CN110121395A - 激光金属沉积焊接方法、由其形成的零件及其在石油、天然气和石化应用中的用途 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于石油、天然气和/或石化工业的铁质或非铁质材料部件，其包括铁质或非铁质部件的用于连接的两个或更多个区段，以及将所述部件的相邻区段粘结在一起的激光金属沉积焊件，其中所述两个或更多个区段的材料相同或不同。还提供制造激光金属沉积焊件的方法及其在石油、天然气和石化工业中的用途。

Description

激光金属沉积焊接方法、由其形成的零件及其在石油、天然气 和石化应用中的用途
技术领域
本公开涉及用于连接金属零件的焊接领域。其更具体地涉及一种用于连接金属零件的激光金属沉积方法，其中焊件包含提供有利性质的组成梯度。其还涉及激光金属沉积方法在石油、天然气和石化工业中的用途。
背景技术
焊接是一种通过局部粘结将两种材料永久地连接在一起的工艺，这由温度、压力和冶金条件的适当组合产生。到目前为止，焊接构造中最常用的技术是电弧焊或熔焊。在熔焊中，通过在接头间隙处熔化金属和焊接耗材来制造接头，使得在凝固时，部件熔合或连接在一起。熔焊是根据热源的性质来分类。电弧用于气体保护金属电弧焊、气体保护钨极电弧焊和埋弧焊。在电子束焊接中，使用非常高能量密度的光束作为能量源。在电渣焊接工艺中利用电阻加热。
熔焊用于连接金属零件，诸如成形的形状、锻件、铸件或板，以构造用于多种工业的任何数量的结构或部件。例如，使用管道和管件来形成用于石油、天然气和地热井等的管线的构造主要通过常规电弧焊或熔焊来实施。几十年来，管线工业广泛使用多种熔焊技术如自动保护金属电弧焊(SMAW)和机械气体保护金属电弧焊(GMAW)用于管线构造。已经进行了相当大的努力来开发焊接耗材和焊接工序，其提供焊件的合适性质(例如，过匹配、韧性)。
在熔焊工艺中，管道直径越大或管道壁越厚，焊接变得越慢，因为必须在焊接接头中熔化并沉积更大量的金属。对于陆上管线，特别是在偏远地区，因为与为管线通过权(ROW)而部署工人和设备有关的大量费用，重要的是尽可能经济地焊接。对于海上管线，因为与铺设相关的大量成本，重要的是尽可能经济地焊接。在焊接和投入使用用于陆上管线或海上管线的管道中，可能存在由许多来源产生的显著应力。例如，在铺设操作期间，从铺设驳船悬挂的完井管线可以产生大的弯曲应力。除了包含内部压力之外，管线可能还必须支持地面移动。此外，常规的熔焊接头会遭受与热有关的损坏，这降低了接头的机械完整性。此类属性的实例是拉伸残余应力、氢开裂、缺乏熔合缺陷和低韧性。
使用完善的熔焊工艺的线管钢的环形焊缝根据管道的厚度通常由3至20道焊珠组成。在标准的陆上管线构造过程期间，通过具有与焊道数量大约一样多的焊接台来完成连接，每个焊台设计用于产生一个或两个特定焊道，这限制了焊接速度。因此，整个过程需要相当大的人力和相关费用来容纳它们(特别是在偏远地区)以及时间，这影响管线构造成本。
在高碳含量钢，诸如CE在约0.48至1.00范围内的套管钢的情况下，目前的焊接实践需要将工件预热到100℃至400℃并用低氢气实践形成焊缝。这些工序对于最小化硬HAZ的形成和焊接有关的氢气的吸收是必要的，这导致易于开裂。由于与这种焊接技术相关的困难，通常相反地使用多种类型的联接器机械地连接高碳钢工件。
常规的熔焊会在焊接金属或HAZ两者中都表现出裂纹，这些裂纹是在焊接期间或使用一段时间后产生的。焊件的硬且低韧性区域，特别是HAZ，在使用中会易于产生裂纹，特别是当焊接部件用于酸性工作或其它侵蚀性工艺环境时更是如此。在每年安装数千英里的管道来输送天然气、石油和流体的石化工业中，维修成本很高。必不可少的是在这些裂纹生长到能够灾难性地传播的关键尺寸之前对其进行修复。
在熔焊工艺中，焊件中存在三个不同的区域：1)熔化区，也称为焊接金属，其经历熔化和凝固；2)热影响区(HAZ)，其经历显著的热暴露但没有熔化并且可以经历固态转变；和3)未受影响的基底金属。熔焊工艺存在显著的局限性。
这些局限性之一在于HAZ是最常见的焊接失效区域。虽然焊接金属组成是可变的，但根据焊接耗材，HAZ组成与基底金属的组成相同。HAZ具有可降级HAZ的机械性质的复杂冶金反应。HAZ通常在整个接头中具有最低的韧性。考虑到热输入受到HAZ的尺寸和性质的限制，焊接生产率在物理上受到待连接的间隙尺寸的束缚，其必须符合能源的尺寸。另一个局限性是将熔焊应用到不同或相异的金属特别具有挑战性。熔焊的另一个局限性是可以实现高强度和韧性的组合。
需要一种用于连接金属零件的改善的方法，其用于通过减小/实际消除HAZ来改善焊接可靠性，同时用于对于失调表现并且特别是高强度和韧性的组合的失调表现产生复合焊接金属设计。还需要一种用于连接金属零件的改善的方法，其用于提供梯度焊接金属结构以连接不同的金属件，同时还容许在被连接的零件之间的较窄的凹槽，以改善生产率并减少焊接后的变形。还需要一种用于连接金属零件的改善的方法，其允许单一原料连接从碳钢到不锈钢的多种钢。
定义
为方便起见，在本说明书和权利要求中使用的多种结构钢和焊接术语如下定义。
可接受的焊件强度：强度水平始终高于基底钢的强度水平。
可接受的焊件韧性：如通过裂纹尖端开口位移(CTOD)测试在小于或等于0℃下测量的韧性大于0.05mm。
增材制造：通过铺设连续的材料层并与传统工艺相比来制造三维固体物体的技术，通过直接生产产品而无需重新装配来减少浪费。
HAZ：热影响区。
热影响区：靠近焊线并受焊接热影响的基底金属。
韧性：抗破裂萌生和生长的性质。
抗疲劳性：在周期载荷下的抗破裂(裂纹萌生和蔓延)性。
屈服强度：该强度对应承受载荷而不永久性变形。
CRA：抗腐蚀合金。用于可能存在腐蚀问题的完井部件的特别配制的材料。抗腐蚀合金可以针对许多侵蚀性条件而配制。
磨蚀疲劳：磨蚀包括进行小周期性相对切向运动的表面之间的接触。抗磨蚀疲劳性是在有缺口的金属零件或具有孔的金属部件中的抗破裂性。
LMD：激光金属沉积
激光金属沉积：增材制造(AM)工艺，其使用激光束以在金属基材上形成熔池，粉末被供给到该熔池中。粉末熔化以形成熔融粘结到基材上的沉积物。
功能梯度沉积物：在LMD方法中，两种不相容材料A和B通过逐渐改变沉积物化学性，从合金A到合金B，一次一层地连接。
焊接接头：焊接接头，在熔融金属的“附近”但超出熔融金属处包含熔融或热机械改变的金属和基底金属。被认为在熔融金属的“附近”内的基底金属的部分根据焊接领域中已知的因素而变化。
焊件：通过焊接连接的组成部件的组装件。
焊接性：焊接特定金属或合金的可行性。许多因素影响焊接性，包括化学性、表面光洁度、热处理趋势等。
碳当量：用于定义钢的焊接性的参数，并由式CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15表示，其中所有单位均为重量百分比。
氢开裂：焊接后焊缝中出现的裂纹。
TMAZ：热机械影响区。
热机械影响区：经历温度循环和塑性变形两者的接头区域。
TMAZ-HZ：焊件中的最硬区域。
LNG：液化天然气。气体，主要是甲烷，在大气压和低温下液化。
CNG：压缩天然气。高压表面容器中的天然气，其经过高度压缩(但是没有达到液化点)。
PLNG：加压液化天然气。气体，主要是甲烷，在中等压力和低温(温度高于LNG)下液化。
SCR：钢悬链立管。呈单悬链线从平台悬挂并水平连接到水下的深海钢立管。
TTR：顶部张紧立管。海上石油钻塔上的立管，其被置于张力状态下，以在海洋立管的管中保持平稳压力。
不胀钢：专门设计以具有低热膨胀系数的铁和镍的合金。
双联式部件：由两相，特别是奥氏体和铁素体组成的钢部件。
采油树(Tree)：用于控制来自井的石油和天然气的流量的阀门、管道和配件的组装件。
BOP：防喷器。安装在井口，以控制钻井、完井和操作工作期间的套管和钻管或油管之间的环形空间中的压力的设备。
OCTG：石油专用管材。适用于套管、油管、平端套管衬管、短节、联接器、连接器和平端钻杆的术语。
半潜式：具有没入水中的浮子或浮箱以在操作时给予稳定性的移动钻井平台。用于深达360米以上的较深水域。用锚定位或动力定位保持在适当的位置。
自升式钻井平台：具有可伸缩腿的移动钻井平台，用于不到100米深的浅水区。
TLP：张力腿平台。通过许多张力保持电缆锚至水下以保持在适当位置的浮式海上结构。电缆减缓波动作用以保持平台静止。
DDCV：深吃水沉箱船。深吃水表面穿入圆筒形浮子，特别适合于深海，其容纳钻井、顶部张紧立管和干式完井。
随动塔：窄的灵活的塔楼和桩基支撑常规甲板，用于钻井和生产操作。其设计成可承受相当大的横向挠曲和力，并且通常用在1500英尺到3000英尺(450米至900米)深的水中。
FPSO：浮式生产储卸油船。改装或定制的船形浮子，用于在转船运输前处理石油和天然气并用于临时储存石油。
FSO：浮式储卸油船。浮式储存装置，通常用于石油，一般用于其中不可能或无法有效地铺设管线到岸上的情况。生产平台将把石油输送到PSO，在该处其将被储存至油轮抵达，并连接到FSO以便将其卸下
钢筋束：永久地系泊连接在各个结构的角上的浮式平台的管状系链。
控制管缆：液压式软管的组装件，其还可以包括电缆或光纤，用于控制来自平台或船的水下结构或ROV。
补给船：用于将乘客和补给运送至靠近岸的场所和从靠近岸的场所运出乘客和补给的辅助/供应船。
发明内容
根据本公开，一种有利的石油、天然气和/或石化的铁质或非铁质材料部件，其包括：铁质或非铁质部件的用于连接的两个或更多个区段，以及将所述部件的相邻区段粘结在一起的激光金属沉积焊件，其中所述两个或更多个区段的材料相同或不同。
本公开的另一方面涉及一种用于焊接两个金属件以产生具有为预期应用选择的特定性质或性质组合的激光金属沉积焊接接头的有利方法，所述方法包括：获得用于通过LMD在多种条件下且由多种金属组成形成的焊接接头的焊接性质的数据库；使所述焊接条件和金属组成与所述焊接性质相关联；从将产生具有最适合所述预期应用的性质或性质组合的焊接接头的数据库中选择焊接条件；使工件在所述选定条件下经LMD处理，并且其中经LMD处理的所述工件的材料相同或不同。
本公开的另一方面涉及一种用于焊接金属零件和修复金属零件中的裂纹的有利方法，所述方法通过如下方式实施：在足以提供具有基于焊件的预期用途的预选性质或性质组合的焊接接头或裂纹修复的条件下，使待焊接的金属零件的接合面经激光金属沉积处理并且使待修复的裂纹经激光金属沉积处理，其中所述待焊接的金属零件的材料相同或不同。
使用激光金属沉积连接金属零件的所公开的方法和具有具备激光金属沉积层的焊缝的金属零件、其有利应用和/或用途的这些和其它特征和属性，特别是在结合附图阅读时将从下面的具体实施方式中显而易见。
附图说明
为了帮助相关领域的普通技术人员实施并使用本发明的主题，参考附图，其中：
图1描绘用于改善金属接头性能的方法的示例性示意图。
图2(a)描绘3/4英寸粗线管钢的现有技术的典型熔焊。
图2(b)描绘本公开的示例性激光金属沉积(LMD)焊接。
图3描绘用于形成本公开的激光金属沉积焊接的方法的示例性示意图。
图4描绘在X52高强度低合金(HSLA)钢板上的制造的3.5英寸长的增材接头。
图5描绘图4的增材接头中的沉积层的光学图像。
图6描绘遍及图4的增材接头和基底金属板的边界的硬度图。
图7(a)描绘图4的增材接头的HAZ的J-R曲线。
图7(b)描绘图4的增材接头的HAZ的预裂纹和微结构的位置。
图8描绘图4的增材接头的J-R曲线。
具体实施方式
本文的具体实施方式和权利要求中的所有数值均由“约”或“近似”指示值修饰，并且考虑本领域普通技术人员将预期的实验误差和变化。
本公开提供包括由激光金属沉积方法形成的焊件的新型金属零件，和用于使用LMD方法连接所述金属零件以提供有利性质的新型方法以及在石油、天然气和石化工业中的新型应用中的用途。更具体地讲，利用本发明的LMD方法的本公开产生具有改善的机械性质和可靠性的金属焊件。所述应用包括但不限于极端环境下如北极地区的基础设施制造。
在本公开的一个示例性实施方式中，公开了一种石油、天然气和/或石化铁质或非铁质材料部件，其包括：铁质或非铁质部件的用于连接的两个或更多个区段，以及将所述部件的相邻区段粘结在一起的激光金属沉积焊件，其中所述两个或更多个区段的材料相同或不同。
在本公开的另一示例性实施方式中，公开了一种用于焊接金属零件和修复金属零件中的裂纹的方法，所述方法包括在足以提供具有基于焊件的预期用途的预选性质或性质组合的焊接接头或裂纹修复的条件下，使待焊接的金属零件的接合面经激光金属沉积处理并且使待修复的裂纹经激光金属沉积处理，并且其中所述待焊接的金属零件的材料相同或不同。
在本公开的又一示例性实施方式中，公开了一种用于焊接两个金属件以产生具有为预期应用而选择的特定性质或性质组合的激光金属沉积焊接接头的方法。所述方法包括以下步骤：获得用于通过LMD在多种条件下且由多种金属组成形成的焊接接头的焊接性质的数据库；使所述焊接条件和金属组成与所述焊接性质相关联；从将产生具有最适合预期应用的性质或性质组合的焊接接头的数据库中选择焊接条件；使工件在选定的条件下经LMD处理，并且其中经LMD处理的工件的材料相同或不同。
增强金属焊接的潜在冶金方法示于图1中。一种这样的方法是通过新颖的焊接金属结构设计和HAZ尺寸减小来进行。
参照图2a，其显示了连接3/4英寸粗线管钢的现有技术熔化焊件的典型HAZ。相比之下，图2b显示了连接3/4英寸粗线管钢的本发明的LMD焊件。比较图2a和图2b，与现有技术的熔化焊件相比，本发明的LMD焊件表现出减小且几乎没有的HAZ。HAZ的大小与熔池的大小直接相关。与熔焊相比，使用本发明的LMD方法的熔池大小可以小至0.005英寸，这意味着HAZ为0.01英寸或更小，或0.0075英寸或更小，或0.005英寸或更小，或0.0025英寸或更小。使用本发明的LMD方法，还可以采用输入能量变化方法以将HAZ的大小进一步减小到0.001或更小。利用输入能量变化方法，在焊接金属与基底金属之间的边界处选择低能量模式。然后，逐渐调整输入能量以达到生产水平。在本发明的LMD方法中使用的小沉积物的其它益处是LMD焊件的最小变形。
本发明的LMD焊件还使得就用于连接的工作金属件之间的间隙而言具有非常窄的凹槽。这也可以称为超窄凹槽设计。利用本发明的LMD焊件和在其中用于制造的方法，用于连接的金属件之间的间隙可以小于或等于5mm，或者小于或等于4mm，或者小于或等于3mm，或者小于或等于2mm，或者小于或等于1mm。
本文公开的LMD焊件、包括LMD焊件的零件和制造LMD焊件的方法在提供以下非限制性优点和属性方面可与现有技术相区别，这些优点和属性尤其包括以下一个或多个：1)通过减小/实际消除HAZ来优化焊接可靠性，2)能够对于就强度和韧性性质的改善组合而言的失调性能产生复合“层化”焊接金属设计，3)能够使用梯度焊接金属结构以连接不同的金属件，4)能够制造更窄的焊接凹槽以改善生产率并减少焊接后的变形，以及5)能够利用单一原料连接从碳钢到不锈钢的多种钢。
参考图3，描绘了本公开的激光金属沉积方法(LMD)。所述方法利用激光束以在金属基材上形成用于连接或修复的熔池，粉末流进料到所述熔池中。可以使用本发明的LMD方法远程输送激光束和粉末流。在一种替代方法中，可以利用等离子喷涂沉积代替LMD。本发明的LMD方法接着是用激光束熔化在两个金属零件之间的粉末以进行连接从而提供LMD焊件的步骤。优选地，在熔化步骤期间使用诸如二氧化碳和/或氩气的保护气体，以保护区域免受可损害LMD焊件的质量的大气气体的影响。优选地，激光束、粉末和保护气体都从单个LMD头同时放出。该LMD头可以相对于两个金属零件之间的接缝移动以便连接，反之亦然，直到形成LMD焊件。尤其取决于LMD头发射的激光束的直径，可能需要LMD头的多道接缝以将LMD层施用到接缝的整个深度以形成LMD焊件。LMD头可以沿着接缝行进以在纵向上通过多道接缝来焊接，或者LMD头可以沿着接缝行进以便以锯齿形图案焊接以形成到接缝的LMD焊件。可以控制激光束的功率以调节LMD焊件的深度。或者，可以利用上述方法以通过在现有焊缝上形成LMD层来修复现有的熔焊或搅拌摩擦焊缝。可以通过控制光束的功率来调节修复层的厚度。使用上述本发明的方法，可以使来自LMD方法的热影响区(HAZ)最小化。
本发明的LMD方法的凹槽设计也不受本发明中的能量源的限制。粉末进料流熔化以形成熔融粘结到基材上的沉积物。沉积基材或“靶材”与沉积物的期望起始点对齐。一个或多个粉末进料器将粉末提供到粉末输送喷嘴组装件，其产生在沉积点会聚的粉末流。激光然后提供被输送到沉积点的聚焦光束，其熔化靶材的表面并产生基底材料的小熔池。被输送到同一点的粉末被吸收到熔池中，因此产生厚度范围可以为0.005英寸至0.040英寸，或0.010英寸至0.035英寸，或0.015英寸至0.030英寸，或0.020英寸至0.025英寸的沉积物。沉积物的宽度范围可以为0.040英寸至0.160英寸，或0.060英寸至0.140英寸，或0.080英寸至0.120英寸，或0.090英寸至0.110英寸。
对于沉积物的运动控制可以手动编程，或者可以由通过系统软件处理的CAD文件生成。使用对于沉积物构建的运动控制，供给到工艺的粉末流可以在x、y和z方向上变化，以构建三维LMD焊件。
沉积物可以在受控的氩气气氛或其它含有低于10ppm氧气、或低于5ppm氧气、或低于2ppm氧气的惰性气体气氛中制造。还可以利用类似于气体金属电弧焊接工艺的保护气体系统来执行一些包层工作。
低边检测的参数是400W至500W的激光功率，光斑尺寸1mm，沉积速率小于1立方英寸/小时，且粉末利用率小于20％。高边检测的参数是2500W至3000W的激光功率，光斑尺寸为3mm至4mm，沉积速率高达14立方英寸/小时，且粉末利用率高达80％。
可以用于LMD方法的非限制性示例性粉末包括不锈钢(SAE级304、316、410、420、17-4PH)、工具钢(H13)、镍合金(Inconel 617、625、718)、钴合金(#6Stellite、#21Stellite)、钛合金(ASTM级Ti-6-4、Ti-6-2-4-2)、硬面或包层合金、铝合金、铜合金、钽、钨、铼、钼合金、陶瓷、碳化物和功能梯度沉积物。
LMD方法可以利用灯泵浦的Nd:Yag激光器、光纤激光器或CO2激光器。Nd:Yag激光器和光纤激光器都具有约1微米长的波长。Nd:Yag和光纤激光束的光学吸收率远高于波长为10微米的CO2激光束。Nd:Yag和光纤激光器的较高吸收百分比转化为执行可比较的激光沉积所需的较低总能量。通常，Nd:Yag和光纤激光器仅需要CO2激光器瓦数的一半来实现相同的沉积速率，因此在LMD方法中是优选的。此外，Nd:Yag和光纤激光束也可以使用光纤输送，而CO2光束必须通过反射镜输送。这意味着必须操纵正处理的部件并在固定的CO2光束下移动。对于Nd:Yag和光纤激光器可能仍然是这种情况，但是它们的输送光纤还具有作为运动控制系统的一部分进行操纵的能力，这提供增加的应用灵活性。最后，关于激光电源，CO2激光器需要最大的占地面积和最大的能量。相比之下，灯泵浦N:Yag需要比CO2激光器少的占地面积和少的能量，而光纤激光器需要最小的占地面积和最少的能量，并且还可以提供最高质量的激光束。
利用LMD方法形成的沉积物是冶金粘结的，并且表现出热影响区(HAZ)和稀释区，厚度范围为0.005英寸至0.025英寸，或0.010英寸至0.020英寸，或0.013英寸至0.017英寸。LMD沉积物表现出低热量输入和最小的畸变。由于LMD方法具有小熔池和高行进速度的特性，沉积物冷却速度非常快(高达10,000℃/秒)，从而产生非常精细的晶粒结构，其尺寸可能比可相比较的锻造产品小一个数量级。沉积物的机械性质和质量通常优于铸件且接近锻造产品的性质，并且对于某些材料(如钛)，可能超过典型的手册值。使用LMD方法生产的沉积物的质量远远优于熔焊方法。
在本发明中，焊接金属可以制成复合金属纤维篮，其具有金属纤维尺寸、组成和连接的任何组合。复合焊接设计的一个实例示意性地示于图2b中。制造组成可以逐层改变的水平分层的焊接金属，以提供对沿水平方向的开启力的最大阻力。通过选择，两种不同的金属组成用于这些层。一种组成可以提供延展行为，而另一层可以提供强度。通过使具有不同厚度或不同频率的金属层进行交替，对于本发明的LMD焊件，可以实现强度和韧性的最佳组合。本发明的LMD方法还能够通过每次从合金A到合金B逐层改变沉积物组成，来连接两种不相容的材料或零件(例如，不相容的材料A和B)以进行连接。不相容的材料或零件通常是由显著不同的材料制成的零件。使用这种“分层方法”来构建本发明的LMD焊件，根据用于连接的零件和LMD焊件的所需特性和性质，可以实现无限数量的焊接设计。
使用本发明的LMD方法，可以使用相同的焊接装置和金属粉末来连接包括但不限于多种强度的碳钢、不锈钢和镍基合金的多种材料。相比之下，一根焊丝被设计用于传统熔焊中非常特殊的材料。通过简化焊接耗材原料，利用本发明的LMD方法也可以潜在地降低系统成本。
应用：
包括本文所述的本公开的LMD焊件的LMD方法和零件可以用于以下非限制类型的应用和用途。LMD方法的应用包括但不限于连接类似的金属、连接不同的金属、修复磨损部件、自CAD文件直接实施近净形状的自由构造以及包层材料。
在一个方面，本文公开的LMD方法可用于焊接和修复用于结构应用的铸铁和碳钢部件。在另一方面，本文公开的LMD焊接方法可用于焊接和修复结构钢。这些结构钢可以是用于石油和天然气工业的线管钢，其包括但不限于API(美国石油协会)管道规格5L管道等级，选自X50、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100和X120或更高强度的钢。管道的壁厚可以在3.2mm至38.1mm，或6.4mm至31.8mm，或12.7mm至25.4mm，或25.5mm至50mm的范围内。
在另一方面，本文公开的LMD方法特别适用于焊接和修复普通碳钢和合金钢。示例性但非限制性的普通碳钢和合金钢包括AISI 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150和其它AISI等级，包括高强度等级。其它示例性碳低合金钢包括ASTM等级A285、A387、A515、A516、A517和其它ASTM等级的碳低合金钢。
本文公开的LMD方法可以用于形成焊接，例如点焊、对接焊和T形接头，以及修复焊接区域。更具体地，LMD方法可以用于分别连接和修复/处理与石油和天然气工业相关的结构和结构钢部件。通过LMD的连接可以在制造部件的制造设施如钢厂中或在组装部件(诸如管线)的制造现场实施。通过LMD进行的修复和处理可以在现场进行。所得结构表现出优异的强度和韧性，并且在许多情况下，可以以较低的成本连接和修复/处理。
本文公开的钢结构和制造这种钢结构的方法适用于形成和修复/处理在石油和天然气勘探、生产和精炼应用中的结构。LMD特别有利于形成在这些类型的应用中的管状结构钢部件的点焊和对接焊。
在应用本文公开的LMD制造方法的石油和天然气勘探、生产、精炼工业中的示例性但非限制性的钢结构是管线焊接区域、钢悬链立管(SCR)和顶部张紧立管(TTR)焊接区域、螺纹部件、石油钻探设备焊接区域(即，深水油钻柱的两个部分)、液化天然气(LNG)和加压LNG(PLNG)容器焊接区域、立管/套管接头和井口设备。
在石油和天然气上游应用中，本文公开的制造钢结构的方法适用于连接和修复在天然气运输和储存型应用中使用的结构和部件。特定地，本文公开的制造钢结构的方法可以用于实现从管线、压缩天然气(CNG)、加压液化天然气(PLNG)、液化天然气(LNG)和其它储存/运输技术的气体运输技术。在天然气运输和储存型应用中的一种形式中，本文公开的制造钢结构的方法可以用于连接/加工管线、流线、收集线、膨胀环和其它传输线。在天然气运输和储存型应用中的另一种形式中，本文公开的制造钢结构的方法可以用于连接/加工由碳钢和结构钢制成的材料。在天然气运输和储存型应用中的另一种形式中，本文公开的制造钢结构的方法可以用于连接/加工LNG、CNG和PLNG储存和/或运输结构。这包括模块化LNG结构、运输船、转移部件和管线以及相关技术。
在石油和天然气勘探和生产应用中，本文公开的连接钢结构的LMD方法也可以用于连接和修复用于油气井完井和生产的多种结构。这些结构包括但不限于海上和陆上生产结构、石油管线、储油罐、套管/管件、完井和生产部件、与出油管连接器连接的铸造结构、水下部件、井下管状产品(例如，OCTG)、水线以上部分和相关结构、控制管缆、补给和供给船以及火炬塔。更特定地，示例性海上生产结构包括导管架平台、移动式海上钻井单元和相关的生产部件如套管、钢筋束、立管和水下设施。移动式海上钻井单元包括但不限于半潜式钻井平台和自升式钻井平台、张力腿平台(TLP)、深吃水沉箱船(DDCV)、随动塔、浮式生产储卸(FPSO)船、浮式储卸(FSO)船、船舶、油轮等。示例性水下部件包括但不限于管汇系统、采油树和BOP。示例性的水线以上部分和相关结构包括甲板上层结构、钻井平台、生活区、直升机甲板和相关结构。应当理解，本文公开的LMD方法可以用于形成包括这种结构和部件的焊接，并且本文公开的LMD方法可以用于修复和涂覆包括这种结构的焊接或接头。
在下游应用中，本文公开的制造钢结构的方法适用于连接和修复精炼和化工厂中使用的结构和部件。本文公开的钢结构和制造这种钢结构的方法通过尤其是修复部件/结构、连接不同金属、连接钢结构和连接难以焊接的材料如铸铁，而在精炼和化工厂应用中提供优势。这些应用包括但不限于铸铁、热交换器管和低温和高温工艺和压力容器。示例性的低温和高温工艺和压力容器包括蒸汽裂化器管、蒸汽重整管和炼油厂结构和部件。适用于所公开的LMD技术的示例性材料包括诸如13％Cr钢等级、双相不锈钢和超级双相不锈钢的耐腐蚀材料。
PCT/EP项目：
1.一种石油、天然气和/或石化的铁质或非铁质材料部件，其包括：铁质或非铁质部件的用于连接的两个或更多个区段，以及将所述部件的相邻区段粘结在一起的激光金属沉积焊件，其中所述两个或更多个区段的材料相同或不同。
2.项目1的部件，其中所述铁质或非铁质部件是普通碳钢、铸铁、低合金钢、CE等于或大于0.48的高碳钢、钛合金、镍基合金、钴基合金、铁镍合金、双相不锈钢或其组合物。
3.项目1至2的部件，其中所述激光金属沉积条件包括激光类型、金属粉末类型、保护气体类型、保护气体流速、激光功率、激光光斑尺寸和沉积速率，并且其中所述金属粉末类型选自不锈钢、工具钢、镍合金、钴合金、钛合金、硬面或包层合金、铝合金、铜合金、钽、钨、铼、钼合金功能梯度沉积物、陶瓷、碳化物及其组合物。
4.项目1至3的部件，其选自高强度管线、钢悬链立管、顶部张紧立管、螺纹部件、液化天然气容器、加压液化天然气容器、深水油钻柱、立管/套管接头和井口设备。
5.项目1至4的部件，其中所述部件用于天然气运输和储存型结构和部件中。
6.项目5的部件，其中所述天然气运输和储存型结构和部件选自管线、流线、收集线、传输线、运输船、转移部件、储存罐和膨胀环。
7.项目6的部件，其中所述天然气处于LNG、CNG或PLNG的形式。
8.项目1至4的部件，其中所述部件用于油气井完井和生产结构和部件中。
9.项目8的部件，其特征在于，所述油气井完井和生产结构和部件选自与出油管连接器连接的铸造结构、水下部件、套管/管件、完井和生产部件、井下管状产品、输油管线、储油罐、海上生产结构/部件、水线以上部分、甲板上层结构、钻井平台、生活区、直升机甲板、控制管缆、补给和供给船以及火炬塔。
10.项目9的部件，其中所述海上生产结构/部件选自导管架平台、移动式海上钻井单元、套管、钢筋束、立管、水下设施、半潜式钻井平台、自升式钻井平台、TLP、DDCV、随动塔、FPSO、FSO、船舶和油轮。
11.项目10的部件，其中所述水下部件选自双联式部件、管汇系统、采油树和BOP。
12.项目1至4的部件，其中所述部件用于石油和天然气精炼厂和化工厂结构和部件中。
13.项目12的部件，其中所述石油和天然气精炼厂和化工厂结构和部件选自铸铁部件、热交换器管以及低温和高温工艺和压力容器。
14.项目13的部件，其中所述低温和高温工艺和压力容器选自蒸汽裂化器管和蒸汽重整管。
15.一种用于焊接金属零件和修复金属零件中的裂纹的方法，所述方法通过如下方式实施：在足以提供具有基于焊件预期用途的预选性质或性质组合的焊接接头或裂纹修复的条件下，使待焊接的金属零件的接合面经激光金属沉积处理并且使待修复的裂纹经激光金属沉积处理，其中所述待焊接的金属零件的材料相同或不同。
16.项目15的方法，其特征在于所述预选性质或性质组合选自韧性、硬度、强度、疲劳、晶粒度、HAZ尺寸、沉积物宽度和残余应力。
17.项目15至16的方法，其中足以提供焊接接头或裂纹修复的条件选自用以影响焊接或修复的激光类型、金属粉末类型、保护气体类型、保护气体流速、激光功率、激光光斑尺寸和沉积速率中的至少一种，并且其中所述金属粉末类型选自不锈钢、工具钢、镍合金、钴合金、钛合金、硬面或包层合金、铝合金、铜合金、钽、钨、铼、钼合金功能梯度沉积物、陶瓷、碳化物及其组合物。
18.项目17的方法，其中足以提供具有预选性质或性质组合的焊接接头的条件包括在使待焊接的金属零件的接合面经LMD处理之前，在所述金属零件的接合面之间使用一种或多种预选化学性的金属粉末。
19.项目17的方法，其中所述金属零件是相同组成的铁质金属零件。
20.项目18的方法，其中所述金属粉末和金属零件是相同组成的铁质金属零件。
21.项目19的方法，其中所述铁质金属具有等于或大于0.48的CE。
22.项目21的方法，其中所述铁质金属具有约0.94的CE。
23.一种用于焊接两个金属件以产生具有为预期应用所选择的特定性质或性质组合的激光金属沉积焊接接头的方法，所述方法包括：获得用于通过LMD在多种条件下且由多种金属组成形成的焊接接头的焊接性质的数据库；使所述焊接条件和金属组成与所述焊接性质相关联；从将产生具有最适合所述预期应用的性质或性质组合的焊接接头的数据库中选择焊接条件；使工件在选定的条件下经LMD处理，并且其中经LMD处理的所述工件的材料相同或不同。
申请人已经尝试公开所公开主题的可以合理预见的所有实施方式和应用。然而，可能存在仍然等同的不可以预见的非实质性的变体。虽然已经结合本公开的具体示例性实施方式描述了本发明，但是显而易见的是，在不脱离本公开的主旨或范围的情况下，根据前面的描述，许多改变、变体和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，本公开旨在涵盖以上具体实施方式的所有这些改变、变体和变化。
本文引用的所有专利、测试工序和其它文件，包括优先权文件，在此类公开与本发明不矛盾的程度以及允许这种结合的所有权限的程度上，通过引用而全部并入。
当本文列出数值下限和数值上限时，涵盖从任何下限到任何上限的范围。
实施例
除了其它实施方式之外，可以参考以下实施例进一步理解上述实施方式：
实施例1
该实施例说明通过LMD制造的具有高强度和韧性的组合的接头。
待连接的板是0.75英寸厚的X52HSLA钢，其具有双相铁素体和珠光体微结构。将V形凹口预机械加工成深度为0.5英寸且倒角为45度的板，以模拟连接间隙。LDM设备是得自RPM Innovation有限公司的标准粉末进料激光金属沉积系统。该系统配备有多个粉末进料喷嘴。两个独立的喷嘴用于输送304L型不锈钢和H13工具钢粉，而没有交叉污染。V形凹口由金属层填充，改变304L型不锈钢和H13工具钢之间的每一层。
在约91分钟的机加工时间内成功制造了3.5英寸长的增材接头。制造的接头示于图4中，并且从该图中可以看出，样品中没有可见的裂纹或缺乏熔合。图5是从垂直于接头的沉积层平面的横截面取得的光学图像。光学图像显示逐层交替的两种不同材料，每个激光通过尺寸约为300毫米×1000微米。接头完全凝固，在此长度范围内未观察到裂纹或大夹杂物。图6是来自同一横截面平面并且位于接头和X52HSLA钢板之间的边界上的硬度图。图6显示接头由峰值为700Hv的硬质材料和250Hv的软质材料构成。整个接头的平均硬度为430Hv。接头与X52基底金属之间的过渡非常尖锐，这表明HAZ很小。
使用三点弯曲试样进行标准ASTM E1 820断裂韧性试验，其中预裂纹分别位于HAZ或接头中心。图7a是HAZ的J-R曲线，且图7b显示预裂纹和HAZ微结构的位置。HAZ在抗裂纹蔓延方面表现出色。这已通过HAZ的精细微结构证实，铁氧体晶粒度在整个HAZ中仅为约5微米。
图8是复合接头的J-R曲线。该曲线示出如由虚线引导的独特的不连续行为。不受理论的束缚，认为不连续性是由接头的复合性质引起的。硬质材料H13工具钢对裂纹扩展几乎没有抵抗力，因此J值下降到无读数的水平。另一方面，接头的整体韧性由软材料304L型不锈钢的表现所限定。虽然接头的定量抗裂性远低于HAZ的定量抗裂性，但如果考虑430型HV钢的平均硬度，则其远好于常规接头的定量抗裂性。

Claims (23)

1.一种石油、天然气和/或石化的铁质或非铁质材料的部件，所述部件包括：铁质或非铁质部件的用于连接的两个或更多个区段，以及将所述部件的相邻区段粘结在一起的激光金属沉积焊件，
其中所述两个或更多个区段的材料相同或不同。
2.根据权利要求1所述的部件，其中所述铁质或非铁质部件是普通碳钢、铸铁、低合金钢、CE等于或大于0.48的高碳钢、钛合金、镍基合金、钴基合金、铁镍合金、双相不锈钢或其组合物。
3.根据权利要求1至2所述的部件，其中激光金属沉积条件包括激光类型、金属粉末类型、保护气体类型、保护气体流速、激光功率、激光光斑尺寸和沉积速率，并且
其中所述金属粉末类型选自不锈钢、工具钢、镍合金、钴合金、钛合金、硬面或包层合金、铝合金、铜合金、钽、钨、铼、钼合金功能梯度沉积物、陶瓷、碳化物及其组合物。
4.根据权利要求1至3所述的部件，所述部件选自高强度管线、钢悬链立管、顶部张紧立管、螺纹部件、液化天然气容器、加压液化天然气容器、深水油钻柱、立管/套管接头和井口设备。
5.根据权利要求1至4所述的部件，其中所述部件用于天然气运输和储存型结构和部件中。
6.根据权利要求5所述的部件，其中所述天然气运输和储存型结构和部件选自管线、流线、收集线、传输线、运输船、转移部件、储存罐和膨胀环。
7.根据权利要求6所述的部件，其中所述天然气处于LNG、CNG或PLNG的形式。
8.根据权利要求1至4所述的部件，其中所述部件用于油气井完井和生产结构和部件中。
9.根据权利要求8所述的部件，其中所述油气井完井和生产结构和部件选自与出油管连接器连接的铸造结构、水下部件、套管/管件、完井和生产部件、井下管状产品、输油管线、储油罐、海上生产结构/部件、水线以上部分、甲板上层结构、钻井平台、生活区、直升机甲板、控制管缆、补给和供给船以及火炬塔。
10.根据权利要求9所述的部件，其中所述海上生产结构/部件选自导管架平台、移动式海上钻井单元、套管、钢筋束、立管、水下设施、半潜式钻井平台、自升式钻井平台、TLP、DDCV、随动塔、FPSO、FSO、船舶和油轮。
11.根据权利要求10所述的部件，其中所述水下部件选自双联式部件、管汇系统、采油树和BOP。
12.根据权利要求1至4所述的部件，其中所述部件用于石油和天然气精炼厂和化工厂结构和部件中。
13.根据权利要求12所述的部件，其中所述石油和天然气精炼厂和化工厂结构和部件选自铸铁部件、热交换器管以及低温和高温工艺和压力容器。
14.根据权利要求13所述的部件，其中所述低温和高温工艺和压力容器选自蒸汽裂化器管和蒸汽重整管。
15.一种用于焊接金属零件和修复金属零件中的裂纹的方法，所述方法通过如下方式实施：在足以提供具有基于焊件预期用途的预选性质或性质组合的焊接接头或裂纹修复的条件下，使待焊接的金属零件的接合面经激光金属沉积处理并且使待修复的裂纹经激光金属沉积处理，其中所述待焊接的金属零件的材料相同或不同。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述预选性质或性质组合选自韧性、硬度、强度、疲劳、晶粒度、HAZ尺寸、沉积物宽度和残余应力。
17.根据权利要求15至16所述的方法，其中足以提供焊接接头或裂纹修复的条件选自用以影响焊接或修复的激光类型、金属粉末类型、保护气体类型、保护气体流速、激光功率、激光光斑尺寸和沉积速率中的至少一种，并且其中所述金属粉末类型选自不锈钢、工具钢、镍合金、钴合金、钛合金、硬面或包层合金、铝合金、铜合金、钽、钨、铼、钼合金功能梯度沉积物、陶瓷、碳化物及其组合物。
18.根据权利要求17所述的方法，其中足以提供具有预选性质或性质组合的焊接接头的条件包括在使待焊接的金属零件的接合面经LMD处理之前，在所述金属零件的接合面之间使用一种或多种预选化学性的金属粉末。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述金属零件是相同组成的铁质金属零件。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述金属粉末和金属零件是相同组成的铁质金属零件。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述铁质金属具有等于或大于0.48的CE。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述铁质金属具有约0.94的CE。
23.一种用于焊接两个金属件以产生具有为预期应用所选择的特定性质或特性组合的激光金属沉积焊接接头的方法，所述方法包括：
获得用于通过LMD在多种条件下且由多种金属组成形成的焊接接头的焊接性质的数据库；
使焊接条件和金属组成与所述焊接性质相关联；
从将产生具有最适合所述预期应用的性质或性质组合的焊接接头的所述数据库中选择焊接条件；
使工件在所述选定的条件下经LMD处理，并且
其中经LMD处理的所述工件的材料相同或不同。
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