本發(fā)明涉及熱處理工藝，更特別地，本發(fā)明涉及一種方法，用于長鋼管的可控的熱處理，以便顯著提高長鋼管的耐腐蝕性和耐磨性。

背景技術：

用在地熱換熱器中并且用于例如在石油和天然氣勘探中鉆孔的鋼管易于遭受顯著的磨損(例如產(chǎn)生于磨蝕和氣蝕)以及顯著的腐蝕(由于暴露于例如鹽水、二氧化碳和硫化氫)，從而顯著地降低了它們的使用壽命。

應用現(xiàn)有技術，通過改變材料、涂覆保護性涂層或者電化學鍍而增加用于鉆探和地熱換熱器的鋼管的使用壽命。

通過應用特別設計的高合金鋼(例如不銹鋼)而不是碳鋼來增加鋼管的使用壽命。令人遺憾的是，該方法與材料的巨大成本(例如，不銹鋼相對于碳鋼的成本)以及生產(chǎn)(包括測試和批準)的改變相關聯(lián)，所述生產(chǎn)的改變是由于顯著不同的材料性質引起的，該不同的材料性質需要不同的成型和焊接過程。

替換地，在碳鋼管上涂覆保護性涂層，例如，類金剛石碳(DLC)涂層或者聚合物涂層。美國專利申請2008/0135296教導了使用聚脲基涂層以增加鉆管的使用壽命。令人遺憾的是，保護性涂層的涂覆與用于將涂層涂覆到管子內(nèi)表面和外表面上的工藝和設備的巨大成本相關聯(lián)，例如等離子工藝。而且，大部分保護性涂層不會改善耐磨性，或者僅僅略微地改善耐磨性，同時產(chǎn)生可能的涂層脫層的風險。

另一種現(xiàn)有技術是電化學鍍。例如，硬鉻涂層提供良好的耐腐蝕性和耐磨性。然而，管子內(nèi)表面的涂覆是耗時的并且昂貴的。

應當注意，涂層的涂覆改變了管子的尺寸，通常達到超出制造公差的程度，因此需要設計上的改變。

現(xiàn)有技術的熱處理過程(諸如氮化過程或者碳氮共滲過程)顯著提高了鋼的耐磨性，同時還一定程度上提高了耐腐蝕性。通常，熱處理過程不需要熱處理部件在設計和生產(chǎn)上的改變，并且以有成本效益的方式實施熱處理過程。令人遺憾的是，現(xiàn)有技術的熱處理過程(諸如美國專利4,563,223中所披露的碳氮共滲過程)包含淬火步驟，所述淬火步驟與熱處理部件從通常大于500℃的處理溫度快速冷卻到室溫相關聯(lián)，從而造成顯著的熱應力。當由于淬火步驟所造成的熱應力施加到用在鉆探和地熱換熱器中的鋼管上時，該熱應力導致管子的巨大變形(例如曲弧度)超出制造公差。另外，管子內(nèi)部的淬火流體的量是少的，導致從內(nèi)表面和外表面不均勻的熱去除，從而增加了形狀扭曲的風險。

應當注意，將液態(tài)淬火應用于長鋼管還造成了巨大的安全危害，這是由于長管內(nèi)部相對少量的淬火液體快速地蒸發(fā)，造成了爆炸性蒸汽從管子的排出。

期望提供一種方法，用于對鋼部件進行熱處理，其顯著提高了耐磨性和耐腐蝕性。

還期望提供一種方法，用于對鋼部件進行熱處理，其顯著提高了耐磨性和耐腐蝕性，同時顯著減少了鋼部件暴露于熱應力下。

還期望提供一種方法，用于對鋼部件進行熱處理，其顯著提高了耐磨性和耐腐蝕性，并且可適用于對用在鉆探和地熱換熱器中的鋼管進行熱處理。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于對鋼部件進行熱處理的方法，其顯著提高了耐磨性和耐腐蝕性。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于對鋼部件進行熱處理的方法，其顯著提高了耐磨性和耐腐蝕性，同時顯著減少了鋼部件暴露于熱應力下。

本發(fā)明的又一個目的是提供一種用于對鋼部件進行熱處理的方法，其顯著提高了耐磨性和耐腐蝕性，并且可適用于對用在鉆探和地熱換熱器中的鋼管進行熱處理。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于對鋼部件進行熱處理的方法。所述鋼部件被放置在熱處理爐中。然后在預定的氮化溫度下將所述鋼部件暴露于氮化氣氛中一個預定的氮化時段。所述氮化氣氛具有預定組分。在將所述鋼部件暴露于所述氮化氣氛的同時，控制所述氮化氣氛的組分。緩慢地將所述鋼部件冷卻至環(huán)境溫度，然后從所述熱處理爐中取出鋼部件。已被熱處理的鋼部件與熱處理前的鋼部件相比具有顯著提高的耐腐蝕性和耐磨性。

根據(jù)本發(fā)明的所述方面，提供了一種用于對鋼部件進行熱處理的方法。所述鋼部件被放置在熱處理爐中。然后在預定的氮化溫度下將所述鋼部件暴露于氮化氣氛中一個預定的氮化時段。所述氮化氣氛具有預定組分。在將所述鋼部件暴露于所述氮化氣氛的同時，控制所述氮化氣氛的組分。為了控制所述氮化氣氛，分析氮化氣氛，并根據(jù)它提供分析數(shù)據(jù)。取決于所述分析數(shù)據(jù)和氮化氣氛的預定組分，應用處理器確定氮化氣氛的組合物成分的供應，并且根據(jù)它產(chǎn)生供應控制信號。取決于所述供應控制信號，將氮化氣氛的組合物成分提供給熱處理爐。緩慢地將所述鋼部件冷卻至環(huán)境溫度，然后從所述熱處理爐中取出鋼部件。已被熱處理的鋼部件與熱處理前的鋼部件相比具有顯著提高的耐腐蝕性和耐磨性。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種長鋼管，其具有內(nèi)表面和外表面，所述內(nèi)表面和外表面具有通過用于熱處理的方法而產(chǎn)生的熱處理表面層。在用于熱處理的方法中，將鋼管放置在熱處理爐中。然后在預定的氮化溫度下將鋼管暴露于氮化氣氛中一個預定的氮化時段。所述氮化氣氛具有預定組分。在將所述鋼管暴露于氮化氣氛的同時，控制所述氮化氣氛的組分。緩慢地將所述鋼管冷卻至環(huán)境溫度，然后從熱處理爐中取出鋼管。已被熱處理的鋼管與熱處理前的鋼管相比具有顯著提高的耐腐蝕性和耐磨性。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種具有內(nèi)表面和外表面的長鋼管，其中所述內(nèi)表面和外表面具有熱處理表面層，其提供了顯著的耐腐蝕性和耐磨性，并且所述鋼管具有每1米長度小于1.1mm的曲弧度。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：它提供了一種用于對鋼部件進行熱處理的方法，其顯著提高了耐磨性和耐腐蝕性。

本發(fā)明的另一個優(yōu)勢在于：它提供了一種用于對鋼部件進行熱處理的方法，其顯著提高了耐磨性和耐腐蝕性，同時顯著減少了鋼部件暴露于熱應力下。

本發(fā)明的又一個優(yōu)勢在于：它提供了一種用于對鋼部件進行熱處理的方法，其顯著提高了耐磨性和耐腐蝕性，并且可適用于對用在鉆探和地熱換熱器中的鋼管進行熱處理。

附圖說明

下面參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中：

圖1a是簡化流程圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于對鋼部件進行熱處理的方法；

圖1b和1c是簡化流程圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于對鋼部件進行熱處理的方法的控制過程；

圖2是簡化方框圖，其顯示了熱處理爐系統(tǒng)，該系統(tǒng)適于實施根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于對鋼部件進行熱處理的方法；

圖3a和3b是簡化方框圖，其分別顯示了長鋼管的橫截面視圖和側視圖，該長鋼管應用根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于對鋼部件進行熱處理的方法進行熱處理；

圖4a是簡化方框圖，其顯示了熱處理爐的橫截面視圖，該熱處理爐適于應用根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于對鋼部件進行熱處理的方法對長鋼管進行熱處理；以及

圖4b是簡化方框圖，其顯示了用于在圖4a所示的熱處理爐中保持鋼管的架子的俯視圖。

具體實施方式

除非另外限定，否則這里所使用的所有技術術語和科學術語具有與本發(fā)明所屬領域普通技術人員通常理解的意義相同的含義。盡管在本發(fā)明的實踐或試驗中可以使用與這里所述方法及材料類似或者等同的任何方法和材料，但是現(xiàn)在描述優(yōu)選的方法和材料。

雖然以下優(yōu)選實施例的描述是參照對碳鋼管的熱處理而進行的(所述碳鋼管用在鉆探和地熱換熱器中)，但是本領域的普通技術人員清楚：本發(fā)明的實施例并非限制于此，而是也適用于對各種其它鋼部件以及其它類型的鋼(諸如合金鋼和不銹鋼)進行熱處理。

參照圖1a至1c，提供了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于對鋼部件進行熱處理的方法。在步驟10，將鋼部件放置在熱處理爐中。例如，所述熱處理爐適于處理一個或多個長鋼管，諸如鉆管或者換熱器管，如下面將要更加詳細描述的。在將鋼部件放置在熱處理爐中并且密封熱處理爐之后，應用通常5爐氮量，在安全凈化階段，將熱處理爐內(nèi)部的氣氛改變?yōu)榉辣瑲夥?，例如氮氣氣?N₂)-步驟12。然后將熱處理爐的內(nèi)部加熱到預定的氮化溫度。在加熱階段，將熱處理爐中的氣氛改變?yōu)榫哂蓄A定組分的氮化氣氛-步驟14。所述氮化溫度被確定為在380℃和720℃之間，優(yōu)選在550℃和590℃之間的范圍內(nèi)。所述氮化氣氛是氨(NH₃)和離解氨(dNH₃)的混合物，其中dNH₃為75％容積的H₂和25％容積的N₂。

優(yōu)選地，氮化氣氛的混合物被如此確定，使得它根據(jù)等式(1)滿足成分氣體的分壓之間的關系，轉換成K_N數(shù)，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是氮化溫度/處理溫度(℃)。

然后，將鋼部件在預定氮化溫度下暴露于氮化氣氛中一個預定的氮化時段，并且在鋼部件暴露于氮化氣氛的同時控制氮化氣氛的組分-步驟16。在圖1b中顯示了用于控制所述氣氛的優(yōu)選方法。使用一個或多個現(xiàn)有技術的溫度傳感器，檢測熱處理爐內(nèi)部的處理溫度，并且據(jù)此將處理溫度數(shù)據(jù)提供給與其連接的處理器-步驟16A。而且，對熱處理爐中的氮化氣氛進行取樣，例如在爐子的排氣處，如圖2所顯示的并且如下面所描述的。然后，應用現(xiàn)有技術的氣體分析器分析所取樣的氮化氣氛，并且據(jù)此將分析數(shù)據(jù)提供給與它相連的處理器-步驟16B。在步驟16C接收輸入數(shù)據(jù)(即：表示處理溫度T的處理溫度數(shù)據(jù)以及表示分壓P_H2、P_NH3和P_N2的分析數(shù)據(jù))之后，所述處理器確定氮化氣氛的組合物成分的供應并且根據(jù)它產(chǎn)生供應控制信號-步驟16D。在諸如電磁閥等標準氣流控制閥處接收所述供應控制信號，并且根據(jù)它將氮化氣氛的組合物成分提供給熱處理爐-步驟16E。

優(yōu)選地，根據(jù)圖1c所顯示的控制過程確定氮化氣氛的組合物成分的供應。在收到所述輸入信號之后，處理器根據(jù)它計算K_N數(shù)。如果Log₁₀(K_N)等于根據(jù)等式(1)確定的設定點，那么就保持用于NH₃和dNH₃的電流設置。如果Log₁₀(K_N)小于設定點，那么就增加NH₃的流量并減小dNH₃的流量。如果Log₁₀(K_N)大于設定點，那么就減小NH₃的流量并增加dNH₃的流量。

例如，以確定的時段進行處理溫度的檢測和氮化氣氛的取樣，并且將表示它們的數(shù)據(jù)提供給處理器，以便應用標準PID控制環(huán)路或者標準模糊型控制環(huán)路來執(zhí)行以上對氮化氣氛組合物成分的供應的確定。

優(yōu)選地，在加熱、氮化和第一冷卻階段應用該控制過程。在所述氮化階段，在預定的氮化溫度范圍內(nèi)保持所述處理溫度。根據(jù)處理溫度、材料以及氮化層的期望厚度，以常規(guī)方式確定氮化時段。例如，對于低碳鋼，氮化時段在550℃下大約為10小時。

任選地，將含碳氣體流(CO、CO₂)或者氣態(tài)碳氫化合物添加到所述氣氛中，用于執(zhí)行碳氮共滲過程。通過在計算分壓時考慮含碳氣體的存在，能夠容易地改變以上控制過程。例如，在典型的碳氮共滲過程中，在大約5％-15％容積的范圍內(nèi)添加CO₂。

在經(jīng)過預定的氮化時段之后，將鋼部件冷卻至預定的氧化溫度-步驟18。在冷卻期間，所述鋼部件暴露于非氧化氣氛中。在達到預定的氧化溫度之后，相應于防爆范圍，將所述非氧化氣氛改變?yōu)檠趸瘹夥眨⑶覍摬考┞队谘趸瘹夥罩幸粋€預定的氧化時段-步驟20，用于氧化所述氮化層或者碳氮共滲層，以便進一步提高耐腐蝕性。例如，在氧化階段，將所述鋼部件在500℃的氧化溫度下暴露于例如100％CO₂的氧化氣氛中大約30分鐘的氧化時段。選擇地，代替CO₂，使用諸如氮氣-空氣混合物等另一種含氧氣態(tài)混合物。

在經(jīng)過預定的氧化時段之后，熱處理爐中的氣氛被改變?yōu)榉欠磻詺怏w氣氛，例如氮氣氣氛-步驟22，并且在鋼部件暴露于非反應性氣體氣氛的同時將鋼部件緩慢地冷卻至環(huán)境溫度或者室溫-步驟24。優(yōu)選地，所述鋼部件以每分鐘20℃或者更慢的速度被冷卻至環(huán)境溫度。

應當注意，所述氧化過程可以在高達氮化(碳氮共滲)溫度的溫度下執(zhí)行，消除步驟18，在低至大約350℃的溫度下作為單獨的階段或者通過在冷卻階段期間連續(xù)地更換氧化氣氛執(zhí)行，消除步驟18和22。

任選地，省略氧化過程，因此消除步驟18和20。

在冷卻至環(huán)境溫度之后，從熱處理爐中取出熱處理鋼部件(步驟26)。已被熱處理的鋼部件與熱處理前的鋼部件相比具有顯著提高的耐腐蝕性和耐磨性。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于對鋼部件進行熱處理的方法可適用于對所有類型的碳鋼以及低合金鋼(合金元素的總和小于5％質量比)進行熱處理。更高合金的鋼和不銹鋼可能要求在氮化階段之前應用現(xiàn)有技術(諸如HCl酸活化)進行附加激活。

基于對現(xiàn)有技術的氣體氮化/碳氮共滲過程的了解，取決于鋼部件的鋼材料的類型、期望的表面修整、以及鋼部件的期望的耐腐蝕性和耐磨性，確定熱處理參數(shù)。

確定氮化/碳氮共滲氣氛的組分，并且基于如等式(1)所限定的K_N數(shù)在氮化/碳氮共滲過程期間控制該組分，為加熱和擴散階段期間白層的形成和增長提供了優(yōu)化條件，導致顯著提高鋼部件的耐腐蝕性和耐磨性，同時消除了鋼部件的淬火-快速冷卻，從而顯著減少了鋼部件暴露于熱應力下。

在初始實驗中，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于對鋼部件進行熱處理的以上方法已經(jīng)應用于表號80(Schedule 80)的黑鋼管A級材料(根據(jù)ASTM A-53)中，該材料經(jīng)常用在地熱換熱器中。

對未處理材料、碳氮共滲材料和碳氮共滲+氧化材料應用加速電腐蝕測試(在293K溫度下，在1％(質量)NaCl水溶液中的動電位塔費爾循環(huán)實驗)，測試所述材料的耐腐蝕性。表1顯示了碳氮共滲材料以及碳氮共滲+氧化材料的耐腐蝕性的顯著提高。

表1

應用原子力顯微技術研究碳氮共滲對材料耐磨性的影響。應用標準的金相技術切割和拋光已處理的樣品。利用3微米金剛石研磨膏的最終拋光階段被延長至15分鐘，以顯示通過拋光去除的材料的磨損。對碳氮共滲層橫截面的AFM掃描允許比較材料芯部和碳氮共滲區(qū)域上的材料去除。表2(總結不同區(qū)域的殘留高度，其中樣品塊中的鐵素體水平被當作Z＝0)顯示了碳氮共滲材料的耐磨性的顯著提高。

表2

圖2顯示了熱處理爐系統(tǒng)，用于實施對鋼部件進行熱處理的上述方法。一個或多個鋼部件被放置在熱處理爐102的內(nèi)部。在熱處理過程期間所使用的氣氛經(jīng)由入口110被提供給爐子102，并且經(jīng)由出口108從爐子中移除。所述入口110與多個管道(例如管道116.1-116.4)連接，用于從相應的氣體供應源接收各種成分氣體。通過插入在管道116.1-116.4的每一個中的相應閥118.1-118.4控制成分氣體的供應。

通過與以下部件相連的計算機120控制所述熱處理過程：位于爐子102內(nèi)部的溫度傳感器112；與出口108流體連通的氣體分析器114；爐加熱機構106；以及閥118.1-118.4。所述計算機120包括用戶接口121，諸如顯示器126和鍵盤128，或者觸摸屏。應用例如現(xiàn)成計算機處理器等處理器122操作所述計算機，用于執(zhí)行優(yōu)選儲存在諸如硬盤驅動器或者閃存等非易失性存儲器124中的可執(zhí)行指令。所述處理器與用戶接口、存儲器、輸入端口130以及輸出端口132連接。

優(yōu)選地，爐子102內(nèi)部的壓力以標準方式被控制，其中所述壓力被保持為稍微高于環(huán)境空氣壓力，以便防止空氣泄露到爐子102中。

應當注意，現(xiàn)有技術的熱處理爐容易適合于實施以上方法。

用于鉆探和地熱換熱器中的鋼管通常是長管，具有：內(nèi)徑D1與外徑D2的比率大于0.55；對于外徑D2不大于254毫米的管子，外徑D2與長度L的比率小于0.05；以及，對于外徑D2大于254毫米的管子，外徑D2與長度L的比率小于0.1，如圖3a所示。這種鋼管必須滿足極其限制性的制造公差，特別是關于平直度，要求鋼管的曲弧度C為每1米長度小于1.1毫米，如圖3b所示。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于對鋼部件進行熱處理的方法顯著提高了鋼部件的耐腐蝕性和耐磨性，而無需鋼部件的任何淬火-快速冷卻。所應用的緩慢冷卻過程將鋼部件暴露于熱應力下減少到以下程度：它允許對上述長鋼管進行熱處理，用于顯著地提高長鋼管的耐腐蝕性和耐磨性，同時滿足所需的制造公差。

圖4a和4b顯示了適于對用在鉆探和換熱器中的長管進行熱處理的熱處理爐102，所述長管的長度大于3米，通常在3米和12米之間。爐子102例如是井式爐，具有反應罐102A和可移除蓋102B。所述蓋102B被移除以便將鋼管104裝載到反應罐102A中以及從反應罐102A中移除。在處理期間，蓋102B借助密封件102C以密封方式被安裝到反應罐102A上。架子142沿著大致垂直取向的軸線105保持鋼管104。

例如，架子142包括：夾持板142D，其具有鉆孔142E以便在其中容納鋼管104；底板142B，用于支撐鋼管104的底部；以及垂直延伸部142A，其安裝有底板142B并且夾持板142D安裝于其上。所述底板142B包括孔眼142C，用于允許熱處理氣氛傳輸通過鋼管的內(nèi)部。而且，架子142包括環(huán)形結構142G和支撐元件142F，環(huán)形結構142G安裝到所述垂直延伸部142A的頂部，用于方便應用例如起重機的鉤子升起和降低所述垂直延伸部，支撐元件142F安裝到底板142B的底側上，用于將底板放置在反應罐102A的底部上方預定距離處。

溫度傳感器112通常放置在爐子102的幾個區(qū)域中-頂部、中部和底部。通過應用再循環(huán)渦輪機140，進行熱處理氣氛的強迫再循環(huán)，從而實現(xiàn)熱處理氣氛關于溫度和組分的均勻性。所述均勻性依賴于特定的鋼管材料、幾何形狀和爐子設計，并且通常相對于設定點在±6℃和±2％范圍內(nèi)。圍繞大致垂直軸線103旋轉的再循環(huán)渦輪機140的葉片朝著外部區(qū)域機械地加快由入口110提供的氣氛，導致氣氛非常有效的混合(即使在高的爐子102中)，從而在整個熱處理過程期間將鋼管104的內(nèi)側和外側暴露給關于溫度和組分大致均勻的氣氛。

替換地，假如鋼管具有防止其在處理期間彎曲的適當?shù)闹?，那么鋼管可以水平取向地被處理?/p>

已經(jīng)關于優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述。然而，本領域的普通技術人員將清楚，在不脫離這里所描述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以進行各種改變和修改。