BR102018007874A2 - aço inoxidável martensítico de alta tenacidade e bomba de movimento alternado fabricada com o mesmo aço - Google Patents

aço inoxidável martensítico de alta tenacidade e bomba de movimento alternado fabricada com o mesmo aço Download PDF

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Abstract

a presente invenção se refere a uma bomba de movimento alternado. a bomba de movimento alternado pode compreender uma extremidade de alimentação e uma extremidade de fluido conectada operacionalmente à extremidade de alimentação. a extremidade de fluido pode incluir um êmbolo, um cilindro configurado para acionar operacionalmente o êmbolo e um bloco final. o êmbolo, o cilindro e o bloco final da extremidade de fluido podem ser fabricados a partir de uma composição de aço inoxidável martensítico de alta tenacidade compreendendo entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 6,00% em peso de níquel, entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio, entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio, e ferro.

Description

AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO DE ALTA TENACIDADE E BOMBA DE MOVIMENTO ALTERNADO FABRICADA COM O MESMO AÇO
Campo Técnico [001] Esta invenção se refere em geral a composições de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade e, mais particularmente, a extremidades de fluido de bombas de movimento alternado produzidas a partir do referido aço.
Fundamentos da Invenção [002] Uma bomba de movimento alternado pode ser configurada para impulsionar um material de tratamento, tal como, mas não limitado a, concreto, um material acidificante, um material de fraturamento hidráulico ou um material propante, para dentro de um poço de gás ou petróleo. A bomba de movimento alternado pode incluir uma extremidade de alimentação e uma extremidade de fluido, com a extremidade de alimentação incluindo um motor e um virabrequim engatado de modo rotativo com o motor. Além disso, a extremidade de alimentação pode incluir um braço de manivela engatado rotativamente com o virabrequim.
[003] A extremidade de fluido pode incluir uma biela conectada operacionalmente ao braço de manivela em uma extremidade e a um êmbolo na outra extremidade, um cilindro configurado para acionar operacionalmente o êmbolo, e um bloco de extremidade configurado para acionar o cilindro. O bloco final pode ter uma porta de entrada, uma porta de saida e um primeiro furo que se estende entre a entrada de entrada e a porta de saida. Além disso, o bloco de extremidade pode incluir uma porta de cilindro e um furo de cilindro que se estende entre a porta do cilindro e o primeiro furo.
[004] Em operação, o motor pode girar o virabrequim, o que por sua vez alterna o êmbolo dentro do cilindro através do braço de manivela de interligação e da biela. À medida que o êmbolo alterna, o material de tratamento pode ser movido para dentro do bloco final através da porta de entrada e impulsionado para fora do bloco de extremidade através da porta de saida sob pressão para dentro do poço de gás ou petróleo.
[005] À medida que a demanda por hidrocarbonetos aumentou, as empresas de fraturamento hidráulico têm mudado para perfuração em campos mais complexos, como Haynesville Shale. Onde as formações mais antigas podiam ser fraturadas a 9000 libras por polegada quadrada (PSI) (62 MPa), Haynesville Shale geralmente requer pressão de bombeamento acima de 13000 PSI (89,6 MPa). Além disso, onde as formações mais antigas podiam utilizar materiais propantes menos abrasivos, o Haynesville Shale normalmente requer um material propante altamente abrasivo como a bauxita. A maior pressão de bombeamento e a utilização de materiais propantes mais abrasivos levaram à diminuição da vida útil da extremidade de fluido e, portanto, maiores custos associados à substituição de blocos e bombas de extremidade.
[006] A presente invenção é, portanto, direcionada a superar um ou mais problemas estabelecidos acima e/ou outros problemas conhecidos associados a extremidades de fluido de bomba de movimento alternado.
Sumário [007] De acordo com um aspecto da presente invenção, uma bomba de movimento alternado é descrita. A bomba de movimento alternado pode compreender uma extremidade de alimentação que tem um motor, um virabrequim engatado rotativamente com o motor, e um braço de manivela engatado rotativamente com o virabrequim. A bomba de movimento alternado pode ainda compreender uma extremidade de fluido conectada operativamente à extremidade de alimentação. A extremidade de fluido pode incluir um êmbolo, um cilindro configurado para acionar operacionalmente o êmbolo, e um bloco final. 0 êmbolo, o cilindro e o bloco final da extremidade de fluido podem, cada um, ser fabricado a partir de uma composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreendendo entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 6,00% em peso de niquel, entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio, entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio, e ferro.
[008] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é descrito um bloco final de uma bomba de movimento alternado. O bloco final pode compreender um corpo, um primeiro furo que se estende através do corpo entre uma porta de entrada e uma porta de saida, e um furo de cilindro que se estende através do corpo entre uma porta de cilindro e o primeiro furo. O corpo do bloco final pode ser fabricado a partir de uma composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreendendo entre 0,00% e 0,06% em peso de carbono, entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 6,00% em peso de niquel, entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio, entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio e ferro.
[009] Em outro aspecto da presente invenção, é descrita uma composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade. A composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode compreender entre 0,00% e 0,06% em peso de carbono, entre 0,00% e 1,50% em peso de manganês, entre 0,000% e 0,040% em peso de fósforo, entre 0,000% e 0,030% em peso de enxofre, entre 0,00% e 0,70% em peso de silicio, entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 6,00% em peso de níquel, entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio, entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio, entre 0,00% e 0,20% em peso de nióbio, entre 0,00% e 0,060% em peso de alumínio, e ferro. Uma razão de nióbio para carbono na composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ser de 6 ou menos.
[010] Estes e outros aspectos e características da presente invenção serão mais facilmente entendidos quando lidos em conjunto com os desenhos anexos.
Breve Descrição das Figuras [011] A Figura 1 é uma vista em elevação lateral de uma bomba de movimento alternado exemplificativa, construída de acordo com a presente invenção.
[012] A Figura 2 é uma vista em corte transversal lateral da bomba de movimento alternado exemplificativa da Figura 1, construída de acordo com a presente invenção.
[013] A Figura 3 é uma vista em perspectiva de um bloco final que pode ser utilizado com a bomba de movimento alternado exemplificativa da Figura 1, construída de acordo com a presente invenção.
[014] A Figura 4 é uma vista em corte transversal de uma modalidade do bloco final da Figura 3 ao longo da linha 4-4, que pode ser utilizada com a bomba de movimento alternado exemplificativa da Figura 1, construída de acordo com a presente invenção.
[015] A Figura 5 é uma vista em corte transversal de uma modalidade alternativa do bloco final da Figura 3 ao longo da linha 4-4, que pode ser utilizada com a bomba de movimento alternado exemplificativa da Figura 1, construída de acordo com a presente invenção.
[016] A Figura 6 é um gráfico de dados que mostra o efeito de diferentes temperaturas de revenimento sobre o limite de elasticidade (Rendimento) e limite de resistência à tração (UTS) sobre uma composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade preparada de acordo com a presente invenção.
[017] A Figura 7 é um gráfico de dados que mostra o efeito das diferentes temperaturas de revenimento sobre a tenacidade da composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade da Figura 6.
Descrição Detalhada da Invenção [018] Vários aspectos da invenção serão agora descritos com referência aos desenhos e tabelas aqui descritos, em que números de referência semelhantes referem-se a elementos semelhantes, a menos que especificado de outra forma. Com referência à Figura 1, é ilustrada uma vista em elevação lateral de uma bomba de movimento alternado exemplificativa 10 fabricada de acordo com a presente invenção. Como representado, a bomba de movimento alternado 10 pode incluir uma extremidade de alimentação 12 e uma extremidade de fluido 14. A extremidade de alimentação 12 pode ser configurada para proporcionar trabalho à extremidade de fluido 14, assim permitindo que a extremidade de fluido 14 impulsione um material de tratamento, como, mas não limitado a, concreto, um material acidificante, um material de fraturamento hidráulico ou um material propante, para dentro de um poço de gás ou petróleo.
[019] Com referência agora à Figura 2, é ilustrada uma vista em corte lateral da bomba de movimento alternado 10 fabricada de acordo com a presente invenção. Como visto, a extremidade de alimentação 12 pode incluir um motor 16 configurado para proporcionar trabalho à extremidade de fluido 14. Além disso, a extremidade de alimentação 12 pode incluir uma caixa de cárter 18 que envolve um virabrequim 20 e um braço de manivela 22. O virabrequim 20 pode ser engatada rotativamente com o motor 16, e o braço de manivela 22 pode ser engatado rotativamente com o virabrequim 20.
[020] A extremidade de fluido 14 pode incluir um invólucro de fluido 24, envolvendo pelo menos parcialmente uma biela 26, um cilindro 28 e um êmbolo 30. A biela 26 pode incluir uma primeira extremidade 31 e uma segunda extremidade 33 oposta à primeira extremidade 31. A biela 26 pode ser operativamente ligada ao braço de manivela 22 na primeira extremidade 31 e ao êmbolo 30 na segunda extremidade 33. O cilindro 28 pode ser configurado para engatar operacionalmente o êmbolo 30. Embora a presente invenção e os desenhos discutam um arranjo do cilindro 28 e êmbolo 30, é previsto que os ensinamentos da presente invenção também podem abranger um cilindro 28 e um arranjo de êmbolo. Por conseguinte, deve ser entendido que o êmbolo 30 pode ser substituído por um pistão, sem afastamento do âmbito da presente invenção.
[021] A extremidade de fluido 14 também pode incluir um bloco final 32. Voltando agora à Figura 3, é ilustrada uma vista em perspectiva de um bloco final 32 que pode ser utilizado com a bomba de movimento alternado exemplificativa 10 da Figura 1. Conforme ilustrado no mesmo, o bloco final 32 pode compreender um corpo 34 que se estende entre um lado frontal 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 final 32 representado na Figura 3 seja um modelo triplo em monobloco, é previsto que os ensinamentos da presente invenção são igualmente válidos para outros modelos em monobloco, como quintuplex, bloco em y, e até um bloco final 32 com um padrão modular.
[022] Com referência à Figura 4, é ilustrada uma vista em corte transversal de uma modalidade do bloco final 32.
Conforme ilustrado, o corpo 34 pode ainda incluir uma porta de entrada 48, uma porta de saída 50 e um primeiro furo 52 que se prolonga entre a entrada de entrada 48 e a porta de saída 50. Além disso, como ilustrado na Figura 4, o corpo 34 pode adicionalmente incluir uma porta de cilindro 54, uma porta de inspeção 56 e um furo de cilindro 58. Em uma modalidade, o furo de cilindro 58 pode prolongar-se entre a porta de cilindro 54 e o primeiro furo 52. Em outra modalidade, o furo de cilindro 58 pode prolongar-se entre a porta de cilindro 54 e a porta de inspeção 56.
[023] Com referência à Figura 5, é ilustrada uma vista em corte transversal de uma modalidade alternativa do bloco final 32. Conforme ilustrado, o corpo 34 pode incluir uma porta de entrada 48, uma porta de saída 50 e um primeiro furo 52 que se prolonga entre a porta de entrada 4 8 e a porta de saída 50. Além disso, como representado na Figura 5, o corpo 34 pode adicionalmente incluir uma porta de cilindro 54 e um furo de cilindro 58. O furo de cilindro pode prolongar-se entre a porta de cilindro 54 e o primeiro furo 52. Além disso, tal como ilustrado, um ângulo entre o furo de cilindro 58 e o primeiro furo 52 pode ser diferente de 90 graus, assim dando origem ao bloco final 32 que tem uma configuração com estilo de bloco em Y.
[024] Em operação, o motor 16 pode girar o virabrequim 20, que pode, por sua vez, alternar o êmbolo 30 dentro do cilindro 28 através do braço de manivela 22 e a biela 26. À medida que o êmbolo 30 se move alternadamente do furo de cilindro 58 para o cilindro 28, material de tratamento pode ser movido para dentro do primeiro furo 52 através da porta de entrada 48. À medida que o êmbolo 30 se move alternadamente do cilindro 28 em direção ao furo de cilindro 58, o material de tratamento pode ser movido para fora do primeiro furo 52 através da porta de saída 50 sob pressão para o poço de gás ou de petróleo.
[025] Conforme descrito acima, a demanda por energia de hidrocarboneto aumentou. Nesse sentido, empresas de fraturamento hidráulico começaram a explorar campos de xisto que exigem aumento de pressões e a utilização de materiais propantes mais abrasivos para liberar os hidrocarbonetos capturados. A maior pressão de bombeamento e a utilização de materiais propantes mais abrasivos, como bauxita, diminuiu a vida útil da extremidade de fluido 14. Mais especificamente, as pressões de bombeamento mais elevadas e a utilização de materiais propantes mais abrasivos diminuíram a vida útil do cilindro 28, do êmbolo 30 e do bloco final 32. Consequentemente, a presente invenção é dirigida para aumentar a vida útil dessas peças.
[026] O modo de falha dos blocos de extremidade e das bombas de movimento alternado pode não ser completamente entendido. O que se sabe, no entanto, é que um determinado material, que é submetido a uma combinação de tensões de tração e uma solução aquosa corrosiva, pode ser propenso ao início e, então, propagação de uma rachadura. Mais particularmente, a presente invenção é dirigida a novas e não óbvias composições de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade para a fabricação da extremidade de fluido 14 da bomba de movimento alternado 10, que são resistentes à propagação de uma rachadura. Isto é, um ou mais dos componentes da extremidade de fluido 14 da bomba de movimento alternado 10, incluindo o cilindro 28, o êmbolo 30 e o bloco de extremidade 32, podem ser fabricados parcial ou totalmente a partir de uma composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade aqui descrita. Vantajosamente, as composições de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade da presente invenção são resistentes à corrosão e excepcionalmente tenazes, tornando-as bem adequadas para as extremidades de fluido de bomba que operam sob altas pressões e na presença de propantes abrasivos. As composições de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade aqui divulgadas podem prolongar a vida utilizável da bomba de movimento alternado, e reduzir ou eliminar a susceptibilidade da extremidade de fluido 14 a rachaduras, em comparação com materiais convencionalmente utilizados para fabricar extremidades de fluido de bomba de movimento alternado.
[027] Em uma primeira modalidade, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode compreender entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 6,00% em peso de níquel, entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio, entre 0,00% e 0,20% em peso de vanádio, e ferro. Por exemplo, nesta modalidade, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode compreender entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio. Além disso, nesta modalidade, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode compreendes ainda entre 0,00% e 0,06% em peso de carbono, entre 0,00% e 1,50% em peso de manganês, entre 0,000% e 0,040% em peso de fósforo, entre 0,000% e 0,030% em peso de enxofre, entre 0,00% e 0,70% em peso de silício e entre 0,000% e 0,060% em peso de alumínio. Além disso, nesta modalidade, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ainda compreender entre 0,00% e 0,20% em peso de nióbio. Para maior tenacidade, a razão de nióbio para carbono na composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ser de 6 ou menos.
[028] Na primeira modalidade, com o conteúdo de vanádio na extremidade inferior do intervalo de 0,01% a 0,20% em peso, o limite de elasticidade máximo do aço inoxidável martensítica de alta tenacidade pode estar abaixo de 124,0 milhares de libras por polegada quadrada (KSI) (854 MPa) , com uma resistência de impacto de entalhe em "V" de Charpy mínima média de 90 pés-libras (122 N-m) quando testada a menos 20 °F (-6,66 °C) quanto ao melhor equilíbrio de resistência e ductilidade. Além disso, nesta primeira modalidade, o aço inoxidável pode ter um limite máximo de resistência à tração abaixo de 130 KSI (896 MPa) , para o melhor equilíbrio entre resistência e ductilidade.
[029] Em uma modalidade adicional, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode compreender entre 12,00% e 14,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 5,50% em peso de níquel, entre 0,50% e 1,00% em peso de molibdênio, entre 0,00% e 0,15% em peso de vanádio, e ferro. Por exemplo, nesta modalidade, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode compreender entre 0,01% e 0,15% em peso de vanádio. Além disso, nesta modalidade adicional, a composição de aço inoxidável martensitico de elevada densidade pode ainda compreender entre 0,00% e 0,06% em peso de carbono, entre 0,50% e 1,00% em peso de manganês, entre 0,000% e 0,030% em peso de fósforo, entre 0,000% e 0,030% em peso de enxofre, entre 0,00% e 0,60% em peso de silício e entre 0,00% e 0,060% em peso de alumínio. Além disso, nesta modalidade adicional, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ainda compreender entre 0,00% e 0,15% em peso de nióbio. Nesta modalidade adicional, a razão de nióbio para carbono na composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ser de 4 ou menos para fornecer maior tenacidade.
[030] Nesta modalidade adicional, com o conteúdo de vanádio na extremidade inferior do intervalo de 0,01% a 0,15% em peso, o limite de elasticidade máximo do aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode estar abaixo de 124,0 milhares de libras por polegada quadrada (KSI) (854 MPa), com uma resistência de impacto de entalhe em "V" de Charpy mínima média de 90 pés-libras (122 N-m) quando testada a menos 20 °F (-6,66°C) para o melhor equilíbrio entre resistência e ductilidade. Além disso, nesta primeira modalidade, o aço inoxidável pode ter um limite máximo de resistência à tração abaixo de 130 KSI (896 MPa), para o melhor equilíbrio entre resistência e ductilidade.
[031] O carbono nas fórmulas acima descritas pode determinar a como dureza temperada, aumentar a capacidade de endurecimento do aço inoxidável martensitico de alta tenacidade e atuar como um forte estabilizante de austenita. Além disso, o carbono pode combinar com cromo e molibdênio para formar várias fases de carboneto de metal. As partículas de carboneto de metal melhoram a resistência ao desgaste e o carboneto de metal do tipo MC fornece refinamento de grão através da fixação de partículas. No entanto, é indesejável aumentar o nível de carbono acima de 0,06% em peso. Primeiro, a precipitação de carbonetos de cromo esgota a matriz de cromo benéfico que reduz a resistência à oxidação e corrosão da liga. Em segundo lugar, níveis mais elevados de carbono podem estabilizar em excesso a fase de austenita. Uma transformação incompleta pode resultar da austenita estabilizada em excesso, que pode reduzir as temperaturas de início e término da martensita abaixo da temperatura ambiente, com efeito deletério sobre a resistência do implemento.
[032] O cromo nas fórmulas expressas acima pode melhorar moderadamente a capacidade de endurecimento, induzir ligeiramente o fortalecimento da solução sólida e melhorar grandemente a resistência ao desgaste, quando combinado com carbono para formar carboneto metálico.
Quando presente em concentrações acima de 11,5% em peso, o cromo oferece alta resistência à oxidação e à corrosão. Na prática, até 17,0% em peso podem ser adicionados sem reduzir a capacidade de trabalho a quente do aço inoxidável martensitico de alta tenacidade.
[033] O níquel das fórmulas acima descritas pode conferir um menor fortalecimento da solução sólida, ampliar a capacidade de endurecimento e aumentar a tenacidade e ductilidade. Além disso, o níquel pode melhorar a resistência à corrosão em ambientes ácidos, e pode ser um forte estabilizante de austenita. O níquel pode aumentar a tenacidade, o que seria benéfico para impedir a propagação de fissuras.
[034] O molibdênio nas fórmulas acima descritas pode melhorar a capacidade de endurecimento, aumentar a resistência à corrosão, reduzir a propensão à fragilização no revenimento e produzir um aço inoxidável martensitico de alta tenacidade fortalecido na precipitação, quando aquecido no intervalo de 1000 °F a 1200 °F (537 °C a 648 °C) por precipitação de carboneto de metal fino (M2C) . Os carbonetos de metal ricos em molibdênio proporcionam uma maior resistência ao desgaste, melhoram a dureza a quente e resistem ao endurecimento abaixa da temperatura Ai. Além disso, as quantidades de molibdênio até 1,50% em peso permitem que esses benefícios sejam realizados sem comprometer a capacidade de trabalho a quente.
[035] O manganês das fórmulas acima descritas pode proporcionar leve fortalecimento da solução sólida e aumentar a capacidade de endurecimento do aço inoxidável martensitico de alta tenacidade. Se presente em quantidade suficiente, o manganês pode ligar o enxofre a um composto não metálico, reduzindo os efeitos deletérios do enxofre livre sobre a ductilidade do material. 0 manganês também é um estabilizante de austenita, e níveis acima de 1,50% em peso podem causar um problema de estabilização em excesso, semelhante ao descrito acima para altos níveis de carbono.
[036] 0 fósforo nas fórmulas acima descritas pode ser considerado como uma impureza. Como tal, o fósforo pode ser tolerado a níveis de 0,040% em peso devido à sua tendência a diminuir a ductilidade e a tenacidade ao segregar os limites dos grãos. Fósforo nos limites do grão pode ter um efeito prejudicial sobre a coesão do contorno dos grãos.
[037] 0 enxofre nas fórmulas acima descritas pode ser considerado como uma impureza, uma vez que pode melhorar a usinabilidade ao custo de uma diminuição na ductilidade e tenacidade. Devido ao impacto negativo sobre a ductilidade e tenacidade, os níveis de enxofre são tolerados a um máximo de 0,030% em peso.
[038] 0 silício nas fórmulas acima definidas pode ser usado para a desoxidação durante a produção do aço. Além disso, o silício pode aumentar a resistência à oxidação, promover um leve aumento na resistência devido ao fortalecimento da solução sólida e aumentar a capacidade de endurecimento do aço inoxidável martensitico de alta tenacidade. 0 silício estabiliza levemente a ferrita, e os níveis de silício entre 0,00% e 0,70% em peso são desejáveis para desoxidação e estabilização de fase no material.
[039] 0 vanádio das fórmulas acima descritas pode aumentar fortemente a capacidade de endurecimento, pode melhorar a resistência ao desgaste quando combinado com carbono para formar carboneto de metal, e pode ajudar a promover grãos finos através da fixação de limites de grãos através da precipitação de partículas finas de carbonetos, nitreto ou de carbonitreto. 0 nióbio também pode ser usado em combinação com vanádio para melhorar o refinamento de grãos. Embora um teor de vanádio até 0,20% em peso possa auxiliar no refinamento e capacidade de endurecimento de grãos, níveis de vanádio acima de 0,20% em peso podem diminuir significativamente a tenacidade através da formação de carbonetos grandes. O aço martensitico pode compreender entre 0,00% e 0,20% em peso de vanádio. Por exemplo, o aço martensitico pode compreender entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio.
[040] O nióbio das fórmulas acima descritas pode ter um efeito negativo sobre a capacidade de endurecimento, removendo o carbono da solução sólida, mas pode produzir o fortalecimento pela precipitação de partículas finas de carbonetos, nitreto ou carbonitreto, e pode ajudar a promover grãos finos através da fixação de limites de grãos através da precipitação de partículas finas de carbonetos, nitreto ou carbonitreto. Essas partículas finamente dispersas podem não ser facilmente solúveis no aço a temperaturas de trabalho a quente ou tratamento térmico, para que possam servir como núcleos para a formação de novos grãos, assim aumentando o refinamento dos grãos. A forte afinidade do carbono pelo nióbio também pode ajudar a aumentar a resistência à corrosão intergranular, impedindo a formação de outros carbonetos no contorno dos grãos. Para suavizar o efeito negativo do nióbio sobre a capacidade de endurecimento, vanádio pode ser adicionado. 0 aço martensitico pode compreender entre 0% e 0,20% de nióbio.
[041] Um estudo de diferentes aços inoxidáveis de endurecimento por precipitação identificou uma baixa tenacidade e um regime de alta tenacidade que foram diferenciados pela razão de nióbio para carbono. Veja, Misra et al. , "An Analysis of Grain Boundary Cohesion in Precipitation Hardened Stainless Steel", Scripta Metallugica et Materialia, vol. 28, pp 1531-1536, 1993. O regime de baixa tenacidade foi caracterizado por alta concentração de fósforo no contorno dos grãos e a formação de carbonetos de nióbio dentro do grão. A razão de nióbio para carbono para o regime de baixa tenacidade variou de ser maior que 6, porém menor do que cerca de 20. O regime de alta tenacidade foi caracterizado por menos fósforo no contorno dos grãos devido ao deslocamento do fósforo por carbono através da competição por local no contorno dos grãos. A segregação do carbono no contorno dos grãos aumentou a coesão no contorno dos grãos e negou o efeito nocivo do fósforo sobre a tenacidade. A razão de nióbio para carbono no regime de alta tenacidade foi inferior a 6. Adições de nióbio, quando adicionado em quantidades inferiores a 6 vezes o teor de carbono, e de preferência abaixo de 4 vezes o teor de carbono, podem aumentar a tenacidade melhorando a coesão no contorno dos grãos.
[042] O alumínio nas fórmulas expressas acima pode ser um desoxidante eficaz quando usado durante a fabricação de aço, e pode fornecer refinamento de grãos quando combinado com nitrogênio para formar nitretos finos de alumínio. O alumínio pode contribuir para o fortalecimento, combinando com níquel para formar partículas de alumineto de níquel. Os níveis de alumínio devem ser mantidos abaixo de 0,060% em peso, para garantir o fluxo preferencial durante a formação de lingotes.
Exemplo 1 [043] O método de fazer o cilindro 28, o êmbolo 30 e o bloco final 32 com o aço inoxidável martensitico de alta tenacidade aqui descrito compreende as etapas de fusão, formação, tratamento térmico e remoção de material controlada para obter a forma final desejada. Cada uma dessas etapas será discutida em mais detalhes abaixo.
[044] O processo de fusão para o aço inoxidável martensitico de alta tenacidade aqui descrito não difere da prática atual de fabricação de aço. Exemplos de processos de fusão viáveis incluem, mas não estão limitados a, utilização de um forno de arco elétrico, fusão por indução e fusão por indução a vácuo. Em cada um desses processos, aço líquido é criado e a liga é adicionada para fazer a composição desejada. Podem ser utilizados processos de refinação subsequentes. Dependendo do processo usado, a camada de escória protetora criada para o processo de fusão pode ter um alto conteúdo de liga oxidada. Agentes de redução podem ser adicionados durante o processo de fusão para causar o retorno dos elementos da liga da escória para o banho de aço. Por outro lado, o metal e a escória poderíam também ser processados em um vaso para reduzir o teor de carbono, bem como preferencialmente retornar a liga na escória de volta ao banho através do uso de um vaso de descarbonização de argônio-oxigênio (AOD) ou um vaso de descarbonização de vácuo-oxigênio (VOD). O aço líquido com a química desejada pode ser vertido continuamente em fios ou fundidos em lingotes.
[045] Em seguida, o fio ou o lingote solidificado pode ser formado usando processos típicos de formação de metal, como, mas não limitados a, trabalho a quente com uma forma desejada por rolamento ou forjamento. Para auxiliar na formação, o fio ou o lingote pode ser aquecido a uma temperatura na faixa de 2100 °F a 2200 °F (1148°C a 1204°C) para tornar o material plástico suficiente para deformar. De preferência, a deformação pode continuar, desde que a temperatura não caia abaixo de 1650 °F (898°C), visto que a deformação abaixo desta temperatura pode resultar em fissuras e rasgos na superfície.
[046] Após a formação, o tratamento térmico pode ocorrer de modo a atingir as propriedades mecânicas desejadas. O material formado pode ser tratado termicamente em fornos como, mas não limitados a fornos de fogo direto, fogo indireto, à atmosfera e a vácuo. As etapas que o material formado requer para alcançar as propriedades mecânicas desejadas é a exposição a uma alta temperatura, para permitir que o material se transforme em austenita, seguida de resfriamento do material em ar ou em um meio de arrefecimento para formar uma matriz predominantemente martensítica, seguido por um ciclo térmico de temperatura menor que tempera a martensita. Dependendo da temperatura escolhida, pode haver também um efeito de endurecimento secundário gerado por uma adição de molibdênio à liga. O processo de alta temperatura ocorre no intervalo de 1800 °F a 1900 °F (982°C a 1037°C) . O ciclo de temperatura mais baixa está no intervalo de 450 0 a 750 °F (232°C a 398 °C) ou 980 °F a 1300 °F (526°C a 704°C). O intervalo de 750 °F a 980 °F (398°C a 526°C) é evitado devido à diminuição da tenacidade e resistência à corrosão quando processados neste intervalo. O processamento comum usa o intervalo de temperatura de 980 °F a 1300 °F (526°C a 704°C). O material formado processado na extremidade menor desta faixa terá maior resistência, enquanto o material processado na extremidade maior do intervalo terá melhor ductilidade, tenacidade e resistência à corrosão. Após o ciclo de temperatura mais baixa, o material compreenderá uma estrutura martensitica temperada, e pode secundariamente incluir precipitados de molibdênio.
[047] Subsequentemente, o material formado endurecido pode ser submetido a um processo controlado de remoção de material para obter o perfil de forma final desejado, conforme necessário. Exemplos de processos comuns utilizados para fazer o cilindro 28, o êmbolo 30 e o bloco final 32 a partir do material endurecido incluem, mas não estão limitados a, moagem, torneamento, trituração e corte.
[048] Composições exemplificativas dos aços inoxidáveis martensíticos de alta tenacidade descritos aqui estão listadas abaixo nas Tabelas 1-2.
Tabela 1: Amplo Intervalo Tabela 2; Intervalo Curto [049] Um calor de ensaio do aço martensitico de alta tenacidade foi processado de acordo com Amplo Intervalo acima. O calor foi criado em um forno de arco elétrico, onde o aço líquido foi criado e adicionou-se liga para produzir a composição desejada. O metal e a escória foram processados em um vaso para reduzir o teor de carbono, bem como preferencialmente reverter a liga na escória de volta ao banho através do uso de um vaso de descarbonização de argônio-oxigênio (AOD). 0 aço líquido com a química desejada foi fundido em lingotes. 0 lingote foi formado por trabalho a quente em uma forma desejada por forjamento. Após o forjamento, o material foi tratado termicamente por exposição a uma temperatura elevada, para permitir que o material se transforme em austenita, seguido de resfriamento do material para formar uma matriz predominantemente martensítica, seguido por um ciclo térmico de temperatura mais baixa que temperou a martensita. Para examinar os limites inferiores das temperaturas de revenimento, as amostras foram temperadas a 950 °F (510 °C), 980 °F (526°C) e 1025 °F (551°C).
[050] A composição química do calor de ensaio é mostrada na Tabela 3 abaixo.
Tabela 3: Composição do Calor de Ensaio [051] Os resultados das diferentes temperaturas de revenimento mostraram o profundo efeito da temperatura de revenimento sobre limite de elasticidade máximo da liga. Os resultados são mostrados na Figura 6. 0 limite de elasticidade máximo de aproximadamente 128 ksi (882 MPa) ocorre a uma temperatura de revenimento de aproximadamente 980 °F (526°C) . O revenimento para alcançar o nível de resistência mais alto tem um efeito negativo sobre a tenacidade medida a menos 20 °F (-6, 66°C), usando com o teste de impacto de entalhe em "V" de Charpy (veja a Figura 7) . As temperaturas de revenimento acima de 980 °F (526°C) aumentam a tenacidade desejada desta composição em uma quantidade significativa. Dado o desejo de tenacidade para resistir à propagação de fissuras, temperaturas de revenimento acima de 1000 °F (537°C) são recomendadas, com a diminuição associada no limite de elasticidade a um máximo de 124 ksi (854 MPa).
[052] A adição de vanádio ao calor de ensaio acima descrito pode aumentar fortemente a capacidade de endurecimento, o que pode ter o efeito de minimizar a diminuição da resistência da superfície para o centro do implemento, e a adição de nióbio pode produzir fortalecimento pela precipitação de partículas finas de carbonetos, nitreto ou carbonitreto. Desta forma, a resistência do implemento pode aumentar sem um significativo efeito prejudicial sobre a tenacidade.
Aplicabilidade Industrial [053] Os ensinamentos da presente invenção podem encontrar aplicabilidade em muitas aplicações incluindo, mas não limitadas a, bombas projetadas para distribuir materiais sob alta pressão e/ou materiais altamente abrasivos. Por exemplo, essas bombas podem incluir, mas não estão limitadas a, bombas de lama, bombas de concreto, bombas do tipo WSP e similares. Embora aplicável a qualquer bomba projetada para distribuir materiais sob alta pressão e/ou materiais altamente abrasivos, a presente invenção pode ser particularmente aplicável a uma bomba de movimento alternado 10 usada para distribuir material de fraturamento hidráulico ou um material propante dentro de um poço de gás ou petróleo. Mais especificamente, a presente invenção encontra utilidade por aumentar a vida útil de um cilindro 28, um êmbolo 30 ou um bloco final 32 de uma extremidade de fluido 14 de uma bomba de movimento alternado 10 utilizada para distribuir material de fraturamento hidráulico ou um material propante dentro de um poço de gás ou petróleo.
[054] Por exemplo, o cilindro 28 da bomba de movimento alternado 10 pode ser parcial ou totalmente fabricado a partir de uma composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade aqui divulgada, para aumentar a vida útil da bomba de movimento alternado 10. A composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode compreender entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 6,00% em peso de niquel, entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio, entre 0,00% e 0,20% em peso de vanádio (por exemplo, entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio), e ferro. Além disso, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ainda compreender entre 0,00% e 0,06% em peso de carbono, entre 0,00% e 1,50% em peso de manganês, entre 0,000% e 0,040% em peso de fósforo, entre 0,000% e 0,030% em peso de enxofre, entre 0,00% e 0,70% em peso de silicio, e entre 0,000% e 0,060% em peso de alumínio. Além disso, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ainda compreender entre 0,00% e 0,20% em peso de nióbio.
[055] Além disso, o êmbolo 30 da bomba de movimento alternado 10 pode ser parcial ou totalmente fabricado a partir de uma composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade aqui divulgada, para aumentar a vida útil da bomba de movimento alternado 10. A composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode compreender entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 6,00% em peso de níquel, entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio, entre 0,00% e 0,20% em peso de vanádio (entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio), e ferro. Além disso, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ainda compreender entre 0,00% e 0,06% em peso de carbono, entre 0,00% e 1,50% em peso de manganês, entre 0,000% e 0,040% em peso de fósforo, entre 0,000% e 0,030% em peso de enxofre, entre 0,00% e 0,70% em peso de silício, e entre 0,000% e 0,060% em peso de alumínio. Além disso, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ainda compreender entre 0,00% e 0,20% em peso de nióbio.
[056] Além disso, o bloco final 32 da bomba de movimento alternado 10 pode ser parcial ou totalmente fabricado a partir de uma composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade aqui descrita, para aumentar a vida útil da bomba de movimento alternado 10. A composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode compreender entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 6,00% em peso de níquel, entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio, entre 0,00% e 0,20% em peso de vanádio (por exemplo, entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio), e ferro. Além disso, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ainda compreender entre 0,00% e 0,06% em peso de carbono, entre 0,00% e 1,50% em peso de manganês, entre 0,000% e 0,040% em peso de fósforo, entre 0,000% e 0,030% em peso de enxofre, entre 0,00% e 0,70% em peso de silício, e entre 0,000% e 0,060% em peso de alumínio. Além disso, a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade pode ainda compreender entre 0,00% e 0,20% em peso de nióbio.
[057] A descrição acima deve ser apenas representativa e, portanto, modificações podem ser feitas nas formas de realização aqui descritas, sem afastamento do âmbito da invenção. Assim, essas modificações estão dentro do escopo da presente invenção e são abrangidas pelas reivindicações anexas.
REIVINDICAÇÕES

Claims (17)

1. Bomba de movimento alternado, caracterizada pelo fato de que compreende: uma extremidade de alimentação com um motor, um virabrequim engatado de forma rotativa com o motor, e um braço de manivela engatado de forma rotativa com o virabrequim; e uma extremidade de fluido conectada operacionalmente à extremidade de alimentação e incluindo um êmbolo, um cilindro configurado para acionar operacionalmente o êmbolo, e um bloco final, o êmbolo, o cilindro e o bloco final sendo, cada um, fabricado a partir de uma composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade, compreendendo entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 6,00% em peso de niquel, entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio, entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio, e ferro.
2. Bomba de movimento alternado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende ainda entre 0,00% e 0,20% em peso de nióbio.
3. Bomba de movimento alternado, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende ainda entre 0,00% e 0,06% em peso de carbono.
4. Bomba de movimento alternado, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que uma razão de nióbio para carbono na composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade é de 6 ou menos.
5. Bomba de movimento alternado, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende ainda: entre 0,00% e 1,50% em peso de manganês; entre 0,00% e 0,040% em peso de fósforo; entre 0,00% e 0,030% em peso de enxofre; entre 0,00% e 0,70% em peso de silício; e entre 0,000% e 0,060% em peso de alumínio.
6. Bomba de movimento alternado, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende entre 12,00% e 14,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 5,50% em peso de níquel, entre 0,50% e 1,00% em peso de molibdênio, e entre 0,01% e 0,15% em peso de vanádio.
7. Bomba de movimento alternado, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende entre 0,00% e 0,15% em peso de nióbio.
8. Bomba de movimento alternado, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a razão de nióbio para carbono na composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade é de 4 ou menos.
9. Bomba de movimento alternado, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende: entre 0,50% a 1,00% em peso de manganês; entre 0,00% a 0,030% em peso de fósforo; entre 0,00% a 0,60% em peso de silício; e entre 0,000% e 0,060% em peso de alumínio.
10. Bloco final de uma bomba de movimento alternado, caracterizado pelo fato de que compreende: um corpo; um primeiro furo que se estende através do corpo entre uma porta de entrada e uma porta de saída; um furo de cilindro que se estende através do corpo entre uma porta de cilindro e o primeiro furo, o corpo do bloco final sendo fabricado a partir de uma composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreendendo entre 0,00% e 0,06% em peso de carbono, entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 6,00% em peso de níquel, entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio, entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio, e ferro.
11. Bloco final, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende ainda: entre 0,00% e 1,50% em peso de manganês; entre 0,00% e 0,040% em peso de fósforo; entre 0,00% e 0,030% em peso de enxofre; entre 0,00% e 0,70% em peso de silício; e entre 0,000% e 0,060% em peso de alumínio.
12. Bloco final, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende ainda até 0,20% em peso de nióbio.
13. Bloco final, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende entre 12,00% e 14,00% em peso de cromo, entre 3,50% e 5,50% em peso de niquel, entre 0,50% e 1,00% em peso de molibdênio, e entre 0,01% e 0,15% em peso de vanádio.
14. Bloco final, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende: entre 0,50% e 1,00% em peso de manganês; entre 0,00% e 0,030% em peso de fósforo; entre 0,00% e 0,60% em peso de silicio; e entre 0,000% e 0,060% em peso de alumínio.
15. Bloco final, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende até 0,15% em peso de nióbio.
16. Composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade, caracterizada pelo fato de que compreende: entre 0,00% e 0,06% em peso de carbono; entre 0,00% e 1,50% em peso de manganês; entre 0,00% e 0,040% em peso de fósforo; entre 0,00% e 0,030% em peso de enxofre; entre 0,00% e 0,70% em peso de silício; entre 11,50% e 17,00% em peso de cromo; entre 3,50% e 6,00% em peso de níquel; entre 0,30% e 1,50% em peso de molibdênio; entre 0,01% e 0,20% em peso de vanádio; entre 0,000% e 0,060% em peso de alumínio; entre 0,00% e 0,20% em peso de nióbio, uma razão de nióbio para carbono sendo de 6 ou menos; e ferro.
17. Composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que a composição de aço inoxidável martensitico de alta tenacidade compreende: entre 0,50% e 1,00% em peso de manganês; entre 0,00% e 0,030% em peso de fósforo; entre 0,00% e 0,60% em peso de silício; entre 12,00% e 14,00% em peso de cromo; entre 3,50% e 5,50% em peso de níquel; entre 0,50% e 1,00% em peso de molibdênio; entre 0,01% e 0,15% em peso de vanádio; e entre 0,00% e 0,15% em peso de nióbio, a razão de nióbio para carbono sendo de 4 ou menos.
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