BR102017007279A2 - aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação e bomba alternativa fabricada com o mesmo - Google Patents

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Abstract

aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação e bomba alternativa fabricada com o mesmo é proposto um bloco de extremidade. o bloco de extremidade pode incluir um corpo que se estende entre um lado dianteiro, um lado traseiro, um lado esquerdo, um lado direito, um lado superior e um lado inferior. além disso, o corpo pode incluir um primeiro furo que se estende através do corpo entre uma abertura de entrada e uma abertura desaída e um furo de cilindro que se estende entre uma abertura de cilindro e o primeiro furo. além disso, o corpo pode incluir um aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação compreendendo entre 0,08% e 0,18% em peso de carbono, entre 10,50% e 14,00% em peso de cromo, entre 0,65% e 1,15% em peso de níquel, entre 0,85% e 1,30% em peso de cobre, ferro e um primeiro precipitado que compreende o cobre.

Description

A presente invenção se refere em linhas gerais a um aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação, e, mais especificamente, a blocos de extremidade e bombas alternativas fabricadas com o mesmo.
ANTECEDENTES [003] Uma bomba alternativa pode ser configurada para impelir um material de tratamento, tal como, mas sem limitação, concreto, um material de acidificação, um material para fraturamento hidráulico ou um material de escoramento de fratura, em um furo de poço de gás ou de petróleo. A bomba alternativa inclui uma extremidade de energia e uma extremidade de fluido, incluindo a extremidade de energia um motor e um virabrequim engatado para girar com o motor. Além disso, a extremidade de energia inclui um braço de manivela engatado com o virabrequim.
[004] A extremidade de fluido pode incluir uma haste de conexão conectada operacionalmente ao braço de manivela em uma extremidade e a um êmbolo na outra extremidade, um cilindro configurado para engatar operacionalmente com o êmbolo e um bloco de extremidade configurado para engatar com o cilindro. Uma abertura de entrada é provida no bloco de extremidade com uma abertura de saída e um primeiro furo
Petição 870170038451, de 06/06/2017, pág. 6/40
2/28 que se estende entre a abertura de entrada e a abertura de saída. Além disso, o bloco de extremidade inclui uma abertura de cilindro e um furo de cilindro entre a abertura do cilindro e o primeiro furo. À medida que opera o motor, ele faz girar o virabrequim o que por seu lado faz o êmbolo se deslocar em vaivém no interior do cilindro por meio do braço de maniveia e a haste de conexão. À medida que o êmbolo se desloca, o material de tratamento é deslocado para dentro do bloco de extremidade através da abertura de entrada e impelido para fora do bloco de extremidade através da abertura de saída sob pressão ao furo de poço de gás ou de petróleo.
[005] À medida que foi aumentando a demanda por hidrocarbonetos, as firmas de fraturamento hidráulico se voltaram para a perfuração de campos mais complexos tais como o de Haynesville Shale. Onde as formações mais antigas podiam ser fraturadas a 9000 libras por polegada quadrada (PSI) (62052,82 kPa), Haynesville Shale habitualmente exigia um material de escoramento de fendas extremamente abrasivo tal como bauxita. A pressão de bombeamento mais elevada e a utilização de materiais de escoramento de fendas mais abrasivos levou a uma redução da vida útil da extremidade do fluido, e, portanto, a custos mais elevados associados com a substituição de blocos de extremidade e de bombas.
[006] A presente invenção é, portanto, voltada à superação de um ou mais problemas apresentados acima e/ou de outros problemas associados com extremidades de fluido de bombas alternativas conhecidas.
SUMÁRIO [007] De acordo com um aspecto da presente invenção, é
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3/28 proposto um aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação. 0 aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,08% e 0,18% em peso de carbono, entre 10,50% e 14,00% em peso de cromo, entre 0,65% e 1,15% em peso de níquel, entre 0,85% e 1,30% em peso de cobre, e ferro. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreende um primeiro precipitado compreendendo o cobre.
[008] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é proposto um bloco de extremidade. 0 bloco de extremidade pode compreender um corpo que se estende entre um lado dianteiro, um lado traseiro, um lado esquerdo, um lado direito, um lado superior e um lado inferior. Além disso, o corpo pode incluir um primeiro furo que se estende através do corpo entre uma abertura de entrada e uma abertura de saída e pode ainda incluir um furo de cilindro que se estende entre uma abertura de cilindro e o primeiro furo. Adicionalmente, o corpo pode incluir um aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação. 0 aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,08% e 0,18% em peso de carbono, entre 10,50% e 14,00% em peso de cromo, entre 0,65% e 1,15% em peso de níquel, entre 0,85% e 1,30% em peso de cobre, e ferro. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender um primeiro precipitado que compreende o cobre.
[009] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é proposta uma bomba alternativa. A bomba alternativa pode incluir um virabrequim e uma haste de conexão que engata para girar com o virabrequim. Além disso,
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4/28 a bomba alternativa pode incluir um êmbolo conectado operacionalmente à haste de conexão e a um cilindro configurado para engatar operacionalmente com o êmbolo. Além disso, a bomba alternativa pode incluir um bloco de extremidade e o bloco de extremidade pode compreender um corpo que se estende entre um lado dianteiro, um lado traseiro, um lado esquerdo, um lado direito, um lado superior e um lado inferior. Além disso, o corpo pode compreender um primeiro furo que se estende através do corpo entre uma abertura de entrada e uma abertura de saida, e um furo de cilindro que se estende entre uma abertura de cilindro e o primeiro furo. Adicionalmente, o corpo pode compreender um aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação. 0 aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,08% e 0,18% em peso de carbono, entre 10,50% e 14,00% em peso de cromo, entre 0,65% e 1,15% em peso de niquel, entre 0,85% e 1,30% em peso de cobre e ferro. Além disso, o aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação pode compreender um primeiro precipitado compreendendo o cobre.
[010] Estes e outros aspectos e características da presente invenção serão mais facilmente compreendidos quando esta for lida em conjunto com os desenhos apensos.
BREVE DESCRIÇÃO [011] A Figura 1 é uma vista em elevação lateral de uma bomba alternativa fabricada de acordo com a presente invenção.
[012] A Figura 2 é uma vista em seção transversal lateral da bomba alternativa exemplar de acordo com a Figura 1 fabricada de acordo com a presente invenção.
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5/28 [013] A Figura 3 é uma vista em perspectiva de um bloco de extremidade que pode ser utilizado com a bomba alternativa exemplar da Figura 1 fabricada de acordo com a presente invenção.
[014] A Figura 4 é uma vista em seção transversal de uma modalidade do bloco de extremidade da Figura 3 tirada pela linha 4-4 que pode ser utilizado com a bomba alternativa exemplar da Figura 1 fabricada de acordo com a presente invenção.
[015] A Figura 5 é uma vista em seção transversal de uma modalidade alternativa do bloco de extremidade da Figura 3 tirada pela linha 4-4 que pode ser utilizada com a bomba alternativa exemplar da Figura 1 fabricada de acordo com a presente invenção.
[016] A Figura 6 é um gráfico de dados mostrando o efeito do teor de níquel sobre a rachadura de corrosão por esforço (SCC) em arames de aço inoxidável.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [017] Diversos aspectos da presente invenção serão agora descritos com referência aos desenhos e tabelas descritos no presente documento, em que os mesmos números de referência se referem aos mesmos elementos, a não ser que seja especificado em contrário. Com referência à figura 1, é ilustrada uma vista em elevação lateral de uma bomba alternativa exemplar 10 fabricada de acordo com a presente invenção. Conforme representada ali, a bomba alternativa 10 inclui uma extremidade de força 12 e uma extremidade de fluido 14. A extremidade de força 12 pode ser configurada para fornecer trabalho à extremidade de fluido 14 permitindo assim que a extremidade de fluido 14 impulsione um material
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6/28 de tratamento, tal como, mas sem limitação, concreto, um material acidificante, um material de fraturamento hidráulico ou um material de escoramento de fendas para dentro de um furo de poço de as ou óleo.
[018] Com referência agora à Figura 2, é ilustrada uma vista lateral em seção transversal da bomba alternativa 10 exemplar de acordo com a Figura 1 fabricada de acordo com a presente invenção. Conforme observado ali, a extremidade de força 12 pode incluir um motor 16 configurado para fornecer trabalho à extremidade de fluido 14. Além disso, a extremidade de força 12 pode incluir uma carcaça de virabrequim 18 envolvendo um virabrequim 20 e um braço de manivela 22. O virabrequim 20 pode ser engatado para girar com o motor 16 e o braço de manivela 22 pode ser engatado para girar com o virabrequim 20.
[019] A extremidade de fluido 14 pode incluir uma carcaça de fluido 24 pelo menos parcialmente envolvendo uma haste de conexão 26, um cilindro 28 e um êmbolo 30. A haste de conexão 26 pode incluir uma primeira extremidade 31 e uma segunda extremidade 33 oposta à primeira extremidade 31. A haste de conexão 26 pode ser operacionalmente conectada ao braço de manivela 22 na primeira extremidade 31 e o êmbolo 30 na segunda extremidade 33. O cilindro 28 pode ser configurado para engatar operacional com o êmbolo 30. Embora a presente descrição e os desenhos discutam um arranjo de cilindro 28 e de um êmbolo 30, reivindica-se que as instruções da presente invenção possam também abranger um arranjo de cilindro 28 e um pistão. Consequentemente, deve ficar subentendido que o êmbolo 30 pode ser substituído por um pistão sem que haja desvio do âmbito da presente invenção.
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Ί/2.% [020] Α extremidade de fluido 14 pode também incluir um bloco de extremidade 32. Com referência agora à Figura 3, é ilustrada uma vista em perspectiva de um bloco de extremidade 32 que pode ser utilizado com a bomba alternativa 10 exemplar da Figura 1 fabricada de acordo com a presente invenção. Conforme ali ilustrado, o bloco de extremidade 32 pode compreender um corpo 34 que se estende entre um lado dianteiro 36, um lado traseiro 38, um lado esquerdo 40, um lado direito 42, um lado superior 44, e um lado inferior 46. Embora o bloco de extremidade 32 ilustrado na Figura 3 tenha um projeto de monobloco triplex, reivindica-se que as instruções da presente invenção se apliquem também a outros projetos de monobloco tal com um quintuplex, bloco Y, e até mesmo a um bloco de extremidade 32 tendo um projeto modular.
[021] Com referência à Figura 4, é ilustrada uma vista em seção transversal de uma modalidade do bloco de extremidade 32 da Figura 3 tirada pela linha 4-4. Conforme ilustrado ali, o corpo 34 pode ainda incluir uma abertura de entrada 48, uma abertura de saída 50 e um primeiro furo 52 estendendo-se entre a abertura de entrada 48 e abertura de saída 50. Além disso, conforme ilustrado na Figura 4, o corpo 34 pode adicionalmente incluir uma abertura de cilindro 54, uma abertura de inspeção 56 e um furo de cilindro 58. Em uma modalidade, o furo de cilindro 58 pode se estender entre a abertura de cilindro 54 e o primeiro furo 52. Em uma outra modalidade, o furo de cilindro 58 pode se estender entre a abertura de cilindro 54 e a abertura de inspeção 56.
[022] Com referência à Figura 5, é ilustrada uma vista em seção transversal de uma modalidade alternativa do bloco de extremidade 32 da Figura 3 tirada pela linha 4-4. Conforme
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8/28 ilustrado ali, o corpo 34 pode ainda incluir uma abertura de entrada 48, uma abertura de saída 50 e um primeiro furo 52 que se estende entre a abertura de entrada 48 e a abertura de saída 50. Além disso, conforme ilustrado na figura 5, o corpo 34 pode adicionalmente incluir uma abertura de cilindro 54 e um furo de cilindro 58. O furo de cilindro 58 pode se estender entre a abertura de cilindro 54 e o primeiro furo 52. Além disso, conforme ilustrado ali, um ângulo entre o furo de cilindro 58 e o primeiro furo 52 pode ser diferente de 90 graus, dando assim ao bloco de extremidade 32 uma configuração do tipo de bloco em Y.
[023] Em operação, o motor 16 pode fazer o virabrequim 20 girar, o que pode por sua vez fazer o êmbolo 30 se deslocar em vaivém no interior do cilindro 2 8 por meio do braço de manivela 22 e da haste de conexão 26. À medida que o êmbolo 30 se desloca em vaivém do furo de cilindro 58 para o cilindro 28, o material em tratamento pode ser deslocado para dentro do primeiro furo 52 através da abertura de entrada 48. À medida que o êmbolo 30 se desloca em vaivém do cilindro 28 para o furo de cilindro 58, o material em tratamento pode ser deslocado para fora do primeiro furo 52 através da abertura de saída 50 sob pressão para o furo de poço de gás ou de petróleo.
[024] Conforme foi descrito acima, a demanda de energia de hidrocarbonetos vem aumentando. Consequentemente, companhias de fraturamento hidráulico começaram a explorar campos de xisto que exigem pressões maiores e o uso de materiais de escoramento de fendas mais abrasivos para liberar os hidrocarbonetos capturados. A pressão de bombeamento mais elevada e a utilização de materiais de
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9/28 escoramento mais abrasivos, tais como bauxita reduziram o tempo de vida útil da extremidade de fluido 14. Mais especificação, as pressões de bombeamento mais altas e a utilização de materiais de escoramento mais abrasivos reduziu a vida útil do cilindro 28, do êmbolo 30 e do bloco de extremidade 32. Consequentemente, a presente invenção é voltada para o prolongamento da vida útil destes componentes.
[025] Mais especialmente, a presente invenção é voltada a um aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação inédito e não óbvio que tem uma resistência maior a corrosão em comparação com os materiais convencionalmente utilizados para a fabricação do cilindro 28, do êmbolo 30 e do bloco de extremidade 32 da extremidade de fluido 14 da bomba alternativa 10 descrita acima, mantendo ao mesmo tempo uma resistência a ruptura e uma resistência a tração final para a aplicação. Mais especificamente, em uma primeira modalidade, a presente invenção é voltada a um aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação compreendendo entre 0,08% e 0,18% em peso de carbono, entre 10,50% e 14,00% em peso de cromo, entre 0,65% e 1,15% em peso de níquel, entre 0,85% e 1,30% em peso de cobre, ferro e um primeiro precipitado que compreende o cobre. Além disso, nesta modalidade, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode ainda compreender entre 0,40% e 0,60% em peso de molibdênio e um segundo precipitado que compreende o molibdênio. Além disso, esta modalidade do aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação ode adicionalmente compreender entre 0,30% e 1,00% em peso de manganês. Além disso, nesta modalidade, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e
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0,040% em peso de fósforo. Além disso, o aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação nesta modalidade pode compreender entre 0% e 0,100% em peso de enxofre. Adicionalmente, o aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação nesta modalidade pode compreender entre 0,15% e 0,65% em peso de silicio. Além disso, o aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação nesta modalidade pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de vanádio. Além disso, o aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação nesta modalidade pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de nióbio. Finalmente, nesta modalidade, o aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,01% e 0,09% em peso de alumínio.
[026] Na primeira modalidade, a resistência na ruptura do aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação pode variar entre 95,0 milhares de libras por polegada quadrada (KSI) e 130,0 KSI com uma resistência na ruptura média de 105,0 KSI para o melhor equilíbrio de resistência e ductilidade. Além disso, nesta primeira modalidade, o aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação pode ter uma resistência a tração final entre 110 KSI a 141 KSI com uma resistência a tração final de 123,0 KSI para o melhor equilíbrio de resistência e ductilidade.
[027] Em uma modalidade adicional o aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,10% e 0,18% em peso de carbono, entre 11,50% e 14,00%
em peso de cromo, entre 0, 65% e 1,15% em peso de níquel,
entre 0,85% e 1,30% em peso de cobre, ferro, e um primeiro
precipitado compreendendo o cobre. Além disso, nesta
modalidade adicional o aço inoxidável martensitico
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11/28 endurecido por precipitação pode ainda compreender entre 0,40 e 0,60% em peso de molibdênio e um segundo precipitado compreendendo o molibdênio. Além disso, nesta modalidade adicional o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode ainda compreender entre 0,30% e 0,80% em peso de manganês. Além disso, nesta modalidade adicional o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,040% em peso de fósforo. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação nesta modalidade adicional pode compreender entre 0% e 0,100% em peso de enxofre. Adicionalmente o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação nesta modalidade adicional pode compreender entre 0,25% e 0,60% em peso de silício. Além disso, nesta modalidade adicional, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de vanádio. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação nesta modalidade adicional pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de nióbio. Finalmente, nesta modalidade adicional o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,01% e 0,09% em peso de alumínio.
[028] Nesta modalidade adicional, a resistência na ruptura do aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode variar entre 95,0 milhares de libras por polegada quadrada (KSI) e 130,0 KSI com uma resistência na ruptura média de 105,0 KSI para o melhor equilíbrio entre resistência e ductilidade. Além disso, nesta modalidade adicional, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode ter uma resistência a tração final entre 110 KSI e 141 KSI com uma resistência a tração final média
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12/28 de 123,0 KSI para o melhor equilíbrio entre resistência e ductilidade.
[029] Em uma outra modalidade, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,13% e 0,18% em peso de carbono, entre 12,00% e 13,50%
em peso de cromo, entre 0, 65% e 0,95% em peso de níquel,
entre 1,00% e 1,30% em peso de cobre, ferro, e um primeiro
precipitado compreendendo o cobre. Além disso, nesta
modalidade adicional, o aço inoxidável martensítico
endurecido por precipitação pode ainda compreender entre 0,43% e 0,57% em peso de molibdênio, e um segundo precipitado compreendendo o molibdênio. Além disso, nesta modalidade adicional, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode adicionalmente compreender entre 0,30% e 0,50% em peso de manganês. Além disso, nesta modalidade adicional, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,040% em peso de fósforo. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação nesta modalidade adicional pode compreender entre 0% e 0,010% em peso de enxofre. Adicionalmente, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação nesta modalidade adicional pode compreender entre 0,30% e 0,50% em peso de silício. Além disso, nesta modalidade adicional, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de vanádio. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação nesta modalidade adicional pode compreender entre 0% e 0,07% em peso de nióbio. Além disso, o teor combinado de vanádio e nióbio no aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação nesta modalidade
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13/28 adicional pode ser limitado a um máximo de 0,15% em peso. Finalmente, nesta modalidade adicional, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação compreende entre 0,015% e 0,045% em peso de alumínio.
[030] Nesta modalidade adicional, a resistência na ruptura do aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação entre 95,0 milhares de libras por polegada quadrada (KSI) e 130,0 KSI com uma resistência na ruptura média de 105,0 KSI para o melhor equilíbrio entre resistência e ductilidade. Além disso, nesta modalidade adicional, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode ter uma resistência a tração final entre 110 KSI e 141 KSI com uma resistência a tração final média de 123,0 KSI para o melhor equilíbrio entre resistência e ductilidade.
[031] O carbono nas fórmulas descritas acima pode determinar a dureza revenida, aumenta a temperabilidade do aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação, e é um estabilizador potente de austenita. Adicionalmente, o carbono pode combinar com cromo e molibdênio para formar uma série de fases de carbonetos metálicos. As partículas de carbonetos metálicos aumentam a resistência a desgaste e o carboneto metálico do tipo MC proporciona um refino do grão através do ancoradouro de partículas. Para ser assegurada uma formação adequada de carbonetos metálicos para resistência a desgaste e refinamento de grãos e para conferir a dureza revenida necessária, é exigido um teor mínimo de carbono de 0,08% em peso. Aumentar-se, no entanto, o nível de carbono acima de 0,18% em peso é indesejável. Em primeiro lugar, a precipitação de carbonetos de cromo esgota a matriz de cromo benéfico, o que faz baixar o grau de oxidação da
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14/28 liga e a resistência à corrosão. Em segundo lugar, niveis mais elevados de carbono podem estabilizar excessivamente a fase de austenita. Uma transformação incompleta pode resultar da estabilização excessiva de austenita, o que pode deprimir as temperaturas de inicio e fim da martensita até abaixo da temperatura ambiente com efeito deletério sobre a resistência do implemento.
[032] O cromo nas fórmulas expressas acima pode aumentar moderadamente a temperabilidade, conferir ligeiramente um aumento da concentração de sólidos em solução e melhorar muito a resistência a desgaste quando combinado com o carbono para formar o carboneto metálico. Quando estiver presente em concentrações acima de 10,5% em peso, o cromo oferece uma resistência elevada a óxidos e à corrosão. Na prática, podem ser acrescentados até 14,0% em peso, sem que haja a redução de operabilidade a quente do aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação.
[033] O niquel das fórmulas descritas acima pode conferir um ligeiro aumento da concentração da solução de sólidos, aumentar a temperabilidade e aumentar a tenacidade e a ductilidade. Além disso, o niquel pode aumentar a resistência à corrosão em ambientes ácidos e pode ser um bom estabilizador de austenita. O niquel pode também aumentar a solubilidade do cobre em ferro liquido e controlar a rachadura superficial durante o forjamento. Adicionalmente, o niquel pode também mitigar a tendência que o cobre tem de migrar para limites de grão durante o forjamento. Uma relação minima preferida de niquel para cobre é de 50%.
[034] O modo de falha de blocos de extremidade e bombas alternativas pode não ser completamente compreendido. O que
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15/28 se sabe, no entanto, é que um material dado, que é submetido a uma combinação de esforços de tração e de uma solução aquosa corrosiva, pode ser propenso ao início e em seguida à propagação de uma rachadura. A suscetibilidade de um material a rachadura por corrosão sob tensão (SCC) pode ser devida à composição da liga, à sua microestrutura e ao histórico térmico. Foi demonstrado que o teor de níquel de um aço inoxidável tem um efeito sobre o tempo necessário para a falha devido à SCC (veja a Figura 6 e Jones, Russel
H. , Stress-Corrosion Cracking: Materials, Performance and Evaluation, Segunda Edição ASM International, 2017, pp. 100101). Do gráfico da Figura 6 pode ser observado que à medida que aumenta a concentração de níquel de 0% a aproximadamente 12,5%, aumenta a suscetibilidade a SCC. Portanto, a conservação da concentração de níquel abaixo de 1,15% pode aumentar a resistência de um aço inoxidável a SCC, em comparação com concentrações mais elevadas de níquel.
[035] O cobre descrito acima pode aumentar ligeiramente o temperabilidade, melhorar a resistência à oxidação, melhorar a resistência à corrosão contra determinados ácidos, e conferir resistência por meio da precipitação de partículas ricas em cobre. Os níveis de cobre entre 0,85% e
I, 30% me peso permitem ganhos em resistência à oxidação e à corrosão, assim como o endurecimento por precipitação, sem reduzir significativamente a temperatura de transformação martensítica. O cobre aumenta a fluidez do aço líquido, e 1,0% em peso de cobre tem o efeito equivalente a um aumento de 125°F (69,44°C) em temperatura de aço líquido no tocante à fluidez. A solubilidade máxima do cobre em ferro é de 1,50% em peso quando rapidamente resfriado e deve ser mantida
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16/28 abaixo de 1,30% em peso para o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação descrito acima.
[036] O molibdênio nas fórmulas descritas acima pode aumentar a potência de endurecimento, aumentar a resistência à corrosão, reduzir a propensão à fragilização no revenimento e produz um aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação mais resistente quando aquecido numa faixa de 1000°F a 1200°F (537,78°C a 648,89°C) por precipitação do carboneto metálico fino (M2C) . Os carbonetos metálicos ricos em molibdênio proporcionam uma resistência a desgaste maior, melhoram a dureza a quente e resistem ao engrossamento do grão abaixo da temperatura Ai. Além disso, quantidades de molibdênio de até 0,60% em peso permitem que estes benefícios sejam realizados sem comprometer a operabilidade a quente. O molibdênio aumenta a resistência a impacto dos aços contendo cobre e em uma relação preferida deve estar presente numa proporção de aproximadamente a metade da porcentagem em peso do cobre.
[037] O manganês das fórmulas descritas acima pode proporcionar um ligeiro aumento da concentração de sólidos em solução e aumentar a temperabilidade do aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação. Se ele estiver presente numa quantidade suficiente, o manganês se liga ao enxofre em um composto não metálico reduzindo os efeitos deletérios do enxofre livre sobre a ductilidade do material.
O manganês é também um estabilizador de austenita, e níveis acima de 1,00% em peso podem produzir um problema de uma estabilização excessiva semelhante ao descrito acima para níveis elevados de carbono.
[038] O fósforo nas fórmulas descritas acima pode ser
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17/28 considerado como uma impureza. Por este motivo o fósforo pode ser tolerado até niveis de 0,040% em peso devido à sua tendência de reduzir a ductilidade por segregação dos limites de grãos quando as temperaturas de revenimento se encontram entre 700°F e 900°F (371,11°C e 482,22°C) [039] O enxofre nas fórmulas descritas acima pode ser considerado como sendo uma impureza, uma vez que ele pode melhorar a capacidade de usinagem às custas de uma redução em ductilidade e tenacidade. Devido ao impacto negativo sobre a ductilidade e a tenacidade, os niveis de enxofre são tolerados até um máximo de 0,010% me peso por aplicações em que a ductilidade e a tenacidade são criticas. Por outro lado, podem ser tolerados niveis de enxofre de 0,100% em peso, onde for desejada uma melhor capacidade de usinagem.
[040] O silicio nas fórmulas definidas acima pode ser usado para desoxidação durante a produção do aço. Adicionalmente, o silicio pode aumentar a resistência à oxidação, conferir um ligeiro aumento em resistência devido à concentração de sólidos em solução e aumentar temperabilidade do aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação. O silicio estabiliza ligeiramente a ferrita e niveis de silicio entre 0,15% e 0,65% em peso são desejáveis para a desoxidação e estabilização de fase no material. Além disso, o silicio aumenta a solubilidade do cobre no ferro e aumenta o tempo para o endurecimento por precipitação. Em uma modalidade, o silicio deve ser superior a 0,15% quando o cobre pode constituir 1,00% me peso.
[041] O vanádio das fórmulas descritas acima pode aumentar muito a temperabilidade, pode melhorar a resistência a desgaste quando combinado com carbono para
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18/28 formar carboneto metálico, e pode ajudar a promover o refino do grão por ancoramento dos limites de grão através da precipitação de partículas finas de carbonetos, nitretos ou carbonitretos. 0 nióbio pode também ser usado em combinação com o vanádio para aumentar o refino do grão. Embora um teor de vanádio até 0,15% possa auxiliar no refino do grão e na temperabilidade, os níveis de vanádio acima de 0,15% em peso podem reduzir de modo prejudicial a tenacidade por formação de carbonetos grandes. O aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,15% de vanádio.
[042] O nióbio das fórmulas descritas acima pode ter um efeito negativo sobre a temperabilidade para remover o carbono da solução de sólidos, mas pode produzir a resistência pela precipitação de partículas de carbonetos, nitretos ou carbonitretos, e pode ajudar a promover o refino do grão por meio da ancoragem de limites de grão através da precipitação de partículas de carbonetos, nitretos ou carbonitretos finos. Estas partículas finamente dispersas podem não ser facilmente solúveis no aço a temperaturas operacionais a quente ou durante um tratamento térmico, de modo que elas podem servir como núcleos para a formação de novos grãos, aumentando assim o refino do grão. A afinidade muito grande do carbono pelo nióbio pode também auxiliar no aumento da resistência à corrosão intergranular por prevenir a formação de outros carbonetos nos limites de grão. Para mitigar o efeito negativo do nióbio sobre a temperabilidade, pode ser acrescentado o vanádio. O aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,15% de nióbio.
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19/28 [043] O alumínio nas fórmulas expressas acima pode ter um efeito desoxidante quando usado durante a produção do aço e proporciona um refino do grão quando combinado com nitrogênio para formar nitretos de alumínio fios. O alumínio pode contribuir para a resistência combinando com o níquel para formar partículas de alumineto de níquel. Os níveis de alumínio devem ser mantidos abaixo de 0,09% me peso para ser assegurado um fluxo de corrente preferencial durante o lingotamento convencional. Além disso, o alumínio parece melhorar a resistência a impacto com entalhe dos aços contendo cobre.
Exemplo 1 [044] O método de se fabricar o cilindro 28, o êmbolo 30 e o bloco de extremidade 32 com o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação descrito no presente documento compreende as etapas de fundição, formação, tratamento térmico e remoção controlada do material para a obtenção do formato desejado final. Cada uma destas etapas será discutida mais detalhadamente abaixo.
[045] O processo de fusão para o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação descrito no presente documento não difere da prática habitual de produção de aço. Exemplos de processos de fusão viáveis incluem, mas sem limitação, a utilização de uma fornalha de arco elétrico, fusão por indução e fusão por indução a vácuo. Em cada um destes processos, o aço líquido é criado e a liga é acrescentada para se ter a composição desejada. Podem ser usados processos subsequentes de refino. Dependendo do processo usado, a camada protetora de escória que é criada para o processo de fusão pode ter um alto teor de liga
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20/28 oxidada. Podem ser acrescentados agentes redutores durante o processo de fusão para fazer os elementos de liga voltarem da escória para dentro do banho de aço. Por outro lado, o metal e a escória poderiam também ser processados em um reator para reduzir o teor de carbono assim como, de preferência, fazer voltar a liga na escória para o banho através do uso de um reator de descarbonização com argôniooxigênio (AOD) ou de um reator de descarbonização oxidativa a vácuo (VOD). O aço líquido com a composição química desejada pode ser continuamente vertido em cordões ou moldado em lingotes.
[046] Em seguida, o cordão ou o lingote solidificado pode ser formado usando-se processos de formação de metal típicos, tais como, mas sem limitação, operação a quente até um formato desejado por laminação ou forjamento. Para auxiliar na formação do cordão ou do lingote, este pode ser aquecido até uma temperatura na faixa de 2100°F a 2200°F (1148,89°C a 1204,44°C) para produzir o material suficientemente plástico para ser deformado. É preferível que a deformação possa continuar enquanto a temperatura não cai abaixo de 1650°F (898,89°C), uma vez que a deformação abaixo desta temperatura pode resultar em rachadura da superfície e ruptura.
[047] Após à formação pode ter lugar o tratamento térmico para se obter as propriedades mecânicas desejadas. O material formado pode ser tratado termicamente em fornalhas, tais como, mas sem limitação, em fornalhas de chama direta, de chama indireta, atmosféricas e a vácuo. As etapas que o material formado exige para que sejam obtidas as propriedades mecânicas desejadas consistem na exposição a uma alta
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21/28 temperatura para permitir que o material se transforme em austenita, assim como na colocação do cobre em solução, seguidas do resfriamento do material ao ar ou em um meio de têmpera para formar uma matriz predominantemente martensítica, e sendo seguido subsequentemente por um ciclo térmico a uma temperatura mais baixa que faz revenir a martensita e faz com que o cobre dissolvido se precipite e torne mais resistente o material. Dependendo da temperatura escolhida pode também haver um efeito revenido secundário gerado pela adição do molibdênio à liga. 0 processo de alta temperatura ocorre na faixa de 1800°F a 1900°F (982,22°C a 1037,78°C). 0 ciclo de temperatura mais baixa se encontra na faixa de 450°F a 750°F (232,22°C a 398,89°C) ou de 1050°F a 1300°F (565,56°C a 704,44°C). A faixa de 750°F a 1050°F (398,89°C a 565,56°C) é evitada devido à redução em tenacidade e resistência a corrosão quando se processa dentro destes limites. O processamento típico usa a faixa de temperaturas de 1050°F a 1300°F (565,56°C a 704,44°C). O material formado processado na extremidade mais baixa desta faixa terá uma resistência superior ao passo que o material processado na extremidade mais elevada da faixa terá uma melhor ductilidade, tenacidade e resistência à corrosão. Depois do processo a temperatura mais baixa, o material compreenderá uma estrutura martensítica temperada com precipitados de cobre, e pode incluir secundariamente precipitados de molibdênio.
[048] Subsequentemente, o material formado endurecido pode ser submetido a um processo de remoção de material controlado para se obter o perfil de formato desejado final conforme necessário. Exemplos de processos habituais
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22/28 utilizados para a fabricação do cilindro 28, do êmbolo 30, bloco de extremidade 32 a partir do material endurecido incluem, mas sem limitação, são usinagem, torneamento, retificação e corte.
[049] Composições exemplares dos aços inoxidáveis martensíticos endurecidos por precipitação descritos no presente documento estão relacionados abaixo nas Tabelas 13.
Composições Exemplares de Aço Inoxidável Martensítico Endurecido por Precipitação
Tabela 1: Exemplo A
Elemento % em massa Baixa % em massa Alta
C 0,08 0,18
Mn 0,30 1,00
P 0,000 0,040
S 0,000 0,100
Si 0,15 0,65
Ni 0,65 1,15
Cr 10,50 14,00
Mo 0,40 0,60
Cu 0,85 1,30
Al 0,010 0,090
V 0,00 0,15
Nb 0,00 0,15
Nb+V
Ta residual
W residual
Fe equilíbrio equilíbrio
Tabela 2: Exemplo B
Elemento % em massa Baixa % em massa Alta
Petição 870170038451, de 06/06/2017, pág. 27/40
23/28
c 0,10 0,18
Mn 0,30 0,80
P 0,000 0,040
S 0,000 0,100
Si 0,25 0,60
Ni 0,65 1,15
Cr 11,50 14,00
Mo 0,40 0,60
Cu 0,85 1,30
Al 0,010 0,090
V 0,00 0,15
Nb 0,00 0,15
Nb+V
Ta residual
W residual
Fe equilíbrio equilíbrio
Tabela 3: Exemplo C
Elemento % em massa Baixa % em massa Alta
C
0,13
0,18
Mn
0,30
0,50
P
0,000
0,040
S
0,000
0,010
Si
0,30
0,50
Ni
0,65
0,95
Cr
12,00
13,50
Mo
0,43
0,57
Cu

Claims (6)

1,00
1,30
Al
0,015
0,045
V
0,00
0,15
Petição 870170038451, de 06/06/2017, pág. 28/40
24/28
Nb
0,00
0,07
Nb+V
0,00
0,15
Ta
residual
W
residual
Fe equilíbrio equilíbrio
APLICABILIDADE INDUSTRIAL [050] Em operação, as instruções da presente descrição podem encontrar aplicação em muitas situações que incluem, mas sem limitação, bombas projetadas para fornecer materiais a uma alta pressão e/ou materiais extremamente abrasivos. Tais bombas podem incluir, por exemplo, mas sem limitação, bombas de lama, bombas de concreto, bombas para o serviço de manutenção do poço e semelhantes. Embora seja aplicável a qualquer bomba projetada para fornecer materiais a uma alta pressão e/ou materiais extremamente abrasivos, a presente invenção pode ser especialmente aplicável a uma bomba alternativa 10 usada para fornecer material para o fraturamento hidráulico ou um material de escoramento de fendas em um furo de poço de gás ou de petróleo. Mais especificamente, a presente invenção encontra utilidade aumentando a vida útil de um cilindro 28, um êmbolo 30 ou um bloco de extremidade 32 da extremidade de fluido de uma bomba alternativa 10 usada para fornecer material de fraturamento hidráulico ou um material de escoramento de fendas para um furo de poço de gás ou de petróleo.
[051] O cilindro 28 da bomba alternativa 10 descrito no presente documento pode, por exemplo, empregar o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação descrito aqui para aumentar a vida útil da bomba alternativa 10. O aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode
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25/28 compreender entre 0,08% e 0,18% em peso de carbono, entre 10,50% e 14,00% em peso de cromo, entre 0,65% e 1,15% em peso de níquel, entre 0,85% e 1,30% em peso de cobre, e ferro. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender um primeiro precipitado compreendendo o cobre. O aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode ainda compreender entre 0,40% e 0,60% em peso de molibdênio e um segundo precipitado compreendendo o molibdênio. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode, além disso, compreender entre 0,30% e 1,00% em peso de manganês. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode ainda compreender entre 0% e 0,040% em peso de fósforo. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação compreende entre 0% e 0,100% em peso de enxofre. Adicionalmente, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,15% e 0,65% em peso de silício. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de vanádio. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de nióbio. Finalmente o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,01% e 0,09% em peso de alumínio.
[052] Adicionalmente, o êmbolo 30 da bomba alternativa descrita aqui pode empregar o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação descrito no presente para aumentar a vida útil da bomba alternativa 10. O aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode
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26/28 compreender entre 0,08% e 0,18% em peso de carbono, entre 10,50% e 14,00% em peso de cromo, entre 0,65% e 1,15% em peso de níquel, entre 0,85% e 1,30% em peso de cobre, e ferro. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação do êmbolo 30 pode compreender um primeiro precipitado compreendendo o cobre. O aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode ainda compreender entre 0,40% e 0,60% em peso de molibdênio e um segundo precipitado compreendendo o molibdênio. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode, além disso, compreender entre 0,30% e 1,00% em peso de manganês. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode ainda compreender entre 0% e 0,040% em peso de fósforo. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação compreende entre 0% e 0,100% em peso de enxofre. Adicionalmente, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,15% e 0,65% em peso de silício. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de vanádio. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de nióbio. Finalmente o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,01% e 0,09% em peso de alumínio.
[053] Além disso, o bloco de extremidade 32 da bomba alternativa 10 descrita no presente documento podem empregar o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação descrito no presente documento para aumentar a vida útil da bomba alternativa 10. O aço inoxidável martensítico
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27/28 endurecido por precipitação compreende entre 0,08% e 0,18% em peso de carbono, entre 10,50% e 14,00% em peso de cromo, entre 0,65% e 1,15% em peso de níquel, entre 0,85% e 1,30% em peso de cobre, e ferro. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender um primeiro precipitado compreendendo o cobre. O aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação do bloco de extremidade 32 pode ainda compreender entre 0,40% e 0,60% em peso de molibdênio e um segundo precipitado compreendendo o molibdênio. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode, além disso, compreender entre 0,30% e 1,00% em peso de manganês. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode ainda compreender entre 0% e 0,040% em peso de fósforo. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação compreende entre 0% e 0,100% em peso de enxofre. Adicionalmente, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,15% e 0,65% em peso de silício. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de vanádio. Além disso, o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0% e 0,15% em peso de nióbio. Finalmente o aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação pode compreender entre 0,01% e 0,09% em peso de alumínio.
[054] A descrição acima se destina a ser representativa somente, e, deste modo, podem ser introduzidas modificações nas modalidades descritas aqui sem que haja desvio do âmbito da presente invenção. Assim, estas modificações incidirão no âmbito da presente invenção e são destinadas a incidir nas
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28/28 reivindicações apensas.
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1/6
Ο
FIG. 1
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2/6
FIG. 2
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3/6
CM
CO o
vr
FIG.3
Petição 870170038451, de 06/06/2017, pág. 36/40
4/6
CsJ
CO
FIG. 4
Petição 870170038451, de 06/06/2017, pág. 37/40
5/6
FIG. 5
Petição 870170038451, de 06/06/2017, pág. 38/40
6/6
Tempo necessário até a falha, h
Teor de níquel, % em peso
FIG. 6
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2/6 ο
/ á <=* a\<^s,na' O,
Al
Rub *N ίΆ&
r o
4/6
CM o
u_
5/6 co ro
6/6
Time to failure, h
FIG. 6
1/1
RESUMO
AÇO INOXIDÁVEL MARTENSITICO ENDURECIDO POR PRECIPITAÇÃO E BOMBA ALTERNATIVA FABRICADA COM O MESMO
É proposto um bloco de extremidade. O bloco de extremidade pode incluir um corpo que se estende entre um lado dianteiro, um lado traseiro, um lado esquerdo, um lado direito, um lado superior e um lado inferior. Além disso, o corpo pode incluir um primeiro furo que se estende através do corpo entre uma abertura de entrada e uma abertura de saida e um furo de cilindro que se estende entre uma abertura de cilindro e o primeiro furo. Além disso, o corpo pode incluir um aço inoxidável martensitico endurecido por precipitação compreendendo entre 0,08% e 0,18% em peso de carbono, entre 10,50% e 14,00% em peso de cromo, entre 0,65% e 1,15% em peso de niquel, entre 0,85% e 1,30% em peso de cobre, ferro e um primeiro precipitado que compreende o cobre.
Petição 870170038451, de 06/06/2017, pág. 40/40
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