專利名稱：厚壁鍛件的熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及熱處理厚壁鍛件領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及利用 特定成分的低合金鋼和控制回火以及淬火工藝來熱處理厚壁鍛件。
背景技術(shù)：
井控制是油氣勘探的重要方面。當(dāng)在例如油氣勘探應(yīng)用中鉆探井時(shí)， 安全裝置必須放置在適當(dāng)?shù)奈恢靡苑乐褂捎谂c鉆探活動相關(guān)聯(lián)的意外事 件對人員的傷害以及對設(shè)備的損壞。
油氣勘探中的鉆井涉及到穿透多種地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，或"層"。有時(shí)， 井眼會穿透具有大大高于井眼中保持的壓力的地層壓力的層。當(dāng)這發(fā)生 時(shí)，該井被稱為"遇到井涌(溢流)(kick)"。與井涌相關(guān)聯(lián)的壓力增大基
本上由地層流體(其可以是液體，氣體或其組合)流入井眼中所致。較高 壓力的井涌將會從井眼中的進(jìn)入點(diǎn)向井上(從高壓區(qū)到低壓區(qū)域)傳播。 如果允許井涌到達(dá)地面，那么鉆井液、測井儀以及其他鉆井結(jié)構(gòu)可能會噴 出井眼。這些"噴出物"會導(dǎo)致鉆探設(shè)備(包括，例如，鉆機(jī))的災(zāi)難性 的破壞和井隊(duì)人員的重大傷亡。
因?yàn)榫畤姷奈ｋU(xiǎn)，通常在深水鉆探裝置中在地面或海底安裝防噴器
(BOP)以有效地密封井眼直至能夠進(jìn)行主動測量以控制井涌。BOP可以 這樣被啟動以使得井涌能夠被適當(dāng)?shù)乜刂撇?循環(huán)出"系統(tǒng)。圖1表示現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)形BOPIOI。環(huán)形BOP 101包括外殼102、 具有延伸穿過外殼并設(shè)置在縱軸線103周圍的孔102。密封膠芯105設(shè)置 在環(huán)形BOP101以內(nèi)，并且也在縱軸線103周圍。密封膠芯105包括彈性 環(huán)形體107和多個(gè)金屬嵌件109。環(huán)形BOPIOI由泵入活塞室112的開口 113中的流體致動。該流體施加壓力至活塞117，其向上驅(qū)動活塞117以 在縱軸線103周圍壓縮密封膠芯105。在鉆桿沿著縱軸線103存在的情況 下，密封膠芯105將密封鉆桿的周圍。當(dāng)流體被泵入活塞室的開口 115中 時(shí)，環(huán)形BOP101進(jìn)行類似反向運(yùn)動。然后流體轉(zhuǎn)移向下力至活塞117， 使得密封膠芯徑向擴(kuò)展?？刹鹦额^U9也能夠進(jìn)入密封膠芯105，從而如 果必要的話能夠維修或更換密封膠芯105。
因?yàn)锽OP必須承受高壓，因此重要的是BOP的壁較厚且具有均勻的 機(jī)械性能抗拉強(qiáng)度和硬度。鍛件，比如BOP中使用的鍛件， 一般由已 經(jīng)被熱處理以提高強(qiáng)度和達(dá)到特定的最小機(jī)械性能的低合金鋼制成。低合 金鋼的熱處理通常通過對鋼進(jìn)行正火、奧氏體化、淬火以及回火來完成。 正火涉及加熱鋼至臨界溫度以上達(dá)充足的時(shí)間以精煉鋼的鐵素體粒度，減 小殘留非均勻應(yīng)力并產(chǎn)生更均勻的機(jī)械性能。鍛件然后被允許從正火溫度 在靜止空氣中冷卻。為了獲得最大硬度，金屬在奧氏體化后進(jìn)行液體淬火 處理。奧氏體化包括加熱鋼至臨界溫度以上達(dá)足夠的時(shí)間以將顆粒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn) 變?yōu)閵W氏體以備淬火。在淬火過程中，奧氏體化的金屬被浸入淬火介質(zhì)比 如水、油或聚合物以及在極少的情況下為鹽水的淬火槽，可以劇烈地?cái)噭?該淬火介質(zhì)以達(dá)到臨界的冷卻速度以便實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變成主要為貝氏體或馬氏 體微結(jié)構(gòu)，從而提高金屬的硬度和機(jī)械強(qiáng)度。最后，用于該用途的低合金鋼總是通過再加熱鍛件至較低臨界溫度以下來回火，這降低了淬火金屬的 高強(qiáng)度和硬度并提高了金屬的延展性和韌性?；鼗鹨卜Q為"鋼回火"或簡 稱"回火"。
當(dāng)使用大鍛件來生產(chǎn)壓力容器時(shí)，重要的是在熱處理之后鋼的增大的 強(qiáng)度盡可能在鍛件的整個(gè)截面厚度上都均勻。當(dāng)鋼有許多英寸厚時(shí)難以獲 得均勻的鋼強(qiáng)度。當(dāng)淬火大的鍛件時(shí)，鍛件的與淬火介質(zhì)相接觸的外表面 可具有必要高的冷卻速度以獲得最大限度的轉(zhuǎn)變和附帶的機(jī)械特性。然 而，朝向鍛件中心的內(nèi)部金屬塊的冷卻速率隨著金屬塊離表面和淬火介質(zhì) 越來越遠(yuǎn)而逐漸變慢。因此，在具有幾英寸截面厚度的鋼中，在鍛件內(nèi)部 最深處的金屬塊最難增加金屬的機(jī)械性能和硬度，因?yàn)樵摻饘賶K不能被快 速地淬火并且在許多情況下不能滿足用于產(chǎn)生相轉(zhuǎn)變的最低臨界冷卻速 度。
當(dāng)使用大鍛件來制造壓力容器時(shí)，重要的是在熱處理之后鋼的增大的 強(qiáng)度在鍛件的整個(gè)厚度上盡可能均勻。當(dāng)鋼的厚度為許多英寸厚時(shí)難以獲 得均勻的鋼強(qiáng)度。當(dāng)淬火大鍛件時(shí)，鍛件的與淬火介質(zhì)相接觸的外表面可 能具有必要高的冷卻速度以實(shí)現(xiàn)最大的硬度。不過，在鍛件內(nèi)部隨著金屬 塊越來越遠(yuǎn)離淬火介質(zhì)，其冷卻速度逐漸變慢。因此，在具有數(shù)英寸厚度 的鋼中，在鍛件內(nèi)部最深處的金屬塊將最難提高金屬的硬度，因?yàn)橘|(zhì)量塊 不能盡快地淬火。
淬透性深度是金屬在相對較大的截面厚度中均勻地響應(yīng)于熱處理的
能力。產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)知道低合金鋼具有良好的淬透性深度。低合金鋼AISI 4130具有從75至80 Ksi的范圍的屈服強(qiáng)度，其淬透性深度一般限于大約二英寸，意為通過熱處理工序，能夠預(yù)計(jì)給定的屈服強(qiáng)度保持在二英寸的
范圍內(nèi)。AISI4140，另一種低合金鋼，具有相似的從75至80Ksi的屈服 強(qiáng)度范圍和基本上限于六英寸的淬透性深度。
對于大的BOP和壓力容器，鋼的橫截面可能超過二十英寸厚。因此， 需要具有大的淬透性深度的鋼成分以便獲得高強(qiáng)度等級。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于熱處理厚壁鍛件的方法。該方法包 括加熱低合金鋼至奧氏體化溫度，其中該低合金鋼包含大約0.05-0.2 wt.% 的碳，大約0.3-0.8 wt.Q/。的錳，以及大約0.25-1.0 wt.Q/。的鎳。該方法還包括 在淬火介質(zhì)中淬火該低合金鋼，然后回火該低合金鋼達(dá)小于每英寸臨界截 面厚度大約三十分鐘加上大約兩小時(shí)。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種鍛件。該鍛件包括大約0.05-0.2 wt.°/o 的碳，大約0.3-0.8 wt.。/。的錳，和大約0.25-1.0 wt.。/。的鎳。該鍛件還包括至 少大約8英寸的橫截面厚度，大于大約85Ksi的內(nèi)部屈服強(qiáng)度，和至多大 約237的布氏(Brinell)硬度值。
通過以下說明和權(quán)利要求，本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。


圖1表示現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形防噴器的剖切圖。
圖2表示流程圖，圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種熱處理鍛件的方法。圖3表示水的冷卻能力與水的溫度的關(guān)系曲線圖。 圖4表示鋼在水中和在鹽水中淬火的硬度結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
一個(gè)方面，本發(fā)明提供用于熱處理厚壁鍛件的方法。更具體地，所披
露的方法能夠用來生成在壁的整個(gè)寬度上都需要高硬度等級的BOP。
如上所述，為了厚壁鍛件承受高壓環(huán)境，具有特定優(yōu)選組份的低合金 鋼必須被熱處理以提高硬度和強(qiáng)度。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種方法使用包含大約0.05-0.2 wt.。/。的碳， 大約0.3-0.8 wt.。/。的錳，和大約0.25-1.0 wt.。/。的鎳的低合金鋼。通過這種化 學(xué)組成，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例被熱處理時(shí)，該低合金鋼能夠具有大于 八英寸的淬透性深度。在另一個(gè)實(shí)施例中，鎳的比例可以限定為大約 0.5-1.0 wt.%。除了碳、錳和鎳以外， 一個(gè)實(shí)施例中的低合金鋼的化學(xué)成分 還可以包括大于0直到大約0.04 wt /。的磷、大于0直到大約0.04%的硫、 大于0直到大約0.5 wt。/。的硅、大約2.0-2.5 wt.。/。的鉻，以及大約0.45-1.15 wt。/。的鉬。在一個(gè)實(shí)施例中，鉬可以為0.90-1.10 wt.%。
除了大的淬透性厚度以外，低合金鋼應(yīng)該呈現(xiàn)出非常高的斷裂韌度。 斷裂韌度測量在高應(yīng)變斷裂(strain fracture)期間被材料吸收的能量的量。 較韌的材料比脆性材料吸收更多的能量。本發(fā)明的低合金鋼能夠提供在大 的高壓容器比如BOP中使用所需的斷裂韌度。
本技術(shù)領(lǐng)域的鋼熔化技術(shù)的一般情況能夠獲得這樣的低合金鋼，其具 有比以上提供的最大值低得多的優(yōu)選的磷和硫含量。使用減低量的磷和硫有助于獲得鋼的高斷裂韌度。此外，當(dāng)合金鋼最初由原始成分熔化在一起
時(shí)，在熔化過程中低合金鋼可以經(jīng)過鈣處理(calciumtreated)以提供硫化 物形態(tài)控制和改善斷裂韌度。此外，低合金鋼可包括鋁和/或釩以便脫氧還 原和晶粒細(xì)化。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，低合金鋼的熱處理根據(jù)用于熱處理金屬的 標(biāo)準(zhǔn)做法來執(zhí)行正火、奧氏體化、淬火和回火。通常執(zhí)行可選的正火處 理從而控制該低合金鋼達(dá)到選擇的正火溫度的大約士25。F (士14。C)以內(nèi)。 正火溫度通常選擇為奧氏體化溫度以上25-50°F (14-28°C)。然后鍛件被 再加熱以在奧氏體化溫度比如至少1725°F (940°C)形成奧氏體，選擇的 溫度被控制在大約士25。F (士14。C)以內(nèi)。奧氏體化以后，然后鍛件在被猛 烈攪動的浸沒淬火槽中被淬火，其中淬火介質(zhì)的初始溫度不超過大約75°F
(24°C)。在淬火開始時(shí)保持初始淬火介質(zhì)的溫度小于大約75°F能夠通過 增大低合金鋼的冷卻速度而提供更有效的淬火。對于具有大于大約8英寸
(大約20cm)的截面厚度的鍛件，在淬火結(jié)束時(shí)淬火介質(zhì)的溫度不應(yīng)該 允許超過大約95。F G5。C)。對于厚至大約20英寸(51 cm)的鍛件，在 淬火結(jié)束時(shí)淬火介質(zhì)的溫度不應(yīng)允許超過大約75°F (24°C)。為了實(shí)現(xiàn)這 一點(diǎn)，淬火介質(zhì)的選擇溫度升高將決定有效和恰當(dāng)淬火所必需的淬火介質(zhì) 最小量。淬火介質(zhì)的選擇溫度升高越小，會要求淬火介質(zhì)的量越多以接收 來自鍛件的等量的熱?？蛇x地，淬火槽將需要被75。F (24°C)或更冷的淬 火介質(zhì)充滿或淬火介質(zhì)將需要通過冷卻系統(tǒng)循環(huán)以保持溫度在75°F
(24°C)以下。
控制初始的淬火介質(zhì)溫度小于大約55°F和大于大約32°F將造成比當(dāng)鍛件在更溫暖、更高溫度的淬火介質(zhì)中淬火時(shí)更大的淬硬深度。圖3，出
自Metals Handbook,第九版，巻4，第35頁，表示淬火介質(zhì)的冷卻能力 與初始的淬火介質(zhì)溫度的關(guān)系曲線，其中水作為淬火介質(zhì)。如圖3所示， 水的冷卻能力隨著初始溫度增大而迅速降低，表示在初始溫度較低的水 中，水能夠更快速地淬火鍛件并能夠獲得更大的淬硬深度。不過，隨著初 始淬火介質(zhì)溫度降低，鍛件變得更容易發(fā)生破碎和斷裂，也被稱為"淬裂"。 因此，應(yīng)該努力不使初始淬火介質(zhì)溫度太低以避免淬裂和斷裂。
對于低合金鋼，相對于水，鹽水是優(yōu)選的淬火介質(zhì)，因?yàn)閷τ诘秃辖?鋼鹽水能夠比水提供更高的硬度結(jié)果。鹽水比水產(chǎn)生更少的氣泡，因此能 夠濕潤低合金鋼的表面。這使得鹽水能夠以幾乎兩倍于水的速度冷卻低合 金鋼，使得低合金鋼具有更高的硬度結(jié)果。圖4，出自Metals Handbook,第 九版，巻4，第37頁，表示鋼在水中和在鹽水中淬火的結(jié)果。如圖4所示， 當(dāng)在180°F (80°C)的相同溫度下淬火時(shí)，對應(yīng)鹽水的硬度結(jié)果高于水的 硬度結(jié)果。盡管，鹽水能夠更快地淬火以增大低合金鋼的淬硬深度，但鹽 水比水更具有腐蝕性和侵蝕性。因此，需要采取措施保護(hù)淬火材料和淬火 設(shè)備不受鹽水損害。
淬火以后，鍛件在選擇的回火溫度下回火達(dá)每英寸截面厚度至少三十 分鐘加上一個(gè)或兩個(gè)小時(shí)的額外保溫時(shí)間(soak time)。選擇的回火溫度 應(yīng)該保持在大約士15。F (±8°C)以內(nèi)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，低合金鋼每英寸截面厚度回火45分鐘至一個(gè)小時(shí)， 加上在回火溫度下保持一個(gè)至兩個(gè)小時(shí)。不過，如此長的回火保持時(shí)間可 能導(dǎo)致合金的過度回火，致使低合金鋼的機(jī)械性能的不必要的損失。結(jié)果，低合金鋼可能不能滿足抗拉強(qiáng)度和硬度的要求。
正火、奧氏體化和回火的溫度根據(jù)合金和鋼的組成而定?？梢詤⒖继?定成分的材料規(guī)格以便確定適當(dāng)?shù)恼稹W氏體化和回火溫度，以及適當(dāng) 的淬火介質(zhì)。
圖2表示流程圖，圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱處理鍛件的方法。 在該方法中使用的低合金鋼鍛件由本發(fā)明的化學(xué)成分制成并且橫截面厚
度通常大于8英寸。該方法以可選的正火工序210開始，其中鍛件在大約 士25。F (土14。C)以內(nèi)被加熱至正火溫度。在可選的正火工序210之后，然 后在奧氏體化工序220中，在選擇的奧氏體溫度的大約士25。F (±14°C)以 內(nèi)鍛件被再加熱至奧氏體溫度范圍。然后，在淬火工序230中，利用被猛 烈攪動的浸沒淬火槽，鍛件被浸沒在淬火介質(zhì)中。在淬火工序230中使用 的淬火介質(zhì)應(yīng)該具有小于75°F (24°C)的初始溫度。不過，如果淬火介質(zhì) 的初始溫度被控制在大約55°F (13°C)和32。F (0°C)之間，那么能夠獲 得更大的鍛件淬硬深度。對于厚度小于大約十二英寸的鍛件，淬火槽應(yīng)該 足夠大以使得在淬火結(jié)束時(shí)淬火介質(zhì)不超過95。F (35°C)。對于厚度小于 大約20英寸的鍛件，淬火槽應(yīng)該足夠大以使得在淬火結(jié)束時(shí)淬火介質(zhì)不 超過75。F (24°C)。此外，在淬火工序230中，對于淬火大鍛件而言，鹽 水是比水更優(yōu)選的淬火介質(zhì)。鍛件的回火工序240跟在淬火工序230之后。 鍛件被加熱到選擇的回火溫度的大約il5。F (±8°C)以內(nèi)。特別地，鍛件 被回火每英寸厚度三十分鐘加上額外的一個(gè)或兩個(gè)小時(shí)的保溫時(shí)間。例 如，由本發(fā)明的化學(xué)成分組成的十英寸厚的鍛件應(yīng)該回火大約六至七個(gè)小 時(shí)。通過方法200產(chǎn)生的鍛件將具有大于八英寸的淬透性深度，且將能夠滿足安全地用作BOP所必需的特定機(jī)械特性。特別地，鍛件將能夠滿足
美國石油協(xié)會(American Petroleum Institute) ("API")對于壓力容器構(gòu)件 的標(biāo)準(zhǔn)，如API Specification 16A/ISO 13533第6.3部分所示。
所公開的化學(xué)成分、熱處理溫度控制、淬火介質(zhì)控制以及回火時(shí)間控 制的組合能夠產(chǎn)生具有至少大約85 Ksi的內(nèi)部屈服強(qiáng)度、至少大約100 Ksi 極限強(qiáng)度、至少20%延伸率、至少70%的斷面收縮率和從大約217至237 布氏硬度值的表面硬度范圍的鍛件。屈服強(qiáng)度是指低合金鋼在塑性變形之 前能夠經(jīng)受的作用應(yīng)力。極限強(qiáng)度是指低合金鋼在損壞或斷裂之前能夠經(jīng) 受的作用應(yīng)力。延伸率是指低合金鋼在拉伸破壞之前相對原始長度能夠經(jīng) 受的長度變化。斷面收縮率是指低合金鋼在拉伸破壞之前相對于原始橫截 面積能夠經(jīng)受的橫截面積的最大變化。至少大約217的布氏硬度值確保了 低合金鋼滿足關(guān)于屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的最小機(jī)械特性。至多大約237的 布氏硬度值確保了低合金鋼滿足NACE MR0175/ISO 15156對于將要用于 酸性工作中的低合金鋼的規(guī)定。BOP有時(shí)暴露在酸性工作(sour service) 中因此被API 16A要求滿足NACE MR0175/ISO 15156的規(guī)定的必要要求。 酸性工作是指金屬合金在包含硫化氫，即H2S (其濃度足夠?qū)е卤┞队谶@ 些環(huán)境的敏感金屬合金的SSCC，即硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(Sulfide Stress Corrosion Cracking))的鉆井流體環(huán)境中的使用。
能夠由本發(fā)明的低合金鋼制成的現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形BOP101的主要組成 部分包括外殼102、活塞117和可拆卸頭119。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本 發(fā)明的低合金鋼不限于壓力容器。結(jié)合使用了厚壁鍛件的其他實(shí)施例可以 由本發(fā)明的低合金鋼制成。盡管已經(jīng)關(guān)于有限數(shù)量的實(shí)施例說明了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員得 益于本公開，將會理解能夠設(shè)想其他實(shí)施例而不會脫離本發(fā)明如本文所公 開的范圍。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)該僅由權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種熱處理厚壁鍛件的方法，該方法包括加熱低合金鋼至奧氏體化溫度，其中該低合金鋼包含大約0.05-0.2wt.％的碳、大約0.3-0.8wt.％的錳和大約0.25-1.0wt.％的鎳；在淬火介質(zhì)中淬火該低合金鋼；以及回火該低合金鋼達(dá)小于每英寸臨界截面厚度大約三十分鐘加上大約兩小時(shí)。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中低合金鋼還包括大于0直到大約0.04 wt /。的 磷、大于0直到大約0.04%的硫、大于0直到大約0.5 wt。/。的硅、大約2.0-2.5 wt,o/。的鉻，以及大約0.45-1.15 wt.。/。的鉬。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中低合金鋼包括大約0.5-1.0 wt。/。的鎳。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中低合金鋼還包括鋁。
5. 權(quán)利要求l的方法，其中低合金鋼還包括釩。
6. 權(quán)利要求1的方法，其中在熔化工序期間低合金鋼經(jīng)過鈣處理。
7. 權(quán)利要求1的方法，還包括在加熱低合金鋼至奧氏體化溫度之前正火 該低合金鋼。
8. 權(quán)利要求1的方法，其中淬火介質(zhì)是鹽水。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中淬火介質(zhì)的終了溫度小于大約95華氏溫度(35 攝氏溫度)。
10. 利用權(quán)利要求1的方法制造的防噴器。
11. 一種鍛件，包括 大約0.05-0.2 wt,/。的碳； 大約0.3-0.8 wt.。/。的錳； 大約0.25-1.0 wt.。/o的鎳；至少大約8英寸的橫截面厚度； 大于大約85Ksi的內(nèi)部屈服強(qiáng)度；和 至多大約237的布氏硬度。
12. 權(quán)利要求ll的鍛件，還包括大于0直到大約0.04wt。/。的磷。
13.權(quán)利要求11的鍛件，還包括大于0直到大約0.04%的硫。
14.權(quán)利要求11的鍛件，還包括大于0直到大約0.5 wt.。/。的硅。
15.權(quán)利要求11的鍛件，還包括大約2.0-2.5 wt.。/。的絡(luò)。
16.權(quán)利要求11的鍛件，還包括大約0.45-1.15 wt。/。的鉬。
17.權(quán)利要求11的鍛件，還包括至少大約100 Ksi的極限強(qiáng)度。
18.權(quán)利要求11的鍛件，還包括至少大約20%的延伸率。
19.權(quán)利要求11的鍛件，還包括至少大約70°/。的斷面縮減率。
20.權(quán)利要求11的鍛件，還包括至少大約217的布氏硬度值。
全文摘要
一種用于熱處理厚壁鍛件的方法。該方法包括加熱低合金鋼至奧氏體化溫度，其中該低合金鋼包含大約0.05-0.2wt.％的碳，大約0.3-0.8wt.％的錳，和大約0.25-1.0wt.％的鎳。該方法還包括在淬火介質(zhì)中淬火該低合金鋼，然后回火該低合金鋼達(dá)小于每英寸臨界截面厚度大約三十分鐘加上大約兩小時(shí)。
文檔編號C21D6/00GK101300365SQ200680040529
公開日2008年11月5日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者菲利蒲·A·胡夫 申請人:海德爾有限責(zé)任公司