的部件仅仅在环形槽、密封区和润湿表 面上进行包层覆面，来避免井筒液对基体金属的损害。例如，美国专利No. 6,737,174披露了表面被铜合金覆盖的抽油杆。在其它包层覆面方法中，施 用厚度通常为0.060至0.187英寸的耐腐蚀合金(CRA)包层，例如镍基合金 625(即铬镍铁625),以保护基体金属免受腐蚀性侵蚀。其它CRA也可用于 这些应用，但工业上基本统一使用合金625进行石油工具设备的CRA包层。 此前，除了保证包层材料的强度等于或大于基体金属的强度以外，对包层 材料的强度未给予任何关注。
期望获得使用寿命延长的油田零部件，包括经受高温、腐蚀性流体、 高应力水平和/或疲劳负荷条件(包括循环负荷条件)的部件。因而，需要在 各种极端工作条件(包括疲劳负荷条件)下具有改善的性能的油田部件。
在现有技术中，闸板式和套筒式环空BOP主体以及附属设备通常制造 用于高达15,000 psi的工作压力及高达250。F的温度。套筒式环空防喷器的 实例披露于美国专利No. 2，609，836和5,819,013,在此引入它们的全部内容 作为参考。闸板式防喷器的实例披露于美国专利No. 6,554,247、 6,244,560、 5,897,094、 5,655,745和4,647,002，在此引入它们的全部内容作为参考。可 使用单个经粗加工和热处理的低合金钢锻件或使用经粗加工、热处理并工 艺焊接在一起的多个低合金钢锻件制造BOP主体。铸件与锻件一样已经或 仅仅可能用于制造在这种工作条件下使用的闸板式BOP主体。
在现有技术中，对可由F22低合金钢制造的一体式单、双或三闸板BOP 主体进行淬火和最终回火，以满足最终的材料规格要求。或者，可通过将 经淬火和最终回火的改性8630低合金钢部件焊接在一起，制造装配式BOP 主体。然后将主体机加工为近终形，并使用耐腐蚀性合金如AISI 316奥氏 体不锈钢或镍基合金625在API环形槽、阀盖面(bonnet face)、内部顶盖密 封区以及工程图纸上指定的其它区域中进行焊接覆面。
在工艺焊接和/或覆面焊接之后，按照常规，根据制造部件所用的钢号 在一定的温度下对BOP主体进行焊后热处理(PWHT)。PWHT的目的主要在 于将焊接部位的热影响区(HAZ)的硬度降至NACE MR0175要求的最大硬度 等级HRC 22或布氏237，以获得抗硫化物应力腐蚀开裂(SCC)性能。
控制焊接规定(controlling welding specification) ， ASME Section IX要求 这种PWHT在低于基体金属本身回火温度的温度下进行。PWHT搡作往往降低了基体金属的机械性能，并且限制了在基体金属的机械性能水平降至 部件所需的基体金属最低要求以下之前特定BOP主体可焊接和焊后热处理
的时间。在进行了 PWHT操作之后，将主体精加工为最终的空间构造。
如本文所详细说明的，可改变现有的制造工艺，以使用高强度、时效 硬化、耐腐蚀性合金CRA选择性强化一体式主体的覆盖BOP主体中地表 或近地表高应力的区域。这种改变可允许制造在高于15,000 psi的工作压力 和350°F以上的工作温度下4吏用的BOP主体。
然而，如上所述，在采用现有的制造方法的情况下，PWHT温度足以 获得所要求的最大HAZ硬度值，但PWHT温度对于时效硬化CRA覆面材 料获得所要求的机械性能而言过低。如果为了达到CRA覆面材料的机械性 能而升高PWHT温度，则PWHT温度可能等于或超过BOP主体的F22基 材的回火温度，这是ASME Section IX所不允许的。
例如，当用于包层覆面焊接熔敷的CRA填充金属为铬镍铁725且基材 为F22低合金钢时，F22钢必须在1150°F (621。C)的最低温度下进行焊后热 处理4至8小时或以上。对截面厚度在8英寸以上的F22低合金钢进行调 质，以达到85,000 psi的最小屈服强度。为达到所述最小屈服强度，需要在 150。F至I250°F(621°C至677。C)的回火温度下历经8至10小时或以上。然 而，由于铬镍铁725为时效硬化合金，因而为了达到最小屈服强度为约 120,000 psi的机械性能，铬镍铁725必须在1200。F(649。C)下时效最短8至 24小时。所有这些不同的回火温度和时间、PWHT温度和时间、以及时效 硬化温度和时间可能互相冲突。
如果如上所述按照常规对基体金属进行淬火和最终回火，则铬镍铁 725的时效硬化温度和时间将使F22基体金属进一步回火，可能使F22基体 金属的机械性能降至最低规定要求以下。如果如上所述对F22上的铬镍铁 725焊缝接头进行PWHT,则能满足最大HAZ硬度并保持F22的机械性能， 但铬镍铁725焊接金属可能不能够达到在覆面中所需的机械性能。
因而，需要获得下述部件的制造方法，该部件满足供油田使用时对基 体金属和包层覆面两者的HAZ硬度和机械性能的要求。

发明内容
一方面，本发明涉及油田部件的制造方法，该方法包括使用时效硬化包层材料选择性强化基材，以及使包层材料在选定的温度分布下历经选定 时间的时效硬化，其中时效硬化产生具有选定强度梯度的包层材料。
另一方面，本发明涉及闸板式防喷器的主体，该主体包括低合金基材、 穿过主体的垂直孔、穿过主体与垂直孔交叉的水平孔，其中使用包层材料 选择性强化主体的至少一部分，并且其中使包层材料在选定的温度分布下 历经选定时间的时效硬化，从而产生具有选定强度梯度的包层材料。
通过以下说明和所附权利要求，其它方面和优点将显而易见。


图1示出根据本发明实施方案经受外加负荷和边界条件的整个模型的 半剖视图。
图2示出根据本发明实施方案经受15 ksi的压力的图1所示模型的有 限元分析结果。
图3示出根据本发明实施方案经受20 ksi的压力的图l所示模型的有 限元分析结果。
图4示出根据本发明实施方案经受25 ksi的压力的图1所示模型的有 限元分析结果。
图5示出根据本发明实施方案经受20 ksi的压力和350°F的内部溫度
的图1所示模型的有限元分析结果。
图6是根据本发明实施方案强化的凸缘颈的截面图。
图7是根据本发明实施方案制造油田部件的方法的方框图。
图8A和8B是根据本发明实施方案具有各种包层嵌体构造的基材的示意图。
图9A和9B比较根据本发明实施方案通过强制冷却选择性热处理包层 嵌体的模拟结果和通过基材的自然对流冷却选择性热处理包层嵌体的模拟 结果。
图IO示出根据本发明实施方案在选定的温度分布下包层材料历经选定 时间的时效硬化可产生的强度梯度。
具体实施例方式
一方面，本发明涉及制造或强化油田部件的方法。另一方面，本发明涉及经选择性强化的油田部件的热处理，以减少或消除应力和/或疲劳失效。 再一 方面，本发明涉及油田部件的选择性强化区域的选择性热处理。
如本文所用，"油田部件，，是指凸缘、阀盖、双端凸缘管、应力接头、 防喷器、抽油杆、水下油井组件、阀门(如节流阀)、阀体、井头及钻井和油 气生产常用的其它设备和部件。本领域技术人员应当认识到，尽管没有具 体披露或详细描述，但本发明还可应用于其它油田部件。
部件设计和分析
在试压、运输、安装和工作过程中，油田部件经受基于疲劳负荷条件 的应力和应变，其中大多数疲劳负荷条件可连续、半连续或循环出现。负
荷条件可包括热负荷、压力负荷或机械负荷。例如，当井筒较热(例如300 。F) 并设置于10,000英尺32。F的水中时可能出现热负荷。压力负荷可能由向外 作用于油田部件的内(井筒)压造成或者由向内的静水(例如水下)夕卜压造成。 此外，机械负荷可能包括阀盖和凸缘螺栓的紧固预加负荷、轴向拉伸和压 缩负荷、挠矩。因而，负荷条件可包括内压、外压、轴向拉伸、轴向压缩、 纵向拉伸、纵向压缩、轴向挠矩、纵向挠矩、提升拉伸和挠曲、温度极限 以及其它负荷状态中的至少一种。在这些负荷条件下作用于设备的局部应 力状态的强度对设备的循环寿命可具有显著的影响。对经受各种疲劳负荷 条件的油田部件的性能进行分析可改善油田部件的设计和/或性能，从而延 长油田部件的使用寿命。
有限元分析(FEA)是对过于复杂而不能够通过严格的分析方法分析的 结构件或部件中的应力和应变进行分析的有效且强大的方法。采用FEA, 将结构件或部件分解为各种类型、尺寸和形状的大量小单元(数量有限的单 元)。假定所述单元具有简化的变形模式(线性、二次等)并通常在位于所述 单元的角或边上的"节点"处连接。然后，运用结构力学的基本原理，即 力的平衡和负荷的连续性，得到大型联立方程系统(网格)，来数学组装所述 单元。
可借助于计算机求解该大型联立方程系统，得到负荷作用下结构件或 部件的变形形状，可基于此计算应力和应变。4丸4亍这种FEA的合适软件包 括ABAQUS (可购自ABAQUS, Inc.) 、 MARC(可购自MSC Software Corpomtion)和ANSYS (可购自ANSYS， Inc.)等。可采用本领域已知的任意形状的有限元。然而，六边形单元通常高度稳定且在模拟模型中的高应力 和应变时可能较为有利。
可采用简化的油田部件设计和/或模型，以有助于油田部件的分析。例 如，可通过"平滑化"复杂的部件设计，简化对该设计的应力和应变集中的分 析。如本文所用，术语"平滑化"是指简化设计的复杂几何结构以用于FEA 的各种方法。例如，可改进内角来尝试减小或消除其半径，以简化随后构
建的模型。这些方法可允许平滑模型(即由平滑设计构造的FEA模型)的分
析与确定结果相关联并收敛于该确定结果(对未经平滑化的模型进行分析时
不可能)。因而，可通过FEA分析由平滑设计构造的模型，来确定整体或体 积应变状态。可通过分析体积应变，来预测各种疲劳负荷条件下油田部件 的性能和可能发生的失效。
FEA的一个目的可能在于隔离高应力或应变区域并确定趋于降低循环 寿命的区域。分析各种疲劳负荷条件下部件的性能所得到的有限元分析结 果可用于确定油田部件中经受疲劳失效的区域。 一旦确定经受疲劳失效的 区域，即可重新设计这些区域，或者可标记出这些区域来进行冶金加工， 例如随后将进行描述的选择性强化。
应确定部件可能的负荷状态或疲劳负荷条件以输入FEA。如上所述， 所述负荷状态或疲劳负荷条件可包括正常工作压力、高压溢流、提升拉伸 和挠曲、温度极限以及其它负荷状态。疲劳负荷条件的数据应包括典型值 或预期值以及最大和/或最小值和这些负荷变化的频率，以能够进行完整的 分析。
还应确定用于形成油田部件的基材的性能，从而确定最大容许应力峰 值(SB峰值)。可通过经验试验确定材料性能，或者可供选择地，可由商购 材料的性能数据提供材料性能。例如，可基于在NACE环境下(即NACE国 际组织针对油气田设备试验确立的环境)进行的现场试验确定所述值，应力 应满足循环寿命要求并且小于发生硫化物应力腐蚀开裂时的应力。
更具体地，可确定基材的拉伸性能。材料的拉伸强度是失效前材料可 能经受的应力(拉伸)最大值。当应力作用于材料时，材料产生应变以适应该 应力。 一旦对于该材料而言应力过大，则该材料不能够再产生应变，从而 失效。将材料的失效点称为极限拉伸强度。
然后，可采用基于FEA的方法，利用负荷条件和材料性能对油田部件进行分析。应认为设计和工作负荷的所有排列生成部件的完整分析结果。 还应使用根据温度降低额定值的合适螺栓预加负荷和材料性能数据。
生成油田部件的模型(即联立方程的网格)以用于有限元分析。可生成具 有特定设计特征的部件三维模型。可选择这些设计特征以产生特定的性能 特征。因而，生成模型还可包括下述步骤输入部件设计以生成模型并平
滑化所输入的设计。可将各种平滑化方法应用于设计以简化FEA分析。可 通过计算机辅助设计(CAD)程序包(例如购自Autodesk, Inc.的AutoCAD和购 自Parametric Technology Corporation的Pro/Engineer)才艮寸居i殳计生成冲莫型,并 将该才莫型输入FEA程序包。可供选4奪地，可通过FEA程序包(例如ABAQUS 和PATRAN)本身生成模型。
接着，可采用模型通过FEA模拟作用于部件的负荷条件。优选地，这 些模拟疲劳负荷条件反映油田部件在正常使用时可能经受的负荷状态或应 力。此外，在对作用于模型的疲劳负荷条件进行模拟之后，可分析所述负 荷条件下的应力曲线图，该应力曲线图示出了油田部件模型中出现的应力 和变形。应力曲线图可确定并示出在作用于油田部件的模拟负荷条件下油 田部件模型中出现应力的位置和大小。
可分析和评价应力曲线图以确定模型的性能和特征。如果可进一步改 进模型，则可生成另一模型或者重新生成(改进)当前的模型。由此得以通过 FEA进一步模拟模型，以确定进一步改进或模型化之后模型的性能。另夕卜， 如果认为模型能够接受且满足任意和/或所有特定标准，则可如下所述将该 模型用于制造油田部件。
FEA才莫拟实例
现参考图1，示出了包括适当设计的18X英寸闸板式BOP的三维模型 的实例。基于ASMESectkm-VIIIDiv-3标准，设计了用于高压高温(HPHT) 或超高压高温(XHPHT)应用的BOP模型。在应用上述方法之前，对BOP主 体的几何结构进行了设计，以满足高压(15ksi以上)和高温(250。F以上)应用 的所有主要标准。基于ASMESection-VIIIDivsion-3标准，认为针对井筒压 力高达25 ksi且井筒温度高达350。F的结构负荷对受验BOP进行了适当地 设计。模型化和对模型的分析结果可更加有利于任意现有的BOP设计，使 得硫化物应力腐蚀断裂、SSCC或与腐蚀相关的极限条件由适用于NACE环境的较高强度材料的选择性焊接包层来应对。
对于受验的XHPHTBO，，选择了最小材料屈服强度为85 ksi的F22材 料。由于必要的后焊接热处理(PWHT)将降低屈服强度，因而可认为材料最 终的最小屈服强度为80ksi。对于SSCC或NACE环境，基于TM0177方法 A,完成了适当的材料试验。基于工业经验和可获得的试验数据，观察到在 TM0177方法A试验中样品在80%的屈服应力水平下失效。基于此，对于 F22材料，认为0.W的最小屈服应力或64ksi的上限是可以接受的。
针对三种不同的最大工作压力，即15 ksi、20 ksi和25 ksi的井筒压力(没 有热负荷)，对BOP进行了分析。还考虑350。F的热负荷以及如上所述的其 它负荷，对井筒压力为20ksi的情况单独进行了分析。
图1示出了用于分析的典型负荷和边界条件。如图所示，井筒压力为 24.45 ksi(与外压相差20 ksi),井筒温度为350。F，外部温度为37。F。结合可 能的负荷条件，对受验BOP进行了有限元分析(FEA)。负荷包括井筒压力、 上部拉伸和挠曲负荷、压力终端负荷。
在图2至5中以塑性等效应力(von mises stress)VMS曲线图的形式示出 了有限元分析结果。对于图2至5中的VMS曲线图，使用64ksi的较低边 界应力隔离所有应力较高的区域。在所有这些附图中仅示出了大于64 ksi 的应力区。图2示出了井筒压力为15ksi时(没有热应力)整个模型的半剖面 上的应力。图3示出了井筒压力为20ksi时(没有热应力)类似的曲线图。图 4示出了井筒压力为25ksi时(没有热应力)的VMS应力。
图5示出了井筒压力为20 ksi且同时考虑350。F的热负荷(井筒表面温 度)时的VMS应力。将通过独立的CFD分析计算得到的对流传热系数hf应 用于暴露于海水的区域。
FEA分析的结果表明最高应力出现在BOP的没有施加热负荷的孔侧。 施加的压缩热应力明显降低了内应力，但外应力增加。认为外应力区域受 SSCC(或NACE相关)约束条件的影响最小。模型表明热应力状态是高压 (HPHT)应用的不守恒情况，特别是考虑到符合NACE材料要求。
接着，观察到受-睑BOP适合井筒压力为15 ksi的NACE应用。除VMS 应力大于64 ksi的一些局部位置外，整个BOP堆叠体适用于NACE环境。 对模型、精制网格的极小改进可消除这种极小的高应力(大于64ksi)位置。
分别如图3和图4所示，对于20ksi和25ksi的井筒压力，结果中大于64 ksi的VMS应力区清晰可见。这些应力曲线图确定了大于64 ksi的高 VMC应力区的位置和深度。对于20ksi的井筒压力FEA,最高应力保持低' 于108 ksi,对于25 ksi的井筒压力FEA,最高应力保持低于112 ksi。在BOP 上部的凹槽区域周围，观察到应力超过112ksi的小区域。对整个组件的分 析表明顶部配合凸缘的刚度和螺栓预加负荷造成的接触应力降低了这种峰 值应力。保持120 ksi的最大VMS应力以适于井筒压力为25 ksi的应用。
可计算VMS应力曲线图所示出的高应力区的深度。NACE相容材料， 如最小屈服强度为120 ksi的铬镍铁725，可具有108 ksi的90%屈服强度 (0.9xl20^108)且满足TM0177方法A试验。因而，可使用强度较高的耐腐 蚀合金选择性包覆这些区域中的基材，已证实所述合金满足NACE MR0175/ISO 15156的要求。
FEA结果另外表明材料的局部应力出现在18%英寸的通孔处或该通孔 附近距离闸板式BOP主体的ID表面0.250至0.500英寸以内的位置。可利 用符合NACE MRO175的较高强度材料覆面包覆受影响的高应力区域。
包层覆面的厚度可能不需要超过0.375英寸来覆盖可能接近75,000 psi 的局部应力。厚度足以覆盖局部应力且最小屈服强度为120,000 psi的包层 覆面可能能够使局部应力保持低于基体金属所要求的包层最小屈服强度的 三分之二。可通过上述多种不同的方法实现较高强度材料的覆面。
选择性强化
如上所述的数值方法(例如FEA分析)的目的包括确定、隔离和突出油 田部件中经受疲劳失效的区域。例如，可确定可能导致在NACE环境下早 期失效的应力状态。FEA结果可用于生成应力和应变曲线图，来确定部件 中经受疲劳失效的区域。
例如，这些曲线图如图2-5所示的那些可用于隔离应力超过基材屈服强 度的90%的区域。鉴于对油气田设备提出的性能和试验要求，应特别注意 超过屈服强度的90%的区域。例如，对于腐蚀性(NACE)环境，设计编码可 将最大应变限制为材料屈服强度的90%，使得可维持设计循环寿命。应力 可超过基材屈服强度的90。/。的区域包括底座槽(seat pocket)、阀盖附近的 BOP槽和BOP内孔(垂直孔、水平孔、垂直孔和水平孔的交叉部分)。所述 结果还可用于计算超过屈服强度的90%的高应力区域的深度。在制造油田部件时可改进所确定的经受疲劳失效的区域。例如，可在 空间图像或图纸中标出所述区域，注明经受疲劳失效的高应力区域的深度 和横向范围(长度和宽度)。可绘出轮廓图，示出局部应力区域的长度、宽度 和深度。例如，可将疲劳区域的表面位置转移至适当的制造图纸上。然后， 可利用与基材冶金学结合的强度较高的材料，选择性强化所确定的疲劳区 域。
在一些实施方案中，可通过表面替代方法(surface substitution method) 減少或帮助避免疲劳失效。例如，如果将一定深度的低合金钢部件基体金 属除去，由强度较高的材料代替并与基体金属形成冶金学结合，则可减少 或消除疲劳失效。强度较高的合金可以是便于使用者选择的表现出油田零 部件设计所要求的强度、延展性和耐腐蚀性的任意合金。
强度较高的材料可包括其它低合金钢或强度和/或耐腐蚀性高于低合金 钢基体金属的中合金钢，并且能够在外加应力与屈服强度之比较低的情况 下耐受外加应力。降低强度较高的材料的外加应力与屈服强度之比可降低 外加应力引发疲劳开裂、疲劳裂紋扩展和最终疲劳失效的趋势。例如，高 强度合金如合金625可用于代替低合金基体金属并与低合金基体金属结合。 可代替基体金属的部分厚度达0.500英寸或以上的包层合金的选择可基于 包层所用合金的外加应力与屈服强度之比作出。
在一些实施方案中，可利用内嵌包层(inlayclad)选择性地强化基材。在 其它实施方案中，可利用覆面包层(overlay cad)选择性地强化基材。可利用 压力、热量、焊接、钎焊、辊压接合、爆炸结合、焊接覆面(weld overlaying)、 壁纸或它们的组合，结合包层嵌体或覆面与基材。在一些实施方案中，可 使用电弧焊法如埋弧焊接(SAW)法或鴒极惰性气体(TIG)保护焊接法，结合 包层与基材。在其它实施方案中，可使用电弧焊包层法、热等静压包层法(HTP 包层法)、自紧包层法、激光包层法或这些方法的任意组合，结合包层与基 材。在一些实施方案中，可使用一个或多个包层，例如具有两层(基材和包 层)的单包层、双包层(具有3层)或达到7层或更多层的包层。
在一些实施方案中，可利用包层嵌体选择性地强化基材。在各种实施 方案中，包层嵌体可冷缩配合或压力配合于油田部件主体中切削出的凹口 并缝焊/密封焊接于适当的位置。在其它实施方案中，可根据FEA应力曲线 图确定包层嵌体的形状。包层嵌体或覆面的厚度或平均厚度在一些实施方案中可高达0.625英
寸或以上，在其它一些实施方案中可'高达0:75'英寸或以上，在再一些实施 方案中可高达l.O英寸或以上。包层嵌体的平均厚度在一些实施方案中可为 约0.010英寸至约0.75英寸，在其它一些实施方案中可为约0.050英寸至约 0.625英寸，在再一些实施方案中可为约0.]25英寸至约0.5英寸。
在其它实施方案中，由高强度合金制成的压力配合或冷缩配合部件可 结合油田部件使用。例如，在将由高强度合金(例如铬镍铁725)制成的实心
部件(例如凸缘、阀盖、阀体等)压力配合或冷缩配合于主体之后，可将所述 实心部件密封焊接于低强度基体。
在其它实施方案中，可利用与基材冶金学结合的强度较高的材料代替 所确定的疲劳区域中的基体金属。例如，可打磨或机加工高应力区中的基 体金属并利用与基材冶金学结合的强度较高的材料代替高应力区中的基体 金属。
在一些实施方案中，选择性强化是强度较高的材料在基材上的包层覆 面。在其它实施方案中，选择性强化可以是强度较高的材料在基材中的打 磨或机加工凹口中的包层覆面。
包层合金的选择可基于包层合金的耐腐蚀能力(包括应力腐蚀开裂)和 增强其施用及意图保护的油田部件部分的机械强度的能力(例如通过与低合 金基体冶金学结合)。在典型覆面中，例如，期望包层材料的强度至少等于 其所施用的基体金属的强度。即，期望堆焊合金(如合金625)与低合金钢基 体金属(例如屈服强度为75,000 psi的低合金钢)的屈服强度匹配。可施用强 度较高的材料构成的包层，该包层的厚度覆盖该较高强度包层中的局部应 力，从而形成满足油气田部件和设备的NACE或其它标准且同时满足设计 的强度和疲劳要求的油田部件。例如，可制造本发明披露的经选择性强化 的闸板式BOP主体以在高压和高温条件下工作(例如在20,000 psi的最大内 压和较高的设计工作压力下或者局部应力极高的情况)。
在一些实施方案中，基材可以是F22低合金钢，这种钢含有约2重量 %铬和1重量％钼。可供选择地，基材可以是4130或8630改性低合金钢 (modified low-alloy steel)。本领域^支术人员应当理解的是，还可使用具有适 用于油气环境的适宜耐腐蚀性、硬度和拉伸性能的其它材料作为基材。
在一些实施方案中，包层覆面或嵌体可由高屈服强度沉淀硬化耐腐蚀性合金如铬镍铁725或铬镍铁725 NDUR形成。在其它实施方案中，包层 覆面或嵌体可由高屈服强度沉淀硬化耐腐蚀合金如合金718或铬镍铁718 SPF形成。在其它实施方案中，包层覆面或嵌体可由其它沉淀硬化耐腐蚀合 金如17-4PH、铬镍铁625或耐热镍铬铁925形成。本领域技术人员应当理 解的是，其它高强度耐腐蚀材料也可用作包层。优选地，包层材料与基材 相容并且是沉淀硬化合金。
可获得焊丝、粉末或带式填充金属形式的合金用作包层以进行焊接包 层，还可获得粉末形式的合金用作包层以用于HIP包层搡作。还可获得可 用于自紧包层操作的其它形式的合金。
一旦选择了包层法或多种包层法的组合，即可根据FEA应力分析结果 确定包层的最小厚度和位置。包层的所需厚度或深度可根据用于形成包层 的合金、包层和基材之间形成的结合、源自用于结合包层材料与基材的工 艺的包层材料稀释而改变。 一旦确定了经受疲劳失效的区域的值和位置， 即可选择包层合金。可能无需包覆整个油田部件。具体地，可能仅部件的 一部分需要包层。例如，可能仅BOP主体的一部分，包括润湿面、闸板腔 及闸板式BOP主体的节流器和压井侧出口需要包层。此外，可在应力较低 的区域选择性布置明显较小的包层厚度，从而防止与井筒流体接触的区域 腐蚀。
例如，现参考图6，示出了经强化以控制疲劳的凸缘颈的示意图。容器 主体10通过凸缘颈14与一体式凸缘12连接。凸缘颈14可能经受与凸缘 12连接的部件移动、螺栓在螺栓孔16中张紧、孔18中的流体外推作用于 容器主体10的内压所引起的疲劳负荷条件，以及其它负荷条件。凸缘颈14 的外径表面20以及从凸缘颈14穿过壁厚所到达的容器10的内径表面22 常经受高疲劳负荷条件，并可通过上述方法使用包层嵌体或包层覆面24、 26选择性强化。例如，经受疲劳负荷条件的凸缘颈是用于水下井口组件的 闸板式和套筒式环空防喷器主体上的下凸缘。组件中的闸板式和套筒式环 空防喷器主体经受极大的循环弯曲负荷，由此造成凸缘颈上严重的弯曲疲 劳状况。选择性强化可额外赋予经受疲劳负荷条件的区域更大的抗应力腐 蚀开裂性能。
再例如，可选择性强化钻井或生产立管应力接头，以减少或消除疲劳 失效。此前，这种应力接头由高强度钛合金制造，由于钛合金的模量明显低于低合金钢，因而与低合金钢相比钛合金能够耐受更大的挠度。然而， 钛部件极为昂贵且—不其备"疲劳强度，，特性。钢部件表现出疲劳强度，在此疲 劳强度以下部件不会失效，而与循环次数无关，但钛部件将最终失效，而 与循环负荷的大小无关。因而，通过选择性强化低合金钢，可能使用成本 较低的材料制造出能够耐受弯曲和偏转更长时间(即更多循环)的应力接头。
再例如，可选择性强化杆式泵的经受高循环轴向疲劳的抽油杆和其它 部件，以减少或消除疲劳失效。例如在抽油杆的OD表面上使用高强度表面 层也可延长此类部件的使用寿命。另外，高强度耐腐蚀材料可能减少使用 环境产生的任意腐蚀疲劳作用。
再例如，可选择性强化阀体，以减少或消除疲劳失效、减少或消除腐 蚀、和/或以更经济的方式制造。对于一些阀门(例如节流阀)，选择性强化 还可减少或消除节流阀下游(即低压)一侧高速流动造成的侵蚀。
再例如，除凸缘颈以外，防喷器主体也可能经受疲劳并可进行选择性 强化以减少或消除疲劳失效。如上所述，安装防喷器以限制可能受高压溢 流影响的设备。防喷器有数种，其中最常见的为闸板式防喷器和套筒式环 空防喷器(包括球形防喷器)。例如目前制造了各种孔径范围的闸板式防喷
器，这些闸板式防喷器可具有2,000至15,000 psi的工作压力范围。然而， 可能需要在更高压力和更高温度条件下(大于15,000 psi且大于250 。F)^吏用 闸板式防喷器。具体地，可能需要额定工作压力为20,000 psi、 25,000 psi 及更高压力且工作溫度高达350。F或更高的闸板式防喷器。例如，参见2006 年9月28日4是交的Huff和Khandoker的题为"Reinforcement of Irregular Pressure Vessels"的美国专利申请No. 11 /528，873,在此引入其全文作为参考。 在高温和/或高压条件下使用的防喷器的上述FEA结果表明，对防喷器不同 部位如节流器和压井槽(kill pocket)的选择性强化可能使防喷器能够在更高 的温度和压力下使用。
上述数值方法(FEA分析)的目的包括确定、隔离和突出BOP设备中处 于高应力状态或峰值应力(SB峰值)状态的区域。例如，可确定可能导致在 NACE环境下早期失效的应力状态。BOP的FEA结果可用于生成应力和应 变曲线图，来确定容器中高应力集中的区域。
另外，应力和应变曲线图可用于限定油田部件使用的铸件或锻件的临 界截面厚度(critical section thickness) (CST),以准确地确定在选定的温度下合适的热处理时间。将临界截面厚度定义为必须在整个厚度范围内具有某 些蕞低机械性能的部件的最大厚度。例如，压力容器或BOP,的应'力小、壁
厚的部分可能不需要在其整个厚度范围内具有80,000 psi的屈服强度，但较 薄的部分可能需要在该部分的整个厚度范围内具有80,000 psi的屈服强度； 在该实例中，较薄的部分可具有CST。总的热处理时间可包括加和在一起 的第一时间(以分钟/英寸CST计)和第二时间(以小时计)。出于本文的目的， 将第 一 时间称为"保压"时间("dwell" time),将第二时间称为"浸泡，，时间 ("soak" time)。例如，典型的常规热处理时间可包括30分钟/英寸CST的保 压时间和1小时的浸泡时间。在该实例中，CST为IO英寸的油田部件使用 的锻件在选定的温度下需要6小时的热处理时间(即10英寸x30分钟/英寸的 保压时间+ 1小时的浸泡时间)。
此外，应力和应变曲线图可用于隔离应力超出基材屈服强度选定百分 比的区域。例如，具体地，对于用作基材的合金，超过屈服强度80%的区 域可能不能够满足NACE要求(如下所述)，或者在特定应用中例如在内压和 温度的特定组合下工作时可能不能够提供足够的工程安全系数。例如，BOP 中应力可能超出基材屈服强度选定百分比的区域包括底座槽(seat pocket)、 阀盖附近的BOP槽和BOP内孔(垂直孔、水平孔、垂直孔和水平孔的交叉 部分)。这些应力和应变曲线图还可用于计算超出基材屈服强度选定百分比 的高应力区域的深度。
在制造BOP时可改进所确定的高应力区域。例如，可在空间图像或图 纸中标出所述区域，注明超过容许SB峰值应力的高应力区域的深度和横向 范围(长度和宽度)。可绘出轮廓图，示出超出基材屈服强度选定百分比的局 部应力区域的长度、宽度和深度。例如，可将峰值应力区的表面位置转移 至适当的制造图纸上。然后，可利用强度较高的材料选择性强化所确定的 高应力区域。在一些实施方案中，这种强度较高的强化材料可与基材冶金 学结合。
硬化
选择性强化的油田部件，包括凸缘颈、防喷器、抽油杆和其它部件， 特别是暴露于腐蚀性流体的那些，可能需要满足油气田金属部件的设计标 准，例如针对金属经受各种环境组合物、pH、温度和H2S分压时的性能，NACE国际组织(前身为National Association of Corrosion Engineers)和 European Federation of Corrosion确立的要求(包括'NACE MR0175、 NACE TM0177和NACE TM0284)。例如，对于调质状态的低合金钢，NACE MR0175将部件的最大硬度限制为洛氏C 22或布氏237。除了达到选择性强 化区域所期望的屈服强度以外，还必须满足这些硬度限制。
然而，在达到所需屈服强度的同时满足硬度限制可能需要改变目前的 制造方法。焊后热处理温度和时间可能与时效硬化温度和时间相沖突。例 如，在使用镍基耐腐蚀合金(CRA)选择性强化低合金钢基材的情况下，焊后 热处理温度可能足以达到包层覆面焊接过程中热影响区所要求的最大硬度 值，但PWHT温度可能对于使时效硬化CRA覆面材料获得所要求的机械性 能而言过低。
为克服这些对抗的温度和时间要求，开发出制造选择性强化油田部件 的方法，以使基材以及用于选择性地强化基材的材料获得所需的性能。在 一种方法中，油田部件使用的铸件、锻件或热等静压压制件可由包括但不 限于低合金钢的基材制造。适宜的低合金钢可包括但不限于改性4130、 8630 和F22。
然后对基材进行正火。例如，F22低合金钢锻件可于1750°F正火30 分钟/英寸厚度加1小时。如有必要，然后还可将铸件、锻件或热等静压压 制件粗加工为所需的构造。
正火之后，可对铸件、锻件或热等静压压制件进行淬火和快速回火 (Q&ST)以防止开裂。如本文所用，"快速回火"是指轻度软化合金并降低开 裂(特别是所谓的自裂)几率的中低温热处理。例如，由F22制成的部件可进 行达到900-1000。F的Q&ST，历经约30分钟/英寸CST的保压时间和1小 时的浸泡时间。任选地，可在快速回火之后进行上述粗加工。锻造、铸造 以及压制部件可能特别脆，淬火之后的快速回火可允许它们被使用、输运 和/或进一 步机加工而不会开裂。
通常，在常规做法中，可通过正火、奥氏体化、固溶退火、回火、时 效硬化、热处理和本领域已知的其它方法对油田部件使用的铸件、锻件和 压制件进行完全热处理，以在内嵌或外覆CRA材料之前达到所需的最终材 料性能。例如，按照常规做法，在低合金钢例如4130、 8630或F22制成的 BOP主体上的例如凸缘连接件上的环形衬垫槽中焊接内嵌CRA材料例如铬镍铁625之前，对该BOP主体进行完全热处理并至少部分地机加工。在常
规做法中，然后在低于基材回火溫度的某一温度下对这种内嵌BOP主体进
行应力消除(即退火)，以确保保持基材的屈服强度。
根据本文，油田设备中使用的经Q&ST的铸件、锻件和压制件可在没 有完全回火的情况下进行精加工以及使用包层材料进行选择性强化(如上所 述)。 一旦经过选择性强化，即可对包层材料进行精加工(如有必要)以达到 最终的几何形状。另外，在选择性强化之后，油田部件可在选定的温度下 在选定的时间内经历本文称为"最终回火"的热处理单独步骤。在一种实施方 案中，选定的时间介于基材完全回火所需的时间和包层材料时效硬化所需 的时间之间。此外，选定的最终回火可实现下述中的一种或多种(a)达到 基材所需的机械性能，(b)基材和包层材料之间焊缝的热影响区的焊后热处 理，和(c)包层材料的时效硬化(也称为"沉淀硬化")。
在另一种实施方案中，在通过选择性地加热进行最终回火之后，可通 过"附加热处理，，进一步强化包层材料。例如，可使用本领域已知的陶覺电热 毯使包层材料"附加时效"。在包层材料附加时效的示例性实施方案中，使用 陶瓷电热毯加热包层材料表面，使得在包层材料和基材之间建立温度梯度， 从而使基材的温度总是低于最终回火温度(或者，具体地，比最终回火温度 低约50-100°F)。
在另一实施方案中，时效硬化包层材料可用于常规淬火及最终回火油 田部件的选择性强化(如上所述)，然后可如上所述使包层"附加时效"而不影 响"最终"回火。
在一些实施方案中，基材的回火温度和包层材料的时效硬化温度之间 的关系推动了最终回火过程。在一些实施方案中，基材可具有与包层材料 的时效温度相差100。F以内的回火温度。在其它实施方案中，所述两个温 度可相隔75。F或50。F。
因而，在一些实施方案中，所需的回火循环和所需的时效硬化循环两 者所要求的时间使得它们在总的最终回火时间(保压时间加浸泡时间)上是 一致的，从而达到基材和包层两者所要求的性能。在其它实施方案中，回 火循环和时效硬化循环两者所要求的时间使得总的最终回火时间介于所需 的回火时间和所需的时效硬化时间之间，从而可达到基材和包层材料两者 所要求的性能。如上所述，最终回火可实现基材和包层材料两者所需的性能。在一些
实施方案中，最终回欠可使基材达到80ksi至95ksi的屈服强度v'在其它实 施方案中，最终回火可使包层材料达到至少115 ksi的屈服强度。在其它实 施方案中，最终回火可产生基材的最大硬度为HRC22或布氏237的油田部 件。在选定的实施方案中，各部件均满足这些性能。
最终回火温度在一些实施方案中可介于约1200。F至约1300。F之间，在 其它实施方案中可介于约225。F至1300 F之间，在再一些实施方案中可介 于1215F至1225。F之间，在一些实施方案中，最终回火温度可大于基材的 焊后热处理温度。
在一些实施方案中，选4奪性强化油田部件的最终回火时间可以为30至 60分钟/英寸CST"保压"时间加1至2小时"浸泡"时间。在其它实施方案中， 选择性强化部件的最终回火时间可以为30至45分钟/英寸CST"保压"时间 加1至2小时"浸泡，，时间。在再一些实施方案中，最终回火时间可以为38 至42分钟/英寸CST"保压，，时间加约1小时"浸泡"时间。
如上所述，本发明可提供制造选择性强化油田部件的方法。油田部件 可包括使用包层材料选择性强化的基材，该方法可包括于选定的时间和温 度对油田部件进行最终回火，以使基材回火并使包层材料时效硬化。
现参考图7,示出了根据本发明制造选择性强化油田部件的方法的方框 图。制造方法50可包括为油田部件提供基材的步骤52。本领域技术人员应 当理解的是，提供基材的步骤52可包括但不限于基材的锻造或铸造、热等 静压、粗加工以及基材的正火。接着，制造方法50可包括经处理基材的淬 火和快速回火(Q&ST)56。在快速回火56之后，可使用包层材料对基材进行 选择性强化58。选择性强化58例如可包括使用耐腐蚀合金内嵌基材，其中 耐腐蚀合金可具有高于基材的强度。在选择性强化58之后，油田部件(即基 材和包层材料)可经历最终回火60。最终回火60可包括于选定的时间和温 度对油田部件进行最终回火，以使基材回火并使包层材料时效硬化。
最终回火
可根据本发明如下改进上述现有的制造方法。可按照与目前相同的方 式锻造和粗加工闸板式BOP主体，但将改进粗加工BOP主体的热处理。与 目前采取的措施相同，还将在适宜的温度下对主体进行正火和奥氏体化并进行液体淬火。在完成液体淬火之后，改变回火温度，降至更低的值，进 行"快速"^火或中低温回火。如前所述，快速回火的一个目的是 防止经淬火 的低合金钢材料在加工过程中直至最终回火时自裂。
获得经粗加工及快速回火热处理的锻件后，BOP主体即可准备进行焊 接覆面。然后可对BOP主体进行覆面焊接以选择性强化通过上述应力分析 确定的那些区域，可将所述区域转移到工程图纸上。在全部焊接完成之后，
可将BOP主体装入回火炉，以进行最终回火和低合金钢基体上覆面包层材
料的焊缝接头的联合热处理。
最终回火由基体金属的回火构成，以达到材料规格所要求的基体金属
机械性能。回火还可为焊缝接头的HAZ提供PWHT,这是因为回火/时效温 度高于基材/CRA焊缝接头常用的PWHT温度。最后，回火可对高强度CRA 覆面填充金属起到时效硬化热处理的作用。
这种最终回火过程是可行的，这是因为例如在适当选择和处理基材和 CRA覆面的情况下基体金属的回火温度和CRA覆面材料的时效温度可几 乎相同。回火循环和时效硬化循环两者所需的时间使得它们可达到平衡并 获得两种材料所要求的性能。
可使用独立的合格试验试样QTC确定合金的机械性能，可独立于部件 本身对该试样进行热处理，条件是按照API针对用于石油勘4笨生产业的部 件制定的具体标准对试样进行热处理。例如，为验证BOP主体符合材料性 能要求，可由制造BOP主体的同炉钢制造两个合格试验试样QTC。由锻造 主体的同炉低合金钢制造的两个合格试验试样QTC可采用相同的循环温度 和时间与主体锻件同时或独立于主体锻件进行正火、奥氏体化、液体淬火 和回火。其中一个QTC可在获得材料规格所要求的机械性能所需的温度和 时间下进行回火。另一个QTC可与选择性强化BOP—起进行最终回火。然 后可将这些QTC送至机械实验室，进行机械性能试验，以保证基材和包层 材料满足特定的要求。
以这种方式对BOP主体进行最终回火可允许基材和包层材料满足所需 的性能，包括屈服强度、硬度和/或NACE对抗应力腐蚀开裂性能的要求。 另外，CRA嵌体应具有更好的抗轴向或弯曲疲劳失效性能并有助于减少轴 向或弯曲疲劳失效。
例如，如上所述，可按照常规的制造方式制造和加工F22锻件或铸件。但可对热处理进行改进。正火和奥氏体化温度循环和时间以及液体淬火可
保持不变。可将回火温度变为900。F(482。C)至U'加叩('外3。C),可使在该温 度下历经的时间缩短或保持不变。然后可使用铬镍铁725或其它时效硬化 合金或者CRA选择性强化锻造的BOP主体。
一旦完成焊接操作，即可将选择性强化的BOP主体装入热处理炉，以 进行最终回火(可以是联合回火、时效和PWHT),从而使F22基体金属的 HAZ消除应力退火，使铬镍铁725 CRA焊接金属嵌体时效硬化，达到F22 锻件的机械性能。还可使用其它时效硬化合金和/或CRA例如《各镍铁718 SPF (合金718)作为填充金属用于该应用。可根据焊接处理合格记录(PQR) 确定并依据焊接处理规定(WPS)证实最终回火(联合回火/PWHT/时效硬化热 处理)的温度和时间。在完成最终回火之后，可将经过相同处理的QTC送至 冶金学实验室，以确定材料的机械性能并确定材料的机械性能是否满足材 料规格的要求。
由于PWHT和回火循环可与包层嵌体金属的时效硬化同时进行，因而 基体金属的机械性能没有在低合金钢基体金属回火之后单独进行PWHT时 可能出现的任何损失。
在一种实施方案中，闸板式BOP主体锻件由F22合金制造。于1750。F 对粗锻件进行正火，历经30分钟/英寸CST的"保压，，时间和1小时的"浸泡" 时间。然后进行水淬并于900。F快速回火30分钟/英寸CST力。1小时。
任选地，然后对经过淬火和快速回火的闸板式BOP主体进行粗加工， 例如对"焊颈"进行粗加工以便将凸缘焊接在BOP主体上。任选地，然后将 各种附件如凸缘连接件或夹具焊接在Q&ST主体上，这些附件可优选同样 由Q&ST F22合金构成。然后对Q&ST主体进行精加工并^吏用铬镍铁725 内嵌于需要选择性强化和/或改善耐腐蚀性的区域。任选地，进一步加工内 嵌区域。最后，使具有内嵌强化体的精加工主体于1220。F"最终回火，，历经 约40至42分钟/英寸CST的"保压"时间和1小时的"浸泡"时间。经过该处 理之后，F22基材的屈服强度为约85,000 psi,嵌体4各镍铁725的屈服强度 大于115,000 psi。另外，最终回火处理还起到消除焊件热影响区中残余应力 的作用，因而无需附加PWHT。
在另一示例性实施方案中，可由改性8630环形锻件制造套筒式环空 BOP主体，所述^H牛已经过淬火并且已于约900°F快速回火历经30分钟/英寸临界截面的"保压"时间和1小时的"浸泡"时间。Q&ST环可堆叠在一起
并纵向进行全熔透焊接可对—Q&'ST'^P的焊接堆叠体进行机加工并使用 INCONEL 725焊接嵌体材料进行选择性强化，然后于约]260°F最终回火， 历经约30至45分钟/英寸CST的保压时间和约1小时的浸泡时间。 补充时效硬化
如上所述，包层材料可进行补充时效硬化以提高其屈服强度。补充时 效硬化可实现基材和包层材料两者所要求的性能。可选择性地加热包层材 料的至少一部分，在一些实施方案中，包层材料可达到至少15 ksi的屈服 强度，同时基材硬度保持布氏237或以下。
在一些实施方案中可对选择性强化Q&ST油田部件进行补充时效硬 化。例如，如上所述，油田设备中使用的经过Q&ST的铸件、锻件和压制 件可进行精加工，在铸件、锻件或压制件没有完全回火的情况下进行选择 性强化，然后于选定的温度在选定的时间内进行最终回火。然后，经过最 终回火的油田部件可进行补充时效硬化，以进一步强化包层材料，而没有 使基材进一步回火。
还可对经过常M^淬火和最终回火的油田部件进行补充时效硬化。可通 过正火、奥氏体化、固溶退火、回火、时效硬化、热处理和本领域已知的 其它方法对油田部件使用的铸件、4a件和压制件进行完全热处理，以在内 嵌或外覆CRA材料之前达到所需的最终基材性能。然后，经过常规淬火和 最终回火的油田部件可进行附加的时效，以进一步强化包层材料，而不影 响"最终"回火。
在补充时效石更化过程中，可主动冷却油田部件的至少一部分，乂人而使 基材保持低于基材的回火温度。如本文所用，"主动"冷却可包括传导冷却、 强制对流冷却、与介质如活动流体(蒸汽或液体)进行热交换、喷雾冷却(例 如将水喷在表面的一部分上)或本领域技术人员已知的其它冷却方法，不包
括自然对流或静态空气冷却。例如，在包层材料的时效硬化温度大于基材 的回火温度时，可采用主动冷却。
在一些实施方案中，基材可在包层材料选择性时效硬化过程中保持比 基材回火温度低至少50°F;在其它实施方案中低至少75°F;在再一些实施 方案中低至少100。F。
另外，油田部件的选择性强化可能不能够在整个表面上形成厚度均匀
25的包层材料。在一些实施方案中，包层材料的厚度可变化。例如，如图8A
所示，可在包层材料3xr厚的部分进行选择性强化，从而逐渐减小达封基材
34与包层材料30的表面界面32处最小的厚度。在其它实施方案中，可在 包层材料30的厚度均匀或接近均匀的位置处，甚至如图8B所示在与基材 34的界面32处，进行选择性强化。
在包层材料进行附加时效的情况下，选择性地加热包层材料的整个表 面可能使得基材在界面32处或接近界面32处超过基材回火温度。为避免 界面或接近界面处超过基材回火温度，补充时效硬化可包括仅对包层嵌体 的一部分进行选^奪性地加热。例如，如图8B所示，可选择性地加热包层嵌 体30的中心部分36,其中通过传导可时效硬化包层材料30的外围部分， 同时使基材34在界面32或接近界面32处的温度保持低于基材34的回火 温度。以这种方式，基材34即使在与包层材料30的界面32处仍可保持237 或以下的布氏硬度。
现参考图9A和9B,示出了 FEA模拟的结果，进行FEA模拟以研究 补充时效硬化过程中对包层嵌体进行主动冷却和静态空气冷却的差异。在 该实例中，对厚度为12英寸、内径为19英寸的F22圓柱体进行了 FEA模 拟，该F22圆柱体的内径上施用了 0.5英寸铬镍铁725构成的包层嵌体。为 了简化模型，假设嵌体具有均匀的厚度。将包层嵌体的表面设定为1350°F， 并使圓柱体外表面的温度基于主动冷却和静态空气冷却而改变。
如图9A和9B所示，静态空气冷却可使外壁温度为约800。F，而主动 冷却可使外壁温度保持75。F的低温。更重要的是，主动冷却可使基材在与 包层材料的界面处(0.5英寸深)保持低于基材的回火温度的温度U80。F。与 之相对，静态空气冷却使得基材超过回火温度。这些模拟结果表明主动冷 却可提供补充时效硬化包层嵌体的方法，同时使基材保持低于基材的回火 溫度。
在选定的实施方案中，在补充时效硬化过程中，可将包层材料的至少 一部分选4奪性地加热至约1250。F至1400°F。在一些实施方案中，在补充时 效硬化过程中，油田部件表面的至少一部分可保持在250。F或以下；在其 它实施方案中保持在200。F或以下；在其它实施方案中保持在150°F或以下； 在其它实施方案中保持在100。F或以下；在其它实施方案中保持在75。F或 以下；在其它实施方案中保持在50。F或以下。温度分布f强度梯度
如上所述，在一些实施方案中，油田部件如闸板式防喷器可用于高压 或高压高温环境。因而，油田部件可能需要满足距离表面特定深度处的最
小屈服强度要求。例如，对于额定工作压力为20,000 psi的18%英寸闸板式 防喷器，可能要求闸板在距离内径约0.375英寸的深度处具有120 ksi或更 大的最小屈服强度。更高的额定压力可能要求在特定深度处具有更大的屈 服强度。如上所述，可利用FEA模型确定所需的额定压力下对特定深度处 的最小屈服强度要求。
必须在没有使基材超过最大容许硬度的情况下达到特定深度处所要求 的最小屈服强度。可利用包层材料的补充时效硬化，达到基材和包层材料 两者的所需性能，如上所述，补充时效硬化可包括选择性加热和主动冷却。
为达到特定深度处所需的包层材料最小屈服强度，可在选定的温度分 布下使包层材料历经选定时间的时效硬化。以这种方式时效硬化可产生具 有选定强度梯度的包层材料。"选定的温度分布"是指经由选择性加热和任 选的主动冷却在油田部件内形成所需的温度梯度，使得包层材料时效硬化 以进一 步强化包层材料而没有使基材进一步回火。由于在油田部件中建立 了温度分布，因而包层材料时效硬化达到不同的程度，进而在包层材料中 产生强度梯度。因而，"选定时间"是指基于选定的温度分布和特定深度处 的最小强度要求足以使包层材料时效硬化达到特定深度所需强度的时间。
在一些实施方案中，可在选定的温度分布下使选择性强化Q&ST油田 部件历经选定时间的补充时效硬化。例如，如上所述，油田设备中使用的 经Q&ST的铸件、锻件和压制件可在没有完全回火的情况下进行精加工以 及选择性强化，然后在选定的温度下历经选定时间的最终回火。接着，经
强化包层材料而没有使基材进一步回火，进而产生具有选定强度梯度的包 层材料。
经过常规淬火和最终回火的油田部件也可在选定的溫度分布下进行历 经选定时间的补充时效硬化。可通过正火、奥氏体化、固溶退火、回火、 时效硬化、热处理和本领域已知的其它方法对油田部件使用的铸件、存殳件 和压制件进行完全热处理，以在内嵌或外覆CRA材料之前达到所需的最终
27基材性能。然后，经过常规淬火和最终回火的油田部件可进行补充时效硬 祀'，以进一步强化包层材料而没有使"最终回火，，基材进4步回火，进而 产生具有选定强度梯度的包层材料。
选定的强度梯度可包括特定深度处的最小强度。例如，在一些实施方
案中，包层材料在其表面处可达到至少125ksi的屈服强度。在一些实施方 案中，包层材料在其表面处可达到至少130ksi的屈服强度，在其它一些实 施方案中，包层材料在其表面处可达到至少135ksi的屈服强度，在再一些 实施方案中，包层材料在其表面处可达到至少140ksi的屈服强度。
在一些实施方案中，包层材料在约0.375英寸的深度处可达到至少115 ksi的屈服强度。在一些实施方案中，包层材料在约0.375英寸的深度处可 达到至少120ksi的屈服强度，在其它一些实施方案中，包层材料在约0.375 英寸的深度处可达到至少125ksi的屈服强度，在再一些实施方案中，包层 材料在约0,375英寸的深度处可达到至少135 ksi的屈服强度。在一些实施 方案中，包层材料在约0.4375英寸的深度处可达到至少120 ksi的屈服强度， 在其它一些实施方案中，包层材料在约0.500英寸的深度处可达到至少120 ksi的屈服强度，在再一些实施方案中，包层材料在约0.5625英寸的深度处 可达到至少120ksi的屈服强度。因而，最小屈服强度和特定深度可根据所 采用的设计标准(例如规定)而改变。
产生的强度梯度。为了简化附图，假设最终回火最小屈服强度为85ksi的基 材制成的圓筒厚12英寸，内径为19英寸，且该圆筒的的内径上施用了 0.75 英寸的均匀包层。
为生成选定温度分布图，采用主动冷却以使外壁温度保持在75°F,选 择性加热包层，使表面温度达到1350。F。在选定的温度分布下历经选定时 间的热时效可形成产生所示强度分布的包层材料。包层材料的表面可达到 至少135ksi的最小屈服强度，而包层材料可达到至少120ksi的最小屈服强 度。基材在其整个厚度上(即曲线上相应于距基材和包层材料之间界面0.75 英寸处以右的部分)均保持低于1100。F的温度，该温度低于基材的回火温 度，因而未引起基材的补充时效硬化。
图IO的简图示出了强度分布的实例，这种强度分布可能由非特定包层 覆面金属的选定温度梯度引起。实际产生的强度梯度可能取决于包层选用定时间。可根据本文的教导控制这些变量以产生选定的包层材料强度梯度。 本申请披露的实施方案和方法可有利地通过FEA生成和分析油田部件 模型，采用应力和/或疲劳分析，以确定在特征在于大量应力的疲劳负荷条 件下部件的响应。然后可利用所得到的分析结果改进部件设计、改善部件
在疲劳负荷条件下的性能。
有利地，本发明可提供基于ASME Section-VIII Div-3或类似的高压高 温设备设计原则建立整个油田部件设计的方法。部件可满足NACE峰值应 力和循环寿命要求。本申请披露的方法和实施方案可提供工作寿命延长的 油田部件。例如，可模型化反复压缩、弯曲等模拟疲劳负荷条件下的油田 部件，以确定可延长油田部件工作寿命的设计特征。
有利地，本发明可提供制造油田部件的方法，与试图由可满足NACE MR075要求的实心高强度耐腐蚀合金或其它金属制造部件相比，该方法成 本较低。鉴于包层以下距离井筒流体润湿表面0.250至0.500英寸处的主体 的机械强度可能明显低于经受疲劳失效的局部应力区所要求的机械强度， 尤为如此。其它实施方案可强化现有的部件设计，从而可通过使用适用于 油气环境的较高强度材料选择性强化油田部件，来应对硫化物应力腐蚀开 裂或与腐蚀相关的极限条件。
包层合金的选择可主要依据包层的高机械强度并且还可依据包层和基 体之间达到的冶金学结合。包层的额外贡献可能是包层合金赋予油田部件 的耐腐蚀性。包层的另 一贡献在于部件的内表面的任意划痕或凿口不易延 伸到包层深度以下，从而使包层得以继续保护其所沉积的低合金钢基体。 具体地，包层还将继续保护部件以免出现经常在油田部件内腔中发现的孔 蚀。另外，修复包层中的凿口可能比修复低合金钢基体中的类似损伤容易 且成本较低。
另一方面，本发明可有利地提供制造选择性强化油田部件的方法。该 方法可包括于选定的时间和温度对油田部件进行最终回火，以使基材回火 并使用于形成选择性强化油田部件的包层材料时效硬化。该方法可以这种 方式有利地实现基材所需的性能、连接基材和包层材料的焊缝接头的焊后 热处理、以及包层材料的时效石更化。
另一方面，本发明可有利地提供制造选择性强化油田部件的方法，其中该方法包括包层材料的补充时效硬化。在一些实施方案中，可在选定的
式有利地实现包层材料的选定强度或强度梯度而未使基材超过最大容许硬度。
尽管针对数量有限的实施方案对本发明进行了描述，但受益于本发明 的本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明范围的情况下可设计其 它实施方案。因而，本发明的范围应仅受限于所附权利要求。
权利要求
1.一种制造油田部件的方法，该方法包括用时效硬化包层材料选择性强化基材；及使所述包层材料在选定的温度分布下历经选定时间的时效硬化；其中所述时效硬化产生具有选定强度梯度的包层材料。
2. 权利要求1的方法，还包括 分析所述油田部件的第 一模型；确定所述第 一模型在选定负荷条件下的高应力集中的区域； 构建所述油田部件；及其中所述选择性强化包括选择性强化所确定的相应于所构建的油田部 件的高应力集中区域。
3. 权利要求2的方法，还包括确定特定深度处的最小强度要求。
4. 权利要求1的方法，其中所述强度梯度包括特定深度处的最小强度。
5. 权利要求1的方法， 其中所述基材包括全回火的锻件；及其中所述时效硬化包括选择性加热所述包层材料的至少 一部分，以使 所述包层材料时效硬化并使所述基材保持低于其回火温度。
6. 权利要求1的方法，其中所述基材包括快速回火锻件；该方法还包括使所述油田部件在选定的温度下历经选定时间的最终回 火，以使所述基材回火并使所述包层材料时效硬化；及其中所述时效硬化包括选择性加热所述包层材料的至少 一部分，以使 所述包层材料时效硬化并使所述基材保持低于其回火温度。
7. 权利要求1的方法，其中所述包层材料在其表面具有至少135 ksi 的屈服强度。
8. 权利要求7的方法，其中所述包层材料在约0.375英寸的深度具有 至少120 ksi的屈服强度。
9. 权利要求1的方法，其中所述包层材料在约0.375英寸的深度具有 至少120 ksi的屈服强度。
10. —种利用权利要求1的方法制造的闸板式防喷器。
11. 一种闸板式防喷器的主体，包括低合金基材；穿过所述主体的垂直孔；穿过所述主体与所述垂直孔交叉的水平孔；其中所述主体的至少一部分用包层材料选择性地强化；及以产生具有选定强度梯度的包层材料。
12. 权利要求11的闸板式防喷器，其中所述基材具有237的最大布氏 硬度。
13. 权利要求11的闸板式防喷器，其中所述包层材料在其表面具有至 少135 ksi的屈服强度。
14. 权利要求12的闸板式防喷器，其中所述包层材料在约0.375英寸 的深度具有至少120ksi的屈服强度。
15. 权利要求11的闸板式防喷器，其中所述包层材料在约0.375英寸 的深度具有至少120ksi的屈服强度。
全文摘要
一种制造油田部件的方法，包括使用时效硬化包层材料选择性强化基材；及使包层材料在选定的温度分布下历经选定时间的时效硬化，其中时效硬化产生具有选定强度梯度的包层材料。一种闸板式防喷器的主体，包括低合金基材、穿过主体的垂直孔、穿过主体与垂直孔交叉的水平孔，其中用包层材料选择性地强化主体的至少一部分，及其中使包层材料在选定的温度分布下历经选定时间的时效硬化，以产生具有选定强度梯度的包层材料。
文档编号E21B33/06GK101583774SQ200780046582
公开日2009年11月18日 申请日期2007年11月2日 优先权日2006年11月2日
发明者沙菲克·卡恩多克, 菲利普·A·赫夫 申请人:海德里尔美国制造有限责任公司