CN116568839A - 耐机械性和耐磨损腐蚀钢组合物和高压泵以及包含它们的泵部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包含约3％MB至约4％MB的镍含量的耐腐蚀钢组合物；锰含量为约0.5％MB至约1.5％MB；铬含量为约12％MB至约13.4％MB；约0.3％MB至约0.7％MB的钼含量；以及小于约0.40％MB的铜含量。在一些实施方案中，本发明涉及用于产生耐腐蚀钢组合物的方法，所述方法包括将一种或多种耐腐蚀钢部件熔融在一起以形成熔融钢；精炼所述熔融钢以形成精炼钢；以及纯化所述精炼钢以形成所述耐腐蚀钢组合物。

Description

耐机械性和耐磨损腐蚀钢组合物和高压泵以及包含它们的泵 部件

技术领域

在一些实施方案中，本发明涉及耐机械性和耐磨损腐蚀钢组合物(即，耐腐蚀钢组合物)。在一些实施例中，本发明涉及由耐腐蚀钢组合物构成的高压泵和泵部件(例如，水力压裂泵的流体端组件)。

背景技术

水力压裂是油井增产技术，其中基岩通过应用加压压裂流体而被压裂(即压裂)。压裂流体的有效性不仅归因于加压，而且归因于其一种或多种支撑剂(例如砂)和化学添加剂(例如稀酸、杀生物剂、破乳剂、pH调节剂)的组成。向现有基岩裂缝施加加压压裂流体在基岩中产生新的裂缝，以及增加现有裂缝的尺寸、范围和连通性。这允许更多的油和气体流出岩层并进入井筒，它们可从井筒抽出。

水力压裂泵通常包括动力端组件和流体端组件，动力端组件对压裂流体加压以产生加压流体，流体端组件通过一系列导管将加压流体引导到井筒中。暴露于压裂流体的水力压裂泵部件(例如，流体端组件)由于其暴露于具有腐蚀性或磨蚀性的压裂流体的部件(例如，支撑剂、化学添加剂)而导致的磨损、腐蚀和降解而易于发生流体泄漏、故障和其它可持续性问题。另外，由于过量的机械和化学压力机械和化学压力以及由上述磨损导致的破裂而易于发生机械变形。结果，水力压裂泵部件需要以相当大的成本频繁更换。

水力泵部件的组成在更换频率和成本方面都起着很大的作用。虽然由不锈钢构成的泵部件具有大约2000个工作小时的寿命，但是不锈钢的高成本经常使其使用成本过高。相反，由碳钢合金构成的泵部件提供了便宜的价格点，但与其对应的不锈钢相比，其寿命仅约为10－15％(例如，200－300个工作小时)。因此，需要具有机械和化学抵抗磨损、腐蚀和变形的水力泵部件，以提供先进的工作寿命，并以可承受的价格提供。

附图说明

本文参考附图描述了本发明的示例性实施例，其中相同的部件由相同的附图标记表示，并且其中：

图1示出了普通水力压裂泵的截面透视图；

图2示出了由于暴露于包含磨料和腐蚀性部件的高压流体而导致的水力压裂泵的金属部件上的点蚀；

图3示出了根据本发明的特定示例实施例的水力压裂泵的前透视图；

图4A展示了根据本发明的特定示例实施例的无槽式流体端组件的前透视图，该无槽式流体端组件具有锁定在该流体缸膛中的脊下方的阀挡设计；以及

图4B示出了根据本发明的特定示例实施例的流体端组件的前透视图，该流体端组件具有带槽的吸入孔以将阀挡锁定在适当位置。

发明内容

本发明涉及一种耐腐蚀钢组合物，其包括约3％MB至约4％MB的镍含量；锰含量为约0.5％MB至约1.5％MB；铬含量为约12％MB至约13.4％MB；约0.3％MB至约0.7％MB的钼含量；以及小于约0.40％MB的铜含量。

在一些实施例中，本发明涉及一种包括流体端组件的水力压裂泵，所述流体端组件包括构造成从动力端组件接收相应柱塞的缸体；吸入孔，所述吸入孔构造成容纳阀体、阀座和弹簧；以及弹簧保持器。所述缸体、所述吸入孔和所述弹簧保持器中的至少一个包含钢组合物，所述钢组合物包含从约3％MB至约4％MB的镍含量；锰含量为约0.5％MB至约1.5％MB；铬含量为约12％MB至约13.4％MB；约0.3％MB至约0.7％MB的钼含量；以及小于约0.40％MB的铜含量。

本发明涉及一种用于产生耐腐蚀钢组合物的方法，所述方法包括将一种或多种耐腐蚀钢部件熔融在一起以形成熔融钢；精炼所述熔融钢以形成精炼钢；以及纯化所述精炼钢以形成所述耐腐蚀钢组合物。所述耐腐蚀钢组合物可包含镍含量为约3％MB至约4％MB中的至少一种；锰含量为约0.5％MB至约1.5％MB；铬含量为约12％MB至约13.4％MB；约0.3％MB至约0.7％MB的钼含量；以及小于约0.40％MB的铜含量。

在一些实施方案中，本发明涉及耐腐蚀钢组合物。一种耐腐蚀钢组合物可包括小于约0.05％MB的碳含量和小于约0.10％MB的氮含量。一种耐腐蚀钢组合物可以包括小于约0.025％MB的铝含量。一种耐腐蚀钢组合物可包括碳和氮的组合含量为约0.03％MB至约0.1％MB，钛、铌和钒的组合含量为约0.01％MB至约0.15％MB，以及钼和钨的组合含量为约0.32％MB至约0.70％MB中的至少一种。一种耐腐蚀钢可包括小于约300的J因子值、在130Ksi至150Ksi范围内的最小屈服强度、在140Ksi至160Ksi范围内的YTS和在70ft./lbs至90ft./lbs.范围内的纵向最小夏比@－22°F中的至少一种。一种耐腐蚀钢可包括在-22°F下的横向最小夏比硬度、范围为60ft./lbs.至80ft./lbs.、伸长率为16/14(L/T)、Ra值为55/50(L/T)、布氏硬度值为315至375中的至少一个。一种耐腐蚀钢组合物可以包括以下至少一种：材料疲劳极限比可比不锈钢和碳钢对应物大25％，断裂韧性比可比不锈钢和碳钢对应物大400％，寿命比可比不锈钢和碳钢对应物长至少10％，出现的点蚀比可比不锈钢和碳钢对应物小至少5％至至少50％，以及比可比的不锈钢和碳钢对应物低至少5％至至少60％的制造成本。

一种产生耐腐蚀钢组合物的方法可包括在熔融钢的精炼过程中除去炉渣。一种产生耐腐蚀钢组合物的方法可包括在精炼钢的提纯过程中用氩氧脱碳法使精炼钢脱碳。一种用于产生耐腐蚀钢组合物的方法可以包括在精炼钢的净化过程中去除溶解的气体和不希望的元素以及将该耐腐蚀钢组合物铸造成锭中的至少一种。

具体实施方式

本发明涉及与碳合金钢对应物(即，耐腐蚀钢组合物)相比具有增加的机械回弹性和耐磨性或耐腐蚀性的钢组合物。此外，本发明涉及一种与具有类似磨损或腐蚀特性的不锈钢对应物相比具有较低制造成本的耐腐蚀钢组合物。在一些实施方案中，本发明涉及一种与碳钢合金对应物相比对机械变形以及磨损或腐蚀的耐受性并且具有比不锈钢对应物足够低的制造成本的耐腐蚀钢组合物，使得这些特性的组合是所希望的。

耐腐蚀钢组合物

如表1所示，碳钢合金由其主要的碳合金化成分限定，其性能主要取决于存在的碳的百分比。随着碳百分比的增加，碳合金钢具有增加的硬度和降低的延展性。碳合金钢通常分为三类：含有0.05％－0.3％MB碳的低碳钢，含有0.3％－0.8％MB碳的中碳钢和含有0.8％MB－2％MB碳的高碳钢。尽管所关注的主要元素是碳，但铁素体－珠光体碳合金钢还可以包括按质量计0.75％MB至1.75％MB的锰含量、0.25％MB的镍含量、小于0.6％MB的铜含量、小于0.035％MB的硫含量、0.1％MB至2.2％MB的硅含量、和0.02％MB至0.10％MB的铝含量、小于0.04％MB的磷含量、小于0.08％MB的钼含量、小于0.10％MB的铌含量、小于0.1％MB的钒含量、小于0.1％MB的钛含量、小于0.05％MB的氮含量，及其任何组合。碳合金钢通常仅包括微量的铬。碳合金钢在存在由压裂流体引起的机械应力和高压的情况下容易发生机械变形。碳合金钢易于磨损和腐蚀，特别是当暴露于腐蚀性材料如压裂流体时。碳合金钢部件(例如，由碳合金钢构成的流体端组件)可具有高达100小时、或高达150小时、或高达200小时、或高达250小时、或高达300小时的寿命。

相反，不锈钢(例如铁素体或软马氏体不锈钢)包括0.03％至0.15％MB的低碳含量和通常在11％至30％MB范围内的高铬含量。不锈钢的高铬含量有助于其高制造成本。根据所需的具体性能，不锈钢可以具有不同含量的其它元素，包括铜、锰、镍、钼、钛、铌、氮、硫、磷和硒。通常，不锈钢中仅存在微量水平的铝。这示于表1中，其中不锈钢按质量计具有：0.03％MB至0.15％MB的碳含量、0.75％MB至1％MB的硅含量、0.01％MB至0.03％MB的硫含量、10.5％MB至28％MB的镍含量、2.0％MB至7.5％MB的锰含量、小于0.06％MB的磷含量、小于0.2％MB的氮含量和11％MB至30％MB的铬含量。不锈钢没有规定或要求铜、钼、铌、钒、钛和铝的最低含量。表1提供了耐磨和耐腐蚀钢组合物的实例，但不应解释为限制性的。表2(其也不应被解释为限制性的)提供了耐腐蚀钢组成元素范围的另外的实例以及具有在这些范围内的元素的附加益处。这些包括提供δ－铁素体保护的C+N含量为约0.03％MB至约0.1％MB，提供碳化物保护的Ti+Nb+V含量为约0.01％MB至约0.15％MB，提供偏析保护的Mo+W含量为约0.32％MB至约0.70％MB。在一些实施方案中，耐腐蚀钢组合物可以是主要回火的马氏体。根据AMS 2315测量，耐腐蚀钢组合物可以不含δ铁素体。偏析保护包括防止在较高钼和钨含量的存在下可能形成的晶体偏析，这可能导致不均匀的(例如，较大的变化、不一致、差的)机械性能。在一些实施方案中，公开的耐腐蚀钢组合物包括范围为约130至约350的Cr/(C+N)值以提供耐腐蚀性和偏析保护。

公开的耐腐蚀钢组合物包括小于约300的J因子((Mn+Si)×(P+Sn)×10⁴)值，以提供清洁和脆化保护。例如，耐腐蚀钢组合物可具有约1至约50、或约50至约100、或约100至约150、或约150至约200、或约200至约250、或约250至约300的J因子值，其中约包括正或负25。

即使在暴露于高压腐蚀性材料如压裂流体时，不锈钢也高度抗机械变形、腐蚀和磨损。不锈钢部件(例如，由碳合金钢构成的流体端组件)可具有至少1800小时、或至少1900小时、或至少2000小时、或至少2100小时、或至少2200小时的寿命。

表3包含根据所公开的实施方案的耐腐蚀钢组合物。公开的钢组合物不限于表1－3中列出的那些，而是包括具有各种浓度的元素的组合物。根据一些实施方案，耐腐蚀钢组合物可包含小于约0.05％MB的碳含量。例如，耐腐蚀钢组合物可以具有约0.001％MB至约0.05％MB的碳含量，在该句子中使用的“约”是正或负0.01％MB。例如，耐腐蚀钢可包括碳含量为约0.001％MB、或约0.002％MB、或约0.003％MB、或约0.004％MB、或约0.005％MB、或约0.006％MB、或约0.007％MB、或约0.008％MB、或约0.009％MB、或约0.01％MB、或约0.02％MB、或约0.03％MB、或约0.04％MB、或约0.05％MB，其中约包括正或负0.01％MB。一种耐腐蚀钢组合物可以包括从约3％MB至约4％MB的镍含量，其中约包括正或负0.1％MB。例如，耐腐蚀钢组合物可包括约3％MB、或约3.1％MB、或约3.2％MB、或约3.3％MB、或约3.4％MB、或约3.5％MB、或约3.6％MB、或约3.7％MB、或约3.8％MB、或约3.9％MB、或约4.0％MB的镍含量，其中约包括正或负0.1％MB。在一些实施方案中，耐腐蚀钢可以包括范围为约3.5％MB至约3.85％MB的镍含量。一种耐腐蚀钢组合物可以包括从约0.5％MB至约1.5％MB的锰含量，在该句子中使用的“约”是正或负0.1％MB。例如，耐腐蚀钢组合物可包括锰含量为约0.5％MB、或约0.6％MB、或约0.7％MB、或约0.8％MB、或约0.9％MB、或约0.10％MB、或约0.11％MB、或约0.12％MB、或约0.13％MB、或约0.14％MB、或约0.15％MB，其中约包括正或负0.01％MB。在一些实施方式中，耐腐蚀钢组合物可以包括约12％MB至约13.4％MB的铬含量，在该句子中使用的“约”为正或负1％MB。一种耐腐蚀钢组合物，可包括至多约0.4％MB的铜含量，在该句子中使用的“约”是正或负“0.05％MB”。例如，在一些实施方案中，耐腐蚀钢组合物可包括铜含量在约0.01％MB至约0.05％MB、或0.01％MB至0.4％MB、或0.05％MB至0.25％、或约0.01％MB至0.25％MB、或约0.25％MB至约0.4％MB的范围内，其中约包括正或负0.05％MB。在一些实施方案中，耐腐蚀钢组合物可以包括小于约0.005％MB的硫含量，在该句子中使用的“约”是正或负“0.001％MB”。例如，耐腐蚀钢组合物可包括约0％MB，或约0.005％MB、或约0.004％MB、或约0.003％MB、或约0.002％MB、或约0.001％MB的硫含量，其中约包括正或负0.001％MB。一种耐腐蚀钢组合物可以包括小于约0.6％MB的硅含量，在该句子中使用的“约”是正或负0.1％MB。例如，耐腐蚀钢组合物可包括约0％MB、或约0.25％MB、或约0.5％MB、或约0.55％MB、或约0.3％MB的硅含量，其中约包括正或负0.1％MB。根据一些实施方案，耐腐蚀钢组合物可以包括小于约0.025％MB的铝含量，其中在该句子中使用的“约”是正或负0.005％MB。例如，耐腐蚀钢组合物可包括约0％MB、或约0.005％MB、或约0.001％MB、或约0.002％MB、或约0.003％MB、或约0.004％MB、或约0.005％MB、或约0.006％MB、或约0.007％MB、或约0.008％MB、或约0.009％MB、或约0.01％MB的铝含量，其中约包括正或负0.001％MB。一种耐腐蚀钢组合物可以包括小于约0.025％MB的磷含量，在该句子中使用的“约”是正或负0.01％MB。例如，耐腐蚀钢组合物可包括约0％MB、或约0.01％MB、或约0.02％MB、或约0.015％MB、或约0.025％MB的磷含量，其中约包括正或负0.01％MB。一种耐腐蚀钢组合物可以包括从约0.3％MB至约0.7％MB的钼含量，在该句子中使用的“约”是正或负0.1％MB。例如，耐腐蚀钢组合物可包括约0.5％MB、或约0.1％MB、或约0.3％MB、或约0.4％MB的钼含量，其中约包括正或负0.1％MB。

一种耐腐蚀钢组合物可以包括小于约0.05％MB的组合铌和钽含量，在该句子中使用的“约”是正或负0.01％MB。例如，耐腐蚀钢组合物可包括0.01％MB、或0.03％MB、或0.04％MB、或0.05％MB、或0.015％MB的铌和钽组合含量。一种耐腐蚀钢组合物可以包括从约0.02％MB至约0.10％MB的氮含量，在该句子中使用的“约”是正或负0.01％MB。例如，耐腐蚀钢组合物可包括约0.02％MB、或约0.03％MB、或约0.04％MB、或约0.05％MB、或约0.06％MB、或约0.07％MB、或约0.08％MB、或约0.09％MB、或约0.10％MB的氮含量，其中约包括正或负0.01％MB。

*所有值作为质量基准(MB)提供。

表2附加耐腐蚀钢参数

表3示例性耐腐蚀钢组合物

*所有值作为质量基准(MB)提供。

与非耐腐蚀钢相比，抗性钢组合物可具有增强的机械变形、腐蚀和耐磨损性。与非耐腐蚀钢相比，耐腐蚀钢组合物在给定温度下可具有增强的最小夏比值、增强的伸长率值、增强的硬度、Ra值(粗糙度测量)、极限拉伸强度和屈服强度。表4显示了耐腐蚀钢组合物的最小规格和韧性能力。当与具有类似拉伸性能的对比不锈钢材料相比时，耐腐蚀钢组合物在材料韧性性能方面具有令人惊讶的显著和优异的性能。一种耐腐蚀钢组合物，其在横向上在－22°F(－22°F)下的夏比平均不小于80ft－lbs，同时也始终大于100ft－lbs。与不锈钢和碳钢对应物相比，耐腐蚀钢不容易产生裂纹或扩展。耐腐蚀钢可具有比对比不锈钢和碳钢对应物大25％的材料耐久极限和大400％的断裂韧性。

与碳合金钢相比，耐腐蚀钢组合物可具有增强的耐磨性、耐腐蚀性或其组合。在一些实施方案中，当与碳钢合金相比时，耐腐蚀钢组合物可具有延长的寿命。例如，当与暴露于相同条件的碳钢合金相比时，耐腐蚀钢组合物的平均寿命可以长至少10％、长至少25％、或长至少50％、或长至少100％、或长至少125％、或长至少150％、或长至少200％、或长至少250％、或长至少300％、或长至少350％、或长至少400％、或长至少450％，或比其碳钢合金对应物长至少500％。在一些实施例中，当暴露于压裂流体或压裂流体的部件时，耐腐蚀钢表现出比碳钢合金对应物长至少10％至长至少500％的平均寿命。

根据一些实施例，与具有由碳钢合金制成的一个或多个部件的对应水力压裂泵相比，具有由所公开的耐腐蚀钢组合物制成的一个或多个部件的水力压裂泵可以具有从至少10％更长至至少500％更长的平均寿命。

表4耐腐蚀钢组合物的最小规格和韧性能力

与暴露于相同条件的碳钢合金相比，耐腐蚀钢组合物可显示出较少的点蚀(指示腐蚀)。例如，与其碳合金钢对应物相比，耐腐蚀钢组合物可表现出少至少5％、或至少10％、或至少15％、或至少20％、或至少25％、或至少30％、或至少35％、或至少40％、或至少45％、或至少50％的点蚀。根据一些实施例，与具有由碳钢合金制成的一个或多个部件的对应水力压裂泵相比，具有由所公开的耐腐蚀钢组合物制成的一个或多个部件的水力压裂泵可表现出少至少5％至至少50％的点蚀。

在一些实施例中，腐蚀剂可以包括压裂流体、酸、碱及其组合。腐蚀剂可以包括酸，所述酸包括盐酸、硫酸、硝酸、铬酸、乙酸和氢氟酸中的至少一种。在一些实施方案中，腐蚀剂包括碱，所述碱包括氢氧化铵、氢氧化钾、氢氧化钠及其组合。根据一些实施方案，点蚀可至少部分地由对暴露于尺寸为约1微米至约3,000微米或更大的颗粒(例如砂)的响应引起。颗粒可具有约1微米、或约10微米、或约20微米、或约30微米、或约40微米、或约50微米、或约60微米、或约70微米、或约80微米、或约90微米、或约100微米的尺寸，其中约包括正或负5微米。颗粒可具有约100微米、或约300微米、或约600微米、或约900微米、或约1,200微米、或约1,500微米、或约1,800微米、或约2,100微米、或约2,400微米、或约2,700微米、或约3,000微米的尺寸，其中约包括正或负150微米。

与碳合金钢对应物相比，耐腐蚀钢组合物可表现出平均寿命、较少的点蚀或其组合。

不锈钢组合物的制造成本可低于不锈钢对应物。例如，耐腐蚀钢组合物的制造成本可以比具有可比寿命和/或耐腐蚀特性的不锈钢组合物低至少5％、或低至少10％、或低至少15％、或低至少20％、或低至少30％、或低至少40％、或低至少50％、或低至少60％。根据一些实施例，与具有由不锈钢组合物制成的一个或多个部件的对应水力压裂泵相比，具有由所公开的耐腐蚀钢组合物制成的一个或多个部件的水力压裂泵可以具有从至少5％减少至至少60％减少的制造成本。

在一些实施方案中，当作为每平均工作小时的成本计算时，耐腐蚀钢组合物的制造成本可以比不锈钢组合物低至少5％、或低至少10％、或低至少15％、或低至少20％、或低至少30％、或低至少40％、或低至少50％、或低至少60％。

根据一些实施例，与具有由不锈钢组合物制成的一个或多个部件的对应水力压裂泵相比，具有由所公开的耐腐蚀钢组合物制成的一个或多个部件的水力压裂泵当作为每平均工作小时的成本考虑时可以具有从至少5％减少到至少60％减少的制造成本。例如，如果不锈钢组合物具有2000个工作小时的寿命，每磅花费$3USD。不锈钢组合物的成本为$0.0015/磅工作小时。

在一些实施方案中，与其碳钢合金对应物相比，耐腐蚀钢组合物可具有降低的共析反应。

用于产生耐腐蚀钢组合物的方法

根据一些实施方案，本发明涉及用于产生耐腐蚀钢组合物的方法。所述方法包括产生钢组合物的步骤，所述钢组合物包含镍含量为约3％MB至约4％MB中的一种或多种；锰含量为约0.5％MB至约1.5％MB；铬含量为约12％MB至约13.4％MB；约0.3％MB至约0.7％MB的钼含量；以及小于约0.40％MB的铜含量。

根据一些实施方案，可以通过在电弧炉中熔融一种或多种耐腐蚀钢部件(例如镍、锰、铬、碳)以形成熔融钢来产生耐腐蚀钢组合物。耐腐蚀钢部件可衍生自但不限于合金和废金属。可以精炼熔化的钢以除去炉渣以形成精炼钢。一种方法包括纯化精炼后的钢以除去溶解的气体和不需要的元素，从而形成耐腐蚀钢组合物。纯化步骤可包括使用氩氧脱碳(AOD)方法。通过这些步骤形成的耐腐蚀钢可以铸造成锭以进一步使用。在一些实施方案中，可以将耐腐蚀钢锻造成任何期望的几何形状，并且可以对其进行任何期望的热处理。

用于产生流体端部件的方法

根据一些实施例，本发明涉及一种用于产生包含耐腐蚀钢组合物的流体端部件的方法。一种方法包括将铸锭加热至范围从约850℃至约1,300℃的锻造温度，然后将铸锭锻造成任何特定的几何形状以形成锻造金属。锻造金属可具有任何流体端部件(例如，缸体、吸入孔)的形状。锻造金属可进行合格的热处理，该热处理可包括奥氏体化、回火、应力消除和退火中的一种或多种以形成合格金属。在一些实施方案中，可以选择上述步骤的温度以提供一种或多种细晶粒结构和所需的机械性能。

耐腐蚀钢组合物和由其制得的流体端部件

本发明还涉及由耐腐蚀钢组合物构成的水力压裂泵和泵部件。图1示出了水力压裂泵100的基本部件。通常，水力压裂泵100由动力端组件105和流体端组件110组成。动力端组件105驱动柱塞115的往复运动，流体端组件110将压裂流体流从泵引导到通向井筒的管道。如图1所示，基本动力端组件105的部件包括框架120、曲轴125、连接杆130、肘节销135、十字头140、十字头壳体155、短抽油杆145、短抽油杆夹150和柱塞115。

如图1所示，当曲轴125容纳在框架120内时，曲轴125由诸如发动机的动力源旋转。一个或多个连接杆130具有可旋转地安装到曲轴125的端部，其中每个连接杆130的相对端部可枢转地连接到十字头140。曲轴125的旋转运动被十字头140转换成线性运动。每个十字头140在固定十字头壳体155内往复地承载。短抽油杆145连接到十字头140的与曲轴125相对的一端。柱塞115通过短抽油杆夹150安装到短抽油杆145的一端。短抽油杆145使柱塞115在流体端组件的圆筒内移动或冲程。肘节销135(在本领域中有时被称为耳轴销)将柱塞115固定到连接杆130上，并为连接杆130提供轴承以在柱塞115移动时在其上枢转。

如图1所示，基本流体端组件110的部件包括缸体160、排出盖165、阀170、172、吸入孔175、177、弹簧180、182、阀挡185、密封件190、流体缸195、盖197和入口199。密封件190和缸体160构造成从水力压裂泵100的动力端组件105侧接收柱塞115。柱塞115的插入和移除在流体端组件110部件内产生正的和负的压力负荷，该流体端组件110部件从储存器抽取低压压裂流体，然后将该低压压裂流体转变为高压压裂流体，该高压压裂流体通过排出盖165被清洗以由井筒接收。例如，柱塞115的上冲程在弹簧180上施加压力，弹簧180打开阀170并允许低压压裂流体通过入口199被抽吸。压裂流体穿过入口199，然后穿过吸入孔175并进入流体端组件110的主体。盖197用作柱塞115的停止点。阀挡185提供用于阀170的最大打开位置的停止点执行器，其包括阀体和阀座。柱塞115的向下冲程关闭阀170并打开阀172，并且还对低压压裂流体加压以形成高压压裂流体。高压压裂流体可以行进通过打开的阀172、流体缸19和排出盖165传送到井眼以在深岩地层中产生裂缝，从而促进天然气、石油和盐水的流动。

通常，当如图1所示的水力压裂泵的流体端组件暴露于高压流体和砂时，部件开始降解，导致点蚀。图2示出了由于暴露于压裂流体端组件的磨蚀性和腐蚀性部件而导致的水力压裂泵部件上的点蚀。泵部件的点蚀导致压力不规则并导致应力集中区域。例如，随着凹坑变大，高压流体聚集在凹坑中，从而产生特定的压力点或应力集中区域，这导致作为凹坑位置的劣化增加。另外，随着应力的凹坑和集中区域的累积，整个系统压力会受到影响，导致性能下降。背压或简单磨损的累积导致泵的密封件和金属部件劣化，导致流体泄漏和泵故障。另外，由于暴露于压裂流体而导致的水力压裂泵部件的常见故障是疲劳开裂，其中部件由于过度的压力负载而表现出故障。疲劳开裂可能在部件表面或内部部位引发。它可以通过表面缺陷如上述点蚀开始。同样，开裂的共同位置是在流体端组件内的相交孔处。其它部件例如阀座通常在流体端组件的阀内破裂。

图3示出了根据本发明的具体示例性实施例的水力压裂泵300的前透视图，其中水力压裂泵300包括包含如本文所述的耐腐蚀钢组合物的部件。水力压裂泵300的任何部件可以由耐腐蚀钢组合物制成，包括但不限于曲轴箱322、流体端组件310、动力端组件305、盖397和入口399。

如图3所示，水力压裂泵300包括流体端组件310。流体端组件可设计成具有各种结构。例如，图4A和4B示出了根据本发明的特定示例实施例的不同流体端组件设计的透视图。如图4A所示，流体端组件400可以是无沟槽的，并具有阀挡402设计，该阀挡402锁定在流体缸孔495中的脊下面，并通过抽吸盖497中的柄404保持就位。无沟槽设计可理想地减少冲蚀或腐蚀泄漏到阀泄漏的发生。无沟槽设计可以防止在沟槽中开始形成应力裂纹。无沟槽设计可允许增加泵送持续时间、压力和流速。另外，在一些实施例中，流体端组件可具有带槽的吸入孔。如图4B所示，流体端组件401可包括带槽的吸入孔491，吸入孔491利用翼型阀阀挡493，阀阀挡493通过加工到吸入孔491中的槽497锁定就位。图4A和图4B中所示的流体端组件的任何部件可由耐腐蚀钢组合物制成。

与由碳合金钢构成的可比较的水力压裂泵部件(下文称为碳合金泵部件)相比，由耐腐蚀钢组合物构成的水力压裂泵部件(例如，流体端组件)(下文称为耐腐蚀泵部件)可具有增强的耐磨性、耐腐蚀性或其组合。在一些实施例中，当与碳合金泵部件相比时，耐腐蚀泵部件(例如，流体端组件)可具有延长的寿命。例如，当与暴露于相同条件的碳合金泵部件相比时，耐腐蚀泵部件可具有至少10％更长、至少25％更长、或至少50％更长、或至少100％更长、或至少125％更长、或至少150％更长、或至少200％更长、或至少250％更长、或至少300％更长、或至少350％更长、或至少400％更长、或至少450％更长的平均寿命，或比其碳合金对应物长至少500％。

与暴露于相同条件的碳合金泵部件相比，耐腐蚀泵部件可显示出较少的点蚀(指示腐蚀)。例如，与其碳合金钢对应物相比，耐腐蚀泵部件可表现出少至少5％、或至少10％、或至少15％、或至少20％、或至少25％、或至少30％、或至少35％、或至少40％、或至少45％、或至少50％的点蚀。

与碳合金泵部件相比，耐腐蚀泵部件可表现出平均寿命、较少的点蚀或其组合。

耐腐蚀泵部件可具有比由不锈钢构成的对应泵部件(下文中称为不锈钢泵部件)更低的制造成本。例如，阻力泵部件的制造成本可以比具有可比寿命和/或阻力特性的不锈钢泵部件低至少5％、或低至少10％、或低至少15％、或低至少20％、或低至少30％、或低至少40％、或低至少50％、或低至少60％。在一些实施例中，当作为每平均工作小时的成本考虑时，耐腐蚀泵部件的制造成本可以比不锈钢泵部件低至少5％、或低至少10％、或低至少15％、或低至少20％、或低至少30％、或低至少40％、或低至少50％、或低至少60％。例如，如果不锈钢泵部件具有2000个工作小时的寿命，则每磅花费$3USD。不锈钢泵部件的成本为每工作小时0.0015美元。

受益于本发明内容的本领域技术人员将理解，在不脱离本申请所包含的描述的情况下，可以想到其它等同或替代的组合物、装置和所公开的具有阻挡元件砂分离器的包含钢部件的水力压裂泵系统。因此，所示出和描述的实现本发明的方式应被解释为仅是说明性的。

本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下对部件的形状、尺寸、数量和/或布置进行各种改变。例如，可以改变连接杆的位置和数量。在一些实施例中，柱塞可以是可互换的。此外，装置和/或系统的尺寸可按比例放大或缩小以适合从业者的需要和/或期望。根据一些实施例，每个公开的过程、系统、方法和方法步骤可以与任何其他公开的方法或方法步骤相关联地并且以任何顺序执行。当动词“可以”出现时，其旨在表达可选的和/或允许的条件，但除非另有说明，其使用不旨在暗示任何可操作性的缺乏。在使用诸如“具有”或“包括”的开放式术语的情况下，受益于本发明的本领域普通技术人员将理解，所公开的特征或步骤任选地可以与另外的特征或步骤组合。这种选择可能不适用，并且实际上，在一些实施方案中，公开的系统、组合物、装置和/或方法可以排除本申请中公开的那些之外的任何其它特征或步骤。未列举的要素、组合物、装置、系统、方法和方法步骤可以根据需要或要求被包括或排除。本领域技术人员可以对制备和使用本发明的组合物、装置和/或系统的方法进行各种改变。

此外，在已提供范围的情况下，所公开的端点可被视为如特定实施例所期望或要求的精确和/或近似。在端点是近似的情况下，柔性程度可以与范围的数量级成比例地变化。例如，一方面，在约5至约50的范围内约50的范围端点可包括50.5，但不包括52.5或55，另一方面，在约0.5至约50的范围内约50的范围端点可包括55，但不包括60或75。此外，在一些实施例中，可能希望混合和匹配范围端点。此外，在一些实施方案中，所公开的每个图(例如，在一个或多个实例，表格和/或附图中)可形成范围(例如，所描绘的值+/－约10％、所描绘的值+/－约50％、所描绘的值+/－约100％)和/或范围端点的基础。关于前者，在实例、表格和/或附图中描绘的值50可以形成例如约45至约55、约25至约100和/或约0至约100的范围的基础。所公开的百分比是体积百分比，除非另有说明。

所公开的钢水力压裂泵的全部或一部分可以被构造和布置为一次性的、可维修的、可互换的和/或可更换的。这些等同物和替代方案以及明显的变化和修改旨在包括在本发明的范围内。因此，前述公开旨在说明而非限制由所附权利要求说明的本发明的范围。

标题、摘要、背景和标题是按照法规和/或为了方便读者而提供的。它们不包括对现有技术的范围和内容的承认，并且不包括适用于所有公开的实施例的限制。

Claims (20)

1.一种耐腐蚀钢组合物，其包括：

镍含量为约3％MB至约4％MB；

锰含量为约0.5％MB至约1.5％MB；

铬含量为约12％MB至约13.4％MB；

约0.3％MB至约0.7％MB的钼含量；以及

小于约0.40％MB的铜含量。

2.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢组合物，进一步包括：

小于约0.05％MB的碳含量；

小于约0.10％MB的氮含量；以及

铝含量小于约0.025％MB。

3.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢组合物，还包括以下中的至少一种：

在约0.03％MB至约0.1％MB范围内的总碳和氮含量；

钛、铌和钒的组合含量为约0.01％MB至约0.15％MB；以及

组合的钼和钨含量为约0.32％MB至约0.70％MB。

4.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢组合物，其中，所述耐腐蚀钢还包括以下中的至少一种：

小于约300的J因子值；

在130Ksi至150Ksi范围内的最小屈服强度；

范围为140Ksi至160Ksi的YTS；以及

－22°F下的纵向最小夏比为70ft./lbs.至90ft./lbs.。

5.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢组合物，其中，所述耐腐蚀钢还包括以下中的至少一种：

－22°F下的横向最小夏比为60ft./lbs.至80ft./lbs.；

伸长率值为16/14(L/T)；

Ra值为55/50(L/T)；以及

布氏硬度值为315－375。

6.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢组合物，其中所述耐腐蚀钢进一步包括以下中的至少一种：

材料疲劳极限比可比不锈钢和碳钢对应物大25％；

断裂韧性比可比不锈钢和碳钢对应物大400％；

寿命比可比不锈钢和碳钢对应物长至少10％；

与可比不锈钢和碳钢对应物相比表现出少至少5％至至少50％的点蚀；以及

制造成本比可比不锈钢和碳钢对应物低至少5％至至少60％。

7.一种包括流体端组件的水力压裂泵，所述流体端组件包括：

缸体，所述缸体被配置成用于从动力端组件接收对应的柱塞；

吸入孔，所述吸入孔构造成容纳阀体、阀座和弹簧；以及

弹簧保持器，

其中，所述缸体、所述吸入孔和所述弹簧保持器中的至少一个包括钢组合物，所述钢组合物包括：

镍含量为约3％MB至约4％MB；

锰含量为约0.5％MB至约1.5％MB；

铬含量为约12％MB至约13.4％MB；

约0.3％MB至约0.7％MB的钼含量；以及

小于约0.40％MB的铜含量。

8.根据权利要求7所述的水力压裂泵，其中，所述钢组合物进一步包括以下中的至少一种：

小于约0.05％MB的碳含量；

小于约0.10％MB的氮含量；以及

铝含量小于约0.025％MB。

9.根据权利要求7所述的水力压裂泵，其中，所述钢组合物进一步包括以下中的至少一种：

在约0.03％MB至约0.1％MB范围内的总碳和氮含量；

钛、铌和钒的组合含量为约0.01％MB至约0.15％MB；以及

组合的钼和钨含量为约0.32％MB至约0.70％MB。

10.根据权利要求7所述的水力压裂泵，其中，所述钢组合物进一步包括以下中的至少一种：

小于约300的J因子值；

在130Ksi至150Ksi范围内的最小屈服强度；以及

硬度布氏硬度值为315－375。

11.根据权利要求7所述的水力压裂泵，其中，所述钢组合物进一步包括以下中的至少一种：

－22°F下的横向最小夏比为60ft./lbs.至80ft./lbs.；

伸长率值为16/14(L/T)；以及

Ra值为55/50(L/T)。

12.根据权利要求7所述的水力压裂泵，其中，所述钢组合物进一步包括以下中的至少一种：

材料疲劳极限比可比不锈钢和碳钢对应物大25％；

断裂韧性比可比不锈钢和碳钢对应物大400％；

寿命比可比不锈钢和碳钢对应物长至少10％；

与可比不锈钢和碳钢对应物相比表现出少至少5％至至少50％的点蚀；以及

制造成本比可比不锈钢和碳钢对应物低至少5％至至少60％。

13.根据权利要求7所述的水力压裂泵，其中，所述钢组合物进一步包括：

范围为140Ksi至160Ksi的YTS；以及

－22°F下的纵向最小夏比为70ft./lbs.至90ft./lbs.。

14.一种用于产生耐腐蚀钢组合物的方法，所述方法包括：

将一种或多种耐腐蚀钢部件熔融在一起以形成熔融钢；

精炼所述熔融钢以形成精炼钢；以及

纯化所述精炼钢以形成所述耐腐蚀钢组合物；

其中，所述耐腐蚀钢组合物包括：

镍含量为约3％MB至约4％MB；

锰含量为约0.5％MB至约1.5％MB；

铬含量为约12％MB至约13.4％MB；

约0.3％MB至约0.7％MB的钼含量；以及

小于约0.40％MB的铜含量。

15.根据权利要求14所述的用于产生耐腐蚀钢组合物的方法，进一步包括：

在所述熔融钢的所述精炼过程中除去炉渣。

16.根据权利要求14所述的用于产生耐腐蚀钢组合物的方法，还包括在所述精炼钢的所述提纯过程中用氩氧脱碳法使所述精炼钢脱碳。

17.根据权利要求14所述的用于产生耐腐蚀钢组合物的方法，还包括在所述精炼钢的所述提纯过程中除去溶解的气体和不需要的元素。

18.根据权利要求14所述的用于产生耐腐蚀钢组合物的方法，还包括将所述耐腐蚀钢组合物铸造成锭。

19.根据权利要求14所述的用于产生耐腐蚀钢组合物的方法，其中，所述钢组合物还包括以下中的至少一种：

小于约0.05％MB的碳含量；

小于约0.10％MB的氮含量；以及

铝含量小于约0.025％MB。

20.根据权利要求14所述的用于产生耐腐蚀钢组合物的方法，其中，所述钢组合物进一步包括：

在约0.03％MB至约0.1％MB范围内的总碳和氮含量；

钛、铌和钒的组合含量为约0.01％MB至约0.15％MB；以及

组合的钼和钨含量为约0.32％MB至约0.70％MB。