本申請要求于2014年6月5日提交的美國臨時專利申請序列號No.62/008,324以及于2014年10月17日提交的美國臨時專利申請序列號No.62/065,275的優(yōu)先權(quán)。上述申請的全部內(nèi)容以引用方式并入本文。

背景技術(shù)：

本公開涉及由亞穩(wěn)硬化的銅合金制成的接箍。接箍尤其可用于連接抽油桿以作為動力源與泵之間的連接，并且也可用于油氣工業(yè)中所使用的其他接箍，如光桿接箍或變徑接箍。

烴類開采裝置通常包括用于從地下儲層中開采烴類的泵、用于向泵提供動力的動力源、以及連接動力源和泵的抽油桿舉升系統(tǒng)。抽油桿舉升系統(tǒng)包括通過接箍連接在一起的一系列抽油桿。抽油桿和接箍通過公扣-母扣(pin-and-box)的螺紋連接而接合在一起。因粘扣而導(dǎo)致的螺紋連接損傷(由滑動面之間的粘合所致的磨損)會損害接頭的機(jī)械完整性，并會導(dǎo)致動力源與泵之間的連接失效。此外，抽油桿舉升系統(tǒng)在管道中進(jìn)行操作。因接箍外表面與管道的內(nèi)表面之間的重復(fù)接觸而造成的管道損傷會降低管道的機(jī)械完整性，從而導(dǎo)致由管道輸送的烴類泄漏至環(huán)境中。這種泄漏會有效地使泵送操作停止，并常常會導(dǎo)致進(jìn)行極為昂貴的額外操作以糾正這種故障。

抽油桿接箍和類似接箍所需的特性包括高抗拉強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、高斷裂韌性、耐粘扣性和耐腐蝕性。常規(guī)的接箍通常由鋼或鎳合金構(gòu)成，其并不充分具備優(yōu)選的固有特性，尤其是耐粘扣性。通常會對由鋼或鎳合金制成的接箍、以及內(nèi)部設(shè)置有接箍的管道的內(nèi)部進(jìn)行昂貴的表面處理以提高耐粘扣性。這些表面處理最終會磨損失去，并且在部件的使用壽命期間內(nèi)必須定期地重復(fù)施加表面處理以使表面處理有效。

有利的是研制出具有更高的固有耐粘扣性以及其他有利性質(zhì)的新型抽油桿接箍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及由亞穩(wěn)硬化的銅合金制成的接箍，更具體而言為抽油桿接箍。接箍具有包括高抗拉強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、高斷裂韌性、耐粘扣性和耐腐蝕性在內(nèi)的性質(zhì)的獨(dú)特組合。這種性質(zhì)的組合使得使用了這種接箍的泵系統(tǒng)(例如，抽油桿和管道)中的接箍和其他部件的破壞性損傷的發(fā)生得以延遲，同時在烴類回收操作中提供機(jī)械功能。這種性質(zhì)的組合還延長了這些部件的有效使用壽命，并大幅降低用于開采烴類的設(shè)備的成本。本公開的一些接箍特別被形成為其外表面包括至少一個凹槽，從而不會使液體流動受阻。

本文在各種實(shí)施方案中公開了用于抽油桿的接箍，其包含亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金，該合金包含約8重量％至約20重量％的鎳、約5重量％至約11重量％的錫，余量為銅，其中該合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少75ksi。接箍由具有第一端部和第二端部的芯體形成，每個端部具有內(nèi)螺紋。該芯體的外表面包括至少一個由第一端部延伸至第二端部的凹槽。

在更具體的實(shí)施方案中，銅-鎳-錫合金可包含約14.5重量％至約15.5重量％的鎳、約7.5重量％至約8.5重量％的錫，余量為銅。該合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度可以為至少85ksi，或至少90ksi，或至少95ksi。

在具體的實(shí)施方案中，接箍的合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度可為至少95ksi，室溫下的夏比V型缺口沖擊能量可以為至少22ft-lb?；蛘?，接箍的合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度可為至少102ksi，室溫下的夏比V型缺口沖擊能量可為至少12ft-lb。或者，接箍的合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度可為至少120ksi，室溫下的夏比V型缺口沖擊能量可為至少12ft-lb。

位于接箍的第一端部和第二端部的內(nèi)螺紋可具有相同的母螺紋尺寸?；蛘?，對于變徑接箍，位于第一端部和第二端部的內(nèi)螺紋可具有不同的母螺紋尺寸。

有時，鉆孔穿過芯體并由第一端部延伸至第二端部，各端部的內(nèi)螺紋均位于該鉆孔內(nèi)。接箍的各端部還可包括位于端面處的鏜孔(counterbore)。

可通過輥軋成形來形成內(nèi)螺紋。接箍的內(nèi)螺紋的洛氏C硬度(HRC)可為約20至約40?？赏ㄟ^冷加工和亞穩(wěn)硬化來形成接箍。

在接箍的一些實(shí)施方案中，所述至少一個凹槽沿著與縱向軸平行的方向由第一端部延伸至第二端部。在其他實(shí)施方案中，所述至少一個凹槽以螺旋方式由第一端部延伸至第二端部，換言之，所述至少一個凹槽在外表面上盤旋。凹槽(一個或多個)可具有弓形截面或四邊形截面。

在特定實(shí)施方案中，接箍的第一端部和第二端部向下漸縮(即，各端部處的直徑小于接箍中心處的直徑)。例如，端部可以線性方式或拋物線方式漸縮。

本文還披露了抽油桿柱，包括：第一桿和第二桿，每個桿均包括具有公扣的端部，其中所述公扣具有外螺紋；以及具有本文中上述結(jié)構(gòu)的接箍。接箍的第一端部的內(nèi)螺紋與第一桿的外螺紋互補(bǔ)，并且接箍的第二端部的內(nèi)螺紋與第二桿的外螺紋互補(bǔ)。同樣的，接箍包含亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金，該亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金包含約8重量％至約20重量％的鎳、約5重量％至約11重量％的錫，余量為銅，其中該合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少75ksi。

本文還披露了泵系統(tǒng)，包括：井下泵；用于向井下泵提供動力的動力源；以及位于井下泵和動力源之間的抽油桿柱；其中抽油桿柱包括：第一桿和第二桿，每個桿均包括具有公扣的端部，所述公扣具有外螺紋；以及本文中上述的接箍。

本文在各實(shí)施方案中還披露了用于抽油桿的接箍，其包含亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金，該合金包含約8重量％至約20重量％的鎳、約5重量％至約11重量％的錫，余量為銅，其中該合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少75ksi。

在更具體的實(shí)施方案中，銅-鎳-錫合金可包含約14.5重量％至約15.5重量％的鎳、約7.5重量％至約8.5重量％的錫，余量為銅。該合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少85ksi，或至少90ksi，或至少95ksi。

在具體的實(shí)施方案中，接箍的合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度可為至少95ksi，室溫下的夏比V型缺口沖擊能量為至少22ft-lb。或者，接箍的合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度可為至少102ksi，室溫下的夏比V型缺口沖擊能量為至少12ft-lb。或者，接箍的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度可為至少120ksi，室溫下的夏比V型缺口沖擊能量為至少12ft-lb。

接箍可包括具有第一端部和第二端部的芯體，各端部均包含內(nèi)螺紋。位于第一端部和第二端部的內(nèi)螺紋可具有相同的母螺紋尺寸?；蛘撸瑢τ谧儚浇庸?，位于第一端部和第二端部的內(nèi)螺紋可具有不同的母螺紋尺寸。

有時，鉆孔穿過芯體并由第一端部延伸至第二端部，各端部的內(nèi)螺紋均位于該鉆孔內(nèi)。接箍的各端部還可包括位于端面處的鏜孔。

可通過輥軋成形來形成內(nèi)螺紋。接箍的內(nèi)螺紋的洛氏C硬度(HRC)可為約20至約40。可通過冷加工和亞穩(wěn)硬化來形成接箍。

本文還披露了抽油桿柱，包括：第一桿和第二桿，每個桿均包括具有公扣的端部，其中所述公扣具有外螺紋；以及接箍，該接箍包括具有第一端部和第二端部的芯體，各端部均包含內(nèi)螺紋；其中接箍的第一端部的內(nèi)螺紋與第一桿的外螺紋互補(bǔ)，并且接箍的第二端部的內(nèi)螺紋與第二桿的外螺紋互補(bǔ)；并且其中接箍包含亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金，該亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金包含約8重量％至約20重量％的鎳、約5重量％至約11重量％的錫，余量為銅，其中該合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少75ksi。

本文還披露了泵系統(tǒng)，包括：井下泵；用于向井下泵提供動力的動力源；以及位于井下泵和動力源之間的抽油桿柱；其中抽油桿柱包括：第一桿和第二桿，每個桿均包括具有公扣的端部，所述公扣具有外螺紋；以及接箍，該接箍包括具有第一端部和第二端部的芯體，各端部均包含內(nèi)螺紋；其中接箍的第一端部的內(nèi)螺紋與第一桿的外螺紋互補(bǔ)，并且接箍的第二端部的內(nèi)螺紋與第二桿的外螺紋互補(bǔ)；并且其中接箍包含亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金，該亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金包含約8重量％至約20重量％的鎳、約5重量％至約11重量％的錫，余量為銅，其中該合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少75ksi。

下面將更具體地披露本發(fā)明的這些特征和其他非限制性特征。

附圖說明

下面為附圖簡要說明，這些說明是為了示出本文所披露的示例性實(shí)施方案，而并非是為了對其加以限制。

圖1為本公開的泵系統(tǒng)的一個實(shí)施方案的示意性圖示。

圖2示出了具有兩個抽油桿的抽油桿接箍的嚙合的截面視圖。

圖3A為示出了抽油桿接箍的內(nèi)部的截面視圖。

圖3B為示出了變徑接箍的內(nèi)部的截面視圖。

圖4為本公開的示例性抽油桿接箍的俯視圖(即，沿縱軸向下看)，該示例性抽油桿接箍在芯體的外表面上具有四個凹槽。該凹槽具有弓形截面。

圖5為沿圖4中的平面AA截取得到的接箍的側(cè)面外視圖。凹槽與縱軸平行并在接箍的兩個端部之間延伸。接箍的末端以線性方式漸縮。

圖6為沿圖4中的平面BB截取得到的接箍的側(cè)面截面視圖。該接箍包括鏜孔和內(nèi)螺紋。

圖7為沿圖4中的平面AA截取得到的另一接箍的側(cè)面外視圖。該接箍具有相同的俯視圖，但是其具有不同的外視圖。此處，接箍的端部以拋物線方式漸縮。

圖8為本公開的另一個抽油桿接箍的俯視圖，其具有位于芯體的外表面上的四個凹槽。這些凹槽具有螺旋形或螺旋狀(spiral or helical)截面。

圖9為沿圖8中的平面CC截取得到的接箍的側(cè)面外視圖。凹槽具有螺旋狀截面，即相對于在接箍的兩個端部之間延伸的縱軸呈一定的角度。接箍的端部以線性方式漸縮。

圖10為本公開的另一個抽油桿接箍的俯視圖，其具有位于芯體的外表面上的六個凹槽。這些凹槽具有四邊形截面。

圖11為根據(jù)本公開的銅合金制抽油桿接箍的一個端部的照片。

圖12為示出了在根據(jù)本公開的銅合金制接箍的內(nèi)螺紋中測量得到的硬度的照片(50x)。

圖13為示出了整個螺紋的晶粒結(jié)構(gòu)的50倍放大的顯微照片。

圖14為示出了螺紋的頂端的晶粒結(jié)構(gòu)的100倍放大的顯微照片。

圖15為示出了螺紋中心處的晶粒結(jié)構(gòu)的100倍放大的顯微照片。

圖16為示出了螺紋根底的晶粒結(jié)構(gòu)的100倍放大的顯微照片。

圖17為示出了螺紋側(cè)面的晶粒結(jié)構(gòu)的200倍放大的顯微照片。

具體實(shí)施方式

參照附圖可更完整地理解本文所公開的部件、方法和裝置。為了便于和易于說明本發(fā)明，這些附圖僅是示意性表示，因此并非旨在表示所述設(shè)備或其部件的相對大小和尺寸，和/或限定或限制示例性實(shí)施方案的范圍。

盡管為了清楚起見，在以下的描述中使用了特定術(shù)語，這些術(shù)語旨在僅指代被選擇在附圖中舉例說明的實(shí)施方案的具體結(jié)構(gòu)，并非旨在限定或限制本公開的范圍。在附圖和下面的描述中，應(yīng)理解類似的數(shù)字標(biāo)號指代的是具有類似功能的部件。

除非上下文中另有明確說明，否則單數(shù)形式的“一個”、“一種”和“所述”包括多個指代物的情況。

本說明書和權(quán)利要求書中所用的用語“包括”可包括“由…構(gòu)成”和“基本上由…構(gòu)成”的實(shí)施方案。如本文中使用的術(shù)語“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“能夠”、“含有”及其變化形式旨在表示開放式的連接短語、術(shù)語或詞語，其要求具有所提到的成分/步驟，并且允許具有其他成分/步驟。然而，這種描述應(yīng)被解釋為還描述了組合物或方法“由所列舉的成分/步驟組成”和“基本上由所列舉的成分/步驟組成”的情況，其允許僅具有所指出的成分/步驟，以及任何可能由此產(chǎn)生的雜質(zhì)，并排除了其他成分/步驟。

在本申請的說明書和權(quán)利要求書中的數(shù)值應(yīng)被理解為：包括減少到相同有效數(shù)字位數(shù)時相同的數(shù)值、以及與所述值之間的差值小于本申請中所述類型的用以確定該值的常規(guī)測量技術(shù)的試驗(yàn)誤差的數(shù)值。

本文中所披露的全部范圍均包括所列的端值，并且是可獨(dú)立組合的(例如，范圍“2g至10g”包括端值2g和10g，并且包括全部的中間值)。

可使用術(shù)語“約”以包括可發(fā)生改變而不會使其基本功能發(fā)生改變的任何數(shù)值。當(dāng)“約”與范圍一同使用時，“約”還披露了兩個端點(diǎn)的絕對值所限定的范圍。例如，“約2至約4”也披露了范圍“2至4”。術(shù)語“約”可指所指示數(shù)值±10％。

本發(fā)明涉及由亞穩(wěn)強(qiáng)化的銅系合金制成的接箍。本公開的銅合金可為這樣的銅-鎳-錫合金，該合金具有強(qiáng)度、延展性、高應(yīng)變率、斷裂韌性和防粘扣性的組合。更具體而言，接箍設(shè)計為用于油氣工業(yè)中、尤其用于烴類開采系統(tǒng)中的機(jī)械采油接箍、抽油桿接箍或變徑接箍。

圖1示出了泵系統(tǒng)100的各種部件。該系統(tǒng)100具有步進(jìn)梁122，該步進(jìn)梁122使抽油桿柱124進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，該抽油桿柱124包括光桿部分125。抽油桿柱124懸掛于該步進(jìn)梁，以使設(shè)置于井128的底部的井下泵126運(yùn)行。

步進(jìn)梁122轉(zhuǎn)而通過由曲柄130進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的連接桿臂而運(yùn)行，其中該曲柄130由動力源132(例如，電動機(jī))驅(qū)動，該動力源132通過齒輪箱134等齒輪減速機(jī)構(gòu)與曲柄130相連。動力源可為三相交流感應(yīng)電動機(jī)或同步電動機(jī)，并且用于驅(qū)動泵單元。齒輪箱134將電動機(jī)轉(zhuǎn)矩變?yōu)榈退俚咿D(zhuǎn)矩輸出以驅(qū)動曲柄130。曲柄130配有配重136，該配重136起到了使懸掛于梁122的抽油桿柱124平衡的作用。也可通過氣缸(如氣動平衡單元中的那些氣缸)來提供抗衡。皮帶傳動泵單元(belted pumping unit)可使用沿著與桿的沖程相反的方向運(yùn)動的配重或者使用氣缸以實(shí)現(xiàn)抗衡。

井下泵126可為往復(fù)式泵，其具有連接至抽油桿柱124的末端的活塞138、以及連接至井128中的油管的末端的泵筒140。活塞138包括游動閥142和位于泵筒140的底部的固定閥144。在泵的上行沖程中，游動閥142關(guān)閉并將液體(例如，油和/或水)抬至高于活塞138并達(dá)到井的頂部，并且固定閥144打開并使儲層中的另外的液體流進(jìn)泵筒140中。在下行沖程中，游動閥142打開并且固定閥144關(guān)閉以為下一循環(huán)做準(zhǔn)備?？刂票?26的運(yùn)行，使得泵筒140中所維持的液面足以將抽油桿柱124的下端在全部沖程中均保持于液體中。抽油桿柱124被管道111包圍，管道111進(jìn)而被套筒110包圍。位于光桿部分125下方的抽油桿柱124由通過抽油桿接箍123連接在一起的抽油桿制成。

圖2為示出了兩個抽油桿210、220與抽油桿接箍之間的嚙合的側(cè)視圖。各抽油桿210、220包括桿體212、222以及桿端部214、224(每個桿僅示出了一個端部)。桿端部包括：外螺紋公扣(或陽螺紋接頭)216、226；肩218、228，其適于與接箍的端面相鄰接；以及打頭219、229，其通過用于扭轉(zhuǎn)和旋緊抽油桿的工具能夠被嚙合。

抽油桿接箍230本身為具有第一端部234和第二端部236的芯體232，各端部對應(yīng)于母扣且具有用于嚙合抽油桿的公扣的內(nèi)螺紋(即，陰螺紋接頭)238、240。芯體大致呈圓柱狀，其長度大于直徑。各端部具有與抽油桿的肩鄰接的端面235、237。如本圖所示，鉆孔242沿著芯體的縱軸完全延伸穿過芯體并由第一端部234延伸至第二端部236。兩個內(nèi)螺紋238、240位于鉆孔的表面，并且虛線示出了兩個端部在鉆孔中心處相遇的位置。此處，兩個內(nèi)螺紋具有相同的母螺紋尺寸，并且與抽油桿的外螺紋互補(bǔ)。在2010年5月發(fā)布的API Specification 11B,27版中對抽油桿和抽油桿接箍的各部分的尺寸進(jìn)行了說明。

圖3A提供了抽油桿接箍230的截面視圖，圖3B為變徑接箍250的截面視圖。圖3A的抽油桿接箍230包括位于各端面235、237的鏜孔252、254。換言之，內(nèi)螺紋并非如圖2中那樣一直延伸至端面。此處，如附圖標(biāo)記244、246所示，兩個內(nèi)螺紋具有相同的母螺紋尺寸。此外直線260示出了縱軸。

圖3B中的變徑接箍250具有與抽油桿接箍相同的結(jié)構(gòu)，但是不同之處在于：如附圖標(biāo)記256、258所示，第一端部234的母螺紋尺寸不同于第二端部236的母螺紋尺寸?？v軸也由直線260示出。

在具體實(shí)施方案中，圖2和圖3A的抽油桿接箍230、以及圖3B的變徑接箍250分別具有基本上平滑的彎曲外表面262和264。換言之，在這些接箍的長度方向上，外徑保持恒定，使得彎曲外表面262和264是均勻的。在具體實(shí)施方案中，這些接箍的外徑并不顯著大于抽油桿的外徑。

圖4-6披露了這種接箍的其他變體。更具體而言，這些接箍的外徑大于抽油桿的外徑。這防止了抽油桿接觸包圍抽油桿柱的生產(chǎn)油管(即，圖1的管道111)。圖4為俯視圖。圖5為沿圖4中的平面AA截取得到的外視圖。圖6為沿圖4中的平面BB截取得到的截面視圖。

首先參見圖4，接箍430由芯體432形成。芯體的截面基本上呈環(huán)狀，鉆孔442沿著縱軸穿過整個芯體。芯體的外表面462具有至少一個凹槽。此處，示出了四個凹槽471、472、473和474。芯體的內(nèi)徑425也對應(yīng)于鉆孔的直徑，并且芯體還具有外徑427。各凹槽具有深度475，其是相對于芯體的外徑測量得到的。各凹槽可具有任何所需的深度，并且可具有任何數(shù)量的凹槽，只要有足夠的芯體材料支持接合至接箍的桿即可。在具體實(shí)施方案中，凹槽深度475與外徑427和內(nèi)徑425之間的差值的比例至多為二分之一。在具體實(shí)施方案中，存在多個凹槽，并且這些凹槽在芯體的周長上以大致均勻的間隔分隔開。

預(yù)期接箍有利地接觸任何生產(chǎn)油管，而抽油桿并不會接觸生產(chǎn)油管，這樣便減輕了抽油桿的磨損。實(shí)現(xiàn)這一目的的一種方法是提高抽油桿接箍的外徑。然而，這會阻止生產(chǎn)油管內(nèi)的液體流動。凹槽的存在提供了液體流動的通路，降低了接箍的截面積，并減少了因接箍的使用而造成的任何液體流動阻力。

現(xiàn)在參見圖5的外視圖，接箍具有第一端部434和第二端部436，以及中部428。第一端部434和第二端部436向下漸縮，即，中部428的直徑大于接箍各端部處的直徑。這里，術(shù)語“漸縮”僅指由中部至各端部直徑減小，并非要求直徑以給定方式改變。在圖5中，芯體的端部以線性方式漸縮，即，以直線方式漸縮。凹槽471和472同樣可見。也繪制了縱軸460供參考(虛線)。

現(xiàn)在參見圖6的截面視圖，接箍的各端部434、436對應(yīng)于母扣并且具有用于嚙合抽油桿的公扣的內(nèi)螺紋(即，陰螺紋接頭)438、440。各端部具有與抽油桿的肩鄰接的端面435、437。鉆孔442沿著芯體的縱軸460完全穿過芯體并由第一端部434延伸至第二端部436。兩個內(nèi)螺紋438、440均位于鉆孔的表面上。此處，兩個內(nèi)螺紋具有相同的母螺紋尺寸。鏜孔452、454位于各端部434、436，其中內(nèi)螺紋并未一直延伸至端面。

圖7為抽油桿接箍的另一實(shí)施方案。此處，接箍430具有與圖4中所示相同的俯視圖，但是其端部434、436以拋物線方式漸縮，而非以線性方式漸縮。當(dāng)由側(cè)面觀察時，由中部至各端部的轉(zhuǎn)變呈弓形。仍可見凹槽471和472。

圖8和圖9示出了本公開的另一方面。圖8為俯視圖，圖9為沿圖8的平面CC截取得到的側(cè)視圖。此處，凹槽并未沿著與縱軸460平行的方向延伸。而是凹槽471、472以螺旋的方式由第一端部434延伸至第二端部436，或者換言之，以類似于螺釘上的螺紋的方式，以螺旋方式由周長的一側(cè)延伸至周長的另一側(cè)?？筛鶕?jù)需要改變由凹槽的一個完整旋轉(zhuǎn)所覆蓋的縱軸方向上的距離(也稱為導(dǎo)程)。

最后，圖10示出了本公開的又另一方面?？筛鶕?jù)需要改變凹槽的截面，同樣地，只要有足夠的芯體430的材料支持接合至接箍的桿即可。此處在圖10中，凹槽471具有由三條側(cè)邊481、482和483形成的四邊形截面(第四條側(cè)邊為由虛線表示的芯體的周長)。相對比，圖4中的凹槽具有弓形截面。

總體上，用于形成本公開的接箍的銅合金在再加熱之前經(jīng)過了冷加工，以進(jìn)行微觀組織的亞穩(wěn)分解。冷加工是以機(jī)械方式通過塑性變形改變金屬的形狀或尺寸的方法。這可以通過金屬或合金的軋制、拉拔、擠壓、旋壓、擠出或頂煅來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)金屬發(fā)生塑性變形時，材料內(nèi)發(fā)生了原子的位錯。具體地，位錯跨越金屬晶粒發(fā)生或在金屬晶粒內(nèi)發(fā)生。位錯彼此交疊，并且材料內(nèi)的位錯密度增加。交疊位錯的增加使得進(jìn)一步的位錯移動更加困難。這增加了所得合金的硬度和抗拉強(qiáng)度，同時通常降低了合金的延展性和沖擊性能。冷加工還提高了合金的表面光潔度。機(jī)械冷加工通常在低于合金的再結(jié)晶點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，通常是在室溫下進(jìn)行。

亞穩(wěn)時效/分解是一種這樣的機(jī)制，通過該機(jī)制，多種成分可以分成具有不同的化學(xué)組成和物理性質(zhì)的不同區(qū)域或微觀組織。特別地，位于相圖中心區(qū)域的具有體相組成(bulk composition)的晶體發(fā)生脫溶。位于本公開合金表面的亞穩(wěn)分解導(dǎo)致表面硬化。

亞穩(wěn)合金結(jié)構(gòu)由原始相在特定溫度下分離而產(chǎn)生的均勻兩相混合物和在高溫下產(chǎn)生的稱為溶混間隙的組合物構(gòu)成。合金相自發(fā)分解為其他相，其中晶體結(jié)構(gòu)保持相同，但在結(jié)構(gòu)中的原子被修飾但在尺寸上保持相似。亞穩(wěn)硬化增強(qiáng)了基體金屬的屈服強(qiáng)度，并包括高度均勻的組成和微觀組織。

在大多數(shù)情況下，亞穩(wěn)合金在其相圖中表現(xiàn)出被稱為溶混間隙的異常。在溶混間隙的相對較窄的溫度范圍內(nèi)，在現(xiàn)有的晶格結(jié)構(gòu)中發(fā)生原子排序。所產(chǎn)生的兩相組織在遠(yuǎn)低于所述間隙的溫度下是穩(wěn)定的。

本文中所使用的銅-鎳-錫合金通常包含約9.0重量％至約15.5重量％的鎳、約6.0重量％至約9.0重量％的錫，余量為銅。該合金可被硬化，并且更易于形成能夠用在各種工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中的高屈服強(qiáng)度產(chǎn)品。這種高性能合金被設(shè)計為具有與銅-鈹合金相似的性質(zhì)。

更具體而言，本公開的銅-鎳-錫合金包含約9重量％至約15重量％的鎳和約6重量％至約9重量％的錫，余量為銅。在更具體的實(shí)施方案中，銅-鎳-錫合金包含約14.5重量％至約15.5重量％的鎳和約7.5重量％至約8.5重量％的錫，余量為銅。

銅-鎳-錫三元亞穩(wěn)合金表現(xiàn)出了有益的性能組合，如高強(qiáng)度、優(yōu)異的摩擦學(xué)特性、以及海水和酸性環(huán)境中的高耐腐蝕性?；w金屬的屈服強(qiáng)度增加可以通過銅-鎳-錫合金的亞穩(wěn)分解而得到。

銅合金可包含鈹、鎳和/或鈷。在一些實(shí)施方案中，銅合金含有約1重量％至5重量％的鈹，并且鈷和鎳的總和在約0.7重量％至約6重量％的范圍內(nèi)。在具體實(shí)施方案中，合金包含約2重量％的鈹和約0.3重量％的鈷和鎳。其他的銅合金實(shí)施方案可包含在約5重量％和7重量％之間的范圍內(nèi)的鈹。

在一些實(shí)施方案中，銅合金含有鉻。鉻的含量可小于合金的約5重量％，包括約0.5重量％至約2.0重量％、或者約0.6重量％至約1.2重量％的鉻。

在一些實(shí)施方案中，銅合金含有硅。硅的含量可小于5重量％，包括約1.0重量％至約3.0重量％、或者約1.5重量％至約2.5重量％的硅。

本公開的合金可任選地包含少量的添加劑(例如，鐵、鎂、錳、鉬、鈮、鉭、釩、鋯及其混合物)。添加劑的含量可為至多1重量％，適當(dāng)?shù)暮繛橹炼?.5重量％。此外，可存在少量的天然雜質(zhì)?？纱嬖谏倭康钠渌砑觿?，如鋁和鋅。其他元素的存在可具有進(jìn)一步提高所得合金的強(qiáng)度的效果。

在一些實(shí)施方案中，為了降低合金的氧含量，會在初始合金的形成過程中添加一些鎂。所形成的氧化鎂可從合金塊體中除去。

在具體實(shí)施方案中，接箍的內(nèi)螺紋通過輥扎成形而形成，而非通過切削形成。該方法似乎拉長了位于螺紋外表面的晶粒。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，輥扎螺紋能夠抵抗滑扣的發(fā)生，這是因?yàn)榧羟衅茐囊欢òl(fā)生于晶粒之間，而非發(fā)生于晶粒本身。這種冷加工方法還提供了額外的強(qiáng)度和抗疲勞性。由此，內(nèi)螺紋的洛氏C硬度(HRC)可為約20至約40。HRC可在全部螺紋范圍內(nèi)發(fā)生改變，該表述不應(yīng)理解為要求全部螺紋具有相同的HRC。在具體實(shí)施方案中，螺紋的HRC的最小值為22。螺紋的外表面的HRC為至少35。

用于制造本公開的接箍的合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度可為至少75ksi，包括至少85ksi、或至少90ksi、或至少95ksi。

用于制造本公開的接箍的合金可具有如下表1所示的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度和室溫夏比V型缺口沖擊能量的組合。這些組合對于本公開的銅合金而言是獨(dú)特的。用于進(jìn)行這些測量的測試樣品縱向排布。所列數(shù)值為最小值(即，至少為所列數(shù)值)，并且有利的是，補(bǔ)償屈服強(qiáng)度和夏比V型缺口沖擊能量的數(shù)值高于這里所列的組合。換言之，合金所具有的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度和室溫夏比V型缺口沖擊能量的組合等于或高于這里所列的數(shù)值。

表1

表2提供了適合本公開的用于抽油桿接箍或變徑接箍的銅系合金的另一示例性實(shí)施方案的性質(zhì)。

表2

可通過使用本領(lǐng)域已知的鑄造和/或模制技術(shù)制造本發(fā)明的桿接箍。

由亞穩(wěn)分解的銅合金制成的接箍獨(dú)特地具有高抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度與高斷裂韌性、耐粘扣性和耐腐蝕性的組合。這種獨(dú)特的性質(zhì)組合使得接箍滿足了所需的基本機(jī)械和腐蝕特性，同時可靠地保護(hù)系統(tǒng)部件發(fā)生粘扣損壞，從而極大地延長了系統(tǒng)的壽命并降低了發(fā)生不可預(yù)期的故障的風(fēng)險。

在通過潛油電動機(jī)提供動力的機(jī)械采油泵的傳動軸中，使用了另一種類型的機(jī)械采油接箍，其中該潛油電動機(jī)設(shè)置于井眼中，或者設(shè)置于井眼的外部。接箍用于將泵傳動軸的各部分接合在一起，并將傳動軸接合至馬達(dá)以及泵輪。這些接箍還包括鍵槽特征(keyway feature)，其能夠確保部件之間的牢固連接。該鍵槽特征可提高局部應(yīng)力，并且成為扭轉(zhuǎn)載荷下的裂痕的潛在來源，尤其是當(dāng)開啟馬達(dá)時更是如此。通過使用具有高應(yīng)變率和斷裂韌性的本公開的銅合金可減少這種故障。

提供如下實(shí)施例以示出本公開的接箍、方法和性質(zhì)。這些實(shí)施例僅僅是示意性的，并且并不旨在將本公開限制為本文所列出的材料、條件或工藝參數(shù)。

實(shí)施例

由亞穩(wěn)硬化銅合金制造兩個抽油桿接箍。所述銅合金為15.1重量％的鎳、8.2重量％的錫、0.23重量％的錳，并含有小于0.05重量％的Nb、小于0.02重量％的Zn和Fe，以及小于0.01重量％的Mg和Pb。銅合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為102ksi，極限抗拉強(qiáng)度為112ksi。根據(jù)API Specification 11B，接箍的標(biāo)稱尺寸為1英寸。使用螺絲攻進(jìn)行操作以通過輥軋形成螺紋。圖11為接箍的一端的照片。

進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。將樣品對半鋸開，將螺紋固定并拋光以供分析。在該部分的不同位置處進(jìn)行硬度試驗(yàn)。圖12為示出了測量值的照片。上面的數(shù)值為測量的維氏硬度(HV)，下面的數(shù)值為洛氏C硬度(HRC)(由HV轉(zhuǎn)化得到)。由此可看出，HRC由螺紋內(nèi)部的低數(shù)值(21.7)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菁y外表面的高數(shù)值(38.7)。

螺紋外表面的所有HRC數(shù)值均高于35。平均晶粒尺寸為23微米。螺紋外表面的晶粒被拉長。

圖13至17為樣品的各種顯微照片。圖13為示出了整個螺紋的晶粒結(jié)構(gòu)的50倍放大的顯微照片。圖14為示出了螺紋的頂端的晶粒結(jié)構(gòu)的100倍放大的顯微照片。圖15為示出了螺紋中心處的晶粒結(jié)構(gòu)的100倍放大的顯微照片。圖16為示出了螺紋根底的晶粒結(jié)構(gòu)的100倍放大的顯微照片。圖17為示出了螺紋側(cè)面的晶粒結(jié)構(gòu)的200倍放大的顯微照片。

應(yīng)該理解的是，上述公開的變化形式和其他特征和功能或其替代方式，可以組合成許多其他不同的系統(tǒng)或應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員后續(xù)可作出目前未預(yù)見或未預(yù)期的各種替代方式、修改、變化形式或改進(jìn)，這也旨在由所附權(quán)利要求所涵蓋。