CN111936718A - 硬面金属表面和制造方法 - Google Patents

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Abstract

设备公开为包括具有至少硬化部分的第一材料体积和包括至少两个层的第二材料体积。该第一材料体积由至少钢的可硬化合金构成。该至少两个层与包括该第一材料体积的该硬化部分的第一表面相邻定位。该至少两个层包括由至少钢的可延展低碳合金构成的第一层和在该第一层上方的由至少钴基硬面构成的第二层。该设备适用于制备剪切闸板块和剪切闸板刀片，以提供具有相邻的硬面表面的硬化刀刃。

Description

硬面金属表面和制造方法
相关申请
本申请涉及并且要求于2018年9月14日提交的标题为“硬面金属表面和制造方法(HARDFACED METAL SURFACE AND METHOD OF MANUFACTURE)”的美国非临时申请号16/131,344的优先权的权益，并且继而要求于2018年4月6日提交的名称为“硬面金属表面和制造方法(HARDFACED METAL SURFACE AND METHOD OF MANUFACTURE)”的美国临时申请号62/653,699的优先权，其全部以全文引用方式并入本文。
技术领域
本申请公开与可适用于防喷器(BOP)的剪切闸板应用中的靠近硬面金属表面的感应硬化金属表面，以及用于制造此类硬化金属体积和硬面金属表面的方法相关的主题。
背景技术
防喷器(BOP)可用于海底钻井操作，以保护油井免受井中压力波动的影响。BOP可包括与中心孔对准的一系列闸板。钻杆延伸穿过中心孔并且进入BOP下方的井中。每组闸板可包括在中心孔的任一侧上的一个闸板。一些闸板可被设计成在闭合时抵靠钻柱密封，但不切割钻柱。一些其它闸板包括刀片，并且被设计成当闸板闭合以完全密封井的顶部时剪切钻柱(以及中心孔中的任何其他物体)。这些被称为剪切闸板，其包括剪切闸板块和剪切刀片。当启动剪切闸板时，活塞推动剪切闸板块穿过它们的外壳并且穿过钻柱，从而导致剪切闸板块和剪切刀片穿过孔闭合。此动作同时剪切孔中的任何管道、工具或其它物体并且密封井。随着剪切闸板闭合，剪切闸板块和刀片暴露于井筒压力，井筒压力可非常高，诸如超过15,000磅/平方英寸(psi)。此外，中心孔内部的剪切管的粗糙表面可使剪切闸板块经受可能的损坏动作。
附图说明
将参考附图描述根据本公开的各种实施方案，附图的简要描述提供如下。
图1示出根据各种实施方案的附接到井头的示例性BOP堆叠组件。
图2以透视图示出根据本公开的示例性方面的在剪切的管道上方进行剪切或闭合之后的上部和下部剪切闸板。
图3A和图3B为根据本公开的示例的包括第一表面的硬化部分和在第二表面上方的两层覆盖层的下部剪切闸板的不同视图。
图4为根据本公开的各种实施方案的包括硬化后的第一表面的部分和在第二表面上方的覆盖层的下部剪切闸板的横截面的宏观照片。
图5为根据本公开的各方面的用于使表面表面硬化的方法的流程图。
具体实施方式
在以下描述中，将描述各种实施方案。出于解释的目的，阐述具体配置和细节以便提供对实施方案的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员还将显而易见的是，可在没有具体细节的情况下实践实施方案。此外，可省略或简化熟知的特征部，以免模糊所描述的实施方案。
根据本公开的各种实施方案的系统和方法可克服在剪切闸板中经历的前述和其它缺陷中的一个或多个，所述剪切闸板在启动剪切时经受应力和其它损坏。另外，使边缘硬化可通过局部热加工(例如，感应加热)获得，但是这可导致与硬化区域相邻的区域(例如，硬化边缘)中的材料开裂。这可为至少基于相邻区域中的不同材料的特性的差异膨胀的结果。在本公开中，公开一种设备，诸如用作剪切刀片或用作剪切刀片或剪切闸板块的一部分的部件。设备包括至少一部分已经硬化的钢的可热处理(例如，能够通过奥氏体化和快速冷却硬化)合金的第一材料体积，以及由作为第一层的钢的可延展低碳合金(包括不锈钢变体)和作为第二层的钴基硬面的焊接的覆盖层形成的第二材料体积。第一材料体积与第二材料体积相邻定位，使得第一材料体积的第一表面与由第二材料体积形成的硬面表面相邻定位。因此，覆盖层为两层的，并且与第一材料体积的第一表面相邻定位，并且定位在第二表面上。
因此，如本文所用并且除非另外指示，否则第一材料体积通常是指至少一部分已经硬化并且包括第一表面和第二表面的钢的可热处理(例如，能够通过奥氏体化和快速冷却硬化)合金。如本文所用并且除非另外指示，否则第二材料体积通常是指焊接的覆盖层并且包括第一层和第二层。如本文所用并且除非另外指示，否则第一层通常是指钢的低强度和低碳可延展合金(包括不锈钢变体)。如本文所用并且除非另外指示，否则第二层通常是指钴基硬面。如本文所用并且除非另外指示，否则第一表面通常是指第一材料体积的表面。如本文所用并且除非另外指示，否则第二表面通常是指第一材料体积的凹进表面部分，在其上方提供第二材料体积。如本文所用并且除非另外指示，否则硬面表面通常是指第二材料体积的表面。
因此，方法包括提供包括第一表面和第二表面的第一材料体积。第一材料体积可由至少钢的可热处理合金构成。第二表面可相对于第一表面凹陷或凹进。如前所述，覆盖层作为至少两层覆盖层设置在第二表面上。两层覆盖层包括在第一表面上的钢的可延展低碳合金的至少第一层和在第一层上方的钴基硬面的至少第二层。此外，此类覆盖层可以两步焊接工艺提供，其中首先焊接第一层，然后焊接第二层。因此，两层覆盖层与第一材料体积的第一表面相邻，并且在第一材料体积的第二表面上方。作为此类应用和此类设备的结果，当设备经受后续热加工以使第一材料体积的至少一部分硬化时，第一层在硬化工艺的快速加热和淬火部分期间为相异材料的不相等热膨胀提供缓冲。另外，由于第一层的低碳钢不能够硬化(即，不可热处理)，因此感应硬化工艺的影响最小，这有益于钴基硬面的存留。此外，使用钢的可延展低碳合金的第一层还消除在修复硬面表面之后对焊接后热处理的需要。
在一个示例中，可在经受快速加热和冷却的第一材料体积的一部分中以及低强度和低碳可延展第一层的一部分中发生相变和相关联的瞬时体积改变。这些体积改变通过低强度和低碳可延展第一层的变形来适应。第一层中的这种变形保护第二层的钴基硬面免受在硬化工艺期间的热应力和开裂。因此，此类方法和设备能够获得对于第一材料体积的至少暴露部分所需的硬度，同时防止设备中，特别是第二材料体积的缺陷。例如，第一层为第二层的热膨胀应力提供保护。第一材料体积连同两层覆盖层的硬化将第一材料体积的至少一部分转变成相对于第一材料体积的剩余部分的不同硬度。第二材料体积的硬度通过硬化工艺保持相对不变。
各种其它功能可在各种实施方案内实现，以及在本文的其他地方进行讨论和建议。
图1示出根据各种实施方案的附接到井头的BOP堆叠组件的示例100。BOP堆叠组件可为海底组件，尽管目前公开的设备和方法适用于陆地、海底和地面应用。BOP堆叠组件包括下部堆叠组件102和上部堆叠组件104，从而形成下部海洋隔水管封装(LMRP)。上部堆叠组件104可包括例如隔水管转接器106、环型防喷器108、110、控制盒112以及节流和压井管线116。下部堆叠组件102可包括框架114以及液压蓄能器120，框架114在下端具有用于连接到海底井头组件的井头连接器118。通常，孔穿过BOP组件，包括穿过上部堆叠组件104和下部堆叠组件102，孔可包含管道(例如，图2中的附图标号224)。剪切闸板外壳122通常位于下部堆叠组件102上的管道闸板外壳124、126、128上方。剪切闸板外壳122可包含上部和下部闸板剪切块(在图2中示出为附接到上部刀片206和下部刀片208的附图标号202、204)。每个管道闸板外壳124、126、128可包括管道闸板块，所述管道闸板块在配合面上具有半圆形凹槽以用于围绕不同尺寸范围的管道闭合。当打开时，剪切和管道闸板块定位在孔的任一侧上。当闭合时，剪切闸板刀片206、208密封孔。术语剪切闸板刀片、剪切刀片或刀片在本文中可互换使用，是指刀片206、208。当一个或多个管道(例如，图2中的附图标号224)存在于孔中，并且当启动剪切闸板刀片206、208时，剪切闸板刀片206、208将剪切管道。
图2以透视图200示出根据本公开的示例性方面的在剪切的管道224上方进行剪切或闭合之后的上部和下部剪切闸板。图2还示出从剪切闸板外壳122移除并且处于部分闭合位置的上部剪切闸板块202和下部剪切闸板块204。上部剪切闸板块202具有限定面或前端210的侧表面。此外，普通技术人员将认识到，下部剪切闸板204可具有与上部剪切闸板202配合的类似前端。上部刀片206安装到上部闸板块202的前端210。上部剪切闸板块202具有后端212，后端212可为在闸板完全闭合时隔离井筒压力的密封表面的范围。上部刀片206具有带有上部边缘214和下部前边缘218的向前面220。在本公开中，关于闸板块的术语向前是指剪切闸板块202、204中的每一个的前端210，刀片206、208中的每一个附接到前端210。
在图2的示例中，上部刀片206的下部前边缘218比上部边缘214从上部剪切闸板块202的前端210向前延伸得更远。上部刀片206包括后表面216，后表面216可与上部剪切闸板块202的前端210固定或可移除。上部刀片206的向前面220也可为大致凹形的或在中心附近会聚，从附图标号214倾斜并且远离上部刀片206的端部222。这导致相对于由附图标号220、222标记的外端处的面220的更向前部分的凹进面。另选地，可施加用于上部刀片206的不同形状。可看出，当剪切闸板块202、204闭合时，刀片206、208重叠，从而剪切管道224定位在BOP的孔中的闸板块202、204之间。此外，还可看出，剪切的管道224上半部的底部边缘(通常用附图标号226指示)的边缘摩擦并且抵靠下部刀片208的上部表面228。在另选的实施方式中，如图3A和图3B的后续示例所示，上部和下部剪切闸板中的每一个可由单个块和刀片形成，而不需要可拆卸的块和刀片，如在图2的示例中可为这种情况。
下部刀片208被示出为包括悬于底部边缘之上的前缘，从而从至少前缘向管道224提供剪切动作。因此，剪切闸板刀片206、208和剪切闸板的其它表面(例如，附图标号228)可需要在至少某些表面部分和下面的材料中硬化，以保护由剪切闸板块和刀片提供的密封免受在剪切工艺期间引起的损坏。例如，下部块204的上部表面228为硬面表面。当本公开的设备用于剪切钻管和钢丝绳的刀片时，刀片的边缘可受益于硬化。钢丝绳是指用于出于评估、开采或井介入的目的将测量装置和其它设备降低到井筒中的布线。此外，还可需要硬面与刀刃(例如，区域228)相邻地提供耐腐蚀性用于有效密封，并且保护此类密封区域免受在剪切工艺期间引起的损坏。
因此，硬面表面228表示下部剪切闸板块206上的密封表面，密封表面受益于由管道224的剪切边缘226引起的可能损坏的硬面保护。可拆卸(例如，螺栓连接)的刀片与剪切闸板块示例性配置，以及整体块和刀片示例性配置受益于超过钻杆224的硬度并且在剪切期间引起最小损坏的硬化刀刃。然而，大部分损坏可直接发生在发生密封的刀刃后面。为此，如贯穿本公开所讨论的，由第二材料体积的第二层提供的硬面为有益的。在没有硬面的情况下，由软基体材料(在本文中也称为第一材料体积)构成的在下部闸板块的表面处与刀刃相邻的区域将经受损坏，这可损害其结构和其性能。
图3A示出下部剪切闸板300的第一视图，下部剪切闸板300包括块302、第一材料体积310的硬化部分308，硬化部分308与保护覆盖层306相邻。此外，在本公开中，附图标号308还用于指代第一材料体积310的第一表面。此外，人或普通技术人员在阅读本公开时将认识到，部分308可互换地称为硬化部分308，并且在每种情况下提供讨论的上下文，或者可理解为取决于制造阶段的部分或硬化部分。下部剪切闸板302可由剪切闸板块和剪切刀片构成。根据本公开的示例，保护覆盖层306在第二表面304上方。普通技术人员将认识到，第二表面304是指在添加第二材料体积312、314的覆盖层之前存在的第一材料体积310的表面。第一材料体积310连同块302可被制造为可经受局部热加工以产生硬化部分308的单个设备。例如，包括第一材料体积310的至少一部分以及部分304、308、312和314的设备可为附接到剪切闸板块304的刀片。在另选的方面，第一材料体积310和块304可被制造为包括为单个剪切闸板块的单个设备。在又一个替代形式中，本发明的设备和方法可用于制备与硬面表面306相邻的第一表面的硬化部分，硬面表面306为至少两层覆盖层中的第二层的表面并且由钴基硬面形成。因此，此另选的设备和此另选的方法可用于需要保护一个表面(和下面的材料)的应用中，而相邻表面需要感应硬化–例如，使用感应加热和快速冷却来增加硬度。
图3B示出图3A的侧视图。具体地讲，侧视图示出下部剪切闸板300，下部剪切闸板300包括块302、第一表面316的硬化部分308，硬化部分308与保护覆盖层306相邻。下部剪切闸板300可由剪切闸板块和剪切刀片构成，作为单个整体结构或作为两个单独但附接的结构，如本公开中其他地方所讨论的。根据本公开的示例，保护覆盖层306在第二表面304上方。因此，第一材料体积310(包括部分308)和第二材料体积312、314可被制造为单个设备，所述单个设备然后经受局部热加工以产生硬化部分308并且然后附接到块302。例如，设备可为附接到剪切闸板块的刀片。在另选的方面，第一材料体积310(包括部分308和块302的其余部分)和第二材料体积312、314可被制造为包括在剪切闸板块中的单个设备。在又一个替代形式中，本发明的设备和方法可用于制备与硬面表面306相邻的第一材料体积310的硬化部分308。因此，此另选的设备和此另选的方法可用于需要硬面表面的应用中，而相邻表面经受感应加热和快速冷却以增加硬度。
在一个示例中，包括部分或表面308和第二表面304的第一材料体积310可为钢的可热处理合金，并且可具有足够的强度和硬度来执行压力密封，但具有有限的最大硬度来满足耐腐蚀性的工业标准规范(即，块基体材料比刀刃处执行剪切功能所需的材料软得多)。例如，钢的可热处理合金可包括CrMoV钢、NiCrMo钢或CrNiMo钢。这些示例中的每一个可包括铁(Fe)、碳(C)、锰(Mn)、铜(Cu)、钛(Ti)、磷(P)、铬(Cr)、钼(Mo)、钒(V)、硅(Si)、硫(S)和镍(Ni)中的两种或更多种的不同组成。例如，具有上述组成的已知商品名材料包括8630、8630M或4140，其适用于用作第一材料体积(即，下面的基体材料)。另选地，任何其它材料可用作包括第一和第二表面的第一材料体积–诸如具有适当化学性质以允许通过加热(奥氏体化)然后快速冷却来硬化的任何合金钢。本领域的技术人员在阅读本公开后可容易地理解此类适当化学性质。
在与第一表面相比时，与第一表面相邻的第二表面可具有凹陷或高度差。凹陷或高度差允许施加形成第二材料体积的覆盖层，以便在不同材料上(例如，在第一表面上和在与第一表面相邻的第二表面上方施加的覆盖层上)维持成角度但平坦的表面。覆盖层可为两层覆盖层以形成第二材料体积。此类两层覆盖层包括焊接到第一材料体积的凹陷表面(即，第二表面304)的可延展不可硬化钢(例如，低碳钢)，以提供第一层312–例如，焊接在钢的可热处理合金上方。此类可延展低碳钢可明显地包括铁和碳，但可附加地包括少量的不影响普通铁和碳组合物的预期特性的其它元素。此材料可为低碳钢，其具有在施加到第一和第二材料体积的感应硬化工艺期间不允许显著硬化的化学物质。允许用于第一层的可延展低碳钢的其它元素包括锰、硅和铜中的一种或多种。可延展低碳钢的这些其它元素中的一种或多种的单独比例可在最终第一层组合物的0.5％重量和1.65％重量之间。
形成第二材料体积的两层覆盖层包括第二层314，其为第一层上方的焊接层。例如，第二层为焊接到可延展低碳钢的钴基硬面合金。此类钴基硬面合金可包括大量钴，以及不同比例的铬、钨、碳、镍、铁、硅、锰和钼。大量钴可为最终第二层材料的50％重量至75％重量中的任何量。另外，大量钴可为最终第二层材料的60％重量至68％重量中的任何量。铬的比例可为第二层材料的27％重量至32％重量，而钨可为第二层材料的4％重量至6％重量，并且碳可以第二层材料的0.9％重量至1.4％重量存在。本公开中的所有组成范围包括起始值和结束值。存在已知的能够用于焊接钴基硬面合金的商标材料。例如，具有上述组成的已知商标材料–用于第二层–包括
Figure BDA0002711212110000081
6(ERCCOCR-A)合金。剩余的材料镍、铁、硅、锰和钼可以痕量添加。以确保金属可延展低碳钢焊缝不渗入可硬化基体材料中的方式焊接此焊接钴基硬面合金。例如，焊接工艺的温度被控制在将不允许下面的可延展低碳钢进一步熔融或渗入下面的钢的可热处理合金的温度范围内。
虽然图3示出作为相邻层的第一层312和第二层314，但是阅读本专利申请的普通技术人员将认识到，第一层312至少在第二层314下方，并且也可在第二层314的侧面上。因此，第二层可位于第一层312的凹陷中。这在图5的图像中示出。如前所述，第一层312的可延展低碳钢提供缓冲以保护钴基硬面免受在用于硬化基体材料310的第一表面316的至少一部分308的快速加热和淬火工艺期间由相异材料—诸如基体材料310和覆盖第一层312的第二层314—的不相等热膨胀引起的应变。还实现保护免受由第一材料体积310和第一层312中的相变引起的瞬时体积改变。另外，由于可延展低碳钢不可硬化，因此在硬化期间施加至第一表面的感应硬化以在可延展低碳钢内引起相变的机会最小。
然后加工钴基硬面—第二层314—以去除覆盖层312、314与第一表面316之间的表面缺陷和几何不连续物，第一表面316形成与硬面表面306相邻的硬化部分308的一部分。例如，可对最终设备执行液体渗透检测和其它非破坏性检查，并且可通过某种形式的物理或化学成型来加工所识别的任何缺陷和几何不连续物，以实现例如大部分均匀的预期表面。紧邻钴基硬面的基体材料—包括第一表面316和部分308的第一材料体积310—经受感应热处理或硬化以局部地使基体材料进入奥氏体状态。这还使硬面表面306的钴基硬面的前部和第二层314的层材料经受来自热处理的热和热应力。基体材料310的部分308然后可处于奥氏体状态，并且在可为水、聚合物或油的浴中淬火以增加局部硬度并且产生硬化部分308。因此，普通技术人员将认识到，在硬化之前和之后，部分308的图示可用相同的附图标记来表示。此工艺的结果为第一材料体积310的暴露部分308的硬化，而第一层312保护第二表面304并且调节以适应施加到第一表面316和部分308的硬化的效果。这允许钴基硬面314保持完整。在一个应用中，第一表面316和部分308可为剪切闸板刀片的边缘。此类硬化边缘适用于剪切具有耐腐蚀性硬面的井筒管，所述硬面由紧邻硬化边缘的第一层和第二层的覆盖层提供。因此，硬化边缘和耐腐蚀性硬面提供抗磨损和损坏的连续硬质表面。
上述几何形状方面也存在于钴基硬面的实施方式中，其遵循被感应加热的第一表面316的相同大致形状。例如，当设备为剪切闸板刀片时，剪切动作所需的刀刃轮廓需要高温来硬化，并且还需要单次硬化。在将第二层直接施加到第二表面304的基体材料之后的硬化导致由体积膨胀引起的第二层314的开裂，这是由于体积一中的相变、不相等热膨胀以及相异金属之间的刚性约束。将第一层312直接或间接地施加到基体材料，之后施加第二层314，这两者形成具有表面306的第二材料体积，表面306提供硬面保护免受对管道的损坏剪切动作和足够密封性能的耐腐蚀性。第二层314与第一材料体积310的第一表面316相邻。因此，第一层312防止第二层314在第一材料体积310的部分308的快速加热和冷却期间易受开裂和其它缺陷的影响。
可测试下部剪切闸板的部分的硬度特性。根据本公开的各种实施方案，此类部分可包括第一表面316的部分和表面306处的覆盖层312、314。覆盖层312、314紧邻形成第一表面316的刀刃。因此，可测试在覆盖层部分中包括覆盖层312、314的第二材料体积，以确定它们的硬度达到预定要求，以用作免受管道剪切的保护。暴露于硬化工艺的第一材料体积310的边缘部分308(或第一表面316)的硬度也被测试为在预期的硬度范围内，以在剪切要求下恰当地工作并且在剪切之后保持结构良好。
图4为在硬化以提供部分416之后，包括第一材料体积414的第一表面404的部分的下部剪切闸板的横截面400的宏观照片。根据本公开的各种实施方案，两层覆盖层406、408形成具有硬面表面418的第二材料体积410。第一材料体积414还包括在其上施加第二材料体积410的第二表面402。如图所示，经由本发明的方法获得图像400中设备的均匀表面。第一表面404包括第一材料体积414的在施加第二材料体积410之后已经硬化的部分416(提供虚线以指示第二材料体积包括形成第一层406的材料和在第一层406上方形成第二层408的材料)。将覆盖层(层406、408)施加在第一材料体积414的凹进的第二表面(通常以附图标号402示出上方)。如本公开中所用的术语覆盖层可包括多个层，并且通常被理解为覆盖下面的材料的一个或多个层。因此，包括两个附图标号406、408的覆盖层或第二材料体积410的引用被理解为包括例如覆盖特征部的两个层。虽然图4示出第二表面402被覆盖层410覆盖，但是本领域的普通技术人员将认识到，在施加覆盖层410之前，附图标记402为凹进的，并且施加覆盖层406、408以增加图4中所示的结构。因此，即使凹进并且覆盖，为了进行示意性的说明，附图标号402仍然是指在施加覆盖层之前的表面(其他地方称为第二表面)。
覆盖层406、408施加在第一表面404附近，第一表面404形成旨在用于硬化的区域。此外，可存在第一表面404与第一层406的重叠，但是由于第一层不可硬化，因此此类构造没有缺点。在图4中，第一材料体积414的第一表面404和第二表面402为由钢的可热处理合金构成的单一材料。包括第一表面404的部分416示出相对于经由过渡区域412过渡的第二部分414具有不同硬度的硬化部分。此类改变通过本发明的硬化工艺来实现，本发明的硬化工艺能够硬化对应于第一表面的至少一部分404，而不对第二层408造成损坏，否则第二层408将由于至少在至少形成第二层408和第一材料体积414的第二表面402的材料的快速加热和冷却期间的热膨胀特性的差异而开裂。在一个示例中，在第二表面402上方的普通碳钢的第一层406为第二层408提供保护，免受第一表面404的硬化部分的热膨胀差异和体积改变。此外，图4示出过渡区412，其中第一材料体积414已通过所述硬化工艺从第一材料体积414的部分中的软基体材料过渡到硬化部分404。过渡区为延伸穿过第一层410并且进入第二层408的至少前部中的快速加热和冷却的证据，其在整个硬化工艺中保持完整。
图5为根据本公开的各方面的用于使表面表面硬化的方法的流程图500。方法包括用于提供第一材料体积的子工艺502，第一材料体积由至少钢的可热处理合金构成并且包括第一表面和与第一表面相邻的第二表面。第一表面和第二表面中的每一个由至少钢的可硬化合金构成。子工艺504确定第一表面需要硬化。还可确定关于需要硬化的特定表面。因此，子工艺504将流程图500中的工艺重新导向到子工艺502，以提供用于硬化的适当的第一表面。当在子工艺504中发生第一表面需要硬化的确定时，子工艺506开始。子工艺506为用至少两层覆盖层将覆盖层施加到第二表面。通过示例性焊接工艺，两层覆盖层的至少第一层在第二表面上使用钢的可延展低碳合金并且两层覆盖层的至少第二层在第一层上方使用钴基硬面。如参考图3-图4所述，第一层和第二层可通过两步焊接工艺或通过其它覆盖方法，诸如通过高速空气燃料(HVAF)、高速氧燃料(HVOF)或通过热喷涂来施加。在施加任何后续层之前，可包括用于清洁和/或加工每个表面或层的中间步骤。两层覆盖层与第一表面相邻。子工艺508为用于第一材料体积的至少一部分连同第二材料体积的一部分的局部热加工。子工艺508增加第一材料体积的至少一部分相对于第一材料体积的另一部分的硬度，而设备的性能所需的第二材料体积的硬度和材料特性保持不变。如贯穿本公开所讨论的，对第一材料体积的第一表面施加感应和后续淬火实现第一材料体积的至少一部分相对于第一材料体积的其它部分的硬度的此类增加，而设备的性能所需的第二材料体积的硬度和材料特性保持不变。
因此，说明书和附图被认为是示意性而非限制性意义的。然而，将显而易见的是，在不脱离如权利要求书所阐述的本发明的更广泛的实质和范围的情况下，可对其进行各种修改和改变。此外，本发明的设备和制造方法可用于剪切闸板或管道闸板的其它部件或防喷器的其它冲击驱动特征部。
示例性条款：(1)在一个实施方式中，设备公开为包括：具有至少硬化部分的第一材料体积和第二材料体积，第二材料体积包括至少两个层；第一材料体积由至少钢的可硬化合金构成；至少两个层与包括第一材料体积的硬化部分的第一表面相邻定位；至少两个层包括由至少钢的可延展低碳合金构成的第一层；和在第一层上方的由至少钴基硬面构成的第二层；并且(2)在另一个实施方式中，方法包括：提供第一材料体积，第一材料体积由至少钢的可硬化合金构成并且包括第一表面和与第一表面相邻的第二表面；用至少两层覆盖层覆盖第二表面，至少两层覆盖层包括在第二表面上的钢的可延展低碳合金的至少第一层和在第一层上方的钴基硬面的至少第二层，两层覆盖层形成与第一材料体积相邻的第二材料体积；热加工第一材料体积的至少一部分连同第二材料体积的一部分，以将第一材料体积的至少一部分转变成相对于第一材料体积的另一部分的不同硬度，而不影响设备的性能所需的第二材料体积的硬度或其它材料特性。

Claims (15)

1.一种设备(300)，所述设备(300)的特征在于：
具有至少硬化部分(308,404)的第一材料体积(310,414)和第二材料体积(312,314,406,408)，所述第二材料体积(312,314,410)包括至少两个层(406,408)；
所述第一材料体积(310,414)由至少钢的可硬化合金构成；
所述至少两个层与所述第一材料体积(310,414)的所述硬化部分(308,404)的表面(316)相邻定位；并且
所述至少两个层(406,408)包括由至少钢的可延展低碳合金构成的第一层(406)和在所述第一层(406)上方的由至少钴基硬面构成的第二层(408)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述处于所述第二层(408)的特征在于在50％重量和75％重量之间的钴。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述处于所述第一材料体积(310,414)的特征在于以下各项的可热处理合金：CrMoV钢、NiCrMo钢或CrNiMo钢。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少两个层(406,408)包括其间的焊接接头。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述硬化部分(308,404)为感应硬化部分。
6.根据权利要求1所述的设备，其中与所述硬化部分(308,404)相关联的第一硬度反映所述第一材料体积(310,414)的高于与在所述硬化部分(308,404)之外的所述第一材料体积(310,414)的其它部分相关联的第二硬度的量度。
7.根据权利要求1所述的设备，所述设备的特征还在于：
过渡区(412)，所述过渡区(412)与所述硬化部分(308,404)形成相邻并且在所述第一材料体积(310,414)中。
8.一种防喷器(BOP)堆叠组件(100)，所述防喷器(BOP)堆叠组件(100)的特征在于：
剪切闸板外壳(122)，所述剪切闸板外壳(122)的特征在于至少一个上部闸板剪切块(202)和至少一个下部闸板剪切块(204)；
至少一个上部剪切刀片(206)和至少一个下部剪切刀片(208)；并且
至少一个下部剪切刀片(208)的特征还在于：
第一材料体积(310,414)，所述第一材料体积(310,414)的特征在于至少硬化部分(308,404)和第二材料体积(312,314,406,408)；
所述第二材料体积(312,314,410)的特征在于至少两个层(406,408)；
所述第一材料体积(310,414)由至少钢的可硬化合金构成；
所述至少两个层与所述第一材料体积(310,414)的所述硬化部分(308,404)的表面(316)相邻定位；并且
所述至少两个层(406,408)的特征在于由至少钢的可延展低碳合金构成的第一层(406)和在所述第一层(406)上方的由至少钴基硬面构成的第二层(408)。
9.根据权利要求8所述的BOP堆叠组件(100)，其中所述处于所述第二层(408)包含在50％重量和75％重量之间的钴。
10.根据权利要求8所述的BOP堆叠组件(100)，其中所述处于所述第一材料体积(310,414)的特征在于以下各项的可热处理合金：CrMoV钢、NiCrMo钢或CrNiMo钢。
11.一种方法，所述方法的特征在于：
提供(502)第一材料体积，所述第一材料体积由至少钢的可硬化合金构成并且特征在于第一表面和第二表面，所述第二表面与所述第一表面相邻；
用至少一个两层覆盖层覆盖(506)所述第二表面，所述至少一个两层覆盖层的特征在于在所述第二表面上的钢的可延展低碳合金的至少第一层和在所述第一层上方的钴基硬面的至少第二层，所述至少一个两层覆盖层形成与所述第一材料体积相邻的第二材料体积；以及
热加工(508)所述第一材料体积的至少一部分连同所述第二材料体积的至少一部分，以将与所述第一材料体积的所述至少一部分相关联的第一硬度转变成相对于与所述第一材料体积的其它部分相关联的第二硬度的不同量度。
12.根据权利要求11所述的方法(500)，其中在所述热加工之后，与所述第一材料体积相关联的所述第二硬度反映与相对于所述热加工之前的所述第一材料体积的所述其它部分相关联的第三硬度不变的量度。
13.根据权利要求11所述的方法(500)，其中所述热加工(508)为感应硬化工艺。
14.根据权利要求14所述的方法(500)，其中所述覆盖(506)为使用以下中的一种或多种的两步焊接工艺：高速空气燃料(HVAF)或高速氧燃料(HVOF)。
15.根据权利要求14所述的方法(500)，所述方法(500)的特征还在于：
加工所述第一材料体积的所述第一表面以产生具有相对于所述第一表面的凹陷的所述第二表面。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11401770B2 (en) * 2018-04-06 2022-08-02 Hydril USA Distribution LLC Hardfaced metal surface and method of manufacture
USD973734S1 (en) * 2019-08-06 2022-12-27 Nxl Technologies Inc. Blind shear

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5038602A (zh) * 1973-07-05 1975-04-10
CN1524157A (zh) * 2001-05-04 2004-08-25 海德尔公司 用于防喷装置罩盖的转动台
CN201826806U (zh) * 2010-11-03 2011-05-11 上海神开石油化工装备股份有限公司 一种石油天然气钻井防喷器中应用的抗硫剪切闸板
CN102536150A (zh) * 2010-12-15 2012-07-04 韦特柯格雷公司 紧急海底井口关闭装置
CN107532265A (zh) * 2014-12-16 2018-01-02 思高博塔公司 含多种硬质相的韧性和耐磨铁合金

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3196538A (en) 1961-11-24 1965-07-27 Union Carbide Canada Ltd Hard-surfacing process
US3615309A (en) * 1968-02-08 1971-10-26 Remington Arms Co Inc Armored metal tools
US4081027A (en) 1976-08-23 1978-03-28 The Rucker Company Shear rams for hydrogen sulfide service
US4302256A (en) * 1979-11-16 1981-11-24 Chromalloy American Corporation Method of improving mechanical properties of alloy parts
US4341264A (en) * 1980-10-15 1982-07-27 Cameron Iron Works, Inc. Wellhead shearing apparatus
US4618269A (en) 1985-09-18 1986-10-21 Reed Tool Company Hardened bearing surface and method of forming same
US4714809A (en) * 1986-08-15 1987-12-22 Tocco, Inc. Method and apparatus for shaping the surfaces of cams on a camshaft
US5803431A (en) 1995-08-31 1998-09-08 Cooper Cameron Corporation Shearing gate valve
JP3479668B2 (ja) 1999-03-23 2003-12-15 株式会社小松製作所 装軌車両の足回り装置およびその肉盛強化方法
US6244336B1 (en) * 2000-03-07 2001-06-12 Cooper Cameron Corporation Double shearing rams for ram type blowout preventer
US6719042B2 (en) * 2002-07-08 2004-04-13 Varco Shaffer, Inc. Shear ram assembly
US20060144586A1 (en) * 2004-12-30 2006-07-06 Cooper Cameron Corporation Shearing blind ram assembly with a fish pocket
US7377311B2 (en) * 2005-03-23 2008-05-27 Scallen Richard E Wellhead valves
US8720565B2 (en) * 2006-04-25 2014-05-13 National Oilwell Varco, L.P. Tubular severing system and method of using same
US20080105341A1 (en) 2006-11-02 2008-05-08 Huff Philip A Heat treatment of inlaid pressure vessels
US20080078081A1 (en) 2006-09-28 2008-04-03 Huff Philip A High pressure-rated ram blowout preventer and method of manufacture
EP2616632A2 (en) * 2010-09-17 2013-07-24 National Oilwell Varco, L.P. Casing friendly, shearable hardbands and systems and methods for shearing same
US8807219B2 (en) * 2010-09-29 2014-08-19 National Oilwell Varco, L.P. Blowout preventer blade assembly and method of using same
US20130153204A1 (en) 2011-12-20 2013-06-20 Hydril Usa Manufacturing Llc Ram bop shear blade process to enhance the toughness
US20140048245A1 (en) 2012-08-16 2014-02-20 Hydril Usa Manufacturing Llc Replaceable Wear Plates for Use with Blind Shear Rams
GB201310613D0 (en) * 2013-06-14 2013-07-31 Enovate Systems Ltd Well bore control system
GB201317799D0 (en) * 2013-10-08 2013-11-20 Expro North Sea Ltd Valve Assembly
US9752405B1 (en) * 2014-01-06 2017-09-05 Phyllis A. Jennings Shear ram type blowout preventer
US9822602B2 (en) 2014-10-07 2017-11-21 Hydril Usa Distribution, Llc Blind shear ram
WO2016164256A1 (en) * 2015-04-09 2016-10-13 Cameron International Corporation High-strength blowout preventer shearing ram and connecting rod
US11401770B2 (en) * 2018-04-06 2022-08-02 Hydril USA Distribution LLC Hardfaced metal surface and method of manufacture

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5038602A (zh) * 1973-07-05 1975-04-10
US3880436A (en) * 1973-07-05 1975-04-29 Rucker Co Ram block
CN1524157A (zh) * 2001-05-04 2004-08-25 海德尔公司 用于防喷装置罩盖的转动台
CN201826806U (zh) * 2010-11-03 2011-05-11 上海神开石油化工装备股份有限公司 一种石油天然气钻井防喷器中应用的抗硫剪切闸板
CN102536150A (zh) * 2010-12-15 2012-07-04 韦特柯格雷公司 紧急海底井口关闭装置
CN107532265A (zh) * 2014-12-16 2018-01-02 思高博塔公司 含多种硬质相的韧性和耐磨铁合金

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