ES2624416T3 - Aleación de resistencia ultraalta para entornos severos de petróleo y gas y método de preparación - Google Patents

Aleación de resistencia ultraalta para entornos severos de petróleo y gas y método de preparación Download PDF

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Abstract

Una aleación de alta tenacidad y resistente a la corrosión adecuada para su uso en entornos de petróleo y gas, que consiste en, en % en peso: 0-15 % Fe, 18-24 % Cr, 3-9 % Mo, 0,05-3,0 % Cu, 4,0-6,5 % Nb, 0,5-2,2 % Ti, 0,05- 1,0 % Al, 0,005-0,020 % C, el resto Ni más impurezas inevitables, cada una menos del 0,05 %, en la que una relación de Nb/(Al+Ti) >= 2,5-7,5.

Description

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DESCRIPCION
Aleacion de resistencia ultraalta para entornos severos de petroleo y gas y metodo de preparacion
1. Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a una aleacion adecuada para entornos severos de petroleo y gas y, mas particularmente, a una aleacion de resistencia ultraalta cuya microestructura unica se obtiene por condiciones especiales de recocido y endurecimiento por envejecimiento, dando como resultado una combinacion de llmite elastico, resistencia a impacto, ductilidad, resistencia a la corrosion, estabilidad termica y conformabilidad, haciendo a la aleacion adecuada para aplicaciones corrosivas en pozos petrollferos que contiene mezclas gaseosas de dioxido de carbono y sulfuro de hidrogeno.
2. Descripcion de la tecnica relacionada
Cuando los pozos petrollferos menos profundos y corrosivos se agotan, se necesitan materiales mas tenaces y mas resistentes a la corrosion para permitir una perforacion mas profunda y para que los pozos altamente corrosivos funcionen satisfactoriamente. Los pozos medianamente corrosivos se manejan mediante diversos aceros de 13Cr. Sin embargo, las aleaciones al 13 % de Cr carecen de la resistencia a la corrosion y tenacidad moderadas requeridas por las aplicaciones de pozos corrosivos mas profundos que contienen mezclas gaseosas de dioxido de carbono y sulfuro de hidrogeno. Cayard et al., en "Serviceability of 13Cr Tubulars in Oil and Gas Production Environments", publicaron datos de corrosion por tension de sulfuro que indicaban que las aleaciones 13Cr tenlan una resistencia a la corrosion insuficiente para pozos que funcionaban en la region de transicion entre entornos de gas agrio y no agrio. NACE Paper N° 112, 1998, pag. 1-8, cuyos contenidos se incorporan por referencia en este documento.
Como antecedentes adicionales se dan las siguientes publicaciones que se incorporan tambien por referencia en este documento:
Patente de Estados Unidos N° 4.788.036, con fecha 29 de noviembre de 1988, de Eiselstein et al.;
Patente de Estados Unidos N° 6.458.318, con fecha 1 de octubre de 2002, de Nishiyama et al.; y
Hibner et al. en la publicacion titulada "Comparison of Corrosion Resistance of Nickel-base Alloys for OCTG's and Mechanical Tubing in Severe Sour Service Conditions", NACE Paper N° 04110, 2004, pag. 1-15. El documento US 6.004.408 se refiere a una composicion de aleacion endurecida con precipitation basada en Ni-Cr-Fe que esta especlficamente adaptada al forjado de artlculos muy grandes. Los intervalos composicionales mas amplios recitan un contenido de niobio del 2,65-3,50 por ciento en peso. El contenido de niobio en las aleaciones se limita a un maximo del 3,50 por ciento en peso.
Las aleaciones basadas en Ni son necesarias para los entornos mas altamente corrosivos. Las aleaciones de alto rendimiento usadas comunmente para aplicacion en parches de petroleo tales como 925, 718, G-3, MP35N, TI- 6246, C-276 y 725 son demasiado caras o no tienen la combinacion necesaria de alta tenacidad y resistencia a la corrosion. Un objeto de esta invencion es tambien proporcionar una aleacion altamente tenaz y resistente a la corrosion a un coste razonable.
Sumario de la invencion
La presente invencion se refiere a una composicion de aleacion de Ni-Fe-Cr-Mo-Cu optimizada para proporcionar resistencia a la corrosion mejorada. Adicionalmente, se optimizan Nb, Ti y Al para producir una dispersion fina de gamma prima y gamma doble prima para proporcionar alta tenacidad. De esta manera, un objeto fundamental de esta invencion es proporcionar una aleacion ductil, altamente tenaz, altamente resistente a impacto y resistente a la corrosion para la production de barras redondas y tubos, particularmente para aplicaciones en pozo de gas y/o petroleo. Brevemente, la presente aleacion consiste en, en % en peso: hasta el 15 % Fe, 18-24 % Cr, 3-9 % Mo, 0,05-3,0 % Cu, 4,0-6,5 % Nb, 0,5-2,2 % Ti, 0,05-1,0 % Al, 0,005-0,020 % C, el resto Ni mas impurezas inevitables, cada una menos del 0,05 %, en los que una relation de Nb/(Ti+Al) = 2,5-7,5. El metodo de la presente invencion incluye un tratamiento con calor final que incluye recocer una solution seguido de inactivation o enfriamiento con aire y envejecimiento.
Descripcion detallada de la invencion
Las composiciones qulmicas expuestas a lo largo de esta invencion estan en porcentajes en peso a menos que se especifique de otra manera. De acuerdo con la presente invencion, la aleacion consiste en 0-15 % en peso Fe, 1824 % en peso Cr, 3-9 % en peso Mo, 0,05-3,0 % en peso Cu, 4,0-6,5 % en peso Nb, 0,5-2,2 % en peso Ti, 0,051,0 % en peso Al, 0,005-0,020 C, el resto Ni mas impurezas inevitables, cada una menos del 0,05 %. Ademas, la relacion de Nb/(Ti+Al) = 2,5-7,5 y un llmite elastico mlnimo de 999,74 MPa (145 ksi). La relacion Nb/(Al+Ti) en la composicion de aleacion esta dentro del intervalo de 2,5 a 7,5 para proporcionar las fracciones en volumen
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deseadas de las fases g y g' para una alta tenacidad. Mas preferentemente, la aleacion de la presente invencion consiste en 5-15 % Fe, 18-23 % Cr, 3-7,5 % Mo, 0,1-3,0 % Cu, 4,0-6,4 % Nb, 0,6-2,1 % Ti, 0,1-1,0 % Al; 0,0050,020 % C, el resto Ni mas impurezas inevitables, cada una menos del 0,05 %. Aun mas preferentemente, la aleacion de la presente invencion consiste en 6-12 % Fe, 19-22 % Cr, 3,5-7,0 % Mo, 1,0-3,0 % Cu, 4,0-6,2 % Nb, 0,8-2,0 % Ti, 0,1-0,7 % Al, 0,005-0,020 % C, el resto Ni mas impurezas inevitables, cada una menos del 0,05 %. Nominalmente, la aleacion de la presente invencion consiste en 8 % Fe, 20,5 % Cr, 4 % Mo, 2 % Cu, 5,5 % Nb, 1,5 % Ti, 0,2 % Al, 0,01 % C, el resto Ni mas impurezas inevitables, cada una menos del 0,05 %. La relacion de Nb/(Ti+Al) esta en el intervalo de 2,5-7,5 para proporcionar la combinacion deseada de fracciones en volumen de las fases g y g' para una alta tenacidad.
Como se usa en este documento, todas las adiciones de constituyentes de aleacion se expresan en porcentaje en peso a menos que se indique de otra manera.
El nlquel (Ni) modifica la matriz basada en Fe para proporcionar una estructura austenltica estable, que es esencial para una buena estabilidad termica y conformabilidad. El Ni es uno de los elementos principales que forma g de tipo NiaAl, que es esencial para una alta tenacidad. Adicionalmente, se requiere un 40 % en peso de Ni para que tenga buena resistencia a la corrosion por tension acuosa. No obstante, un alto contenido de Ni aumenta el coste del metal. El Ni es el elemento restante y esta en el intervalo ampliamente definido como 35-70 %. Un contenido de Ni preferible es del 40-65 % y, mas preferentemente, el contenido de Ni es del 50-60 %.
Se encontro que una aleacion con hierro (Fe) aumentaba la tenacidad, puesto que el Fe se conoce como un solido de sustitucion reforzador de solucion para la matriz de nlquel. Se descubrio que se preferla un contenido de Fe del 0-15 % para alta resistencia a temperatura y estabilidad y, mas preferentemente, un contenido de Fe del 5-15 % y aun mas preferentemente un contenido de Fe del 6-12 %.
El cromo (Cr) es esencial para la resistencia a la corrosion. Es necesario un mlnimo del 12 % de Cr para un entorno corrosivo agresivo, pero mas del 25 % Cr tiende a dar como resultado la formacion de fases a-Cr y sigma, que son perjudiciales para las propiedades mecanicas. El intervalo de Cr en la presente invencion se define como 18-24 %, preferentemente 18-23 % y, mas preferentemente, 19-22 % de Cr.
Se sabe que una adicion del 1 % de molibdeno (Mo) aumenta la resistencia a la corrosion por picaduras. La adicion de Mo tambien aumenta la resistencia de las aleaciones de Ni-Fe por reforzamiento de la solucion de solido de sustitucion, puesto que el radio atomico del Mo es mucho mayor que el de Ni y Fe. Sin embargo, mas del 10 % de Mo tiende a formar la fase m de tipo Mo7(Ni,Fe,Cr)6 o las fases o ternarias con Ni, Fe y Cr. Estas fases degradan la trabajabilidad. Tambien, al ser caro, mayores contenidos de Mo aumentan innecesariamente el coste de la aleacion. El intervalo de Mo en la presente invencion es del 3-9 % y, preferentemente, del 3,0-7,5 % de Mo y, mas preferentemente, del 3,5-7,0 % de Mo.
El cobre (Cu) mejora la resistencia a la corrosion en entornos corrosivos no oxidantes. Se reconoce el efecto sinergico de Cu y Mo para contrarrestar la corrosion en aplicaciones de parche de petroleo tlpicas donde hay una reduccion en los entornos acidos que contienen altos niveles de cloruros. El intervalo de Cu se define como 0,053,0 % y, preferentemente, 1,0-3,0 %. Es sorprendente que dentro del intervalo composicional preferido de la presente invencion, es posible obtener una alta tenacidad y resistencia a la corrosion optimizando la adicion de Cu.
Las adiciones de aluminio (Al) dan como resultado la formacion de g de tipo Ni3(Al), que contribuye a una alta tenacidad. Se requiere un cierto contenido mlnimo de Al para disparar la formacion de g. Adicionalmente, la tenacidad de una aleacion es proporcional a la fraccion en volumen de g. Sin embargo, una fraccion en volumen bastante alta de g, da como resultado la degradacion de la trabajabilidad en caliente. El intervalo de aluminio se define como 0,05-1,0 %, preferentemente 0,1-0,7 % y, mas preferentemente, 0,1-0,5 %.
El titanio (Ti) se incorpora en el Ni3(Al) para formar g de tipo Ni3(AlTi), que aumenta la fraccion en volumen de g y, por tanto, la tenacidad. La potencia de reforzado de g depende principalmente del desajuste de red entre g y la matriz. Se sabe tambien que el aumento de sinergia en el Ti y la disminucion en el Al aumenta la resistencia aumentado el desajuste en la red. Los contenidos de Ti y Al se optimizaron para maximizar el desajuste en la red. Otro beneficio importante del Ti es que se une al N presente en las aleaciones como TiN. La reduccion en el contenido de N en la matriz mejora la trabajabilidad en caliente. Una cantidad excesivamente grande de Ti conduce a la precipitation de la fase h de tipo N3Ti que degrada la trabajabilidad en caliente y la ductilidad. El intervalo de titanio se define como 0,5-2,2 % y, preferentemente 0,8-2,0% y, mas preferentemente, 0,8-1,5 % de Ti.
El niobio (Nb) se combina con Ni3(AlTi) para formar g de tipo Ni3(AlTiNb), que aumenta la fraccion en volumen de g y, por tanto, la tenacidad. Adicionalmente, un aumento en el Nb aumenta el % atomico de Nb en la g, dando como resultado un cambio en la estructura del cristal a una fase diferente denominada g'. Se descubrio que una relacion de Nb/(Ti+Al) en el intervalo de 2,5-7,5 era esencial para producir la combinacion deseada de fracciones en volumen g y g' para una alta tenacidad.
Ademas de este efecto de refuerzo, el Nb se une al C en forma de NbC, disminuyendo de esta manera el contenido de C en la matriz. La capacidad de formacion de carburo del Nb es mayor que la del Mo y el Cr. En consecuencia, Mo y Cr quedan retenidos en la matriz en la forma elemental, que son esenciales para la resistencia a la corrosion. Adicionalmente, los carburos de Mo y Cr tienen una tendencia a formarse en los llmites de grano, mientras que NbC 5 se forma a traves de la estructura. La eliminacion/minimizacion de los carburos de Mo y Cr mejora la ductilidad. Un contenido excesivamente alto de Nb tiende a formar fase o y cantidades excesivas de NbC y g', que son perjudiciales para la procesabilidad y la ductilidad. El intervalo de Nb es 4,0-6,5 %, preferentemente 4,0-6,4 % y, mas preferentemente, 4,0-6,2 %.
10 Adicionalmente, la aleacion contiene impurezas inevitables (menos del 0,05 % cada uno) tal como Mn, Si, Ca, Mg y W. Los ejemplos de las aleaciones evaluadas se exponen a continuacion.
La Tabla 1 muestra las composiciones qulmicas de las diferentes coladas de muestra y la Tabla 2 muestra las condiciones de recocido y endurecimiento por envejecimiento usadas en estas coladas de muestra. Las propiedades 15 mecanicas determinadas despues del recocido y endurecimiento por envejecimiento se indican en la Tabla 3. Las relaciones de tiempo hasta fallo, relaciones de alargamiento y relaciones de reduccion de area para aire a entorno se muestran en las Tablas 4 y 5.
Tabla 1. Composiciones qulmicas de ^ las coladas (% en peso)
Colada N°
Ni Fe Cr Mo Cu C Al Nb Ti Nb/Al+Ti
HV0664
58,6 7,9 20,4 8,0 -- 0,014 0,3 3,3 1,5 1,83
HV0665
59,6 8,1 21,1 5,1 -- 0,013 0,3 4,2 1,6 2,21
HV0667
59,0 8,1 21,1 5,2 -- 0,017 0,4 4,2 2,0 1,75
HV0722*
53,7 12,0 20,5 6,2 1,9 0,004 0,3 4,3 1,1 3,07
H0724*
53,4 12,1 20,6 6,2 1,9 0,004 0,1 4,8 0,9 4,8
HV0765
65,1 1,1 221,2 6,0 -- 0,008 0,3 5,2 2,1 2,17
HV0826*
53,6 12,0 20,5 6,2 2,0 0,008 0,1 4,6 1,0 4,18
HV0827*
53,1 12,0 20,5 6,2 2,0 0,006 0,1 5,0 1,1 4,17
HV0828A*
53,0 13,0 20,5 5,8 2,3 0,007 0,1 4,2 1,1 3,5
HV0829*
54,6 10,0 20,2 7,6 1,9 0,005 0,1 4,6 1,0 4,18
HV0830*
51,9 13,5 20,5 6,2 2,0 0,006 0,1 4,7 1,1 4,27
HV0831*
51,5 14,2 20,7 5,4 2,0 0,007 0,1 5,0 1,1 4,17
D5-8323*
53,0 13,0 20,5 5,9 1,8 0,008 0,1 4,7 1,0 3,91
D5-8324
54,9 13,0 20,4 5,9 -- 0,007 0,1 4,7 1,0 3,91
HV1142*
58,0 8,0 20,6 4,1 1,9 0,009 0,4 6,0 1,0 4,29
HV1143*
57,6 7,9 20,6 4,1 1,9 0,004 0,4 6,0 1,5 3,16
HV1144*
56,8 8,0 20,7 4,1 1,9 0,004 0,4 6,1 2,0 2,54
HV1154*
57,7 8,0 20,7 4,1 1,9 0,007 0,4 5,6 1,6 2,80
* Aleaciones de la invencion.
Nota: todas las coladas eran coladas VIM de 23 kg (23 kg (50 libras)) excepto las coladas D5-8323 y D5-8324, que eran coladas VIM+VAR de 61 kg (61 kg (135 libras)). VIM significa fusion por induccion en vaclo y VAR significa refusion por arco de vacio.___________________________________________________________________________
Tabla 2. Tratamientos termicos
Tratamiento termico
Calentamiento Inicial Precalentamiento (Envejecimiento)
A
(1024 °C)1875 °F/h, WQ (718 °C)1325 °F/8 h, FC a (621 °C)1150 °F/8 h, AC
B
(1038 °C)1900 °F/h, WQ (718 °C)1325 °F 18 h, FC a (621 °C)1150 °F/8 h, AC
C
(1038 °C)1900 °F/h, WQ (760 °C)1400 °F/8 h, FC a (649 °C)1200 °F/8 h, AC
D
(1066 °C)1950 °F/1 h, WQ (718 °C)1325 °F/10 h, FC a (621 °C)1150 °F/8 h. AC
Tratamiento termico
Calentamiento Inicial Precalentamiento (Envejecimiento)
E
(1079 °C)1975 °F/1 h, WQ (718 °C)1325 °F/8 h, FC a (649 °C)1200 °F/8 h, AC
F
(1107 °C)2025 °F/1 h, WQ (718 °C)1325 °F/10 h, FC a (621 °C)1150 °F/8 h, AC
G
(1079 °C)1975 °F/1 h, WQ (718 °C)1325 °F/8 h, FC a (621 °C)1150 °F/8 h, AC
H
(1093 °C)2000 °F/1 h, WQ (704 °C)1300 °F/8 h, FC a (621 °C)1150 °F/8 h, AC
I
(1079 °C)1975 °F/1 h, WQ (704 °C)1300 °F/8 h, FC a (621 °C)1150 °F/8 h, AC
WQ = inactivacion con agua; FC = enfriamiento en horno a 37,78 °C (100 °F) por hora; AC = enfriamiento con aire
5
10
Tabla 3. Propiedades mecanicas a temperatura ambiente
Aleacion N°
Tratamiento termico YS, MPa (ksi) UTS, MPa (ksi) % EI ROA, % Resistencia al impacto, N-m (pie-libra) Dureza, Rc
HV0664
C 898,4 (130,3) 877,7 (127,3) 1271,4 (184,4) 1255,6 (182,1) 28,6 28,9 44,2 44,4 - 36,2
HV0667
E 907,4 (131,6) 904,6 (131,2) 1251,4 (181,5) 1247,3 (180,9) 32,0 31,8 49,1 48,3 79 (58) 40,4
HV0665
D 972,9 (141,4) 962,5 (139,6) 1261,1 (182,9) 1257,0 (182,3) 28,8 29,1 47,4 47,7 73 (54) 40,4
HV0765
F 974,2 (141,3) 971,5 (140,9) 1303,8 (189,1) 1298,3 (188,3) 27,6 27,2 40,1 34,0 61 (45) 44,4
Los datos de impacto y dureza son los promedios de tres datos de ensayo. Se trata de coladas VIM de 23 kg (50 libras). VIM significa fusion por induccion en vaclo. YS = llmite elastico; UTS = resistencia a la traccion final; %EI = alargamiento y %ROA = reduccion de area, respectivamente.
Las coladas mostradas en la Tabla 3 no alcanzan un llmite elastico mlnimo de 999,7 MPa (145 ksi) porque la relacion Nb/(Al+Ti) para estas coladas esta fuera del intervalo crltico de 2,5-7,5.
Tabla 4. Propiedades mecanicas a temperatura ambiente
Aleacion N°
Tratamiento termico YS, MPa (ksi) UTS, MPa (ksi) % EI ROA, % Resistencia al impacto, N-m (pie-libra) Dureza, Rc
HV0722
A 1276,3 (148,9) 1024,6 (148,6) 1276.3 (185,1) 1276.3 (185,1) 28,1 28,4 50,4 51,0 84 (62) 39,6
HV0724
A 1079,8 (156,6) 1089,4 (158,0) 1298,3 (188,3) 1308,0 (189,7) 27,1 25,9 48,3 46,2 67 (49) 40,7
HV0724
B 1037,7 (150,5) 1025,3 (148,7) 1272,8 (184,6) 1275,6 (185,0) 27,6 28,0 49,5 49,7 72 (53) 41,5
HV0826
B 1079,8 (156,6) 1086,0 (157,5) 1308,7 (189,8) 1311,4 (190,2) 27,3 26,7 51,5 51,9 75 (55) 42,2
HV0827
B 1161,1 (168,4) 1363,1 (197,7) 23,1 41,8 45 (33) 41,8
HV0828A
B 1024,6 (148,6) - (-) 1272,8 (184,6) 1279,0 (185,5) 27,4 27,0 47,6 47,2 60 (44) 40,8
HV0829
B 1035,6 (150,2) 1032,2 (149,7) 1303.8 (189,1) 1296.9 (188,1) 26,1 27,1 45,5 46,0 57 (42) 40,0
HV0830
B 1092,2 (158,4) 1081,8 (156,9) 1316,3 (190,9) 1312,1 (190,3) 26,0 26,1 48,5 49,4 65 (48) 41,6
HV0831
B 1181,1 (171,3) 1373,5 (199,2) 20,7 39,4 39 (29) 40,9
D5-8323
B 1015.6 (147,3) 1017.7 (147,6) 1277,6 (185,3) 1276,3 (185,1) 28,5 29,2 54,1 56,3 98 (72) 41,8
D5-8324
B 1035,6 (150,2) 1039,8 (150,8) 1309,4 (189,9) 1308,0 (189,7) 28,9 29,4 55,8 56,5 107 (79) 42,1
HV1142
G N/A (N/A) 1453,5 (210,8) 16,2 40,2 56 (41) 43
HV1143
I 1199.7 (174,0) 1192.8 (173,0) 1364,5 (197,9) 1383,1 (200,6) 25,1 24,6 44,2 38,1 67 (49) 44
HV1144
H 1158,4 (168,0) 1145,3 (166,1) 1374,9 (199,4) 1373,5 (199,2) 24,9 25,0 47,0 44,5 72 (53) 44
HV1154
H 1157,7 (167,9) 1211,5 (175,7) 1394.2 (202,2) 1378.3 (199,9) 23,2 24,1 43,5 42,2 41 (30) 43
5
10
15
20
25
Los datos de impacto y dureza son los promedios de tres datos de ensayo. Todas las coladas eran coladas VIM de 23 kg (50 libras) excepto las coladas D5-8323 y D5-8324 que eran coladas VIM+VAR de 61 kg (135 libras). VIM significa fusion por induccion en vaclo y VAR significa refusion por arco de vaclo. YS = llmite elastico; UTS = resistencia a traccion final; %EI = alargamiento; y %ROA = reduccion de area, respectivamente.
Tabla 5. Resultados del Ensayo de Corrosion a Velocidad de Deformacion Lenta.
El ensayo se realizo a 175 °C (347 °F) en una solution de NaCl al 20 % en peso bajo 3,45 MPa (500 psig) de CO2 y 3,45 MPa (500 psig) de H2S. El tiempo hasta el fallo (TTF), % de alargamiento y % de reduccion de area y sus relaciones en aire/entorno se muestran a continuacion. Esta fue la colada D5-8323 con el tratamiento termico B.
Historial de Ensayo
TTF, Horas %EL %RA Relaciones Entorno / Aire Relaciones Promedio
TTF %EL %RA TTF %EL %RA
Aire
23,0 27,6 57,1
Entorno
23,6 28,8 51,5 1,03 1,04 0,90 1,06 1,08 0,89
Entorno
24,9 30,9 50,3 1,08 1,12 0,88
Tabla 6. Resultados del Ensayo de Corrosion a Velocidad de Deformacion Lenta.
El ensayo se realizo a 175 °C (347 °F) en una solucion de NaCl al 20 % en peso bajo 3,45 MPa (500 psig) de CO2 y 3,45 MPa (500 psig) de H2S. El tiempo hasta el fallo (TTF), % de alargamiento y % de reduccion de area y sus relaciones en aire/entorno se muestran a continuacion. Esta fue la colada D5-8324 con el tratamiento termico B.
Historial de Ensayo
TTF, Horas %EL %RA Relaciones Entorno / Aire Relaciones Promedio
TTF %EL %RA TTF %EL %RA
Aire
25,9 32,3 51,5
Entorno
24,8 30,4 46,3 0,96 0,94 0,90 0,91 0,88 0,89
Entorno
21,9 26,1 45,9 0,85 0,81 0,89
Las mayores relaciones de entornos/aire para la aleacion que contiene Cu D5-8323 (Tabla 5) que para la aleacion sin Cu D5-8324 (Tabla 6) muestran lo crltico de la presencia de Cu para la resistencia a la corrosion.
Las aleaciones usadas en entornos severos de petroleo y gas deben soportar los entornos corrosivos indicados en las Tablas 5 y 6. Adicionalmente, debido a pozos mas profundos, estas aleaciones deben tener un alto llmite elastico y una alta resistencia a impacto. La diana para esta investigacion era un llmite elastico mlnimo de 999,74 MPa (145 ksi). Escrutando las Tablas 1 a 5, las aleaciones que satisfacen la resistencia a la corrosion mas los requisitos de llmite elastico estan constituidas por los siguientes intervalos de composicion, en porcentaje en peso: 0-15 % Fe, 1824 % Cr, 3,0-0,0 % Mo, 0,05-3 % Cu, 4,0-6,5 % Nb, 0,5-2,2 % Ti, 0,05-1,0 % Al, 0,005-0,020 % C, el resto Ni mas impurezas inevitables. Adicionalmente, la relacion Nb/(Al+Ti) en la aleacion debe estar en el intervalo 2,5-7,5 para proporcionar las fracciones en volumen deseadas de las fases g y g' para alta tenacidad.
La Tabla 7 a continuacion proporciona los intervalos actualmente preferidos de elementos que constituyen la aleacion de la invention junto con la composicion nominal actualmente preferida.
Tabla 7
Composicion Qulmica (% en peso)
Ancho Intermedio Estrecho Nominal
Fe
5-15 5-15 6-12 8
Cr
18-24 18-23 19-22 20,5
Mo
3,0-7,0 3,0-7,0 3,5-7,0 4
Cu
1,0-3,0 1,0-3,0 1,0-3,0 2
Nb
4,0-6,5 4,0-6,4 4,0-6,2 5,5
Ti
0,5-2,2 0,6-2,1 0,8-2,0 1,5
Al
0,05-1,0 0,1-1,0 0,1-0,7 0,2
C
0,005-0,040 0,005-0,030 0,005-0,020 0,01
Ni
Resto* Resto* Resto* Resto*
* mas impurezas inevitables La aleacion de la presente invencion se preparara preferentemente usando una practica de fusion por induccion en vado + refusion con arco de vado para asegurar la limpieza del lingote. El metodo de tratamiento termico final de la presente invencion (resumido en la Tabla 2) comprende una primera solucion recocida por calentamiento entre 954 °C (1750 °F) y 1121 °C (2050 °F) durante un tiempo de aproximadamente 0,5-4,5 horas, preferentemente 1 hora, segun se realiza para los tratamientos termicos en la tabla 2, seguido de inactivacion con agua o enfriamiento con aire. El producto despues se envejece preferentemente por calentamiento a una temperatura de al menos aproximadamente 691 °C (1275 °F) y se mantiene a una temperatura durante un tiempo de entre 6-10 horas para precipitar las fases g y g', opcionalmente mediante un segundo tratamiento termico de envejecimiento de 565 °C (1050 °F) a 677 °C (1250 °F) y manteniendo a esta temperatura para realizar una etapa de envejecimiento secundario durante 4-12 horas, preferentemente durante un tiempo de aproximadamente 8 horas. El material despues del envejecimiento se deja enfriar al aire hasta temperatura ambiente para conseguir la microestructura deseada y maximizar el refuerzo de g
ytfL______________________________________________________________________________________________

Claims (12)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    REIVINDICACIONES
    1. Una aleacion de alta tenacidad y resistente a la corrosion adecuada para su uso en entornos de petroleo y gas, que consiste en, en % en peso: 0-15 % Fe, 18-24 % Cr, 3-9 % Mo, 0,05-3,0 % Cu, 4,0-6,5 % Nb, 0,5-2,2 % Ti, 0,051,0 % Al, 0,005-0,020 % C, el resto Ni mas impurezas inevitables, cada una menos del 0,05 %, en la que una relacion de Nb/(Al+Ti) = 2,5-7,5.
  2. 2. La aleacion de la reivindicacion 1, en la que el contenido maximo de Fe es del 12 %.
  3. 3. La aleacion de la reivindicacion 1, en la que el contenido mlnimo de Mo es del 3,5 %.
  4. 4. La aleacion de la reivindicacion 1 en la que el contenido mlnimo de Cu es del 0,1 %.
  5. 5. La aleacion de la reivindicacion 1, en la que el contenido mlnimo de Cu es del 1,0 %.
  6. 6. La aleacion de la reivindicacion 1, en la que el contenido mlnimo de Ti es del 0,6 %.
  7. 7. La aleacion de la reivindicacion 1, en la que el contenido mlnimo de Ti es del 0,8 %.
  8. 8. La aleacion de la reivindicacion 1, en la que el contenido maximo de Al es del 0,7 %.
  9. 9. Una barra o un tubo adecuados para su uso en pozos de petroleo y gas fabricados a partir de la aleacion de la reivindicacion 1.
  10. 10. Un metodo de fabricacion de una aleacion de alta tenacidad, resistente a la corrosion, que comprende las etapas de:
    (a) proporcionar la aleacion de las reivindicaciones 1 a 8 en forma de lingote;
    (b) trabajar en caliente el lingote hasta una forma deseada; y
    (c) tratar termicamente la aleacion conformada: (i) proporcionando una primera solucion recocida por calentamiento entre 954 °C (1750 °F) y 1121 °C (2050 °F) durante un tiempo de 0,5-4,5 horas, seguido de inactivacion con agua o enfriamiento con aire; (ii) envejecimiento por calentamiento a una temperatura de al menos 691 °C (1275 °F) y mantenimiento a esa temperatura durante un tiempo entre 6-10 horas para precipitar las fases g y g'; opcionalmente (iii) proporcionar un segundo tratamiento termico de envejecimiento a de 565 °C (1050 °F) a 677 °C (1250 °F) y mantenimiento a esa temperatura para realizar una etapa de envejecimiento secundario durante 4-12 horas, despues enfriamiento con aire despues de envejecimiento a temperatura ambiente.
  11. 11. El metodo de la reivindicacion 10, en el que la etapa (a) incluye: someter la aleacion a fusion por induccion en vaclo mas refusion por arco de vaclo antes de la etapa (b).
  12. 12. El metodo de la reivindicacion 10, en el que el tiempo de calentamiento de la etapa de recocido de la primera solucion (c) (i) es 1 hora y el tiempo de mantenimiento en la etapa de envejecimiento secundario (c) (iii) es de 8 horas.
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