專(zhuān)利名稱(chēng)：采用摩擦攪拌處理加工管道的環(huán)形加硬接頭的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此公開(kāi)的各實(shí)施方式主要涉及用在鉆井操作中的改進(jìn)的工具接頭或其它磨損面。特別地，在此公開(kāi)的各實(shí)施方式主要涉及向工具接頭或其它磨損面涂覆耐磨材料或以其它方式改進(jìn)工具接頭或其它磨損面的性能的方法。
背景技術(shù)：
鉆探用于碳?xì)浠衔镩_(kāi)采的井眼涉及鉆桿的使用，鉆頭連接到鉆桿的一端，用于鉆穿地層。鉆桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)確保鉆探的推進(jìn)。典型的鉆桿可以達(dá)到長(zhǎng)度約30英尺的分段， 且因此，這些分段由工具接頭彼此連接。工具接頭為鉆桿的各分段之間的連接構(gòu)件一一個(gè)構(gòu)件(外殼)具有內(nèi)螺紋，配合構(gòu)件(銷(xiāo))具有外螺紋，它們通過(guò)內(nèi)螺紋和外螺紋裝配成連續(xù)單元，使鉆桿形成鉆桿柱。通常，這些工具接頭具有明顯大于鉆桿本體的直徑，因此要求磨損防護(hù)，特別在當(dāng)鉆穿高磨蝕、高硅質(zhì)土層時(shí)。特別地，當(dāng)鉆探進(jìn)行時(shí)，工具接頭摩擦鉆成的孔和/或鉆成的孔襯里(即，套管)。圍繞螺紋之上的壁厚和外殼的熱處理性能設(shè)計(jì)連接的強(qiáng)度。在鉆探期間，螺紋之上的壁厚隨著它摩擦壁或套管而變薄。因此，根據(jù)工具接頭的剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)鉆桿的壽命。由于希望增加工具接頭的壽命，已經(jīng)執(zhí)行了大量的嘗試，以向工具接頭(或其它易磨損面，如穩(wěn)定器或鉆鋌)提供保護(hù)性硬化面合金或覆層，以形成環(huán)形加硬層。已經(jīng)采用多種方法來(lái)向接頭涂覆這種磨損降低材料，包括GMAW(金屬氣電焊)、GTAW(鎢電極惰性氣體保護(hù)焊)、PTA (等離子體轉(zhuǎn)移弧)和FCAW (熔劑芯焊絲電弧焊)。這些焊接工藝特征在于，在電焊條(可消耗的或者不可消耗的)和工具接頭基材之間建立電弧。一旦建立這種電弧，強(qiáng)熱形成等離子體。形成等離子體的氣體經(jīng)由來(lái)自管狀線的外部氣體或成分提供。等離子體的溫度超過(guò)10000度的絕對(duì)溫度，且在焊縫的中心最高，且沿著焊縫的寬度降低。在歷史上，且在實(shí)際中，工具接頭已經(jīng)涂有碳化鎢，以抵抗鉆孔中的巖層對(duì)工具接頭的磨損。然而，碳化鎢貴，它可以用作切割工作，以切割它在其中行徑的套管，基質(zhì)為軟鋼，其容易侵蝕掉，以允許碳粒子脫落。其它現(xiàn)有技術(shù)使用的比硅質(zhì)土材料硬的表面硬化材料在凝固之后且一旦冷卻就以碎裂的方式碎裂和破裂，這是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的易碎屬性和該結(jié)構(gòu)不能承受凝固收縮應(yīng)力， 且通常在破裂時(shí)發(fā)射聲能，以及如之前所述的那樣，引起相當(dāng)大的套管磨損。這些表面硬化材料為屬于公知的“高鉻-鐵”組的合金，它們的高耐磨性源于存在共晶和/或過(guò)共晶型鉻-碳微結(jié)構(gòu)。硅質(zhì)土顆粒具有約800布氏硬度值(BHN)的硬度。在U. S.專(zhuān)利No. 5，244, 559中， 所使用的表面硬化材料屬于包含初生碳化鎢的高鉻-鐵組，在硬度至少為300BHN至600Hv的基質(zhì)中，初生碳化鎢具有約1700HV的硬度。處于這么高硬度的這些初生碳化鎢是易碎的，幾乎不具有抗張強(qiáng)度，因此在冷卻時(shí)以取決于金屬和碳化鎢的混合物中的初生碳化鎢的相對(duì)數(shù)量的頻率從熔融狀態(tài)撕開(kāi)。因此，當(dāng)通過(guò)焊接或采用大塊焊接執(zhí)行涂覆時(shí)，這種在比硅質(zhì)土材料硬的表面硬化材料在焊縫范圍內(nèi)形成收縮裂縫。已經(jīng)在多年時(shí)間內(nèi)廣泛且成功地涂覆這種材料，用于工具接頭的環(huán)形加硬和其它工業(yè)產(chǎn)品的表面硬化。雖然這些材料已經(jīng)變得且仍被業(yè)內(nèi)人員廣泛接受，但用戶(hù)表示期望一種環(huán)形硬化工具接頭合金，其將外殼友好性與沒(méi)有脆性裂紋地焊接相結(jié)合，以最小化任何機(jī)械故障風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。實(shí)際上，在大多數(shù)工業(yè)(包括石油和天然氣工業(yè)中井下鉆探設(shè)備的使用)中，構(gòu)成給定工廠的結(jié)構(gòu)和設(shè)備的金屬成分必須具有完整性，這意味著沒(méi)有任何種類(lèi)的裂縫，因?yàn)檫@種裂縫可能會(huì)穿過(guò)塊體發(fā)展并損壞部件。U. S.專(zhuān)利No. 6，375，865描述了一種具有馬氏體-奧氏體微觀結(jié)構(gòu)的和靜，其在焊接至工業(yè)產(chǎn)品之前預(yù)加熱并在焊接后變涼。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的合金可以無(wú)裂縫地沉積(由預(yù)處理和后處理進(jìn)一步輔助)，且以出色的金屬-金屬磨損性能和低脆性為特征。由磨損機(jī)制產(chǎn)生的磨損在包括鉆探工業(yè)的多部分工業(yè)中總是存在且仍保持主要關(guān)注。然而，由于可以使用的材料與GMAW、GTAff, PTA和FCAW —起使用的限制，以及對(duì)不傷害外殼的材料的類(lèi)型限制，對(duì)可以使用的材料的類(lèi)型存在一些限制。因此，對(duì)發(fā)展通過(guò)采用處理技術(shù)和/或涂覆材料以增加組件的使用壽命來(lái)改進(jìn)工具接頭或其它磨損面的性能的方法存在持續(xù)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面中，在此公開(kāi)的實(shí)施方式涉及一種處理焊接至用在井眼操作中的工具的表面的磨損降低材料的方法，包括將磨損降低材料摩擦攪拌到工具的所述表面中。在另一個(gè)方面中，在此公開(kāi)的實(shí)施方式涉及一種改進(jìn)用在井眼操作中的工具上的磨損降低材料的性能的方法，包括下述步驟在工具的至少一部分上執(zhí)行至少一種熱處理； 采用金屬氣電焊將硬化面合金焊接至工具的表面；以及將磨損降低材料摩擦攪拌到工具的表面中。在又一個(gè)方面中，在此公開(kāi)的實(shí)施方式涉及一種改進(jìn)用在井眼操作中的工具上的磨損降低材料的性能的方法，包括下述步驟通過(guò)熱噴涂在工具的表面上沉積硬化面合金； 以及將磨損降低材料摩擦攪拌到工具的表面中。根據(jù)接下來(lái)的描述和隨附的權(quán)利要求，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的。


圖1為根據(jù)一種實(shí)施方式的具有凸起的環(huán)形加硬層的工具接頭的殼體的部分縱向截面圖。圖2為類(lèi)似于圖1的圖示根據(jù)一種實(shí)施方式的具有凸起的環(huán)形加硬層的工具接頭的銷(xiāo)的視圖。圖3為類(lèi)似于圖1的圖示根據(jù)另一種實(shí)施方式的工具接頭的殼體的平接式環(huán)形加硬層的視圖。圖4為類(lèi)似于圖1的圖示根據(jù)另一種實(shí)施方式的工具接頭的銷(xiāo)的平接式環(huán)形加硬層的視圖。圖5為根據(jù)一種實(shí)施方式執(zhí)行環(huán)形加硬的穩(wěn)定器的縱向視圖。圖6A至6D圖示了根據(jù)一種實(shí)施方式的摩擦攪拌焊工具的使用。圖7A至7B圖示了根據(jù)一種實(shí)施方式的環(huán)形加硬焊縫的形成。圖8為環(huán)形加硬層的一種實(shí)施方式的示意圖。
具體實(shí)施例方式在一個(gè)方面中，在此公開(kāi)的各實(shí)施方式涉及環(huán)形加硬層在用在井眼操作中的工具的表面上的形成。特別地，在此公開(kāi)的各實(shí)施方式涉及采用摩擦攪拌處理對(duì)環(huán)形加硬層焊縫執(zhí)行處理。本發(fā)明的方法可以用來(lái)處理用在井眼操作中的任何類(lèi)型的工具上的環(huán)形加硬層或磨損降低材料層。然而，特定的實(shí)施方式可以涉及使用摩擦攪拌焊接以加工環(huán)形加硬層， 該環(huán)形加硬層先前使用其它焊接技術(shù)涂覆在井下工具或元件的具有比其它相鄰元件大的 OD的區(qū)域上，因此使防止元件磨損成為必要。例如，具有比其它相鄰井下元件大的OD的元件可以包括工具接頭、鉆鋌、穩(wěn)定器等。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的方法不受此限制，且代替的是，摩擦攪拌焊可以用來(lái)向任何井下元件涂覆磨損降低材料。摩擦攪拌處理采用施加至將被處理的物體的表面的旋轉(zhuǎn)和軌道運(yùn)動(dòng)的組合。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件通常應(yīng)用于表面，并以軌道方式運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到所述材料的塑化狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件沿著表面移動(dòng)，以通過(guò)改變材料微觀結(jié)構(gòu)來(lái)加工材料。摩擦攪拌處理類(lèi)似于摩擦攪拌焊接，例外之處在于，在焊接中，兩種材料是結(jié)合在一起，而在本發(fā)明的摩擦攪拌處理中，材料之前已經(jīng)結(jié)合在一起。摩擦攪拌處理主要涉及通過(guò)旋轉(zhuǎn)攪拌銷(xiāo)或心軸而在接頭的兩側(cè)接合兩個(gè)之前相結(jié)合的工件(即，之前的焊縫)的材料。施加力，以一起推動(dòng)心軸和工件，由心軸和工件之間的相互作用引起的摩擦加熱導(dǎo)致接頭兩側(cè)的材料塑化。心軸沿著接頭經(jīng)過(guò)，當(dāng)其前進(jìn)時(shí)使在接頭處的材料塑化，尾隨前進(jìn)的心軸留下的塑化材料冷卻并固化以形成被處理的焊縫。摩擦攪拌焊工具的一種示例性操作在圖6A至6D中示出。如圖6A至6D所示，兩個(gè)工件(即，工件60a和60b)之前已經(jīng)在界面或焊縫62處結(jié)合或焊接在一起。摩擦攪拌焊工具65具有位于其遠(yuǎn)端的臺(tái)肩64和從臺(tái)肩64中心向下延伸的焊接銷(xiāo)66。當(dāng)旋轉(zhuǎn)工具 65與工件60a和60b之間的焊縫62接觸時(shí)，銷(xiāo)66被推動(dòng)與兩個(gè)工件60a和60b的材料都接觸，如圖所示。銷(xiāo)66在材料中的旋轉(zhuǎn)對(duì)焊接工具銷(xiāo)66和臺(tái)肩64以及在工件界面處產(chǎn)生大量的摩擦加熱。所述加熱傾向于軟化工件60a和60b靠近旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)66的材料，由此引起來(lái)自?xún)蓚€(gè)工件60a和60b的材料的塑化和混合，以形成被處理的焊縫68。然而，如圖6A至6D所示，且如上文在其常規(guī)使用中所描述的那樣，摩擦攪拌工具以該工具的銷(xiāo)或心軸在與兩個(gè)物體之間的界面/接縫共面的方位壓入該界面的方式沿著該界面移動(dòng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，當(dāng)處理之前沉積在工具的外表面上的耐磨層時(shí)，摩擦攪拌焊工具的銷(xiāo)或心軸垂直于之前形成的焊縫定向。根據(jù)被環(huán)形加硬的元件及其結(jié)構(gòu)， 本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，工具的任一種定向都可以使用?？梢栽谥皥?zhí)行環(huán)形加硬和因此可以采用在此公開(kāi)的摩擦攪拌焊接方法加工的材料的類(lèi)型可以取決于特定應(yīng)用所期望的材料性能，如硬度、韌性、外殼友好耐磨性(casing-friendly wear resistance)等，以及其中使用該工具的井眼的類(lèi)型(套管井或裸孔)。然而，在特定的實(shí)施方式中，之前焊接或結(jié)合至工具基材的硬化面合金可以包括鐵合金，如鋼。在鐵合金中常見(jiàn)的其它元素包括但不限于，鉻、鉬、錳、硅、碳、硼、鎢、鈦、鈮、鉭、 釩、鎳、鈷、鋯和錸。用在環(huán)形加硬中的這些合金中的一些可以被描述為“高熔點(diǎn)溫度混合物”或具有比鋼高的熔化溫度的混合物。其它這種高熔點(diǎn)溫度混合物可以形成井下使用的工具元件的基材。而且，在裸孔鉆探(其中外殼友好性不必要)中，該合金設(shè)置有分散在其中的碳化鎢。然而，也可以使用較低熔點(diǎn)溫度的合金。在摩擦攪拌處理期間，先前涂覆的(焊接或以其它方式涂覆的)可以具有范圍為從45到55洛氏C的硬度。然而，在摩擦攪拌處理之后，磨損降低材料的硬度可以增加約 5-15洛氏C點(diǎn)，也就是說(shuō)，增加至50-70洛氏C。這種改善的硬度可能源于材料微觀結(jié)構(gòu)的改變(即，通過(guò)晶粒細(xì)化/再結(jié)晶，以產(chǎn)生精細(xì)沉淀物，如碳化鎢)。本發(fā)明的摩擦攪拌技術(shù)的另一副產(chǎn)品可以是，與常規(guī)焊縫相比，表面粗糙度降低，即粗糙高度降低。磨損降低材料之前已經(jīng)采用諸如GMAW (金屬氣電焊)、GTAW (鎢電極惰性氣體保護(hù)焊)、PTA(等離子體轉(zhuǎn)移弧)和FCAW(熔劑芯焊絲電弧焊)、熱噴涂等之類(lèi)的各種常規(guī)方法焊接或沉積到工具表面上。由于在這種技術(shù)期間出現(xiàn)的相變(轉(zhuǎn)變到液態(tài)，隨后冷卻至固態(tài))，由于不希望的相或結(jié)構(gòu)的沉積、晶粒生長(zhǎng)和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，所述微觀結(jié)構(gòu)會(huì)具有不希望的特性。因此，一種或多種熱處理(包括預(yù)熱處理和/或后熱處理)可以已經(jīng)在被焊接的材料上執(zhí)行，以釋放這些殘余應(yīng)力中的一些并且最小化破裂。然而，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，磨損降低材料隨后可以執(zhí)行摩擦攪拌處理，以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的細(xì)顆粒微觀結(jié)構(gòu)(具有改進(jìn)的材料性能)。為了處理或攪拌高熔點(diǎn)材料(如果使用)，返回參照?qǐng)D6A至6D，摩擦攪拌處理工具的銷(xiāo)66和臺(tái)肩64可以涂覆有超磨蝕材料。在一種實(shí)施方式中，多晶立方氮化硼(PCBN) 可以用作涂覆在用于具有一體的銷(xiāo)66的臺(tái)肩64的基材上的超磨蝕劑。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，替代涂覆，臺(tái)肩64和銷(xiāo)66(其可以與或不與臺(tái)肩一體形成)由多晶立方氮化硼本身形成，而不是涂覆多晶立方氮化硼。適合用在本發(fā)明的方法中的工具可以包括類(lèi)似于在美國(guó)專(zhuān)禾Ij 7，124，929，7，270，257和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2005/0082342中披露的工具，美國(guó)專(zhuān)利 7，124，929，7，270, 257和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2005/0082342轉(zhuǎn)讓給本受讓人并通過(guò)引用將它們的全部?jī)?nèi)容結(jié)合于此?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1和2，示出了井下工具的一個(gè)例子，特別是已經(jīng)設(shè)置有采用摩擦攪拌處理執(zhí)行加工的環(huán)形加硬層的工具接頭。如圖1和2所示，用于鉆桿14的工具接頭10圖示為具有位于鉆桿14的端部處的殼體12，殼體12在16處為內(nèi)螺紋。殼體12的內(nèi)螺紋16 螺紋接納具有與螺紋16配合的螺紋20的銷(xiāo)18，使得銷(xiāo)18可以擰入殼體12中。銷(xiāo)18形成鉆桿(如14)的端部，使得管的管柱或接頭可以螺紋固定在一起和脫離，用于鉆探石油、天然氣或其它井。殼體12和銷(xiāo)18被擴(kuò)大，并具有外圓柱面22，該外圓柱面22的外徑大于其上沉積環(huán)形加硬層M的鉆桿14的外徑。在這種實(shí)施方式中，環(huán)形加硬層M處的聯(lián)接件的外徑大于外圓柱面22，使得環(huán)形加硬層優(yōu)選在工具接頭用在鉆桿柱中時(shí)接觸井眼壁或套管。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，當(dāng)選擇環(huán)形加硬層M的外徑時(shí)，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)，考慮與其中使用鉆桿柱的井眼的直徑相關(guān)的因素，以降低對(duì)通過(guò)該井眼到地面的鉆井流體的環(huán)形流的不利影響。例如，環(huán)形加硬層的這種厚度可以在不損害合金性能的約3/32至1/4英寸厚的范圍內(nèi)，且可以沉積成單層或雙層。因此，該摩擦攪拌處理方法可以用來(lái)處理/攪拌之前形成的焊縫?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3和4，示出了用于鉆桿34的工具接頭30的另一種實(shí)施方式。除了下述方面之外，工具接頭30類(lèi)似于圖1和圖2的工具接頭10 工具接頭30具有減小的圓柱形部46，該圓柱形部46通過(guò)從殼體32的外圓柱面42去除圓周帶材形成，或者最初形成有這些減小的直徑段32，環(huán)形加硬層44焊接(或以其它方式沉積)在該空間中，使得焊接沉積的表面硬化的表面基本上與殼體32和銷(xiāo)38的外圓柱面42平齊。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，當(dāng)期望平接式環(huán)形加硬層時(shí)，可以從工具接頭30上去除類(lèi)似于圖1和2中示出的環(huán)形加硬層M的厚度的材料量，以便類(lèi)似厚度的環(huán)形加硬層44可以沉積在其上并與外表面 42平齊。參照?qǐng)D5，圖示了根據(jù)發(fā)明的穩(wěn)定器50。穩(wěn)定器50具有細(xì)長(zhǎng)圓筒形或管狀本體 52，本體52具有用于鉆桿(未示出)的鉆桿柱中的連接的銷(xiāo)51和殼體56。穩(wěn)定器50具有從本體向外延伸的穩(wěn)定器肋58，穩(wěn)定器肋58用于扶正井眼(未示出)中的鉆桿。環(huán)形加硬合金討焊接至穩(wěn)定器肋58。而且，雖然本發(fā)明的方法特別適于對(duì)環(huán)形加硬的工具接頭和穩(wěn)定器執(zhí)行處理，但它也可應(yīng)用于任何要求執(zhí)行環(huán)形加硬或表面硬化的表面，如鉆鋌、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、工藝元件、耐磨板等。因此，雖然本申請(qǐng)涉及摩擦攪拌處理用于修改或處理之前在井下工具的外表面上焊接或沉積的表面合金的一般用途，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，環(huán)形加硬層可以采取多種形狀和形式，并且可以形成在工具的任何表面上。例如，在一種實(shí)施方式中，用于根據(jù)本發(fā)明處理的環(huán)形加硬層可以從管狀構(gòu)件的外表面凸起。參照?qǐng)D7A至7B，可以使摩擦攪拌焊工具65 (具有如上所述的臺(tái)肩和銷(xiāo)元件)與位于鉆桿76的接頭70上的環(huán)形加硬層78 接觸。當(dāng)工具65旋轉(zhuǎn)并被垂直于環(huán)形加硬層78的表面推動(dòng)時(shí)，由工具65的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦加熱使環(huán)形加硬層的材料以及旋轉(zhuǎn)工具65附近的圍繞或靠近接頭70的材料軟化，由此引起來(lái)自先前放置的環(huán)形加硬層78和接頭70的材料的塑化和混合，以形成重焊焊縫79。而且，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的是，在摩擦攪拌處理過(guò)程期間，例如根據(jù)工具上將要處理的材料的寬度，可以在一次或多次操作中完成對(duì)整個(gè)環(huán)形加硬層區(qū)域的處理。因此， 例如，對(duì)于寬于可用摩擦攪拌焊工具的環(huán)形加硬層，可以執(zhí)行多個(gè)攪拌通道88a、88b，如圖 8所示。在這種多個(gè)通道的過(guò)程中，一些實(shí)施方式可以改變工具的旋轉(zhuǎn)方向，而其它實(shí)施方式可以在多個(gè)通道之間采用相同的旋轉(zhuǎn)方向。而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在攪拌處理過(guò)程中，靠近之前放置的環(huán)形加硬層的一些基材盡管不具有與其相混合的其它材料也可以被攪拌。而且，以這種方式，環(huán)形加硬層(無(wú)論是根據(jù)常規(guī)工藝或改進(jìn)的環(huán)形加硬形成)通常是可修補(bǔ)的。因此，特別地，井下元件可以在車(chē)間或在鉆探平臺(tái)位置處現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)地重新涂覆環(huán)形加硬層，或簡(jiǎn)單地處理。而且，當(dāng)執(zhí)行重新涂覆時(shí)，可以在相同或不同的早期焊縫類(lèi)型上執(zhí)行新的金屬合金的到所使用的管道中的摩擦攪拌處理。有利地，本發(fā)明的各實(shí)施方式可以為下述方面中的至少一種而做準(zhǔn)備。常規(guī)焊接工藝對(duì)可以用在對(duì)井下工具執(zhí)行環(huán)形加硬中的環(huán)形加硬材料的類(lèi)型存在限制。例如，采用在環(huán)形加硬中通常采用的焊接技術(shù)，即金屬氣電焊，環(huán)形加硬材料選擇有限。具體地，外殼友好的材料難以焊接，并在焊接期間由于液固轉(zhuǎn)化期間在微觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的應(yīng)力導(dǎo)致破裂(無(wú)論是否執(zhí)行預(yù)熱處理和后熱處理)。而且，采用常規(guī)措施(如常規(guī)的包含碳化鎢的環(huán)形加硬層)更容易焊接的材料對(duì)磨損套管柱來(lái)說(shuō)是熟知的。然而，采用本發(fā)明的摩擦攪拌處理方法，與摩擦攪拌焊/處理相關(guān)聯(lián)的固體處理原理可能降低存在于原始焊縫或沉積物中的微觀結(jié)構(gòu)缺陷，降低了破裂的發(fā)生頻率。通過(guò)降低破裂的發(fā)生頻率，可以消除對(duì)其它熱處理(如預(yù)熱處理和/或后熱處理)的需求。此外，該處理技術(shù)的危險(xiǎn)可以很小，這又允許在任何給定位置處(包括在鉆探平臺(tái)位置處)處理環(huán)形加硬層，允許更好的重建維修。較低的粗糙高度也是可以實(shí)現(xiàn)的，給出了更平滑的加工，并降低了對(duì)表面精加工或研磨的外觀需求。雖然已經(jīng)參照有限數(shù)量的實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員受益于本發(fā)明的公開(kāi)而將會(huì)認(rèn)識(shí)到，不偏離在此公開(kāi)的本發(fā)明的范圍的其它實(shí)施方式是可以想出的。 因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)僅有隨附的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種處理焊接至用在井眼操作中的工具的表面的磨損降低材料的方法，包括下述步驟將磨損降低材料摩擦攪拌到工具的所述表面中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中摩擦攪拌包括在摩擦攪拌處理銷(xiāo)上施加向下的作用力并轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦攪拌處理銷(xiāo)，以產(chǎn)生摩擦熱，以便所述銷(xiāo)進(jìn)入合金和工具表面并在合金和工具中產(chǎn)生塑化區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中硬化面合金包括鐵基合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中硬化面合金包括分散在其中的碳化鎢顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在摩擦攪拌之后，焊縫具有降低的平均粗糙高度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該工具包括工具接頭、鉆鋌和穩(wěn)定器中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在摩擦攪拌之前，磨損降低材料具有范圍為從 45-55洛氏C的硬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在摩擦攪拌之后，磨損降低材料具有范圍為從 50-70洛氏C的硬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中摩擦攪拌使磨損降低材料的硬度增加約5-15洛氏。
10.一種改進(jìn)用在井眼操作中的工具上的磨損降低材料的性能的方法，包括下述步驟在工具的至少一部分上執(zhí)行至少一種熱處理； 采用金屬氣電焊將硬化面合金焊接至工具的表面；以及將磨損降低材料摩擦攪拌到工具的表面中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括下述步驟 在工具的至少一部分上執(zhí)行至少第二熱處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述至少一種熱處理在焊接之前發(fā)生。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述至少第二熱處理在焊接之后、摩擦攪拌之前發(fā)生。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中摩擦攪拌包括至少一個(gè)攪拌通道。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中摩擦攪拌包括至少兩個(gè)攪拌通道。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中摩擦攪拌包括在摩擦攪拌處理銷(xiāo)上施加向下的作用力并轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦攪拌處理銷(xiāo)，以產(chǎn)生摩擦熱，以便所述銷(xiāo)進(jìn)入合金和工具表面并在合金和工具中產(chǎn)生塑化區(qū)域。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中硬化面合金包括鐵基合金。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中硬化面合金包括分散在其中碳化鎢顆粒。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在摩擦攪拌之后，焊縫具有降低的平均粗糙高度。
20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中該工具包括工具接頭、鉆鋌和穩(wěn)定器中的一種。
21.—種改進(jìn)用在井眼操作中的工具上的磨損降低材料的性能的方法，包括下述步驟通過(guò)熱噴涂將硬化面合金沉積在工具的表面上；以及將磨損降低材料摩擦攪拌到工具的表面中。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中摩擦攪拌包括至少一個(gè)攪拌通道。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中摩擦攪拌包括至少兩個(gè)攪拌通道。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中摩擦攪拌包括在摩擦攪拌處理銷(xiāo)上施加向下的作用力并轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦攪拌處理銷(xiāo)，以產(chǎn)生摩擦熱，以便所述銷(xiāo)進(jìn)入合金和工具表面并在合金和工具中產(chǎn)生塑化區(qū)域。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中硬化面合金包括鐵基合金。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中硬化面合金包括分散在其中的碳化鎢顆粒。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中在摩擦攪拌之后，焊縫具有降低的平均粗糙高度。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中該工具包括工具接頭、鉆鋌和穩(wěn)定器中的一種。
全文摘要
公開(kāi)了一種處理焊接至用在井眼操作中的工具的表面的磨損降低材料的方法，包括將磨損降低材料摩擦攪拌到工具的所述表面中。還公開(kāi)了改進(jìn)工具上的磨損降低材料的性能的方法。
文檔編號(hào)B23K101/20GK102170991SQ200980139472
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2009年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月14日
發(fā)明者卡里·A·羅斯, 拉塞爾·J·施蒂爾, 謝爾頓·W·阿爾薩普, 馬達(dá)普斯·K·克沙凡恩 申請(qǐng)人:史密斯運(yùn)輸股份有限公司