CN101563523A - 高强度合金 - Google Patents

Abstract

描述了高强度金属合金。至少一种金属合金的组合物包含铬、镍、铜、锰、硅、铌、钨和铁。一种加热器系统可包括至少部分由含至少一种金属合金的材料制得的罐。一种用于加热地下地层的系统可包括至少部分由含至少一种金属合金的材料制得的管道。

Description

高强度合金

政府权益

根据UT-Battelle，LLC之间按照美国能源部与Shell开发与生产公司之间的总合同No.DE-ACO5-00OR22725签订的协议No.ERD-05-2516，美国政府对本发明拥有一定的权利。

技术领域

本发明主要涉及金属组合物。具体而言，本发明涉及在高温和/或低温下具有高强度的金属合金。

背景技术

从地下地层中获得的烃常常用作能源、作为原料和作为消费品。对可获得的烃源耗尽的担心和对所生产的烃的总质量下降的担心已经导致开发了更加有效地采收、加工和/或使用可获得的烃源的方法。可使用原位法从地下地层中移出烃物质。可能需要改变地下地层内的烃物质的化学和/或物理性能，以允许烃物质更加容易地从地下地层中移出。化学和物理改变可包括产生可移出流体、导致地下地层中烃材料组成改变、溶解度改变、密度改变、相变和/或粘度改变的原位反应。流体可以是但不限于气体、液体、乳液、淤浆和/或具有与液体流动类似流动特征的固体颗粒的物流。

可在地层中形成井孔。在一些实施方案中，可在井孔中放置或形成套管或其它管道系统。在一些实施方案中，可在井孔中使用可膨胀管道。可在井孔中放置加热器以在原位法期间加热地层。

Ljungstrom的美国专利No.2,923,535和Van Meurs等人的美国专利No.4,886,118中描述了对油母页岩地层施加热量。可对油母页岩地层施加热量以使油母页岩地层中的油母质热解。热量也可使地层破裂以增加地层的渗透性。增加的渗透性可允许地层流体流动至生产井，在那里将流体从油母页岩地层中移出。在Ljungstrom公开的一些方法中，例如将含氧气体介质(优选来自预热步骤仍然是热的含氧气体介质)加入可渗透地层中以引发燃烧。

可使用热源以加热地下地层。可使用电加热器通过辐射和/或传导以加热地下地层。加热器可电阻加热元件。Germain的美国专利No.2,548,360；Eastlund等人的美国专利No.4,716,960；Eastlund等人的美国专利No.4,716,960；和Van Egmond的美国专利No.5,065,818描述了放置于井孔中的电加热元件。Vinegar等人的美国专利No.6,023,554描述了放置于套管中的电加热元件。电加热元件产生的辐射能加热套管。

Van Meurs等人的美国专利No.4,570,715描述了一种电加热元件。所述电加热元件具有导电芯、绝缘材料的围绕层和围绕的金属护套。导电芯在高温下可具有相对低的电阻。绝缘材料在高温下可具有相对高的电阻、抗压强度和导热性质。绝缘层可抑制在芯与金属护套之间形成电弧。金属护套可具有在高温下相对高的拉伸强度和抗蠕变性质。Van Egmond的美国专利No.5,060,287描述了具有铜-镍合金芯的电加热元件。

可从不锈锻钢制得加热器。Maziasz等人的美国专利No.7,153,373和Maziasz等人的美国专利申请公布No.US 2004/0191109描述了作为铸造微结构或细晶板和箔的改性237不锈钢。

如上所述，已在开发用于从含烃地层经济地生产烃、氢气和/或其它产物的加热器、方法和系统方面作出了大量的工作。然而目前为止，仍然无法从许多含烃地层中经济地生产烃、氢气和/或其它产物。因此，仍然需要用于从多种含烃地层生产烃、氢气和/或其它产物的方法和系统中的加热器所使用的改进金属。

发明内容

本文描述的实施方案主要涉及一种或多种金属组合物。在一些实施方案中，描述了使用含所述金属组合物的材料的系统和方法。

在一些实施方案中，金属合金组合物可包含：18-22wt％的铬；5-13wt％的镍；3-10wt％的铜；1-10wt％的锰；0.3-1wt％的硅；0.5-1.5wt％的铌；0.5-2wt％的钨；和38-63wt％的铁。

在一些实施方案中，金属合金组合物可包含：18-22wt％的铬；5-9wt％的镍；1-6wt％的铜；0.5-1.5wt％的铌；1-10wt％的锰；0.5-1.5wt％的钨；36-74wt％的铁；和纳米氮化物的沉淀物，其中钨与铜的比为约1/10-10/1。

在一些实施方案中，本发明描述了加热器系统可包括发热元件和围绕发热元件的罐，所述围绕发热元件的罐至少部分由含以下物质的材料制得：18-22wt％的铬；5-14wt％的镍；1-10wt％的铜；0.5-1.5wt％的铌；36-70.5wt％的铁；和纳米氮化物的沉淀物。

在一些实施方案中，本发明描述了用于加热地下地层的包括管道的系统，所述管道至少部分由含以下物质的材料制得：18-22wt％的铬；10-14wt％的镍；1-10wt％的铜；0.5-1.5wt％的铌；36-70.5wt％的铁；和纳米氮化物的沉淀物。

在另外的实施方案中，一些实施方案的特征可与其它实施方案的特征组合。例如一个实施方案的特征可与任意其它实施方案的特征组合。

在另外的实施方案中，使用本文所述的任意方法、系统或加热器处理地下地层。

在另外的实施方案中，本文所述的一些实施方案可加入附加特征。

附图说明

在受益于下述详细说明和参考附图的情况下，本发明的优点对于本领域的技术人员来说将变得显而易见，其中：

图1给出了用于处理含烃地层的原位热处理系统的一部分的实施方案的示意图。

图2描述了合金中相对于铬的wt％的相的wt％实验计算。

图3描述了合金中相对于硅的wt％的相的wt％实验计算。

图4描述了合金中相对于钨的wt％的相的wt％实验计算。

图5描述了合金中相对于铌的wt％的相的wt％实验计算。

图6描述了合金中相对于碳的wt％的相的wt％实验计算。

图7描述了合金中相对于氮的wt％的相的wt％实验计算。

图8描述了合金中相对于钛的wt％的相的wt％实验计算。

图9描述了合金中相对于铜的wt％的相的wt％实验计算。

图10描述了合金中相对于锰的wt％的相的wt％实验计算。

图11描述了合金中相对于镍的wt％的相的wt％实验计算。

图12描述了合金中相对于钼的wt％的相的wt％实验计算。

图13描述了不同金属的屈服强度和最终拉伸强度。

图14描述了不同金属的屈服强度。

图15描述了不同金属的最终拉伸强度。

图16描述了不同金属的屈服强度。

图17描述了不同金属的最终拉伸强度。

尽管本发明易于进行各种改进和替代形式，但其具体实施方案通过在附图内通过实施例方式给出，和可在此详细描述。附图可能不是按比例的。然而应当理解，附图及其详细说明不用于限定本发明于所公开的特定形式，相反，本发明拟覆盖落在所附权利要求定义的本发明的精神与范围内的所有改进、等价和替代方案。

具体实施方式

下述说明主要涉及处理地层内的烃的系统与方法。可处理该地层以产生烃产物、氢和其它产物。

“交流电(AC)”指基本按正弦曲线改变方向的随时间变化的电流。AC在铁磁导体中产生趋肤效应电流动。

“API比重度”指在15.5℃(60°F)下的API比重度。API比重度通过ASTM方法D6822测定。

“裸金属”和“暴露的金属”指不包括电绝缘(例如矿物绝缘)层的细长构件的金属，所述电绝缘层用于在细长构件的整个操作温度范围内向金属提供电绝缘。裸金属和暴露的金属可包括含缓蚀剂例如天然产生的氧化层、施加的氧化层和/或薄膜的金属。裸金属和暴露的金属包括具有在细长构件的典型操作温度下不能保持电绝缘性质的聚合物或其它类型电绝缘的金属。

“碳数”指分子中碳原子的数目。烃流体可包括多种具有不同碳数的烃。烃流体可以通过碳数分布进行描述。碳数和/或碳数分布可通过真实沸点分布和/或气液色谱法测定。

“第X列元素”指周期表第X列的一种或多种元素和/或周期表第X列的一种或多种元素的一种或多种化合物，其中X对应周期表的列数(例如13-18)。例如“第15列元素”指周期表第15列的元素和/或周期表第15列的一种或多种元素的化合物。

“居里温度”是在这个温度之上铁磁材料失去其所有铁磁性质的温度。除去在居里温度之上失去所有铁磁性质之外，当渐增的电流流经铁磁材料时，铁磁材料开始失去其铁磁性质。

“流体压力”是地层中的流体产生的压力。“岩石静压力”(有时称为“岩石静应力”)是地层内的压力，等于单位面积上覆岩石物质的重量。“静水压力”是水柱施加到地层的压力。

“地层”包括一层或多层含烃层、一层或多层非烃层、上覆地层和/或下伏地层。“烃层”指地层中含烃的层。烃层可包含非烃材料和烃材料。“上覆地层”和/或“下伏地层”包括一类或更多不同类的不可渗透材料。例如上覆地层和/或下伏地层可包括岩石、页岩、泥岩或湿/致密碳酸盐。在原位热处理法的一些实施方案中，上覆地层和/或下伏地层可包括一层含烃层或多层含烃层，所述含烃层相对不可渗透和没有经历导致上覆地层和/或下伏地层中含烃层显著特性变化的原位热处理期间的温度。例如下伏地层可包含页岩或泥岩，但原位热处理法期间不允许加热下伏地层至热解温度。在一些情况下，上覆地层和/或下伏地层可具有一定的渗透性。

“地层流体”是指存在于地层内的流体，和可包括热解流体、合成气、运动烃和水(蒸汽)。地层流体可包括烃流体以及非烃流体。术语“运动流体”是指作为热处理地层的结果能流动的含烃地层内的流体。“产生的流体”是指从地层移出的流体。

“热源”是基本通过传导和/或辐射传热提供热量到至少一部分地层的任意系统。例如热源可包括电加热器，例如绝缘导体、细长构件和/或在导管内布置的导体。热源也可包括通过在地层外部或者内部燃烧燃料生成热的系统。该系统可以是表面燃烧器、井下气体燃烧器、无火焰分布式燃烧器和自然分布式燃烧器。在一些实施方案中，可通过其它能源供应在一个或多个热源内提供或生成的热量。其它能源可直接加热地层，或者可施加能量到传递介质上，所述传递介质直接或间接加热地层。应理解向地层施加热量的一个或多个热源可使用不同的能源。因此，例如对于给定的地层来说，某些热源可由电阻加热器供应热量，某些热源可由燃烧提供热量，而某些热源可由一种或多种其它能源(例如化学反应、太阳能、风能、生物质或其它可再生的能源)提供热量。化学反应可包括放热反应(例如氧化反应)。热源也可包括提供热量到与加热位置相邻的区域和/或在其周围的区域的加热器例如加热器井。

“加热器”是在井内或者在附近的井孔区域内生成热的任意系统或热源。加热器可以是但不限于电加热器、燃烧器、与在地层内的材料或者从地层中产生的材料反应的燃烧器和/或它们的组合。

“重质烃”是粘性的烃流体。重质烃可以包括高粘烃流体，如重质油、焦油和/或沥青。重质烃可以包含碳和氢以及较小浓度的硫、氧和氮。重质烃中也可以存在微量的其它元素。重质烃可以用API比重度来分类。重质烃的API比重度通常低于20°。例如重质油的API比重度通常为10-20°，而焦油的API比重度通常低于10°。重质烃在15℃下的粘度通常大于100厘泊。重质烃可以包含芳烃或其它复杂环烃。

可以在相对可渗透的地层中发现重质烃。相对可渗透的地层可以包括夹带在例如砂或碳酸盐中的重质烃。“相对可渗透”定义为对于地层或部分地层平均渗透性为10毫达西或更大(例如10毫达西或100毫达西)。“相对低渗透性”定义为对于地层或部分地层平均渗透性低于10毫达西。1达西等于约0.99平方毫米。不可渗透层的渗透性通常小于0.1毫达西。

含重质烃地层的某些类型也可以是但不限于天然矿物蜡或天然沥青矿。“天然矿物蜡”通常出现在基本上为管道状的矿脉中，其可以宽数米，长数公里和深数百米。“天然沥青矿”包括芳烃组合物的固态烃，和通常出现在大矿脉中。从地层中原位开采烃例如天然矿物蜡和天然沥青矿可以包括熔化形成液态烃和/或从地层中溶液采矿烃。

“烃”通常定义为主要由碳和氢原子形成的分子。烃也可包括其它元素，例如但不限于卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。烃可以是但不限于油母质、沥青、焦沥青、油、天然矿物蜡和沥青矿。烃可位于地壳内的矿物母岩内或者与之相邻。母岩可包括但不限于沉积岩、砂子、沉积石英岩、碳酸盐、硅藻土和其它多孔介质。“烃流体”是包含烃的流体。烃流体可包含、夹带或者被夹带在非烃流体内，所述非烃流体例如氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨气。

“原位转化法”指通过热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度提升至高于热解温度从而在地层中产生热解流体的方法。

“原位热处理法”是指用热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度升高到导致流体流动、减粘和/或含烃材料热解的温度之上从而在地层中生成流动的流体、减粘流体和/或热解流体的方法。

“绝缘导体”指能够导电和全部或部分被电绝缘材料覆盖的任意细长材料。“油母质”是已通过天然降解和主要含有碳、氢、氮、氧和硫的固体不溶性烃。煤和油母页岩为含油母质的材料的典型实例。“沥青”是基本溶于二硫化碳中的非晶固体或粘性烃材料。“油”是含可冷凝烃混合物的流体。

“调制的直流(DC)”指在铁磁导体中产生趋肤效应电流动的任意基本非正弦随时间变化的电流。

“氮化物”指氮和周期表的一种或多种其它元素的化合物。氮化物包括但不限于氮化硅、氮化硼或氮化铝。

“周期表”指由国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)在2003年11月所定义的周期表。在本申请的范围内，周期表金属的重量、周期表金属的化合物的重量、周期表元素的重量或周期表元素的化合物的重量计算为金属的重量或元素的重量。例如如果每克催化剂使用了0.1克MoO₃，则催化剂中计算得到的钼金属的重量为0.067克/克催化剂。

“热解”是由于施加热量导致的化学键断裂。例如热解可包括通过单独加热将化合物转化成一种或多种其它物质。热量可转移到一部分地层以引起热解。

“热解流体”或“热解产物”是指基本上在热解烃期间产生的流体。通过热解反应产生的流体可与地层内的其它流体混合。该混合物将被视为热解流体或热解产物。本文所使用的“热解区”是指反应了或者正在反应形成热解流体的地层体积(例如相对可渗透的地层，如焦油砂地层)。

“下沉”是一部分地层相对地面的初始海拔向下的运动。

“焦油”是15℃下粘度通常大于约10000厘泊的粘性烃。焦油的比重通常超过1.000。焦油的API比重度可以小于10°。

“焦油砂地层”是其中烃主要以夹带在矿粒骨架或其它主体岩石(例如砂或碳酸盐)中的重质烃和/或焦油形式存在的地层。焦油砂地层的实例包括例如Athabasca地层、Grosmont地层和Peace River地层(这三种地层均在加拿大Alberta)以及委内瑞拉的Orinoco地带的Faja地层。

“限温加热器”通常是指在不使用外部控制例如温度控制器、功率调节器、整流器或者其它设备的情况下在特定温度之上调节热输出(例如降低热输出)的加热器。限温加热器可以是AC(交流电流)或调制的(例如“斩波的”)DC(直流电流)供电的电阻加热器。

“导热系数”是材料的性质，其描述对于给定的两个表面之间温度差下，材料的两个表面之间在稳定状态下热量流动的速率。

“热裂缝”指通过地层和/或地层中的流体的膨胀或收缩在地层中产生的裂缝，所述地层和/或地层中的流体的膨胀或收缩通过升高/降低地层和/或地层中流体的温度和/或通过加热造成地层中流体的压力升高/降低引起。

“随时间变化的电流”指铁磁导体中趋肤效应电流动产生的和具有随时间变化的数值的电流。随时间变化的电流包括交流电流(AC)和调制的直流电流(DC)。

限温加热器的“调节比”是对于给定的电流，低于居里温度时的最高AC或调制的DC电阻与高于居里温度时的最低电阻之比。

术语“井孔”是指通过在地层内钻探或者插入导管形成的地层内的孔。井孔可具有基本上圆形的截面，或者为其它截面形状。本文所使用的术语“井”和“开口”当是指在地层内的开口时，可与术语“井孔”互换使用。

图1描述了用于处理含烃地层的原位热处理系统一部分的实施方案的示意图。原位热处理系统可包括屏蔽井200。使用屏蔽井在处理区周围形成屏蔽层。屏蔽层抑制流体流入和/或流出处理区。屏蔽井包括但不限于脱水井、真空井、捕集井、注射井、泥浆井、冷冻井或它们的组合。在一些实施方案中，屏蔽井200是脱水井。脱水井可除去液体水和/或抑制液体水进入待加热的一部分地层内或者正在加热的地层内。在图1中描述的实施方案中，所示出的屏蔽井200仅沿热源202的一边延伸(但是屏蔽井通常围绕全部所用的或待用的热源202)以加热地层的处理区。

热源202置于至少一部分地层内。热源202可包括加热器，例如绝缘导体、导管内的导体加热器、表面燃烧器、无火焰分布式燃烧器和/或自然分布式燃烧器。热源202也可包括其它类型的加热器。热源202提供热量到至少一部分地层以加热地层内的烃。可通过供应管线204供应能量到热源202。供应管线204在结构上可以不同，这取决于加热地层所使用的一种热源或多种热源的类型。用于热源的供应管线204可输送用于电加热器的电，可运输用于燃烧器的燃料，或者可运输在地层内循环的换热流体。在一些实施方案中，用于原位热处理法的电可通过核电站供应。使用核动力可减小或消除从原位热处理法排放的二氧化碳。

当加热地层时，输入地层中的热量可引起地层的膨胀和地质力学运动。在脱水法之前、同时或期间，开启热源。计算机模拟可模拟计算地层对加热的响应。可使用计算机模拟开发用于激活地层中热源的模式和时间顺序从而地层的地质力学运动不会负面影响地层中热源、生产井和其它设备的功能。

加热地层可能增大地层的渗透性和/或孔隙率。渗透性和/或孔隙率的增大可因水的汽化和移出、烃的移出和/或产生裂缝导致地层中物质的减小而产生。因为地层渗透性和/或孔隙率增加，流体可更易于在地层的加热部分中流动。因为渗透性和/或孔隙率增加，地层的加热部分中的流体可穿过地层运动相当大的距离。所述相当大的距离可超过1000m，这取决于多种因素，例如地层的渗透性、流体的性质、地层的温度和使流体运动的压力剃度。流体可在地层中运动相当大距离的能力，允许生产井206在地层中间距相对较远。

使用生产井206从地层中移出地层流体。在一些实施方案中，生产井206包括热源。在生产井内的热源可加热在生产井处或其附近的地层的一个或多个部分。在一些原位热处理法实施方案中，以每米生产井计，从生产井供应到地层内的热量小于以每米热源计从加热地层的热源施加到地层的热量。从生产井施加到地层的热量可通过汽化和移出邻近生产井的液相流体增加邻近生产井的地层渗透性，和/或通过地层的巨大和/或微小的裂缝增加邻近生产井的地层渗透性。

生产井中可放置多于一个热源。当从相邻热源的重叠热量充分加热地层足以抵消通过用生产井加热地层所带来的好处时，可关闭生产井下部的热源。在一些实施方案中，在关闭生产井下部的热源之后，可仍然保持开启生产井上部的热源。井上部的热源可抑制地层流体的冷凝和回流。

在一些实施方案中，生产井206中的热源允许从地层移出地层流体的气相。在生产井处或通过生产井提供热量可以：(1)当生产流体在上覆地层附近的生产井中移动时，抑制这些生产流体冷凝和/或回流，(2)增加输入到地层中的热量，(3)与没有热源的生产井相比，增加生产井的生产速率，(4)抑制生产井中高碳数化合物(C6和C6以上)的冷凝，和/或(5)增加生产井处或其附近地层的渗透性。

地层的地下压力可相当于地层中产生的流体的压力。当地层加热部分中的温度升高时，由于产生的流体和水的汽化增加，加热部分的压力也增大。控制从地层中移出流体的速率可以允许控制地层中的压力。在很多不同的位置可以确定地层的压力，例如靠近或在生产井处、靠近或在热源处或在监测井处。

在一些含烃地层中，直到地层中的至少一些烃已经热解，从地层中生产烃都是受抑制的。当地层流体具有选定的质量时，可以从地层中生产地层流体。在一些实施方案中，选定的质量包括API比重度至少为约20°、30°或40°。抑制生产直到至少一些烃热解可以提高重质烃到轻烃的转化率。抑制初期生产可以使从地层生产的重质烃最小化。大量重质烃的生产可能需要昂贵的设备和/或缩短生产设备的寿命。

在一些含烃地层中，可在地层的加热部分中已产生充足渗透性之前，将地层中的烃加热至热解温度。初始缺乏渗透性可抑制将所产生的流体输送至生产井206。在初始加热期间，热源202附近地层中的流体压力可增大。可通过一个或多个热源202释放、监控、改变和/或控制所述增大的流体压力。例如选定的热源202或单独的减压井可包括允许从地层移出一些流体的减压阀。

在一些实施方案中，虽然地层中可能还不存在通向生产井206或任意其它降压措施的通道，但是可允许通过热解流体或地层中生成的其它流体的膨胀产生的压力增大。可允许流体压力增大至岩层静态压力。当流体接近岩层静态压力时，可在含烃地层中生成裂缝。例如在地层的加热部分中可从热源202至生产井206生成裂缝。加热部分中产生的裂缝可降低该部分中的一部分压力。地层中的压力可能需要维持低于选定压力以抑制不希望发生的生产、上覆地层或下伏地层的断裂，和/或地层中烃的焦化。

在达到热解温度和允许从地层的生产后，可变化地层中的压力以改变和/或控制所生成的地层流体的组成、以控制地层流体中与不可冷凝流体相比可冷凝流体的％和/或以控制正在生产的地层流体的API比重度。例如降低压力可导致生产更多的可冷凝流体组分。可冷凝流体组分可含有更大的烯烃百分数。

在一些原位热处理法的实施方案中，地层中的压力可以保持足够高，以促进API比重度大于20°的地层流体的生产。在地层中保持增大的压力可以抑制地层在原位热处理中下沉。保持增大的压力可以促进从地层中生产气相流体。生产气相可以允许用于输送从地层中产生的流体的收集管道的尺寸降低。保持增大的压力可以减小或消除在地面将收集管道内的流体输送到处理设施时压缩地层流体的需要。

在地层的加热部分保持增大的压力可以惊人地允许生产大量质量提高和分子量相对低的烃。可以保持压力，以使生产的地层流体具有最小量的选定碳数以上的化合物。选定碳数可以是最多25、最多20、最多12或最多8。一些高碳数化合物可以夹带在地层中的蒸气中，和可以与蒸气一起从地层中移出。在地层中保持增大的压力可以抑制蒸气中夹带高碳数化合物和/或多环烃化合物。高碳数化合物和/或多环烃化合物可以在相当长的时期内在地层中保持液相。所述相当长的时期可以为化合物提供足够的时间以热解形成较低碳数的化合物。

据信，生成相对低分子量的烃部分归因于一部分含烃地层中氢的自发生成和反应。例如维持增大的压力可驱使热解期间产生的氢进入地层中的液相中。加热该部分至热解温度范围内的温度，可使地层中的烃热解以生成液相热解流体。所生成的液相热解流体组分可包括双键和/或自由基。液相中的氢(H₂)可降低所生成的热解流体的双键，从而降低了从所生成的热解流体发生聚合反应或形成长链化合物的潜在可能性。此外，H₂也可中和所生成的热解流体中的自由基。因此，液相中的H₂可抑制所生成的热解流体互相反应和/或与地层中其它化合物反应。

由生产井206生产的地层流体可通过收集管道208输送到处理设施210中。也可由热源202生产地层流体。例如可由热源202生产流体，以控制与热源相邻的地层内的压力。由热源202生产的流体可通过管线或管道输送到收集管道208中，或者所生产的流体可通过管线或管道直接输送到处理设施210中。处理设施210可包括处理所生产的地层流体用的分离单元、反应单元、提质单元、燃料电池、涡轮机、储存容器和/或其它系统和单元。处理设施可由地层生产的至少一部分烃形成运输燃料。

限温加热器可以是具有固定结构的和/或可包括提供自动温度限定性质的材料以限定加热器于一定温度下。在一些实施方案中，限温加热器中使用铁磁材料。铁磁材料可以自身限定温度于材料的居里温度或者附近，从而当向材料施加随时间变化的电流时，在居里温度下或者附近提供降低的热量。在一些实施方案中，铁磁材料自身限定限温加热器的温度于居里温度附近的选定温度下。在一些实施方案中，选定的温度在居里温度的35℃、25℃、20℃或10℃之内。在一些实施方案中，铁磁材料与其它材料耦合(例如高导电材料、高强度材料、耐腐蚀材料或它们的组合)以提供多种电性能和/或机械性能。限温加热器的一些部分可能比限温加热器的其它部分具有更低的电阻(由于不同的构造和/或由于使用不同的铁磁和/或非铁磁材料所引起)。使限温加热器具有不同材料和/或尺寸的部分允许从加热器的各部分调控出所需的热输出。

限温加热器可比其它加热器更可靠。限温加热器可能不易于因为地层中的热点而产生故障或中止运行。在一些实施方案中，限温加热器允许基本均匀地加热地层。在一些实施方案中，沿加热器的整个长度上，限温加热器能够通过在更高的平均热输出下运行而更有效地加热地层。如果沿加热器任意点的温度超出或将要超出加热器的最大操作温度时，因为无需在整个加热器上降低提供至加热器的功率(就象典型的恒定功率加热器的情况)，所以沿加热器的整个长度上限温加热器在更高的平均热输出下运行。无需控制调整施加到加热器的随时间变化的电流，接近加热器居里温度的限温加热器部分的热输出自动降低。由于限温加热器部分的电性能(例如电阻)的变化，热输出自动降低。因此，在更大部分的加热过程期间，通过限温加热器提供更大的功率。

在一些实施方案中，包括限温加热器的系统初始提供第一热输出和随后当限温加热器由随时间变化的电流提供能量时提供接近、等于或高于加热器的电阻性部分的居里温度的降低的热输出(第二热输出)。第一热输出是在低于限温加热器开始自限定的温度下的热输出。在一些实施方案中，第一热输出是在比限温加热器中铁磁材料的居里温度低50℃、75℃、100℃或125℃的温度下的热输出。

可通过在井口供应的随时间变化的电流(交流电或调制的直流电)向限温加热器提供能量。井口可包括用于向限温加热器提供能量的电源和其它组件(例如调制组件、变压器和/或电容器)。限温加热器可为用于加热一部分地层的多个加热器中的一个。

在一些实施方案中，限温加热器包括当向导体施加随时间变化的电流时，作为趋肤效应或邻近效应加热器运行的导体。趋肤效应限定了电流穿入导体内部的深度。对于铁磁材料，趋肤效应受控于导体的磁渗透性。铁磁材料的相对磁渗透性通常为10-1000(例如铁磁材料的相对磁渗透性通常为至少10和可为至少50、100、500和1000或更大)。随着铁磁材料的温度提升到高于居里温度和/或随着施加的电流增加，铁磁材料的磁渗透性明显下降和趋肤深度迅速增大(例如趋肤深度随着磁渗透性的平方根反比增大)。磁渗透性的降低和/或随着所施加的电流增加，导致接近、等于或高于居里温度的导体的AC或调制的DC电阻降低。当限温加热器被基本恒定的电流源驱动时，接近、到达或高于居里温度的加热器部分可具有降低的散热。不处于或不接近居里温度的限温加热器部分可受控于允许加热器由于较高的电阻载荷而具有高散热的趋肤效应加热。

居里温度加热器已在焊接设备、用于医学应用的加热器和用于烘箱的加热元件(例如比萨饼烘箱)中进行使用。Lamome等人的美国专利No.5,579,575、Henschen等人的美国专利No.5,065,501和Yagnik等人的美国专利No.5,512,732中公开了一些这样的应用，和Whitney等人的美国专利No.4,849,611描述了多个分离的、间隔的包括无功组件、电阻加热组件和温度响应组件的加热单元。

使用限温加热器加热地层中的烃的优势是选择具有在所需操作温度范围内的居里温度的导体。在所需操作温度范围内操作允许将充分的热量注入地层中，同时维持限温加热器和其它设备的温度低于设计极限温度。设计极限温度是例如腐蚀、蠕变和/或变形的性质受到负面影响的温度。限温加热器的温度限定性质抑制邻近地层中低热导率“热点”的加热器的过热或烧毁。在一些实施方案中，限温加热器可降低或控制热输出和/或取决于加热器中所使用的材料承受在高于25℃、37℃、100℃、250℃、500℃、700℃、800℃、900℃或更高至1131℃的温度下的加热。

因为无需限定输入限温加热器的能量以与邻近加热器的低热导率区域相匹配，所以限温加热器允许比恒定功率加热器将更多的热量注入地层中。例如Green River油母页岩的最低储量油母页岩层的热导率和最高储量油母页岩层的热导率之间的差值至少为3倍。当加热该地层时，与受低热导率层的温度限制的常规加热器相比，限温加热器明显向地层输入更过的热量。沿常规加热器整个长度的热输出需要与低热导率层相匹配使得加热器在低热导率层不会过热和烧毁。限温加热器邻近在高温下的低热导率层的热输出将会降低，但是不在高温下的限温加热器的剩余部分仍然将提供高的热输出。因为用于加热烃地层的加热器通常具有较长的长度(例如至少10m、100m、300m、500m、1km或者多至10km)，所以限温加热器的主要长度可在低于居里温度下操作，同时仅有部分在或接近限温加热器的居里温度下操作。

使用限温加热器允许有效向地层传递热量。有效传递热量允许将地层加热至所需温度所需的时间减小。例如在Green River油母页岩中，当使用常规恒定功率加热器的12m加热器井距时，热解通常需要加热9.5年-10年。对于相同的加热器间距，限温加热器可允许更大的平均热输出，同时维持加热器设备温度低于设备的设计极限温度。由于限温加热器比恒定功率加热器提供更大的平均热输出，地层中的热解可在更早的时间发生。例如在Green River油母页岩中，当使用12m加热器井距的限温加热器时，热解可在5年内发生。限温加热器抵消了因为不准确的井距或钻井使加热器井靠得过紧而产生的热点。在一些实施方案中，限温加热器允许对于间距过远的加热器井随时间输出增大的功率，或允许离得过近的加热器井随时间输出受限定的功率。限温加热器也向邻近上覆地层和下伏地层的区域提供更大的功率以补偿这些区域中的温度损失。

限温加热器可有利地用于多种地层中。例如在含重质烃的焦油砂地层或相对可渗透地层中，可使用限温加热器以提供可控的低温输出以在井孔处或邻近井孔处或者在地层中降低流体的粘度、使流体流动和/或提高流体的径向流动。可使用限温加热器以抑制由于邻近地层的井孔区域的过热而引起的过度焦化地层。

在一些实施方案中，使用限温加热器消除或减低了昂贵的温度控制电路的需求。例如使用限温加热器消除或减低了进行井温测量的需求和/或使用加热器上的固定热电偶以监控在热点处潜在过热的需求。

在一些实施方案中，限温加热器由奥氏体不锈钢制造。这些奥氏体钢可包括具有面心立方(fcc)奥氏体相为初生相的合金。fcc奥氏体相可通过控制Fe-Cr-Ni和/或Fe₁₈Cr₈-Ni的浓度进行稳定。可通过在fcc晶格中掺入其它合金增强奥氏体相的强度。对于低温应用来说，可通过添加增强fcc晶格强度的合金元素增强强度。这种类型的增强可称为“固溶强化”。然而，随着使用温度升高，奥氏体相中的合金元素可能反应而形成新的相例如M₂₃C₆，其中M包括可形成碳化物的铬和其它元素。在含周期表第4-13列元素的奥氏体中可形成其它相。这些元素的例子包括但不限于铌、钛、钒、钨、铝或它们的混合物。多个相的尺寸和分布以及它们在所需使用温度范围内的稳定性决定了不锈钢的机械性能。在高温下例如碳化物的沉淀物的纳米尺度分散体可产生最高强度，但由于碳化物的尺寸，它们可能变得不稳定和变粗糙。在至少750℃的温度下，含纳米尺度沉淀物分散体的合金可能是不稳定的。因为加热器可将地下地层加热至至少700℃的温度，所以需要具有改进强度的可承受至少700℃温度的合金的加热器。

在一些实施方案中，含锰、铜和钨以及铌、碳和氮的铁、铬和镍合金在高温溶液退火或处理时维持较细的晶粒尺寸。这种性能在焊接材料中降低受热影响区域可能是有利的。为获得最佳的金属碳化物(MC)纳米碳化物，较高的溶液退火温度是特别重要的。例如在高温蠕变应用中碳化铌纳米碳化物增强，和该效果通过改进的合金组成加以放大(更细的稳定的纳米碳化物结构)。包括改进的合金组成和经机加工处理的管道和罐的用途导致不锈钢可能能够在700-800℃的使用期间老化变硬。即使合金在进行高温使用前是冷应变的，改进的合金仍然可能能够老化变硬，但是该冷预应变对于良好的高温性能或老化变硬不是必需的。某些现有技术合金，例如NF709需要冷预应变以获得良好的高温蠕变性能，而这是不利的，特别是因为该合金进行焊接后，在焊接受热影响区域中失去了所述冷预应变的优点。其它现有技术合金的高温强度和长期耐用性受到冷预应变的负面影响。因此，例如在施工规范中，冷预应变可能受限或不能使用。

在一些新合金组合物的实施方案中，合金可以是冷加工过例如20％，和与新鲜退火合金在800℃下的屈服强度相比，其在800℃下的屈服强度变化不超过20％。

本文所述改进的合金适用于低温用途，例如低温应用。在例如-50℃至-200℃的温度下具有强度和充分延展性的改进的合金在比在低温应用中通常使用的多种合金(例如201LN和YUS 130)温度高的温度下也保持了强度，因此当用于例如液化天然气(其中失误可能导致着火)时，所述改进的合金将比其它材料在着火温度附近保持更长时间的强度。

改进的合金组合物可包含以重量计：18-22％的铬，5-13％的镍(和在一些实施方案中，5-9wt％的镍)，1-10％的铜(和在一些实施方案中，高于2％至6％的铜)，1-10％的锰，0.3-1％的硅，0.5-1.5％的铌，0.5-2％的钨，和余量基本为铁(例如47.8-68.12％的铁)。在一些实施方案中组合物可包含其它组分，例如：0.3-1％的钼，0.08-0.2％的碳，0.2-0.5％的氮或它们的混合物。也可存在于钢中通常存在的其它杂质或微量组分。该改进的合金可以适用于通过热变形、冷变形和/或焊接加工成例如用于加热器的套管、罐或强度构件。在一些实施方案中，改进的合金包含以重量计：20％铬、3％铜、4％锰、0.3％钼、0.77％铌、13％镍、0.5％硅、1％钨、0.09％碳和0.26％氮，余量基本上是铁。在一些实施方案中，改进的合金包含以重量计：19％铬、4.2％锰、0.3％钼、0.8％铌、12.5％镍、0.5％硅、0.09％碳、0.24％氮，余量基本上是铁。在一些实施方案中，改进的合金包含以重量计：约21％铬、约3％铜、约8％锰、约0.3％钼、约0.8％铌、约7％镍、约0.5％硅、约1％钨、约0.13％碳和约0.37％氮，余量基本上是铁。在一些实施方案中，改进的合金包含以重量计：20％铬、4.4％铜、4.5％锰、0.3％钼、0.8％铌、7％镍、0.5％硅、1％钨、0.24％碳和0.3％氮，余量基本上是铁。在一些实施方案中，改进的合金可改变锰的含量、镍的含量、W/Cu比、Mo/W比、C/N比、Mn/N比、Mn/Nb比、Mn/Si比和/或Mn/Ni比以增强对高温硫化的耐受性、增强高温强度和/或降低成本。例如为使改进的经机加工的合金具有稳定的奥氏体母相、600-900℃的高强度和稳定的纳米碳化物和纳米碳氮化物微结构，改进的经机加工的合金可包含在改进的经机加工的合金中存在的合金元素的组合以达到下列比(wt％)：a)Mo/W-0.3至0.5；b)W/Cu-0.25至0.33；c)C/N-0.25至0.33；d)Mn/Ni-0.3至1.5；e)Mn/N-20至25；f)Mn/Nb-5至13；和g)Mn/Si-4至20；和碳加上氮为0.3wt％至0.6wt％。

改进的经机加工的合金组合物可包括前面段落中描述的组合物和美国专利No.7,153,373种公开的组合物。在800℃下改进的经机加工的合金组合物可包含至少3.25wt％的沉淀物。改进的经机加工的合金组合物可已被老化或热加工和/或冷加工处理过。该老化或热加工和/或冷加工的结果是改进的经机加工的合金组合物(例如NbC、富Cr的M₂₃C₆)可含有纳米碳氮化物沉淀物。尚不知道该纳米碳氮化物沉淀物在铸造组合物(例如美国专利No.7,153,373中公开的那些铸造组合物)中存在，和据信该纳米碳氮化物在对组合物进行热加工和/或冷加工时形成。纳米碳氮化物沉淀物可包括具有5-100纳米、10-90纳米或者20-80纳米尺寸的颗粒。这些经机加工的合金可具有包括但不限于纳米碳化物(例如NbC、富Cr的M₂₃C₆)的微结构，所述微结构在老化(无应力)或蠕变(应力＜0.5屈服应力(YS))期间形成。纳米碳化物沉淀物可包括具有5-100纳米、10-90纳米或者20-80纳米尺寸的颗粒。所述微结构可以是合金组合物本身和机加工处理的结果。在溶液退火材料中，该纳米尺度颗粒的浓度可以是较低的。溶液退火处理后，纳米尺度颗粒可被溶液退火温度/时间(更多和更细的分散体以及高于1150℃的更长时间的退火)和冷预应变或热预应变(冷加工)影响。冷预应变可在晶粒中产生位错网络，所述位错网络可用作纳米碳化物的成核位置。溶液退火材料初始进行了0％的冷加工。弯曲、拉伸、卷绕、旋转或型锻可产生例如5-15％的冷加工。纳米碳化物对屈服强度或蠕变强度的影响可能提供基于位错锁定的强度，具有更近间距的提供更高强度(颗粒阻隔位错的爬移或滑动)的锁定位置(更高的浓度，更细的分散体)。

在例如于800℃下老化1000小时后，改进的经机加工的合金可包含基体中与纳米碳化物在一起的纳米氮化物(例如铌铬氮化物(NbCrN))。纳米氮化物沉淀物可包括具有5-100纳米、10-90纳米或者20-80纳米尺寸的颗粒。铌铬氮化物已使用分析电子显微术表征为富含铌和铬，和通过电子衍射表征为四方氮化物相(两种碳化物均为立方相)。X-射线能量色散定量分析已表明对于改进的合金组合物，这些纳米尺度氮化物颗粒可具有以重量计的以下组成：63％铌、28％铬和6％铁，其它组分各小于1.5％。在具有相似组成的老化后的铸造不锈钢中未观测到该铌铬氮化物，和该铌铬氮化物似乎是机加工处理的直接结果。

在一些实施方案中，改进的经机加工的合金可包含微结构的混合物(例如纳米碳化物和纳米氮化物的混合物)。微结构的混合物可以是在高温(例如900-1000℃)下这些合金组合物的改进的强度的形成原因。在一些实施方案中，改进的合金可具有在800℃下大于35kpsi或30kpsi的屈服强度。

在一些实施方案中，对改进的合金进行处理以生产经机加工的材料。处理可包括例如下列步骤。可从改进的合金铸造离心铸管道。可从铸件上去除一部分和将该部分在至少1250℃的温度下热处理例如3小时。热处理后的部分可在至少1200℃的温度下热轧至原始厚度(英寸)约1/2的厚度，在至少1200℃的温度下退火15分钟，和随后进行喷砂。可将喷砂后的部分冷轧至原始铸件厚度约1/3的厚度。可将冷轧后的部分用氩保护在空气中退火至至少1250℃的温度下一段时间(例如1小时)，和随后用氩保护在空气中在至少1250℃的温度下进行最终的另外热处理1小时。一种可替换的方法可包括任意的下列步骤：最初在至少1200℃的温度下均化铸制板一段时间，例如1-1/2小时；在至少1200℃的温度下热轧至原始铸件厚度的2/3；和在至少1200℃的温度下使冷轧过的板退火1小时。改进的合金可在例如1200℃下用例如22.9毫米(0.9英寸)的心轴直径和34.3毫米(1.35英寸)的模具直径挤出以生产高品质的管道。

经机加工的材料可通过激光焊接或钨气电弧焊接进行焊接。因此，管道可通过轧板和焊接焊缝生产。

使改进的合金在例如1250℃的较高温度下退火可改进合金的性质。在较高的温度下，更多的相进入溶液中和在冷却时沉淀进入相中，这有利地影响性质，例如高温蠕变强度和拉伸强度。在高于1250℃(例如1300℃)的温度下退火可能是有利的。例如计算得在1300℃下改进的合金中存在的相比在1200℃下改进的合金中存在的相降低0.08％。因此，在冷却时，可形成0.08％更多有用的沉淀物。改进的合金可具有比常规合金优越的高温蠕变强度和拉伸强度。例如包含锰、氮、铜和钨的铌稳定处理不锈钢合金可具有改进的或相对常规合金例如347H明显改进的高温蠕变强度和拉伸强度。

在高温下(例如700℃、800℃或高于1000℃)，改进的合金相对标准不锈钢合金例如超级304H可具有增强的强度。优良的高温蠕变-断裂强度(例如在800℃、900℃或1250℃下的蠕变-断裂强度)可作为(a)组成、(b)通过高温处理引起的稳定细晶粒微结构和(c)改进的合金中老化引起的沉淀结构的结果得到改进。沉淀结构包括例如增强晶界的微小碳化物和增强晶粒内部的稳定纳米碳化物。存在σ相、laves相、G相和χ相之外的相有利于高温性质。通过适当选取组分可获得稳定的微结构。高温老化引起的或蠕变引起的微结构可含有少量或不含有金属间σ相、laves相和χ相。金属间σ相、laves相和χ相可能减弱合金的强度性质和因此通常是不理想的。

在800℃下，改进的合金可包含至少3wt％或至少3.25wt％的产生强度的微小碳化物、其它相和/或稳定细晶粒微结构。在900℃下，改进的合金可包含以重量计至少1.5％、至少2％、至少3％、至少3.5％或至少5％的产生强度的微小碳化物、其它相和/或稳定细晶粒微结构。这些值可大于347H或超级304H不锈钢合金在900℃下的相应值。在1250℃下改进的合金可包含至少0.5wt％的产生强度的微小碳化物、其它相和/或稳定细晶粒微结构。所得较高wt％的微小碳化物、其它相和/或稳定细晶粒微结构以及不包括σ相和laves相可能是改进的合金的优良高温性能的原因。

具有与改进的合金相似或更优的高温性能的合金可通过在高温下模拟相行为和选定在例如900℃下保留至少1.5wt％、至少2wt％或至少2.5wt％的σ相或laves相之外的相的组合物而获得。例如稳定的微结构可包括以重量计一定量的：接近碳的含量10倍的铌、1-12％的锰和0.15-0.5％的氮。组合物中可包含铜和钨以增加稳定的微结构的含量。甚至在至少1250℃的热处理之后，对用于改进的合金的元素的选取允许通过多种方法进行处理和产生稳定的细晶粒尺寸。当在此高温下退火时，多种现有技术合金易于产生明显粗糙的晶粒，然而改进的合金可通过此高温处理得到改进。在一些实施方案中，控制晶粒尺寸以获得所需高温拉伸和蠕变性质。改进的合金中稳定的晶粒结构减小了晶界滑动，和在温度高于例如650℃下可能是相对可商购合金更好的强度的有利因素。

下面介绍非限定性实施例。

模拟合金相行为

对不同的改进的合金组合物的相行为进行模拟以确定包含增加量的对物理性质有利的相的组合物。组合物例如Cu、Z、M(C，N)、M₂(C，N)和M₂₃C₆可使脆性相例如G、σ、laves和χ的量最小化。也可因为其它原因包括一定的组分。例如不锈钢合金中通常包含硅以改进工艺性能，和合金中通常包含镍和铬以获得耐腐蚀性。当可包含两种组分以获得相同结果时，则包含便宜的组分可能是有利的。例如在一定范围内锰可用镍替代而不牺牲性能，这种替代可在当前组分价格水平下降低合金的成本。

已发现与如上所述相似的合金的总相含量的作用近似符合下式：

σ_r＝1.0235(TPC)+5.5603

其中σ_r是以千磅/平方英寸(ksi)计在800℃下1000小时的蠕变断裂强度，和TPC是计算的组合物的总相含量。该估算值进一步通过仅在TPC项中包括Cu相、Z相、M(C，N)相、M₂(C，N)相和M₂₃C₆相(“所需相”)的含量以及在此基础上计算常数得到改进。对该估算值的另一改进可以是仅使用在退火温度和在800℃下存在的所需相的差值。因此，不用考虑在退火工艺中不进入溶液中的组分，因为这些组分在高温下不会明显增加合金的强度。例如在退火温度下基于平衡计算存在的Cu相、Z相、M(C，N)相、M₂(C，N)相和M₂₃C₆相的含量减去计算的在800℃下存在的含量之间的差值可以是合金的1wt％，或者可以是合金的1.5wt％或合金的2wt％，以产生具有良好的高温强度的合金。此外，退火温度可以是1200℃、1250℃或者1300℃。

通过模拟添加或减少不同金属以确定改变金属的含量对合金相含量的影响，来进一步理解改进的合金。例如初始组成以重量计为：20％铬、3％铜、4％锰、0.3％钼、0.8％铌、12.5％镍、0.5％硅、1％钨、0.1％碳和0.25％元素氮，利用变化的铬含量进行模拟导致如图2所示在800℃下所包含的M₂₃C₆、M(C，N)、M₂(C，N)、Z、Cu、χ、laves、G和σ相。在各图2-12中图示的这些相的含量是在800℃下计算的这些相的含量。在图2-12中，曲线220指M₂₃C₆，曲线222指M₂(C，N)相，曲线224指Z相，曲线226指Cu相，曲线228指σ相，曲线230指χ相，曲线232指G相，曲线234指laves相，和曲线236指M(C，N)相。

图2描述了合金中相对于铬的wt％的相的wt％。如图所示，当铬从20wt％变化至30wt％，相220、222、224和226的wt％保持相对恒定，而在铬含量高于20.5wt％时，σ相228线性增加。因此，通过模拟，合金中20-20.5wt％的铬含量可能是优选的。

图3描述了合金中相对于硅(Si)的wt％的相的wt％。如图3中所示，改变合金中硅的含量的导致：σ相228在硅含量高于1.2wt％时出现，χ相230在硅含量高于1.4wt％时出现。G相232在硅含量高于1.6wt％时出现，和随硅的wt％增加而增大。随硅的wt％增加，相220、222和224保持相对恒定，和预测Cu相226略微增加。σ相228、χ相230和G相232的出现表明在该合金中硅含量低于1.2wt％可能是优选的。

图4描述了合金中相对于钨的wt％的相的wt％。如图4中所示，改变合金中钨的wt％导致σ相228在1.4wt％钨时出现。Laves相234在1.5wt％钨时出现和随钨的wt％增加而增大。因此，模型预测该合金中钨含量低于1.3wt％可能是优选的。

图5描述了合金中相对于铌的wt％的所形成相的wt％。如图5中所示，模拟预测Z相224的wt％随合金中铌的wt％增加而线性增大直至合金中铌的含量达到1.55wt％。随着铌的含量从0.1wt％增加至1.4wt％，M₂(C，N)相222近似线性降低。M₂(C，N)相222的降低用于补偿Z相224、Cu相226和M₂₃C₆相220的增大。合金中铌高于1.5wt％时，σ相228快速增加，Z相224降低，M₂₃C₆相220降低，和M(C，N)相236出现。因此，合金中铌的含量至多1.5wt％可最大化相220、222、224和226的wt％和避免最小化合金中所形成的σ相228的wt％。为使合金可热加工，已发现至少0.5wt％的铌是理想的。因此，在一些实施方案中，合金含有0.5-1.5wt％或0.8-1wt％的铌。

图6描述了相对于碳的wt％的所形成相的wt％。如图6中所示，预测σ相228的wt％随着合金中碳从0wt％增加至0.06wt％而减小。预测M₂₃C₆相220的wt％随着合金中碳的wt％增加至至多0.5％而线性增大。预测M₂(C，N)相222、Z相224和Cu相226随着合金中碳的wt％增加而保持相对恒定。因为0.06wt％碳之后σ相228减小，所以合金中0.06-0.2wt％的碳含量可能是有利的。

图7描述了相对于氮的wt％的所形成相的wt％。如图7中所示，合金中的氮含量从0wt％增加至0.15wt％，σ相228的含量从7wt％减小至0wt％，M(C，N)相236的含量从1wt％减小至0wt％，M₂₃C₆相220的含量从0wt％增大至1.9wt％，和Z相224的含量从0wt％增大至1.4wt％。当合金中氮含量高于0.15wt％时，M₂(C，N)相222出现和随合金中的氮含量增加而增大。因此，合金中氮含量在0.15-0.5wt％的范围内可能是有利的。

图8描述了相对于钛(Ti)的wt％的所形成相的wt％。如图8中所示，将钛的wt％从0.19wt％变化至1wt％可使合金中σ相228的wt％从0wt％增大到7.5wt％。因此，合金中钛含量低于0.2wt％可能是理想的。如图所示，随着钛的含量从0wt％增大到0.2wt％，M(C，N)相236的wt％增大，M₂(C，N)相222的wt％减小，和Z相224的wt％减小。M₂(C，N)相222和Z相224含量的减小似乎抵消了M(C，N)相236的wt％增大。因此，合金中包括Ti可以用于增加改进合金性质的相含量之外的其它目的。

图9描述了相对于铜的wt％的所形成相的wt％。如图中9所示，M₂₃C₆相220、M₂(C，N)相222和Z相224的wt％随合金中铜的wt％增加未发生明显变化。当合金中铜的含量增加至高于2.5wt％时，Cu相226明显增大。因此，在一些实施方案中，合金中含有超过3wt％铜是理想的。在一些实施方案中，合金中10wt％的铜是有利的。

图10描述了相对于锰的wt％的所形成相的wt％。如图10中所示，改变合金中锰的含量不会大幅度影响到合金中有利相M₂₃C₆相220、M₂(C，N)相222、Z相224和Cu相226的wt％。因此可为了降低成本或者由于其它原因而改变锰的含量，同时不会明显影响合金的高温性质，合金中锰含量可接受的范围为2-10wt％。

图11描述了相对于镍的wt％的所形成相的wt％。如图11中所示，随着合金中镍含量增加至高于8.4wt％，观测到σ相228减小。随着合金中Ni含量从8wt％增加至17wt％，预测Cu相226几乎线性减小直至在Ni含量17wt％时消失，和M₂(C，N)相222的wt％少量增大。根据模拟，合金中10-15wt％的镍含量或者在其它实施方案的合金中12-13wt％的镍含量可避免σ相228的形成，同时腐蚀性能的改进抵消了较少Cu相226的任意不利影响。

图12描述了相对于钼的wt％的所形成相的wt％。如图12中所示，有利相M₂₃C₆相220、M₂(C，N)相222、Z相224和Cu相226的wt％随着合金中钼的wt％变化而保持相对恒定。随着合金中Mo含量超出0.65wt％，合金中σ相228和χ相230的wt％明显增大，同时其它相未明显变化。在一些实施方案中，合金中钼含量因此可限定为至多0.5wt％。

合金实施例

根据表1制备合金A至N。当可进行测量时，表1中包括了所测得的组成。对于所列的组成计算合金的总相含量。

表1

^a使用实际组成计算；^b非消耗的-电弧熔化；^c通过元素补偿再熔化；^d含有1.7％σ相和1.55％laves相；^e感应熔化；^f含有3.9％σ相和1.7％χ相；^g包括1.7％σ相和1.55％laves相。

热加工含铌实施例

为测定待热加工合金的性能，通过电弧熔化1磅表1中合金C、D、E、F、K、L和M试样形成25.4毫米×25.4毫米×101.6毫米(1英寸×1英寸×4英寸)的铸块制备这些合金的试样。在切除热顶和去除一些下层收缩部分之后，将各试样在1200℃下均化1小时，和随后用中间加热在1200℃下热轧成12.7毫米(0.5英寸)的厚度。随后将试样冷轧至6.34毫米(0.25英寸)厚度的板和在1200℃下真空退火1小时。

当热轧合金D(0wt％铌)时发生破裂，和无法实现将其轧至12.7毫米(0.5英寸)的厚度。可以对合金L(0.12wt％铌)进行热轧，但是从试样边缘出现裂缝并扩展向试样的中心，因此在这样的热轧之后无法成为可用的材料。可以对合金M(0.51％Nb)进行热轧，同时没有出现裂缝或任何其它问题。用上述程序对其它试样进行处理时没有出现任何问题，产生没有裂缝的6.35毫米(0.25英寸)板。已发现合金组合物中甚至仅含有0.07wt％铌都可在热加工期间明显降低合金出现裂缝的趋势。经机加工的合金中可掺入含至少0.5wt％铌的合金以改进性质例如可热加工性。一些合金可含有以重量计0.5-1.2％铌、0.6-1.0％铌或0.7-0.9％铌以改进合金的性质。

高温热处理实施例

通过两种不同方法处理表1中的合金A和B的试样。过程A包括在1200℃下的热处理和退火步骤。过程B包括在1250℃下的热处理和退火步骤。当在较高温度下处理时，因为较高的热处理和退火温度，对这两种合金观测到屈服强度和最终拉伸强度的可测出的改进。

在1200℃温度下的过程如下进行：将数段15.24cm(6英寸)内径、3.81cm(1.5英寸)厚度离心铸管在1200℃温度下均化1.5小时；随后将合金A的1段在1200℃下热轧至25.4cm(1英寸)厚度，和将合金B的1段在1200℃下热轧至1.91cm(3/4英寸)厚度；在冷却至室温后，将板在1200℃下退火15分钟；随后将板冷轧至13.97毫米(0.55英寸)的厚度。将冷轧后的板在1200℃下用氩保护在空气中退火1小时。退火后的板在1250℃下用氩保护在空气中最后退火1小时。本文称该过程为过程A。

使用更高热处理和退火温度的过程与上述程序不同之处在于：在1250℃下均化铸制板3小时，而不是1.5小时；在1200℃下从38.1毫米(1.5英寸)厚度热轧至19.05毫米(0.75英寸)厚度；和将所得板在1200℃下退火15分钟，随后冷轧至13.97毫米(0.55英寸)厚度。本文称该过程为过程B。

图13-17描述了不同金属的屈服强度和最终拉伸强度。图13中，对于通过过程A处理的合金A，数据238显示了屈服强度，和数据240显示了最终拉伸强度。对于通过过程B处理的合金B，数据242显示了屈服强度，和数据244显示了最终拉伸强度。对于347H不锈钢，数据246显示了屈服强度，和数据248显示了最终拉伸强度。

图14中，数据250显示了通过过程A处理的合金G的屈服强度。数据252和254显示了合金H和I的屈服强度。数据256显示了通过过程A处理的合金B的屈服强度。数据258显示了通过过程B处理的合金B的屈服强度。数据246显示了347H不锈钢的屈服强度。

图15中，数据260显示了通过过程A处理的合金G的最终拉伸强度。数据262和264显示了合金H和I的最终拉伸强度。266显示了通过过程A处理的合金B的最终拉伸强度。数据268显示了通过过程B处理的合金B的最终拉伸强度。数据248显示了347H不锈钢的最终拉伸强度。

图16中，数据270和272显示了合金J和K的屈服强度。数据256显示了通过过程A处理的合金B的屈服强度。数据258显示了通过过程B处理的合金B的屈服强度。数据246显示了347H不锈钢的屈服强度。

图17中，数据274和276显示了合金J和K的最终拉伸强度。数据266显示了通过过程A处理的合金B的最终拉伸强度。数据268显示了通过过程B处理的合金B的最终拉伸强度。数据248显示了347H不锈钢的最终拉伸强度。

与347H不锈钢相比，在高温下处理过的合金的最终拉伸强度和屈服强度都更大。对于合金A、B、G、H、I、J和K可发现相对347H相当大的改进。例如在1000℃的测试温度下，合金A、B、G、H、I、J和K保持了拉伸性质。对其中需要20ksi屈服强度的用途，合金A、B、G、H、I、J和K在至少另外的250℃下提供所需的屈服强度。对于在测试温度下屈服强度和最终拉伸强度之间5ksi的差值，合金A、B、G、H、I、J和K可以在950℃和1000℃的温度下使用，而347H仅可以在870℃下使用。

将通过过程A和过程B处理的合金B的试样进行应力断裂测试，和结果示于表2中。从表2可以看出，使用较高退火温度的过程B在断裂时间上导致47％至474％的改进。

表2

温度(℃)	应力(MPa)	过程A的寿命(小时)	过程B下的寿命(小时)	通过过程B的改进
					800	100	164.2	241.6	47％
850	70	32	151.7	474％
					850	55	264.1	500.7	90％
900	42	90.1	140.1	55％

冷加工和老化后的高温屈服实施例

在冷加工2.5％、5％和10％以及未冷加工之后将通过过程B处理的合金B在750℃下老化1000小时。老化后，测试每个合金在750℃下的拉伸强度和屈服强度。表3中示出了结果。从表3可看出，作为冷加工和高温老化的结果，屈服强度明显增大。作为高温老化和冷加工的结果，在750℃下的最终拉伸强度仅少量下降。也在室温下测试仅退火的试样和仅老化的试样的屈服强度和最终拉伸强度。作为老化的结果，在室温下的屈服强度从307MPa增大至318MPa。作为高温老化的结果，最终拉伸强度从720MPa减小至710MPa。

表3

	退火后的	老化后的	2.5％冷加工和老化后的	5％冷加工和老化后的	10％冷加工和老化后的
						屈服强度，MPa	170	212	235	290	325
最终拉伸强度，MPa	372	358	350	360	358

这些特性可以与对比合金例如347H进行比较，作为仅进行例如10％冷加工的结果，所述347H明显失去了高温性能。因为制备适用于原位热处理法中的管道和加热器通常需要对它们的制造进行冷加工，对于具有这些特性的合金，一些高温性能的改进或至少未明显失去高温性能可能是明显有利的。当这些性能得到改进或至少未明显降低时，通过高温老化可能是特别有利的。

蠕变实施例

在含有0.1％氧的氮测试环境中，在800℃下将合金试样承受100MPa应力。将各试样首先在1200℃下退火1小时。表4显示了断裂时间，断裂伸长率和总相含量，其中总相含量为已知。

表4

合金	断裂时间(hr)	伸长率(％)	在800℃下总相含量％	备注
					B	283	7.6	4.4
B	116	5.6	4.4
					B	127	3.9	4.4	10％冷加工
B	228	3.1	4.4	10％冷加工
					B	185	2.3	4.4	激光焊接
C	60	5.3	5.45
					C	137	3.6	5.45	重复测试
E	165	5.1	5.3
					F	24	6.6	2.45
G	178	11.3	9.6
					H	183	9.8	总共13.467.86良好的相
I	228	12.6	9.45
					J	240	19.7	8.95
K	123	14.2	5.62
					N	147	7.4	8.85
347H	1.87	92	0.75	未经处理
					347H	2.1	61	0.75	未经处理
NF709	56	32		退火后
					NF709	30	29.4
NF709	36	26		冷应变10％
					NF709	82	30.6		冷应变10％
NF709	700	16.2		冷应变15％
					NF709	643	11.4		冷应变20％
NF709	1084	6		冷应变20％
					NF709	754	37.6		未经处理

将改进的合金B的试样进行轧制处理和轧制成管，然后焊接焊缝，以形成31.75毫米(1.25英寸)外径的管。随后切割所述管和重新焊接在一起以测试焊接的强度。焊料金属为ERNiCrMo-3，用氩保护气、通过50℃的最低预热温度三次和中间通过350℃的最大温度完成焊接。在44.8MPa和900℃下测试焊接后管段的蠕变失效。测得断裂时间为41小时，在5.5％应变时失效。这证明包括焊接部周围受热影响的区域的焊接部不比基体合金明显更弱。

基于本说明书，本发明多个方面的其它改进和替代实施方案对于本领域技术人员将是显而易见的。

因此，本说明书应仅用于说明和用于教导本领域技术人员实施本发明的常规方式的目的。本文所示和描述的本发明的形式应理解为当前优选的实施方案。在受益于本发明说明书之后，要素和材料可替换本文说明和描述的那些，部件和工艺可以反转，可独立使用本发明的一些特征，所有这些对本领域技术人员来说都是显而易见的。在不偏离本发明所附权利要求描述的精神和范围的情况下，可变换本文描述的元素。此外，应理解在一些实施方案中可以将本文描述的特征独立地进行组合。

Claims (47)

1.一种组合物，包含：

18-22wt％的铬；

5-13wt％的镍；

3-10wt％的铜；

1-10wt％的锰；

0.3-1wt％的硅；

0.5-1.5wt％的铌；

0.5-2wt％的钨；和

38-63wt％的铁。

2.权利要求1的组合物，其中所述组合物在800℃下具有大于35ksi的屈服强度。

3.权利要求1或2任一项的组合物，其中作为被冷加工20％的结果，所述组合物在退火后在800℃下的屈服强度变化小于20％。

4.权利要求1-3任一项的组合物，还包含0.2-0.5wt％的元素氮。

5.权利要求1-4任一项的组合物，还包含0.3-1wt％的钼。

6.权利要求1-5任一项的组合物，还包含0.08-0.2wt％的碳。

7.权利要求1-6任一项的组合物，其中所述组合物包含纳米氮化物沉淀物。

8.权利要求7的组合物，其中纳米氮化物沉淀物包括颗粒，和所述颗粒的大多数具有5-100纳米范围内的最大尺寸。

9.权利要求7的组合物，其中所述组合物还包含纳米碳化物沉淀物。

10.权利要求7的组合物，其中纳米碳化物沉淀物包括颗粒，和所述颗粒的大多数具有5-200纳米范围内的最大尺寸。

11.权利要求1-10任一项的组合物，其中所述组合物在800℃下含有至少3.25wt％的沉淀物。

12.权利要求11的组合物，其中在800℃下存在的至少2wt％的所述沉淀物为Cu、M(C，N)、M₂(C，N)或M₂₃C₆相。

13.权利要求11或12的组合物，其中所述组合物已在退火温度下进行过退火，和所述组合物在800℃下比在退火温度下包含至少多1.5wt％的Cu、M(C，N)、M₂(C，N)或M₂₃C₆相。

14.权利要求13的组合物，其中所述退火温度为至少1250℃。

15.权利要求13的组合物，其中所述退火温度在1300℃和所述组合物熔点之间。

16.权利要求1-15任一项的组合物，其中所述组合物在800℃下含有至少4wt％的沉淀物。

17.权利要求1-16任一项的组合物，其中所述组合物在800℃下含有至少8wt％的沉淀物。

18.一种组合物，包含：

18-22wt％的铬；

5-9wt％的镍；

1-6wt％的铜；

0.5-1.5wt％的铌；

1-10wt％的锰；

0.5-1.5wt％的钨；

36-74wt％的铁；和

纳米氮化物的沉淀物，其中钨与铜的比为约1/10-10/1。

19.权利要求18的组合物，其中铜与锰的比为约1/5-5/1。

20.权利要求18或19的组合物，其中所述纳米氮化物沉淀物包括颗粒，和所述颗粒的大多数具有5-100纳米范围内的最大尺寸。

21.权利要求18-20任一项的组合物，其中所述组合物在800℃下含有至少3.25wt％的沉淀物。

22.权利要求18-20任一项的组合物，其中所述组合物在800℃下含有至少至少4wt％的沉淀物。

23.权利要求18-22任一项的组合物，其中在800℃下存在的至少2wt％的所述沉淀物为Cu、M(C，N)、M₂(C，N)或M₂₃C₆相。

24.权利要求18-23任一项的组合物，其中对所述组合物已进行至少约10％程度的冷加工。

25.权利要求18-24任一项的组合物，其中对所述组合物已进行至少约10％程度的热加工。

26.权利要求18-25任一项的组合物，其中所述组合物已进行过热老化。

27.一种加热器系统，包括：

发热元件；和

至少部分围绕发热元件的罐，其中所述罐至少部分由包括以下物质的材料制得：

18-22wt％的铬；

5-14wt％的镍；

1-10wt％的铜；

0.5-1.5wt％的铌；

36-70.5wt％的铁；和

纳米氮化物的沉淀物。

28.权利要求27的加热器系统，其中所述发热元件是电力发热元件。

29.权利要求27或28的加热器系统，其中所述发热元件是烃燃料燃烧元件。

30.一种用于加热地下地层的包括管道的系统，所述管道至少部分由包括以下物质的材料制得：

18-22wt％的铬；

10-14wt％的镍；

1-10wt％的铜；

0.5-1.5wt％的铌；

36-70.5wt％的铁；和

纳米氮化物的沉淀物。

31.权利要求30的系统，还包括加热介质系统以将加热介质循环通过管道从而加热地下地层。

32.权利要求30或31的系统，其中所述加热介质包括蒸汽。

33.权利要求30-32任一项的系统，其中所述加热介质包括二氧化碳。

34.权利要求30-33任一项的系统，其中所述加热介质在地面通过与氦气换热而被加热。

35.权利要求34的系统，其中所述氦气在核反应堆中被加热。

36.权利要求30-35任一项的系统，其中所述系统还包括电力加热元件作为热源。

37.权利要求30-36任一项的系统，其中所述管道通过焊接轧制的材料板以形成管道而制得。

38.权利要求37的系统，其中所述焊接包括激光焊接。

39.权利要求37的系统，其中所述焊接包括钨气电弧焊接。

40.一种组合物，包含：

18-22wt％的铬；

11-14wt％的镍；

至多3wt％的铜；

1-10wt％的锰；

至多0.75wt％的硅；

0.5-1.5wt％的铌；

0.5-1.5wt％的钨；和

其中所述材料能被冷加工以形成经机加工的材料。

41.权利要求40的组合物，其中所述材料可被热加工。

42.权利要求40或41的组合物，还包含0.07-0.15wt％的碳。

43.权利要求40-42任一项的组合物，还包含0.2-0.5wt％的氮。

44.权利要求40-42任一项的组合物，还包含铁。

45.一种加热地下地层的方法，包括：

放置一个或多个加热器系统，其中至少一个所述加热器系统的一部分由权利要求1-24任一项和/或权利要求40-44任一项的组合物制得，和其中至少一个加热器系统是权利要求23-40任一项的加热器系统；和

使来自一个或多个加热器系统的热量加热至少一部分地下地层。

46.权利要求45的方法，还包括提供热量至地层使得至少一些地层中的烃流动和/或热解。

47.权利要求45或46的方法，还包括从地层生产至少一部分烃。

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