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耐腐蝕電磁閥的發明

發布時間:2014-04-14

發明背景本發明涉及的電磁閥的字段,用于控制工具操作井下在烴類生產井和海底油井設施。更具體地說,本發明涉及一種用具有適當材料的鐵磁和強度性能,并具有高的耐腐蝕性,以井下流體和鹽水構成的井下電磁閥。井下電磁驅動工具控制壓力油和天然氣在油氣生產井,并在海底油井應用生產。電磁閥控制不同的操作,包括閥門的開啟和關閉,滑套,封隔器,井口和其它井下工具和海底井系統。 螺線管??和其他工具執行器通常由含有鐵(Fe)和鐵的合金的鐵磁材料。當電線圈繞合金致動時,鐵作為一個磁鐵用于致動所述螺線管。雖然鋼鐵合金和不銹鋼合金通常為電磁閥的材料,這種合金仍腐蝕性,不承受暴露于井下流體和海水在海底安裝發現。 已作出許多努力來改善電磁閥的耐腐蝕性,同時保持閥門的鐵磁性質。在純粹的形式,鐵是比較弱,需要添加合金元素來提高強度和耐腐蝕性。鐵一般用合金碳(C)和硅(Si),以增加強度。既不是這些元素中的提高耐腐蝕性,因此少量的鉻(Cr)的鉬(Mo)和錳(Mn)添加到鐵的合金,以提高耐腐蝕性無顯著減少電磁閥材料的鐵磁性質。耐磨,與其他元素,包括鈹小于3%(BE),銀(Ag),鍶(Sr)和鋇(Ba)的組合具有鎳鐵高導磁合金。然而,這些合金被用于記錄行業中的磨損特性非常重要,屈服強度是相對不重要開發。除了腐蝕方面的考慮,井下井筒的狹窄范圍內限制了可用于電磁閥等電磁致動設備的空間。較大的電磁閥不容易被橫向放置在所述井筒,和更大的電磁閥占據空間的生產烴流體的干擾。 在深井,高流體壓力需要有足夠的鐵磁性開動井下設備螺線管。沒有任何已知的材料或相結合的必要的耐腐蝕性的化合物,機械強度,和鐵磁性能,以充分提供一種能夠在井眼操作井下的小型電磁閥。各種合金已經被開發來提供耐腐蝕電磁閥。必要屬性的合金組成的高飽和感應,開發一個強大磁場減少所需的驅動能量,高滲透性,以允許小的,高效率的元件,低的矯頑場強允許快速磁化和退磁快速閥操作的發展,從磁時效的自由,使磁特性的持續時間的推移,電阻為電磁閥高效運轉,并且耐腐蝕性耐腐蝕性的井下流體。 硅加入到低碳鐵,以增加硬度和電阻率,但是這種合金有腐蝕環境最小的阻力,而且往往鍍金打造的抗腐蝕性。 鉻鐵合金提供良好的耐腐蝕性和足夠的磁特性為核心應用,但是這種合金允許更高的磁芯損耗和提供比硅鐵合金較低的飽和度和滲透率。一個鉻鐵合金的一個例子是類型43OF螺線管優質不銹鋼制成,具有18%的鉻含量和少量鉬,相對于其他的不銹鋼具有優異的磁特性和低剩磁。被稱為鉻合金核電磁其它合金被控制,化學,鐵素體,具有優異的耐腐蝕性純鐵,低碳鋼,或硅鐵合金,但又具有更大的免疫力的飽和磁感應強度下降鉻鐵合金相關18%的鉻鐵素體不銹鋼。各種Chrome的芯合金的有8%和12%鉻,并具有磁通密度接近電鐵和硅芯鐵在磁場強度超過800 A / M 13%鉻合金進一步提高電阻率,同時提供良好的耐蝕性和穩定的鐵素體,鉬和鈮中添加了18%的鉻的合金芯,以增加耐腐蝕的性能,同時提供相對高的電阻率。賓夕法尼亞州采用0.01%的碳,0.05%錳,0.05%硅,48.75%鈷,1.90%的釩,其余為鐵。這種材料主要用作電氣設備需要高導磁率在非常高的磁通密度磁芯材料,并具有253歐姆的c / MF和420微歐毫米的電阻率。 這種合金的鐵含量相對較高限制了在高腐蝕應用中使用這種電磁合金。還有,相應地,需要一種用于提供強度,耐腐蝕性和磁性性能在井下應用和在海底井系統中使用的改進的材料。 

發明內容本發明公開了一種鐵磁性的,抗腐蝕的用于電磁設備用材料概要。該材料包含兩種鈷或鎳的量按重量計等于或大于60%,余量包含選自鈹,鋰,鋁,或鈦中的一種。在本發明的不同實施例中,該材料的平衡是由至少兩種選自鈹,鋰,鋁,鈦組成的組中的設置,并且所述電磁設備可以包括一個電磁線圈,例如用于與一個井下電磁閥。該材料可以具有至少60 ksi的的屈服強度,使材料可在其量按重量計等于或小于3%,鈷,鎳,或鈷和鎳的組合所形成的平衡包括鈹。  

這一發現提供了考慮潛在的電磁合金以前在井下工具的應用和在海底油井安裝未知的。鈷(Co)和鎳(Ni)提供了有力的鐵磁特性,但是這些元素的純的和退火的形式是非常弱的,因此并不適合用于構造電磁閥。元素鎳是非常弱的,具有15-25 KSI之間的屈服強度。元素鈷弱,有20-40 KSI之間的屈服強度。因此,從純鈷或鎳構成的電磁閥需要足夠容納井下電磁閥受力要求大的結構,而這些大型結構不會在井筒內密閉空間內適合井下。如果最高達3%鈹(Be)加入到鎳,相比于鎳鈹的原子數是小的,使得溶液退火和時效析出的鈹出在微觀結構的晶粒邊界,大大增加了材料的強度。 雖然純鎳具有15-25 ksi的屈服強度,另外2%的鈹加溶液退火和時效的結果在范圍170-220 ksi的,充分地超過用于井下電磁閥的要求的屈服強度。其他小元件,例如鋰(Li),鋁(Al),或鈦(Ti)可以被添加到鎳來完成,由鈹提供的強度性能。元素鈷具有范圍在20-40 ksi的屈服強度,但耐腐蝕性和鐵磁性能優異。加入到3%的鈹或其它小分子,例如鋰,鋁,鈦或鈷,隨后溶液退火和析出硬化或其他形式的老化,將導致具有足夠的強度,以形成螺線管芯的合金。 A 甲材料等于60%(重量)或更大的鎳或鈷將提供高的耐蝕性和合適的鐵磁品質用于井下的井孔10或在海底應用,條件是該物質平衡中的至少一部分形成有至少一個一組由鈹,鋰,鋁或鈦的。在本發明的另一個實施例中,2在該組中的元素的一個或多個可以形成該材料的平衡。 在本發明的一個優選實施方案中,3%或更低的材料可以與鈹形成,具有能與鎳或鈷形成的平衡,或鎳和鈷的組合。本發明獨特地提供了一種具有足夠的鐵磁特性,強度和耐腐蝕性,以在井筒中的設備,如井的井下工具進行操作,并在海底井應用的材料。由本發明所公開的材料提供不具備現有的電磁磁鐵材料的組合優勢,并提供了在生產烴類的用于井下工具系統的設計顯著靈活性。在海底井系統,該材料的腐蝕引起的海水高度抗性,并且是適合于提供所需的海底致動器的高壓性能的磁和強度性能。雖然本發明已經在某些優選實施例進行了描述,但顯而易見對本領域的普通技術人員進行修改和改進可以在本文中而不脫離本發明的精神和范圍作出的發明概念的。本文所示的實施例僅僅是說明性的,本發明的概念,并且不應被解釋為限制本發明的范圍。

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