用于联接油气工业中的钢结构的焊接金属组合物.pdf

本发明提供了用在油、气和/或石化应用中的金属结构和形成这种金属结构的方法，该结构以非铁焊接金属组合物或高合金焊接金属组合物联接。所焊接的金属结构包括：两个或多个部分的铁或非铁部件，和融合焊缝、搅拌摩擦焊缝、或其组合。与传统的铁基焊接组合物相比，所生成的焊接结构在抗疲劳性、韧性、应变能力、强度、抗应力腐蚀开裂性、和抗氢脆性方面表现出改进性。该结构和形成这种结构的方法在天然气输送和储存、油气井完井和生产、以及油气精炼厂和化工厂中所用的联接金属部件中是有利的。焊接金属可以包括因科镍625、Ti64、不锈钢、马氏体时效钢、沉淀硬化钢。

权利要求书
1.  用于油、气和/或石化应用的铁或非铁材料结构，包括：
两个或多个铁或非铁的部件部分，和
将相邻的部件部分结合在一起的熔融焊缝、搅拌摩擦焊缝、或其组合，
其中焊缝包括与两个或多个部件的金属组合物明显不同的非铁焊接金属组合物或高合金焊接金属组合物。

2.  根据权利要求1所述的结构，其中铁或非铁部件包括普通碳钢、铸铁、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、不锈钢、双相不锈钢、或其组合。

3.  根据权利要求1所述的结构，其中所述非铁焊接金属组合物选自Ni、Mn、V、Ti、Co、Cr、Zr、Hf及其组合的合金。

4.  根据权利要求3所述的结构，其中所述非铁焊接金属组合物包括低于50wt％的铁。

5.  根据权利要求4所述的结构，其中所述非铁焊接金属组合物包括低于5wt％的铁。

6.  根据权利要求3所述的结构，其中所述非铁焊接金属组合物是因科镍625或Ti64。

7.  根据权利要求1所述的结构，其中所述高合金焊接金属组合物选自不锈钢、PH钢和马氏体时效钢。

8.  根据权利要求7所述的结构，其中所述高合金焊接金属组合物包括低于0.05wt％的碳。

9.  根据权利要求8所述的结构，其中所述高合金焊接金属组合物包括低于0.01wt％的碳。

10.  根据权利要求1所述的结构，其中形成所述熔融焊缝的方法选自SMAW、SAW、GMAW、FCAW、PAW、ESW、EGW、RW、和OFW。

11.  根据权利要求1所述的结构，其中所述搅拌摩擦焊接条件包括用于影响所述焊接的搅拌摩擦焊接工具的转速、载荷和行进速度。

12.  根据权利要求1所述的结构，其中由所述两个或多个部件和焊缝形成的焊件表现出增加的抗疲劳性、增加的韧性、增加的应变能力、增加的强度、增加的抗应力腐蚀开裂性、和更高的抗氢脆性中的一项或多项。

13.  根据权利要求1所述的结构，选自高强度管线、钢悬链线立管、顶部张紧立管、带螺纹的部件、液化天然气容器、加压的液化天然气容器、深水油钻柱、立管/套管接头、和井口设备。

14.  根据权利要求1所述的结构，其中所述结构用在天然气输送和储存类型的结构和部件中。

15.  根据权利要求14所述的结构，其中所述天然气输送和储存类型的结构和部件选自管线、流送管线、收集管线、传输管线、运油船、转移部件、储存罐、和扩充环路。

16.  根据权利要求15所述的结构，其中所述天然气为LNG、CNG、或PLNG的形式。

17.  根据权利要求1所述的结构，其中所述部件用在油气井完井和生产结构和部件中。

18.  根据权利要求17所述的结构，其中所述油气井完井和生产结构和部件选自用于流送连接的铸造结构、海底部件、套管/管道、完井和生产部件、井下管状制品、油管线、储油箱、海上生产结构/部件、干舷、甲板上层结构、钻采设备、生活区、直升机坪、管缆、供应船和供给船、和火炬塔。

19.  根据权利要求18所述的结构，其中所述近海生产结构/部件选自导管架式平台、海上移动式钻探单元、套管、钢筋束、立管、海底设施、半潜式钻井平台、升降式钻井平台、TLP、DDCV、随动塔式平台、FPSO、FSO、船舶、和油船。

20.  根据权利要求19所述的结构，其中所述海底部件选自双联结构、管汇系统、采油树、和BOP。

21.  根据权利要求1所述的结构，其中所述结构用在油气精炼厂和化工厂结构和部件中。

22.  根据权利要求21所述的结构，其中所述油气精炼厂和化工厂结构和部件选自铸铁部件、热交换器管、以及低温和高温处理和压力容器。

23.  根据权利要求22所述的结构，其中所述低温和高温处理和压力容器选自蒸汽裂解器管和蒸汽重整管。

24.  一种联接用于油、气和/或石化应用的铁或非铁材料结构的方法，包括：
提供两个或多个铁或非铁部件部分，和
将相邻部件部分利用熔融焊接、搅拌摩擦焊接、或其组合焊接在一起，
其中焊缝包括与所述两个或多个部件的金属组合物明显不同的非铁焊接金属组合物或高合金焊接金属组合物。

25.  根据权利要求24所述的方法，其中所述铁或非铁部件包括普通碳钢、铸铁、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、不锈钢、双相不锈钢、或其组合。

26.  根据权利要求24所述的方法，其中所述非铁焊接金属组合物选自Ni、Mn、V、Ti、Co、Cr、Zr、Hf及其组合的合金。

27.  根据权利要求26所述的方法，其中所述非铁焊接金属组合物包括低于50wt％的铁。

28.  根据权利要求26所述的结构，其中所述非铁焊接金属组合物是因科镍625或Ti64。

29.  根据权利要求24所述的方法，其中所述高合金焊接金属组合物选自不锈钢、沉淀硬化钢和马氏体时效钢。

30.  根据权利要求30所述的方法，其中所述高合金焊接金属组合物包括低于0.05wt％的碳。

31.  根据权利要求24所述的方法，其中形成熔融焊缝的方法选自SMAW、SAW、GMAW、FCAW、PAW、ESW、EGW、RW、和OFW。

32.  根据权利要求24所述的方法，其中由两个或多个部件和焊缝形成的焊件表现出增加的抗疲劳性、增加的韧性、增加的应变能力、增加的强度、增加的抗应力腐蚀开裂性、和更高的抗氢脆性中的一项或多项。

33.  根据权利要求24所述的方法，选自高强度管线、钢悬链线立管、顶部张紧立管、带螺纹的部件、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。

34.  根据权利要求24所述的方法，其中所述结构用在天然气输送和储存类型的结构和部件中。

35.  根据权利要求34所述的方法，其中所述天然气输送和储存类型的结构和部件选自管线，流送管线，收集管线，传输管线，运油船，转移部件，储存罐、和扩充环路。

36.  根据权利要求35所述的方法，其中所述天然气为LNG、CNG、或PLNG的形式。

37.  根据权利要求35所述的方法，其中所述部件用在油气井完井和生产结构和部件中。

38.  根据权利要求37所述的方法，其中所述油气井完井和生产结构和部件选自用于流送连接的铸造结构、海底部件、套管/管道、完井和生产部件、井下管状制品、油管线、储油箱、海上生产结构/部件、干舷、甲板上层结构、钻采设备、生活区、直升机坪、管缆、供应船和供给船、和火炬塔。

39.  根据权利要求38所述的方法，其中所述海上生产结构/部件选自导管架式平台、海上移动式钻探单元、套管、钢筋束、立管、海底设备、半潜式转井平台、升降式钻探平台、TLP、DDCV、随动塔式平台、FPSO、FSO、船舶、和油船。

40.  根据权利要求39所述的方法，其中所述海底部件选自双联结构、管汇系统、采油树、和BOP。

41.  根据权利要求24所述的方法，其中所述结构用在油气精炼厂和化工厂结构和部件中。

42.  根据权利要求41所述的方法，其中所述油气精炼厂和化工厂结构和部件选自铸铁部件、热交换器管、以及低温和高温处理和压力容器。

43.  根据权利要求42所述的方法，其中所述低温和高温处理和压力容器选自蒸汽裂解器管和蒸汽重整管。

44.  一种用于焊接两个或多个铁或非铁部件以产生具有为预期应用而选择的特定性能或一组性能的焊缝的方法，所述方法包括：
获得在多种条件下和由各种焊接金属组合物通过熔融焊接、搅拌摩擦焊接、或其组合所形成的焊缝的焊缝性能数据库；
将焊接条件和焊接金属组合物与所述焊缝性能相关联；
从数据库中选择焊接条件，以产生具有最佳地适合于预期应用的性能或一组性能的焊缝；
在所选择的条件下使部件经受熔融焊接、搅拌摩擦焊接、或其组合作用，以形成焊接结构，
其中所述焊缝包括与所述两个或多个部件的组合物明显不同的非铁焊接金属组合物或高合金焊接金属组合物。

45.  根据权利要求44所述的方法，其中所述铁或非铁部件包括普通碳钢、铸铁、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、不锈钢、双相不锈钢、或其组合。

46.  根据权利要求44所述的方法，其中所述非铁焊接金属组合物选自Ni、Mn、V、Ti、Co、Cr、Zr、Hf及其组合的合金。

47.  根据权利要求44所述的方法，其中所述高合金焊接金属组合物选自不锈钢、PH钢和马氏体时效钢。

48.  根据权利要求44所述的方法，选自高强度管线、钢悬链线立管、顶部张紧立管、带螺纹的部件、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。

说明书用于联接油气工业中的钢结构的焊接金属组合物
技术领域
本公开总体涉及钢结构和部件的焊接领域。更具体地说，本公开涉及用非铁焊接金属焊接油气工业中的钢结构和部件，以实现高性能的联接。
背景技术
为了方便起见，在以下的术语汇编中定义说明书中所用的各种焊接术语。
术语汇编
CRA：耐腐蚀合金。用于完成很可能出现腐蚀问题的部件的特殊配制的材料。耐腐蚀合金可配制用于各种腐蚀性条件。
HAZ：热影响区域。
热影响区域：与焊接线邻接并受焊接热影响的基底金属。
韧性：抗断裂发生性。
疲劳：在循环载荷下的抗破裂性。
微动疲劳：微动涉及在经受小的循环相对切线运动的表面之间的接触。抗微动疲劳性是在缺口金属零件或带孔金属零件中的抗破裂性。
屈服强度：在无变形下承受载荷的能力。
FS：搅拌摩擦。
FSW：搅拌摩擦焊接。
搅拌摩擦焊接：在两个工件之间产生焊接联接的固态联接工艺，其中用于联接金属工件的热通过在工件之间插进旋转的针产生。
FSP：搅拌摩擦工艺。
搅拌摩擦工艺：通过将针部分地插入结构中而对着所述结构的表面按压FSW搅拌头来加工和调节所述结构的表面的方法。
焊接接头：包括熔融金属或热-机械改变的金属以及“靠近”熔融金属但是在熔融金属以外的基底金属的焊接接头。被认为“靠近”熔融金属的基底金属的那部分根据焊接领域技术人员已知的因素而改变。
焊件：通过焊接联接的零件部分的组件。
焊接性：焊接具体的金属或合金的可行性。许多因素影响焊接性，包括化学作用、表面抛光、热处理趋向等。
碳当量：用于定义钢的焊接性并通过式
CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15来表达的参数，其中所有的单位是重量％。
氢致开裂：在焊接后在焊缝内出现的开裂。
TMAZ：热-机械影响区域。
热-机械影响区域：经受温度周期变化和塑性变形的接头的区域。
TMAZ-HZ：焊件内的最硬区域。
LNG：液化天然气。在大气压力和低温下液化的天然气，主要是甲烷。
CNG：压缩天然气。在高压表面容器内经过高度压缩(尽管未达到液化点)的天然气。
PLNG：加压液化天然气。在中等压力和低温(比LNG的温度更高)下液化的天然气，主要是甲烷。
SCR：钢悬链线立管。以单一悬链线从平台悬浮并在海底上水平连接的深水钢立管。
TTR：顶部张紧立管。在近海石油钻探平台上的立管，其处于张紧力下，以在海上立管管道上保持均匀的压力。
因瓦合金(Invar)：被特别设计以具有低的热膨胀系数的铁和镍的合金。
双相钢：由两相、特别是奥氏体和铁氧体所组成的钢。
采油树：用于控制来自井的油气流动的阀、管道和装配件的组件。
BOP：防井喷器。该设备安装在井口处，以控制在钻探、完井和油井维修操作期间的在套管和钻探管之间的环形空间内的压力。
OCTG：石油工业用管材。应用于套管、管道、平端套管衬管、短节，管箍、连接器和平端钻探管的术语。
半潜式：具有浸在水中的浮筒或浮桥，以在操作时提供稳定性的移动式钻探平台。在深达360米或更深的较深水域内使用。通过锚定器保持就位或动态定位。
升降式钻探平台：具有在不到100米深的浅水中使用的可收缩的桩脚的移动式钻探平台。
TLP：张力腿平台。通过许多锚定到海底的保持张力的索缆而保持就位的飘浮的海上结构。索缆缓冲波浪作用以保持平台固定。
DDCV：深吃水沉箱装置。深吃水表面穿透圆柱类型的漂浮物，特别充分地适合于深水，其与钻探、顶部张紧立管和干式完井相适应。
随动塔式平台：狭窄的柔性塔和支撑常规的钻井和采油作业用甲板的桩基。设计成保持显著的侧向偏转和力，通常用在从1,500到3,000英尺(450到900米)的水深范围内。
FPSO：浮动式生产储存和卸油装置。转化或定制的船形漂浮物，用于加工油气以及用于油在换船之前的暂时储存。
FSO：浮动式储存和卸油装置。浮动式储存装置，通常用于油的储存，在不可能或不能有效地将输油管线铺设到岸上时常用采用。采油平台会将油转移到FSO并在那里储存，直到油船到达并与FSO连接以卸油。
钢筋束：永久地在浮式平台的每个角处系附的浮式平台的管状锚索。
供送管：液压软管的部件，其还可包含电缆或光纤，用于控制来自平台或装置的海底结构或ROV。
供应船：用于携带乘员并使其到达或离开靠近岸的工厂的担载/输送补给船。
长期以来的需要
大多数钢结构用钢(也称为铁基或含铁基)焊接金属进行焊接。这些钢焊接金属通常是含有约0.1wt％碳和最多2到3wt％的其他合金元素诸如Mn、Ni、Cu及其组合的铁。在这些铁基焊缝/焊件中形成的韧性和残余应力是基体钢、焊接金属的类型、以及与焊接工艺有关的热循环的复杂相互作用的结果。大多数焊接结构的性能(例如承重能力、疲劳、环境裂纹)通过焊件的特性得以控制，所述特性包括焊缝和热影响区域(HAZ)。尽管焊缝的特性可以通过设计焊接金属化学得以控制，但是接头性能由基底金属/焊接金属化学和焊接方法之间的复杂相互作用来支配。以往大部分钢结构通过使用铁基焊接金属进行的熔焊而联接。使用铁基焊缝的主要原因是它们的低成本、通过合金过程而与基底金属的强度相匹配的能力、以及在工业中的广泛应用。
尽管对于许多的以陆地为基地的结构应用中，在焊件完整性方面存在的不足可以通过强化的余度进行调节，但是这种方法对于部件重量是决定性的海上和深水结构而言不是切实可行的。在这些结构中，有必要强化焊件完整性，以便它们不限制所述结构的完整性。金属零件诸如各类管联接形成用于油、气和地热井等的管线主要通过传统的采用这些传统铁基焊接金属进行钢结构或部件的电弧焊或熔焊来进行。电弧焊或熔焊典型地涉及钢焊接金属的熔化，以在两个铁部件或零件之间产生接头联接。
这种铁基金属接头典型地具有可接受的特性，然而，在焊件的强度、韧性和完整性方面的改善将进一步改善焊件性能、以及相应地改善结构/部件的性能。例如，在使用铁基焊件的海底管线用焊接钢管道中，存在的问题是由从铺设船尾悬挂的完成的管道所引起的弯曲应力。另外，常规的铁基熔焊接头因其他的使该接头的机械完整性退化的属性而受困扰。这些属性的例子是拉伸残余应力、氢致裂纹、缺少融合缺陷和低韧性。因此，需要新的用于快速联接钢以便获得具有优异性能的联接的焊接金属组合物。
发明内容
概括地讲，本公开提供了主要由不同于铁(即非铁)或高铁含量合金的元素制成的焊接金属的用途，其中强化来自不同于碳的源，以在油、气和石化工业中提高联接钢部件和结构中的焊件特性和性能。
在本公开的一个形式中，提供了有利的用于油、气和/或石化应用的铁或非铁材料结构，该结构包括：两个或多个部分的铁或非铁部件，将相邻部分的部件结合在一起的融合焊缝、搅拌摩擦焊缝或其组合，其中所述焊缝包括与两个或多个部件的金属组合物明显不同的非铁焊接金属组合物或高合金焊接金属组合物。
在本公开的另一个形式中，提供了联接用于油、气和/或石化应用的铁或非铁材料结构的有利方法，该方法包括：提供两个或多个部分的铁或非铁部件，将相邻部分的部件通过熔融焊接、搅拌摩擦焊接或其组合焊接结合在一起，其中所述焊缝包括与两个或多个部件的金属组合物明显不同的非铁焊接金属组合物或高合金焊接金属组合物。
在本公开的另一个形式中，提供了用于焊接两个或多个铁或非铁部件以产生具有特定特性或具有一组为意图中的应用而选择的特性的焊缝的有利方法，该方法包括：获得在多个条件下和从不同的焊接金属组合物通过熔融焊接、搅拌摩擦焊缝或其组合焊接所形成的焊缝的焊缝特性的数据库；将焊接条件和焊接金属组合物与焊缝特性相关联；从该数据库中选择焊接条件，以产生具有最佳适合于意图中的应用的特性或一组特性的焊缝；在所选择的条件下使部件经受熔融焊接、搅拌摩擦焊接或其组合焊接，以形成焊接结构，其中焊缝包括与两个或多个部件的金属组合物明显不同的非铁焊接金属组合物或高合金焊接金属组合物。
本文所公开的这些和其他形式的新的非铁或高铁合金(其中强化来自不同于碳焊接金属的源)、焊接这些金属的方法、以及这些金属在油气应用中的应用，在阅读了随后的详细说明后将变得显而易见。
具体实施方式
尽管焊件特性可能受焊接方法的影响，但已发现，如果焊接金属具有与待焊接的基体钢部件明显不同的组成和特性，则可以实现可比较的或更大的效果。特别地，焊接金属的热膨胀系数和控制相转变温度(在一些系统)中的能力提供了更好控制焊接金属特性的能力。另外，焊接金属的晶体结构(例如，立方晶系对六方晶系)及其对机械流的影响可以对焊件特性具有显著的影响。已发现，焊接金属化学性质在结合在材料组成方面与焊接金属组合物明显不同的基底金属部件时，焊接金属组合物可以适合于实现用于强化的焊件完整性的特定特性。本公开的“明显不同”目的是指用于焊接的焊接金属组合物和结构部件组合物由不同的材料组成。也就是说，焊接金属的大部分元素和/或主要的合金元素的类型与结构部件的大部分元素和/或主要合金元素的相应的类型不同。
本文所公开的改善的焊接金属包括以下的具有合适的合金元素的非铁基体化学组成中的任一种(例如，Ni、V、Ti、Co、Cr、Mn、Zr、Hf基合金)，或这些合金的组合，以实现所要求的焊接金属特性。然而，被加到这些非铁系统中的合金元素根据系统的不同而异，一些非限制性的列举添加不只包括上面所列的那些(Ni、V、Ti、Co、Cr、Mn、Zr、Hf)，而且包括铝、锡、钼、硅、铌、及其组合。
对于用作本文所公开的焊缝的非铁合金，合金的大于50wt％、或大于60wt％、或大于70wt％、或大于80wt％、或大于90wt％、或大于95wt％选自以下的一种或多种元素：Ni、Mn、V、Ti、Co、Zr和Hf。另外，这些用作本文所公开的焊缝的非铁合金还可任选包含低于50wt％、或低于40wt％、或低于30wt％、或低于20wt％、或低于10wt％、或低于5wt％的铁。在这些用作焊缝的非铁合金中的强度可由相转变而引起，所述相转变是沉淀形式或是大多数相的转变(定义为占焊缝的大于50wt％)。用作焊缝的非铁合金可为市售的基于Ni、Mn、V、Ti、Co、Cr、Zr或Hf或两种或多种非铁元素的组合的合金。
在一个列举形式中，有利的市售的镍合金可包含因科镍625(Inconel625)，其是具有以下化学组成的镍基合金：Ni-21％Cr-5％Fe-10％Mo-4％Nb。在另一个列举形式中，有利的的市售的钛合金可包括Ti64，其是具有以下化学组成的钛基合金：Ti-6％Al-4％V。或者，焊缝可由与市售合金中含量不同的含量的这些元素的其他组合组成(例如，镍和钛合金的掺合物)。通常，可被制成焊接金属的非铁元素的任何组合都是用于这些应用的候选物。
在本文所公开的焊接金属的代替方式中，高合金焊缝可包括铁作为元素，还包括浓度高于一般钢中的浓度的其他元素。实例是不锈钢(Fe-18％Cr-10％Ni)，沉淀硬化(PH)钢(Fe-16％Cr-6％Ni-1％Al)和其他的包括马氏体时效钢在内的铁基合金。与先前所公开的非铁合金不同的是，本发明的焊接金属在本文中应被称作“具有非碳强化元素的高合金焊接金属或铁基合金”。这些具有非碳强化元素的高合金焊接金属或铁基合金被不同于碳的元素强化，因此碳可能以低于0.05wt％、或低于0.025wt％、或低于0.01wt％存在。或者，除了可能以微量杂质含量存在之外，碳可能根本不存在于这些高合金焊接金属中。
本公开还涉及这些非铁焊接金属和高合金焊接金属用于联接钢结构(替代常规使用的钢焊接金属)以获得高性能接头的应用。焊接金属在焊件的特性中起关键的作用。用本文的非铁金属(例如镍、钛、钴合金)或所公开的具有与钢不同的物理和机械特性的高合金焊接金属替换常规的钢焊接金属，以多种方式来强化焊件完整性。首先，本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属可能由于它们固有的微结构而强化焊缝的强度和韧性。第二，本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属可能通过它们对残余应力的影响而强化焊件的完整性，这是由于它们对诸如应变硬化系数、热膨胀系数、熔化潜热、更高的相转变温度和不同的高温流动应力的物理特性的影响。与正被焊接的钢部件/结构相比的这些特性的差异提供了机会，以强化焊件，诸如疲劳、HAZ以及焊接金属强度和韧性。
在一个方面，本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物可用于焊缝铸铁和碳钢部件。另一个方面，本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物特别可用于焊接高碳钢，尤其是CE等于或大于0.48的那些高碳钢。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、和6150。示例性但非限制性的高碳钢包括AISI WI、SI、O1、A2、D2、M1、和API L80。在本公开的另一个方面，本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物可用于焊接包括但不限于不锈钢的铁基耐腐蚀合金。示例性但非限制性的不锈钢包括AISI 409、446、304、316L、410、440A、17-7PH以及双相不锈钢。在本公开的另一个方面，本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物可用于处理/焊接包括但不限于钛合金、钴合金、铁镍合金和镍合金的非铁合金。
本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物可使用所有传统的熔融焊接方法进行焊接，包括但不限于：SMAW(自动保护金属极电弧焊)，SAW(水下弧焊)，GMAW(气体金属弧焊)，FCAW(管状焊丝电弧焊)，PAW(等离子弧焊)，ESW(电渣焊)，EGW(气电焊)，RW(电阻焊接)和OFW(可燃气焊)。另外，非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物可通过固态方法焊接，诸如搅拌摩擦焊接(FSW)或熔融焊接方法和固态焊接方法(FSW)的组合。FSW的益处主要在于以下特征：(1)焊接需要更低的温度和在接头内的更低的温度，在邻近的基底金属内引起的不利影响减少(例如粗粒)；(2)由搅拌头旋转所引起的高度的塑性变形，其导致细晶粒，这可有助于改善的强度和韧性；和(3)与熔融焊缝相比，在焊件中避免了氢脆，所述的熔融焊缝由于电弧中残留水分的分解而通常倾向于氢脆。在油、气和石油化工产品应用中FSW焊接的应用在美国专利申请No 11/643,528中公开，其全文作为通过引用并入本文。
通过使用本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物所提供的有利的特性，包括一种或多种以下的非限制特性，增加的抗疲劳性、增加的韧性、增加的应变能力、增加的强度、增加的抗应力腐蚀开裂性、和更高的抗氢脆性。
应用
本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物可用在双相不锈钢(双相s.s.或DSS)的焊接中。双相s.s.从铁氧体相和奥氏体相的受控平衡实现其强度和耐腐蚀性。在体积双相s.s.中所需的相混合物通过控制热加工和/或冷加工和退火处理的组合得以实现。然而，当双相s.s.进行焊接时，将钢在单相铁氧体区中加热到极高的温度并在冷却到室温时冷却到双相钢相。为了使焊件在室温下达到所要求的相平衡，必须控制焊缝的冷却速率。实际上，冷却速率显著改变影响相位平衡并因此影响焊件的所得特性。双相s.s.的焊接采用本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物可提供改善的结合特性。在非铁焊缝的情况下，焊缝主要以单一相(例如，立方晶系或六方晶系)存在，并因此，由不当冷却造成的焊缝特性劣化将最小化。焊缝实质上具有单一相并因此对冷却速率不敏感。
本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物可用于形成例如作为点焊缝和对接焊缝的焊缝，以及用于修复焊接区域。更特别而言，本文所公开的焊接组合物可用来分别联接和修复/处理钢结构以及与油、气和石化工业有关的结构部件。本文所公开的焊接组合物可用在生产设备诸如制备所述部件的钢厂中或用在所述部件进行组装的装配场领域。使用本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物的熔融焊接、FSW及其组合也适用于形成并修复/处理在油气勘探、生产和精制应用中的结构。FSW对于在这类应用中形成管状部件的点焊缝和对接焊缝而言特别有利。
本文所公开的新的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物是合适的油气勘探、生产、精练工业中的列举但非限制性的结构，这些结构包括：高强度管线焊接区域，SCR和TTR焊接区域，带螺纹的部件，石油钻探单元焊接区域(即两端深水石油钻柱)，液化天然气(LNG)和加压液化天然气(PLNG)或压缩天然气(CNG)容器焊接区域，立管/套管接头，和井口装置。
在油气上游应用中，本文所公开的新的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物还适用于联接和修复在天然气输送和储存类型的应用中所使用的结构和部件。特别地，可利用本文所公开的焊接金属，以使得能够实施以下范围的气体输送技术：管道、压缩天然气(CNG)、加压液化天然气(PLNG)、液化天然气(LNG)和其他储存/输送技术。在天然气输送和储存类型的应用的一个形式中，本文所公开的焊接组合物可用于管线、流送管线、收集管线、扩充环路、和其他传输管线的联接/加工。在天然气输送和储存类型的应用的另一个形式中，本文所公开的焊接组合物可用于由以下材料制成的材料的联接/加工：碳钢，铸铁，结构钢，或者包括钢、铸铁、不锈钢、双相不锈钢、镍或钴基合金、其他Fe-Ni合金(例如因瓦合金)的耐腐蚀合金，或者其他不同类金属(例如钢和镍)的结合。在天然气输送和储存类型的应用的又一个形式中，本文所公开的焊接组合物可用于LNG、CNG和PLNG储存和/或输送结构的联接/加工。这包括模块化LNG结构、船舶、转移部件和管道、和相关技术(例如9％的Ni槽、因瓦合金槽)。
在油气勘探和采油应用中，本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物还可用于联接和修复油气井完井和生产所用的不同的结构。这些结构包括但不限于海上和陆上生产结构、油管线、储油箱、套管/管道、完井和生产部件、用于流线连接的铸造结构、海底部件、井下管状制品(例如OCTG)、干舷和相关结构、供送管、供应船和供给船、和火炬塔。更具体地，列举的海上生产结构包括导管架式平台、海上移动式钻探单元和相关生产部件如套管、钢筋束、立管和海底设备。海上移动式钻探单元包括但不限于半潜式和升降式转探平台、TLP、DDCV、随动塔式平台、FPSO、FSO、船舶、油船等。列举的海底部件包括但不限于双联结构、管汇系统、采油树和BOP。列举的干舷和相关结构包括甲板上层结构、转探平台、生活区、直升机起落甲板和相关结构。可理解的是，FSW可用来形成包括这些结构和部件的焊缝，以及FSP可用来修复和处理包括这些结构的焊缝或接头。
在下游应用中，本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物适用于联接和修复在精制和化工厂中所用的结构和部件。本文所公开的焊接组合物在精制和化工厂应用中，特别地通过部件/结构的修复、不同类金属的联接、钢结构的联接以及难焊接材料诸如铸铁的联接而提供了优点。这些应用包括但不限于铸铁、热交换器管以及低温和高温处理和压力容器。列举的低温和高温处理和压力容器包括蒸气裂解炉管和蒸汽重整管、以及精炼厂结构结构和部件。
在本公开的实践中，无论是否使用本文所公开的新的焊接组合物进行熔融FSW或FSP，在足以提供具有预先选定的基于焊件的意图中的应用的特性或一组特性的焊接接头或裂纹修复的条件下进行所述方法。例如，如果焊件的应用对韧性的要求高于对疲劳的要求，则选择有利于形成具有这些特性的焊缝的条件。
在利用本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物的焊接方法的一个形式中，获得了不同的基底金属的焊缝特性的数据库，包括但不限于：韧性、强度、硬度、疲劳性、粒径等，并与焊接或修复所进行的焊接条件相关联。然后，当为用于意图中的应用的焊接接头而选择特性或一组特性时，所使用的焊接组合物以及焊接或修复条件选择获得所选择特性或一组特性的那些条件。
可容易理解的是，上述实施方案所述的工件不必由相同的基底金属形成。类似地，焊接金属组合物根据工件而一般不由相同金属形成。因此，一般由含铁材料和焊接金属形成的工件包括本文所公开的不同材料(本文所公开的非铁焊接金属或高合金焊接金属组合物)的焊接组合物。因此，焊接组合物以及用于焊接的两个工件一般由不同的材料制成。
申请人试图公开可以合理预见的所公开主题的所有的形式和应用。然而，可能存在继续作为等价物的不可预见的、无实体的修改。尽管本公开已经连同其具体的、示例性的形式进行了描述，很显然，本领域技术人员可根据上述说明显而易见地作出许多的变型、修该和变化，而不脱离本公开的精神或范围。因此，本公开试图涵盖上述详细说明的所有这些变型、修该和变化。
本文引用的所有的专利、试验方法和其他文件，包括优先权文件，以这些公开不与本发明和不与允许这些并入的所有司法解释相矛盾的方式通过引用全部并入本文。
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