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KR101440312B1 - 고강도 합금 - Google Patents

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KR101440312B1
KR101440312B1 KR1020087028595A KR20087028595A KR101440312B1 KR 101440312 B1 KR101440312 B1 KR 101440312B1 KR 1020087028595 A KR1020087028595 A KR 1020087028595A KR 20087028595 A KR20087028595 A KR 20087028595A KR 101440312 B1 KR101440312 B1 KR 101440312B1
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필립 제임스 마지애즈
존 폴 쉰글레데커
마이클 레오나드 산텔라
요아킴 휴고 쉬네이벨
비노드 쿠마 시카
하롤드 제이 비니거
랜디 칼 존
동섭 김
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

고강도 합금이 설명된다. 합금의 적어도 하나의 조성은 크롬, 니켈, 구리, 망간, 실리콘, 니오븀, 텅스텐 및 철을 포함한다. 히터 시스템은 적어도 하나의 금속 합금을 포함하는 재료로부터 적어도 부분적으로 이루어지는 캐니스터를 포함할 수 있다. 지하 지층을 가열하는 시스템은 적어도 하나의 금속 합금을 함유하는 재료로부터 적어도 부분적으로 이루어지는 관을 포함할 수 있다.
항복 강도, 나노니트라이드 석출물, 풀림 온도, 냉간 가공, 열간 가공, 시효 처리, 히터 시스템, 캐니스터, 열 생성 요소, 가열 매체 시스템, 핵 반응기, 전기 동력 가열 요소

Description

고강도 합금 {HIGH STRENGTH ALLOYS}
본 발명은 금속 조성물에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 높은 온도 및/또는 낮은 온도에서 고강도를 갖는 금속 합금에 관한 것이다.
지하 지층으로부터 얻어진 탄화수소는 공급원료 등의 에너지 자원으로서 그리고 소비재로서 종종 사용된다. 이용가능한 탄화수소 자원의 고갈에 대한 걱정 그리고 형성되는 탄화수소의 전체 질의 감소에 대한 걱정으로 인해, 이용가능한 탄화수소 자원의 더욱 효과적인 회수, 처리 및/또는 사용을 위한 처리가 개발되고 있다. 지하 지층으로부터 탄화수소 재료를 제거하기 위해 현장 처리가 이용될 수 있다. 지하 지층 속의 탄화수소 재료의 화학적 및/또는 물리적 특성은 지하 지층으로부터 탄화수소 재료를 더욱 용이하게 제거할 수 있도록 변화될 필요가 있을 수 있다. 화학적 및 물리적 변화는 제거가능한 유체를 형성하는 현장 반응, 지층 속의 탄화수소 재료의 조성 변화, 용해도 변화, 밀도 변화, 상 변화 및/또는 점도 변화를 포함할 수 있다. 유체는 가스, 액체, 에멀젼, 슬러리 및/또는 액체 유동과 유사한 유동 특성을 갖는 고체 입자의 스트림일 수 있고, 이에 국한되지 않는다.
웰보어가 지층에 형성될 수 있다. 어떤 실시형태에서는, 케이싱 또는 다 른 파이프 시스템이 웰보어에 위치되거나 형성될 수 있다. 어떤 실시형태에서는, 확장가능한 관이 웰보어에 사용될 수 있다. 히터는 현장 처리 동안 지층을 가열하기 위해 웰보어에 위치될 수 있다.
유혈암 지층에의 가열의 적용이 융스트롬(Ljungstrom)에게 부여된 미국 특허 제 2,923,535 호 및 반 무와(Van Meurs) 등에게 부여된 제 4,886,118 호에 기재되어 있다. 유혈암 지층에서 케로젠을 열분해하기 위해 유혈암 지층에 열이 적용될 수 있다. 이 열은 지층의 투과성을 증가시키기 위해 지층을 파열시킬 수도 있다. 증가된 투과능력은 유체가 유혈암으로부터 제거되는 생성 우물로 지층 유체가 이동하도록 할 수 있다. 융스트롬에 의해 개시된 어떤 과정에서, 바람직하게는 예비 가열 단계에서 아직 뜨거운 동안에, 연소를 초기화하기 위해 예를 들어 산소 함유 기체 매체가 투과성 지층에 안내된다.
지하 지층을 가열하기 위해 열원이 사용될 수 있다. 전기 히터가 방사 및/또는 전도에 의해 지하 지층을 가열하는데 사용될 수 있다. 전기 히터는 저항적으로 요소를 가열할 수 있다. 저메인(Germain)에게 부여된 미국 특허 제 2,548,360 호; 이스트룬드(Eastlund) 등에게 부여된 제 4,716,960 호; 및 반 에그몬드(Van Egmond)에게 부여된 5,065,818 호는 웰보어에 위치된 전기 가열 요소를 기재한다. 비니거(Vinegar) 등에게 부여된 미국 특허 제 6,023,554 호는 케이싱에 위치되는 전기 가열 요소를 기재한다. 가열 요소는 케이싱을 가열하는 방사 에너지를 발생시킨다.
반 무와(Van Meurs) 등에게 부여된 미국 특허 제 4,570,715 호는 전기 가 열 요소를 기재한다. 가열 요소는 전기 전도성 코어, 절연 물질의 포위 층, 및 포위 금속성 덮개를 갖는다. 전도성 코어는 고온에서 상대적으로 낮은 저항을 가질 수 있다. 절연 물질은 고온에서 상대적으로 높은 전기 저항, 압축 강도 및 열 전도성 특성을 가질 수 있다. 절연 층은 코어로부터 금속성 덮개로 아크가 발생하는 것을 막을 수 있다. 금속성 덮개는 고온에서 상대적으로 높은 인장 강도 및 크리프 저항 특성을 가질 수 있다. 반 에그몬드(Van Egmond)에게 부여된 미국 특허 제 5,060,287 호는 구리-니켈 합금 코어를 갖는 전기 가열 요소를 기재한다.
히터는 정제 스테인레스 스틸로부터 제조될 수 있다. 마지아즈(Maziasz) 등에게 부여된 미국 특허 제 7,153,373 호 및 마지아즈 등에게 부여된 미국 특허 제 US 2004/0191109 호는 주조 마이크로구조 또는 정제된 결정 시트 및 박편으로서 변형된 237 스테인레스 스틸을 기재하였다.
상기 약술된 바와 같이, 탄화수소 함유 지층으로부터 탄화수소, 수소 및/또는 다른 생성물을 경제적으로 생산하기 위해 히터, 방법 및 시스템을 개발하기 위한 많은 노력이 있어 왔다. 그러나, 현재 탄화수소, 수소 및/또는 다른 생성물이 경제적으로 생산될 수 없는 많은 탄화수소 함유 지층이 여전히 존재한다. 따라서, 다양한 탄화수소 함유 지층으로부터 탄화수소, 수소 및/또는 다른 생성물의 생산을 위한 방법 및 시스템에 사용되는 히터를 위한 향상된 금속에의 필요가 여전히 존재한다.
여기 설명된 실시형태는 일반적으로 1 이상의 금속 조성물에 관한 것이다. 몇몇 실시형태에서, 금속 조성물을 함유하는 물질을 사용하는 시스템 및 방법이 설명된다.
몇몇 실시형태에서, 금속 합금 조성물은 18중량% 내지 22중량% 크롬; 5중량% 내지 13중량% 니켈; 3중량% 내지 10중량% 구리; 1중량% 내지 10중량% 망간; 0.3중량% 내지 1중량% 실리콘; 0.5중량% 내지 1.5중량% 니오븀; 0.5중량% 내지 2중량% 텅스텐; 및 38중량% 내지 63중량% 철을 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 금속 합금 조성물은 18중량% 내지 22중량% 크롬; 5중량% 내지 9중량% 니켈; 1중량% 내지 6중량% 구리; 0.5중량% 내지 1.5중량% 니오븀; 1중량% 내지 10중량% 망간; 0.5중량% 내지 1.5중량% 텅스텐; 36중량% 내지 74중량% 철; 및 나노니트라이드 석출물을 포함하며, 여기서 구리에 대한 텅스텐의 비는 약 1/10 ~ 10/1 이다.
몇몇 실시형태에서, 본 발명은, 히터 시스템이 열 생성 요소 및 열 생성 요소를 둘러싸는 캐니스터를 포함할 수 있으며, 상기 캐니스터는 18중량% 내지 22중량% 크롬; 5중량% 내지 14중량% 니켈; 1중량% 내지 10중량% 구리; 0.5중량% 내지 1.5중량% 니오븀; 36중량% 내지 70.5중량% 철; 및 나노니트라이드 석출물을 포함하는 물질로 적어도 부분적으로 이루어짐을 설명한다.
몇몇 실시형태에서, 본 발명은, 관을 포함하는 지하 지층 가열용 시스템을 설명하며, 상기 관은 18중량% 내지 22중량% 크롬; 10중량% 내지 14중량% 니켈; 1중량% 내지 10중량% 구리; 0.5중량% 내지 1.5중량% 니오븀; 36중량% 내지 70.5중량% 철; 및 나노니트라이드 석출물을 포함하는 물질로 적어도 부분적으로 이루어짐을 설명한다.
다른 실시형태에서, 지하 지층의 처리는 여기서 설명하는 방법, 시스템 또는 히터를 이용하여 행해진다.
다른 실시형태에서, 부가적인 특징이 여기서 설명하는 특정 실시형태에 부가될 수 있다.
본 발명의 이점은 이하의 상세한 설명과 첨부 도면을 참조하면 본 기술분야의 당업자에게 명백해질 것이다.
뒤따르는 상세한 설명의 이익으로 그리고 도면을 참조하여 본 발명의 이점이 당업자에게 명백해질 것이며, 여기서:
도 1 은 탄화수소 함유 층을 처리하는 현장 열처리 치스템의 일부의 실시형태의 개략도를 보여준다.
도 2 는 합금 내의 상의 중량백분율 대 크롬의 중량백분율의 실험적 계산을 나타낸다.
도 3 은 합금 내의 상의 중량백분율 대 실리콘의 중량백분율의 실험적 계산을 나타낸다.
도 4 는 합금 내의 상의 중량백분율 대 텅스텐의 중량백분율의 실험적 계산을 나타낸다.
도 5 는 합금 내의 상의 중량백분율 대 니오븀의 중량백분율의 실험적 계산 을 나탄낸다.
도 6 은 합금 내의 상의 중량백분율 대 탄소의 중량백분율의 실험적 계산을 나탄낸다.
도 7 은 합금 내의 상의 중량백분율 대 질소의 중량백분율의 실험적 계산을 나탄낸다.
도 8 은 합금 내의 상의 중량백분율 대 티타늄의 중량백분율의 실험적 계산을 나탄낸다.
도 9 는 합금 내의 상의 중량백분율 대 구리의 중량백분율의 실험적 계산을 나탄낸다.
도 10 은 합금 내의 상의 중량백분율 대 망간의 중량백분율의 실험적 계산을 나탄낸다.
도 11 은 합금 내의 상의 중량백분율 대 니켈의 중량백분율의 실험적 계산을 나탄낸다.
도 12 는 합금 내의 상의 중량백분율 대 몰리브덴의 중량백분율의 실험적 계산을 나탄낸다.
도 13 은 다른 금속에 대한 항복 강도 및 극한 인장 강도를 나타낸다.
도 14 는 다른 금속에 대한 항복 강도를 나타낸다.
도 15 는 다른 금속에 대한 극한 인장 강도를 나타낸다.
도 16 은 다른 금속에 대한 항복 강도를 나타낸다.
도 17 은 다른 금속에 대한 극한 인장 강도를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형상일 여지가 있는 한편, 그 구체적인 실시형태는 도면의 예에 의하여 보여지며 여기에 상세하게 설명될 수 있다. 도면은 축척에 따르지 않을 수 있다. 그러나, 도면 및 그 상세한 설명은 발명이 개시된 특별한 형태에 제한되도록 의도되지 않으며, 반대로 첨부된 청구항에 의해 규정되는 바와 같이 본 발명의 정신과 범위 내의 모든 변형, 동등물 및 대체물을 커버하도록 이해되어야 한다.
이하의 설명은 일반적으로 지층 내 탄화수소를 처리하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 그러한 지층을 처리하여, 탄화수소 생성물, 수소 및 다른 생성물을 얻을 수 있다.
"교류(AC)"는 실질적으로 사인 곡선으로 방향을 전환하는 시간에 따라 변하는 전류이다. AC 는 강자성의 전도체에서 표피 효과 전류를 생성한다.
"API 비중"은 15.5℃(60℉) 에서의 API 비중을 말한다. API 비중은 ASTM 방법 D6822 에 의해 결정된다.
"드러난 금속" 및 "노출된 금속"은 무기 절연체와 같은 전기 절연 층을 포함하지 않는 기다란 부재의 금속을 말하며, 이 층은 기다란 부재의 작동 온도 범위에서 금속에 전기 절연을 제공하도록 설계된다. 드러난 금속 및 노출된 금속은 자연히 발생하는 산화층, 적용된 산화층, 및/또는 필름과 같은 부식 억제제를 포함하는 금속을 포함할 수 있다. 드러난 금속 및 노출된 금속은 기다란 부재의 전형적인 작동 온도에서 전기 절연 특성을 보유할 수 없는 중합의 또는 다른 유형의 전기 절연체를 포함한다. 그러한 재료가 금속에 배치될 수 있으며 히터를 사용하는 동안에 열적으로 악화될 수 있다.
"탄소 수"는 분자 내 탄소 원자의 개수를 가리킨다. 탄화수소 유체는 상이한 탄소 수를 갖는 다양한 탄화수소를 포함할 수 있다. 탄화수소 유체를 탄소 수 분포로 기술할 수 있다. 탄소 수 및/또는 탄소 수 분포는 참 끓는점 (true boiling point) 분포 및/또는 기체-액체 크로마토그래피에 의해 결정될 수 있다.
"칼럼 X 원소(들)"은 주기율표 중 칼럼 X 의 1 이상의 원소, 및/또는 주기율표 중 칼럼 X 의 1 이상의 원소의 1 이상의 화합물을 가리키며, 여기서 X 는 주기율표의 칼럼 번호 (예컨대, 13 ∼ 18) 에 대응한다. 예컨대, "칼럼 15 원소"는 주기율표의 칼럼 15 의 원소 및/또는 주기율표의 칼럼 15 의 1 이상의 원소의 화합물을 가리킨다.
"퀴리(Curie) 온도"는 그 이상의 온도에서 강자성 물질이 그 강자성의 특성 모두를 잃는 온도이다. 퀴리 온도 이상에서 강자성의 특성을 모두 잃는 것에 더하여, 증가하는 전류가 강자성 물질을 통과할 때 강자성 물질은 그 강자성 특성을 잃기 시작한다.
"유체 압력"은 지층 내의 유체에 의해 발생되는 압력이다. "리소스태틱(Lithostatic) 압력"(때때로 "리소스태틱 스트레스" 라고도 함)은 위에 있는 암석 덩어리의 단위 면적 당 중량과 같은 지층에서의 압력이다. "정수압적 압력"은 물기둥에 의해 가해지는 지층에서의 압력이다.
"지층"은 1 이상의 탄화수소 함유 층, 1 이상의 비탄화수소 층, 상부 퇴적물 (overburden) 및/또는 하부 퇴적물 (underburden) 을 포함한다. "탄화수소 층"은 탄화수소를 함유하는 지층의 층을 말한다. 탄화수소 층은 비탄화수소 물질 및 탄화수소 물질을 함유할 수 있다. "상부 퇴적물" 및/또는 "하부 퇴적물"은 1 이상의 상이한 종류의 불투과성 재료를 포함한다. 예컨대, 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물은 암석, 셰일, 이암, 또는 습식/기밀 탄산염을 포함할 수 있다. 현장 열처리 과정의 일부 실시형태에서, 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물은, 상대적으로 불투과성이며 또 현장 열처리 동안 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물의 탄화수소 함유 층의 중요한 특성 변화를 발생시키는 온도를 거치지 않는 탄화수소 함유 층(들)을 포함할 수 있다. 예컨대, 하부 퇴적물은 셰일 또는 이암을 포함할 수 있지만, 하부 퇴적물은 현장 열처리 과정 동안 열분해 온도까지 가열되는 것은 허용되지 않는다. 몇몇의 경우에, 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물은 약간 투과성일 수 있다.
"지층 유체"는 지층 내에 존재하는 유체를 가리키며, 열분해 유체, 합성가스, 가동화 유체, 비스브레이킹 (visbreaking) 된 유체 및 물 (증기) 을 포함할 수 있다. 지층 유체는 비탄화수소 유체뿐만 아니라 탄화수소 유체를 포함할 수 있다. "가동화 유체"는 지층의 열처리 결과 유동할 수 있는 탄화수소 함유 지층 내 유체를 가리킨다. "생성된 유체"는 지층으로부터 제거된 유체를 가리킨다.
"열원"은 실질적으로 전도 및/또는 복사 열전달에 의해 지층의 적어도 일부에 열을 제공하는 임의의 시스템이다. 예컨대, 열원은 절연된 도체, 기다란 부 재 및/또는 도관 내에 배치된 도체와 같은 전기 히터를 포함할 수 있다. 열원은 지층 외부 또는 내부에서 연료를 연소시킴으로써 열을 발생시키는 시스템을 또한 포함할 수 있다. 이 시스템은 표면 버너, 다운홀 가스 버너, 무염 (flameless) 분배 연소기 및 천연 분배 연소기일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 1 이상의 열원에 제공되거나 열원에서 발생되는 열은 다른 에너지원에 의해 공급될 수 있다. 다른 에너지원은 지층을 직접 가열하거나, 또는 지층을 직접 또는 간접적으로 가열하는 전달 매체에 에너지가 가해질 수 있다. 지층에 열을 가하는 1 이상의 열원은 상이한 에너지원을 이용할 수 있다. 따라서, 예컨대, 주어진 지층의 경우, 일부 열원은 전기 저항 히터로부터 열을 공급하고, 일부 열원은 연소로부터 열을 공급하며, 또 일부 열원은 1 이상의 다른 에너지원 (예컨대, 화학 반응, 태양에너지, 풍력, 바이오매스 (biomass), 또는 재생가능한 다른 에너지원) 으로부터 열을 공급할 수 있다. 화학 반응은 발열 반응 (예컨대, 산화 반응) 을 포함할 수 있다. 열원은 히터 웰 (heater well) 과 같은 가열 위치에 가까운 구역 및/또는 가열 위치를 둘러싸는 구역에 열을 제공하는 히터를 또한 포함할 수 있다.
"히터"는 웰 (well) 내에 또는 웰보어 구역 근방에 열을 발생시키는 임의의 시스템 또는 열원이다. 히터는 지층 내 재료 또는 지층에서 생성된 재료와 반응할 수 있는 전기 히터, 버너, 연소기 및/또는 이들의 조합일 수 있으며, 이에 국한되지 않는다.
"중탄화수소"는 점성 탄화수소 유체이다. 중탄화수소는 중유, 타르, 및/ 또는 아스팔트와 같은 매우 점성인 탄화수소 유체를 포함할 수 있다. 중탄화수소는 탄소와 수소, 및 작은 농도의 황, 산소 및 질소를 포함할 수 있다. 추가적인 요소가 또한 소량으로 중탄화수소에 존재할 수도 있다. 중탄화수소는 API 비중에 의해 분류될 수 있다. 중탄화수소는 일반적으로 20°아래의 API 비중을 갖는다. 예를 들어, 중유는 10-20°의 API 비중을 가지며, 한편 타르는 10°아래의 API 비중을 갖는다. 중탄화수소의 점성은 일반적으로 15℃ 에서 100 센티푸아즈보다 더 크다. 중탄화수소는 방향족 또는 다른 복합체 고리 탄화수소를 포함할 수 있다.
중탄화수소는 상대적으로 투과성 지층에서 발견될 수 있다. 상대적으로 투과성인 지층은 예를 들어 모래 또는 탄산염에 동반되는 중탄화수소를 포함할 수 있다. "상대적으로 투과성"은, 지층 또는 그 부분에 대하여, 평균 투과성 10 밀리다르시(millidarcy) 또는 그 이상(예를 들어, 100 밀리다르시)으로서 정의된다. "상대적으로 낮은 투과성"은, 지층 또는 그 부분에 대하여, 10 밀리다르시보다 더 적은 평균 투과성으로서 정의된다. 1 다르시는 0.99 제곱 마이크로미터와 같다. 비투과성 층은 일반적으로 0.1 밀리다르시보다 적은 투과능력을 갖는다.
중탄화수소를 포함하는 지층의 특정 유형은 또한, 천연 무기 왁스 또는 천연 아스팔타이트일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. "천연 무기 왁스"는 전형적으로 수 미터 너비, 수 킬로미터 길이, 및 수백 미터 깊이일 수 있는 실질적으로 관형인 맥에서 발생한다. "천연 아스팔타이트"는 방향족 조성의 고체 탄화수소 를 포함하며 전형적으로 큰 맥에서 발생한다. 천연 무기 왁스 및 천연 아스팔타이트와 같은 지층으로부터 탄화수소의 현장 회수는 액체 탄화수소를 형성하기 위한 용해 및/또는 지층으로부터 탄화수소의 용액 채굴을 포함할 수 있다.
"탄화수소"는 일반적으로 주로 탄소와 수소 원자로 형성된 분자로 정의된다. 탄화수소는 할로겐, 금속원소, 질소, 산소 및/또는 황과 같은 다른 원소를 또한 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 탄화수소는 케로겐, 역청, 피로역청, 오일, 천연 광랍 및 아스팔타이트일 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 탄화수소는 땅 속 광물 매트릭스 내에 또는 인접하게 위치될 수 있다. 매트릭스는 퇴적암, 모래, 실리실라이트 (silicilyte), 탄산염, 규조토 및 다른 다공성 매체를 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. "탄화수소 유체"는 탄화수소를 포함하는 유체이다. 탄화수소 유체는 수소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 물 및 암모니아와 같은 비탄화수소 (non-hydrocarbon) 유체를 포함 또는 동반하거나 비탄화수소 유체에 동반될 수 있다.
"현장 전환 과정"은 열분해 유체가 지층에 생성되도록 열분해 온도 이상으로 지층의 적어도 일부의 온도를 올리기 위해 열원으로부터 탄화수소 함유 지층을 가열하는 과정을 가리킨다.
"현장 열처리 과정"은, 지층 내에 가동화 유체, 비스브레이킹된 유체, 및/또는 열분해 유체가 생성되도록, 가동화 유체, 탄화수소 함유 재료의 비스브레이킹, 및/또는 열분해가 이루어지는 온도 이상으로 지층의 적어도 일부의 온도를 올리기 위해 열원으로 탄화수소 함유 지층을 가열하는 과정을 가리킨다.
"절연된 전도체"는 전기를 전달할 수 있으며 전기 절연성 재료에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 덮혀지는 어떠한 기다란 물질을 가리킨다. "케로젠(Kerogen)"은 자연 분해에 의해 변환되었으며 주로 탄소, 수소, 질소, 산소 및 황을 함유하는 고체의 불용성 탄화수소이다. 석탄 및 유혈암(oil shale)이 케로젠을 함유하는 물질의 전형적인 예이다. "비투멘(Bitumen)"은 이황화탄소에 실질적으로 녹을 수 있는 비결정질 고체 또는 점성 탄화수소 물질이다. "오일"은 응축될 수 있는 탄화수소의 혼합물을 함유하는 유체이다.
"변조된 직류(DC)"는 강자성 전도체에서 표피 효과 전기 흐름을 생성하는 어떠한 실질적으로 사인곡선이 아닌 시간에 따라 변하는 전류를 가리킨다.
"질화물(Nitride)"은 질소와 주기율표의 1종 이상의 다른 원소의 화합물을 가리킨다. 질화물은, 질화규소, 질화붕소, 또는 질화알루미나를 포함하며, 이에 제한되지는 않는다.
"주기율표"는 2003년 11월 국제 순수 및 응용 화학 연맹(IUPAC)에 의해 규정된 주기율 표를 가리킨다. 이 출원의 범위에서, 주기율표로부터의 금속의 중량, 주기율표로부터의 금속의 화합물의 중량, 주기율표로부터의 원소의 중량, 또는 주기율표로부터의 원소의 화합물의 중량이 금속의 중량 또는 원소의 중량으로서 계산된다. 예를 들어, 0.1 그램의 MoO3 가 촉매의 1 그램 당 사용된다면, 촉매에서 몰리브덴 금속의 계산된 중량은 촉매 1 그램 당 0.067 그램이다.
"열분해"는 열 공급으로 인한 화학 결합의 파괴이다. 예컨대, 열분해는 단지 열로써 화합물을 1 이상의 다른 물질로 변환시키는 것을 포함할 수 있다. 열은 지층의 구획에 전달되어 열분해를 야기할 수 있다.
"열분해 유체" 또는 "열분해 생성물"은 실질적으로 탄화수소의 열분해 동안 형성된 유체를 가리킨다. 열분해 반응에 의해 형성된 유체는 지층 내 다른 유체와 혼합될 수 있다. 이 혼합물은 열분해 유체 또는 열분해 생성물로 간주된다. 여기서 사용되는 "열분해 구역"은 반응되거나 반응하여 열분해 유체를 형성하는 지층의 체적 (예컨대, 역청사암 지층과 같은 비교적 투과성인 지층) 을 가리킨다.
"침전"은 표면의 초기 높이에 대한 지층의 일부의 하향 운동이다.
"타르"는 일반적으로 15℃에서 10,000 센티푸아즈보다 더 큰 점도를 갖는 점성 탄화수소이다. 타르의 비중은 일반적으로 1.000 보다 더 크다. 타르는 10°보다 작은 API 비중을 가질 수 있다.
"타르 모래 지층"은 탄화수소가 무기 결정 구조 또는 다른 군 암석학(예를 들어, 모래 또는 탄산염)에 혼입된 중탄화수소 및/또는 타르의 형태로 주로 존재하는 지층이다. 타르 모래 지층의 예는 캐나다의 알베르타에 있는 아사바스카(Athabasca) 지층, 그로스몬트(Grosmont) 지층, 및 피스 리버(Peace River) 지층 과 베네주엘라의 오리노코(Orinoco) 지대에 있는 파자(Faja) 지층과 같은 지층을 포함한다.
"온도 제한된 히터"는 일반적으로 온도 제어기, 동력 조절기, 정류기, 또는 다른 장치와 같은 외부 제어를 사용하지 않고 특정 온도 이상에서 출력되는 열을 조절하는(예를 들어, 출력되는 열을 감소시키는) 히터를 가리킨다. 온도 제한된 히터는 AC(교류) 또는 변조된(예를 들어, "촙드된(chopped)") DC(직류) 동력 전기 저항 히터일 수 있다.
"열 전도성"은, 정상 상태에서, 재료의 두 표면 사이의 주어진 온도 차에서 그 두 표면 사이에 열이 흐르는 비율을 설명하는 물질의 특성이다.
"열 균열"은 지층 및/또는 지층의 유체의 팽창이나 수축에 의해 야기되어 지층에서 생성되는 균열을 가리키며, 상기 팽창이나 수축은 지층 및/또는 지층의 유체의 온도를 증가/감소시킴으로써 그리고/또는 가열에 의해 지층의 유체의 압력을 증가/감소시킴으로써 야기된다.
"시간에 따라 변하는 전류"는 강자성 전도체에서 표피 효과 전기 흐름을 생성하고 시간에 따라 변하는 크기를 갖는 전류를 가리킨다. 시간에 따라 변하는 전류는 교류(AC) 및 변조된 직류(DC)를 모두 포함한다.
온도 제한된 히터의 "침체율(turndown ratio)"은 주어진 전류에 대해 퀴리 온도 이상에서의 가장 낮은 저항에 대한 퀴리 온도 이하에서의 가장 높은 AC 또는 변조된 DC 의 비이다.
용어 "웰보어"는 드릴링 또는 지층에의 도관 삽입에 의해 형성된 지층 내 구멍을 가리킨다. 웰보어는 실질적으로 원형의 단면 또는 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 여기서 사용되는 용어 "웰"과 "개구"는 지층 내 개구를 나타내는 경우 용어 "웰보어"와 서로 교환가능하게 사용될 수 있다.
도 1 은 탄화수소 함유 지층을 처리하기 위한 현장 열처리 시스템의 일부의 실시형태의 개략도를 보여준다. 현장 열처리 시스템은 장벽 (barrier) 웰 (200) 을 포함할 수 있다. 장벽 웰은 처리 영역 주위에 장벽을 형성하기 위해 사용된다. 장벽은 처리 영역 내외로의 유체 유동을 금지한다. 장벽 웰은 탈수 웰, 진공 웰, 캡쳐 (capture) 웰, 주입 웰, 그라우트 (grout) 웰, 프리즈 (freeze) 웰, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. 몇몇의 실시형태에서, 장벽 웰 (200) 은 탈수 웰이다. 탈수 웰은 액체 물을 제거하고/하거나 액체 물이 가열되는 지층의 부분에 또는 가열되는 지층에 들어가는 것을 막을 수 있다. 도 1 에 나타낸 실시형태에서, 장벽 웰 (200) 은 단지 열원 (202) 의 한 측을 따라서만 연장되어 있고, 장벽 웰은 일반적으로 지층의 처리 영역을 가열하기 위해 사용되는 또는 사용될 열원 (202) 을 둘러싸지 않는다.
열원 (202) 은 지층의 적어도 일부에 위치된다. 열원 (202) 은 절연된 도체, 도관 내 도체 히터, 표면 버너, 무염 분배 연소기, 및/또는 천연 분배 연소기와 같은 히터를 포함할 수 있다. 또한, 열원 (202) 은 다른 종류의 히터를 포함할 수 있다. 열원 (202) 은 지층 내 탄화수소를 가열하기 위해 지층의 적어도 일부에 열을 제공한다. 에너지가 공급 라인 (204) 을 통해 열원 (202) 에 공급될 수 있다. 공급 라인 (204) 의 구조는 지층을 가열하는데 사용되는 열원(들)의 종류에 따라 다를 수 있다. 열원을 위한 공급 라인 (204) 은 전기 히터를 위한 전기를 전달하거나, 연소기를 위한 연료를 운반하거나, 또는 지층에서 순환되는 열교환 유체를 운반할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 현장 열처리 과정을 위한 전기는 핵 발전소(들)에 의해 제공될 수 있다. 원자력의 사용으로 현장 열처리 과정에서 이산화탄소 방출을 감소 또는 제거할 수 있다.
지층이 가열되는 때, 지층으로의 열 입력은 지층의 확장 및 지구역학적 (geomechanical) 운동을 야기할 수 있다. 열원은 탈수 처리 이전에, 탈수 처리와 동시에, 또는 탈수 처리 동안에 켜진다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 가열에 대한 지층 응답을 모델링할 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션은 지층의 지구역학적 운동이 열원, 제조 웰, 및 지층 내 다른 장비의 기능성에 악영향을 미치지 않도록 지층 내 열원을 활성화하기 위한 패턴과 시간 시퀀스를 개발하기 위해 사용될 수 있다.
지층의 가열은 지층의 투과성 및/또는 다공성의 증가를 야기할 수 있다. 투과성 및/또는 다공성이 증가하면, 물의 증발과 제거, 탄화수소의 제거, 및/또는 단열 (fracture) 의 형성으로 인해 지층 내 질량이 감소할 수 있다. 유체는 지층의 증가된 투과성 및/또는 다공성으로 인해 지층의 가열된 부분에서 더욱 용이하게 유동할 수 있다. 지층의 가열된 부분 내 유체는 증가된 투과성 및/또는 다공성으로 인해 지층을 통해 먼 거리를 이동할 수 있다. 먼 거리는 지층의 투과성, 유체의 특성, 지층의 온도, 및 유체의 이동을 허락하는 압력 구배와 같은 다양한 인자에 따라 1000 m 이상일 수 있다. 지층 내에서 먼 거리를 이동할 수 있는 유체의 능력으로 인해, 제조 웰 (206) 을 지층에서 비교적 먼 간격으로 배치할 수 있다.
제조 웰 (206) 은 지층으로부터 지층 유체를 제거하기 위해 사용된다. 몇몇의 실시형태에서, 제조 웰 (206) 은 열원을 포함한다. 제조 웰의 열원은 제조 웰에서 또는 제조 웰 근방에서 지층의 1 이상의 부분을 가열할 수 있다. 몇몇의 현장 열처리 과정 실시형태에서, 제조 웰 1 미터 당 제조 웰로부터 지층에 공급되는 열량은 열원 1 미터 당 지층을 가열하는 열원으로부터 지층에 공급되는 열량보다 작다. 제조 웰로부터 지층에 가해지는 열은 제조 웰에 인접한 액상 유체를 증발시키고 제거함으로써 그리고/또는 매크로 및/또는 마이크로 단열의 형성에 의해 제조 웰에 인접한 지층의 투과성을 증가시킴으로써 제조 웰 근방에서 지층 투과성을 증가시킬 수 있다.
1 이상의 열원이 제조 웰에 위치될 수 있다. 인접 열원들로부터의 열의 중첩이 제조 웰로 지층을 가열함으로써 제공되는 이점을 상쇄할 정도로 지층을 충분히 가열하는 때, 제조 웰의 하측 부분에 있는 열원은 꺼질 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 제조 웰의 상측 부분에 있는 열원은 제조 웰의 하측 부분에 있는 열원이 비활성화된 후에도 켜진 상태로 유지될 수 있다. 상기 웰의 상측 부분에 있는 열원은 지층 유체의 응축 및 환류 (reflux) 를 억제할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 제조 웰 (206) 의 열원에 의해, 지층으로부터 지층 유체의 증기 상 제거가 가능하다. 제조 웰을 가열하면, (1) 제조 유체가 상부 퇴적물 근방의 제조 웰 내에서 이동할 때, 제조 유체의 응축 및/또는 환류를 억제할 수 있고, (2) 지층으로의 열 입력을 증가시킬 수 있으며, (3) 제조 웰로부터의 제조 속도를 열원이 없는 제조 웰에 비해 증가시킬 수 있고, (4) 제조 웰에서 높은 탄소 수 화합물 (C6 및 그 이상) 의 응축을 억제할 수 있으며, 그리고/또는 (5) 제조 웰 또는 그 근방에서 지층 투과성을 증가시킬 수 있다.
지층 내 지하 압력은 지층에서 생성되는 유체 압력에 상응할 수 있다. 지층의 가열된 부분의 온도가 올라감에 따라, 유체 생성 및 물의 증발이 증가하는 결과, 가열된 부분의 압력은 증가할 수 있다. 지층으로부터 유체를 제거하는 속도를 제어함으로써, 지층 내 압력을 제어할 수 있다. 지층 내 압력은 제조 웰 또는 그 근방, 열원 또는 그 근방, 또는 모니터 (monitor) 웰과 같은 다수의 상이한 위치에서 결정될 수 있다.
몇몇의 탄화수소 함유 지층에서, 지층의 적어도 일부 탄화수소가 열분해될 때까지 지층으로부터 탄화수소의 생성이 억제된다. 지층 유체가 선택된 질을 가질 때 지층 유체가 지층으로부터 생성된다. 몇몇의 실시형태에서, 선택된 질은 적어도 약 20°, 30°, 또는 40°의 API 비중을 포함한다. 적어도 일부 탄화수소가 열분해될 때까지 생성을 억제하면, 경질 (light) 탄화수소로의 중질 (heavy) 탄화수소의 전환을 증가시킬 수 있다. 초기 생성을 억제하면, 지층으로부터의 중질 탄화수소의 생성을 최소화할 수 있다. 많은 양의 중질 탄화수소의 생성은 값비싼 장비를 요구하고/하거나 제조 장비의 수명을 감소시킬 수 있다.
일부 탄화수소 함유 지층에서, 지층의 가열된 부분에 실질적인 투과성이 보장되기 전에 지층 내 탄화수소가 열분해 온도까지 가열될 수 있다. 투과성의 초기 부족은 생성된 유체가 제조 웰 (206) 에 운송되는 것을 억제할 수 있다. 초기 가열 동안, 지층 내 유체 압력은 근접 열원 (202) 을 증가시킬 수 있다. 증가된 유체 압력은 1 이상의 열원 (202) 을 통해 해제, 모니터링, 변경, 및/또는 제어될 수 있다. 예컨대, 선택된 열원 (202) 또는 개별 압력 릴리프 (relief) 웰은 지층으로부터 일부 유체를 제거할 수 있도록 하는 압력 릴리프 밸브를 포함할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 제조 웰 (206) 또는 임의의 다른 압력 싱크로의 개방 통로가 지층 내에 존재하지 않을 수 있지만, 지층에서 생성되는 열분해 유체 또는 다른 유체의 팽창에 의해 생성되는 압력은 증가될 수 있다. 유체 압력은 정암압 (lithostatic pressure) 을 향해 증가될 수 있다. 유체가 정암압에 접근하는 경우, 탄화수소 함유 지층의 단열이 형성될 수 있다. 예컨대, 지층의 가열된 부분에서 열원 (202) 으로부터 제조 웰 (206) 까지 단열이 형성될 수 있다. 가열된 부분에서의 단열 발생은 그 부분 내 압력 중 일부를 경감시킬 수 있다. 지층 내 압력은 원하지 않는 생성, 상부 퇴적물 또는 하부 퇴적물의 단열, 및/또는 지층 내 탄화수소의 코킹 (coking) 을 억제하기 위해 선택된 압력 미만으로 유지되어야 한다.
열분해 온도에 도달하고 지층으로부터 생성이 허용된 후, 생성된 조성 유체의 조성을 변경 및/또는 제어하기 위해, 지층 유체 내 비응축성 유체에 대한 응축성 유체의 비율을 제어하기 위해, 그리고/또는 생성되는 지층 유체의 API 비중을 제어하기 위해, 지층 내 압력이 바뀔 수 있다. 예컨대, 압력을 낮추면, 더 많은 응축성 유체 성분을 제조할 수 있다. 응축성 유체 성분은 더 많은 비율의 올레핀을 포함할 수 있다.
몇몇의 현장 열처리 실시형태에서, 지층 내 압력은 20°보다 큰 API 비중을 갖는 지층 유체의 생성을 촉진하기에 충분할 정도로 높게 유지될 수 있다. 지 층 내에 증가된 압력을 유지하면, 현장 열처리 동안 지층 침강을 억제할 수 있다. 증가된 압력을 유지하면, 지층으로부터 유체의 증기상 생성을 촉진할 수 있다. 증기 상 생성에 의해, 지층으로부터 생성된 유체를 운송하는데 사용되는 수집관의 크기를 줄일 수 있다. 증가된 압력을 유지하면, 처리 설비로의 수집관 내에서 유체를 운송하기 위해, 표면에서 지층 유체를 압착할 필요성을 줄이거나 제거할 수 있다.
놀랍게도, 지층의 가열된 부분에서 증가된 압력을 유지하면, 증가된 질과 비교적 낮은 분자량을 갖는 다량의 탄화수소를 제조할 수 있다. 생성된 지층 유체가 선택된 탄소 수 이상의 화합물을 최소량으로 갖도록 압력을 유지할 수 있다. 선택된 탄소 수는 25 이하, 20 이하, 12 이하, 또는 8 이하일 수 있다. 일부 높은 탄소 수 화합물이 지층 내 증기에 동반되어 증기와 함께 지층으로부터 제거될 수 있다. 지층 내 증가된 압력을 유지하면, 높은 탄소 수 화합물 및/또는 증기 내 다중-링 (multi-ring) 탄화수소 화합물의 동반을 억제할 수 있다. 높은 탄소 수 화합물 및/또는 다중-링 탄화수소 화합물은 오랜 기간 동안 지층의 액상에 남을 수 있다. 오랜 기간은 화합물이 열분해되어 더 낮은 탄소 수 화합물을 형성하기에 충분한 시간을 제공할 수 있다.
비교적 낮은 분자량 탄화수소의 생성은, 탄화수소 함유 지층의 일부에서의 수소의 자생 (autogenous) 생성 및 반응에 일부 기인한 것으로 생각된다. 예컨대, 증가된 압력을 유지하는 것은 열분해 동안 생성된 수소를 지층 내 액상이 강제할 수 있다. 상기 일부를 열분해 온도 범위 내 온도까지 가열하면, 지층 내 탄 화수소가 열분해되어 액상 열분해 유체가 생성될 수 있다. 생성된 액상 열분해 유체 성분은 이중결합 및/또는 라디칼을 포함할 수 있다. 액상의 수소 (H2) 는 생성된 열분해 유체의 이중결합을 줄여,생성된 열분해 유체로부터 기다란 사슬 화합물이 중합 또는 형성될 가능성을 낮출 수 있다. 그리고, H2 는 생성된 열분해 유체의 라디칼을 또한 중화할 수 있다. 그러므로, 액상의 H2 는 생성된 열분해 유체가 서로 그리고/또는 지층의 다른 화합물과 반응하는 것을 억제할 수 있다.
제조 웰 (206) 로부터 생성된 지층 유체는 수집관 (208) 을 통해 처리 설비 (210) 로 운반될 수 있다. 또한, 지층 유체는 열원 (202) 으로부터 생성될 수 있다. 예컨대, 유체는 열원에 인접한 지층 내 압력을 제어하기 위해 열원 (202) 으로부터 생성될 수 있다. 열원 (202) 으로부터 형성된 유체는 튜빙 또는 파이핑을 통해 수집관 (208) 으로 운반되거나 또는 튜빙 또는 파이핑을 통해 처리 설비 (210) 로 직접 운반될 수 있다. 처리 설비 (210) 는 분리 유닛, 반응 유닛, 개량 (upgrading) 유닛, 연료 셀, 터빈, 저장 용기, 및/또는 생성된 지층 유체를 처리하기 위한 다른 시스템과 유닛을 포함할 수 있다. 처리 설비는 지층으로부터 생성된 탄화수소의 적어도 일부로부터 운반 연료를 형성할 수 있다.
온도 제한된 히터는 형상화될 수 있으며/있거나 특정 온도에서 히터에 자동 온도 제한 특성을 제공하는 물질을 포함할 수 있다. 어떤 실시형태에서, 강자성 물질이 온도 제한된 히터에 사용된다. 강자성 물질은 시간에 따라 변하는 전류가 물질에 적용되는 때 퀴리 온도에서 또는 그 부근에서 감소된 양의 열을 제 공하도록 물질의 퀴리 온도에서 또는 그 부근에서 온도를 스스로 제한할 수 있다. 어떤 실시형태에서, 강자성 물질은 약 퀴리 온도인 선택된 온도에서 온도 제한된 히터의 온도를 스스로 제한할 수 있다. 어떤 실시형태에서, 선택된 온도는 퀴리 온도의 35℃ 이내, 25℃ 이내, 20℃ 이내, 또는 10℃ 이내이다. 어떤 실시형태에서, 다양한 전기적 및/또는 기계적 특성을 제공하기 위해 강자성 물질은 다른 물질(예를 들어, 고전도성 물질, 고강도 물질, 내부식성 물질, 또는 그 조합)과 결합된다. 온도 제한된 히터의 몇몇 부분은 온도 제한된 히터의 다른 부분보다 더 낮은 저항(다른 기하학적 형상 및/또는 다른 강자성 및/또는 비강자성 물질을 사용함으로써 야기됨)을 가질 수 있다. 다양한 물질 및/또는 치수를 갖는 온도 제한된 히터의 부분을 갖는 것은 히터의 각 부분으로부터 출력되는 원하는 열을 맞추는 것을 허용한다.
온도 제한된 히터는 다른 히터보다 더욱 신뢰할 수 있다. 온도 제한된 히터는 지층에서 열점(hot spot) 에 의해 붕괴되거나 고장나는 것이 덜할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 온도 제한된 히터는 지층을 실질적으로 균일하게 가열하게 한다. 몇몇 실시형태에서, 온도 제한된 히터는 히터의 전체 길이를 따른 더 높은 평균 열 출력으로 작동함으로써 더 효율적으로 지층을 가열할 수 있다. 히터의 임의 지점을 따라 온도가 히터의 최대 작동 온도를 초과하면, 또는 초과하려 하면, 전형적인 일정 와트 히터의 경우와 같이, 히터에의 동력이 전체 히터로 감소될 필요가 없기 때문에 온도 제한된 히터는 히터의 전체 길이를 따른 더 높은 평균 열 출력으로 작동한다. 히터의 퀴리 온도에 접근하는 온도 제한된 히터의 부분으 로부터의 열 출력은 히터에 적용되는 시간에 따라 변하는 전류의 제어된 조정 없이 자동적으로 감소한다. 열 출력은 온도 제한된 히터의 일부분의 전기적 특성(예를 들어, 전기 저항)의 변화에 의해 자동적으로 감소한다. 따라서, 가열 과정의 더 큰 부분 동안 온도 제한된 히터에 의해 더 많은 동력이 제공된다.
어떤 실시형태에서, 온도 제한된 히터가 시간에 따라 변하는 전류에 의해 통전될 때, 히터의 전기 저항부의 퀴리 온도 부근, 퀴리 온도에서 또는 그 이상에서, 온도 제한된 히터를 포함하는 시스템은 처음에 제 1 열 출력을 제공하며 그리고나서 감소된 열 출력(제 2 열 출력)을 제공한다. 제 1 열 출력은 온도 제한된 히터가 그 이하에서는 자가 제한을 시작하는 온도에서의 열 출력이다. 몇몇 실시형태에서, 제 1 열 출력은 온도 제한된 히터에서 강자성 물질의 퀴리 온도 이하인 50℃, 75℃, 100℃, 또는 125℃ 에서의 열 출력이다.
온도 제한된 히터는 웰헤드에서 제공되는 시간에 따라 변하는 전류(교류 또는 변조된 직류)에 의해 통전될 수 있다. 웰헤드는 온도 제한된 히터에 동력을 공급하는데 사용되는 동력원 또는 다른 구성요소(예를 들어, 변조 구성요소, 변압기, 및/또는 축전기)를 포함할 수 있다. 온도 제한된 히터는 지층의 일부를 가열하는데 사용되는 많은 히터 중의 하나일 수 있다.
어떤 실시형태에서, 시간에 따라 변하는 전류가 전도체에 적용될 때 온도 제한된 히터는 표피 효과 또는 근접 효과 히터로서 작용하는 전도체를 포함한다. 표피 효과는 전도체의 내부 안으로의 전류 침투의 깊이를 제한한다. 강자성 물질에서, 표피 효과는 전도체의 투자율에 의해 지배된다. 강자성 물질의 상대적 투자율은 전형적으로 10 ~ 1000 이다(예를 들어, 강자성 물질의 상대적 투자율은 전형적으로 적어도 10이며, 적어도 50, 100, 500, 및 1000 또는 그 이상일 수 있음). 강자성 물질의 온도가 퀴리 온도 이상으로 올라가고/올라가거나 적용되는 전류가 증가하면, 강자성 물질의 투자율은 실질적으로 감소하고, 표피 깊이는 급격히 늘어난다(예를 들어, 표피 깊이는 투자율의 역제곱근으로 늘어남). 투자율의 감소는 퀴리 온도 부근, 퀴리 온도에서 또는 그 이상에서 그리고/또는 인가 전류가 증가함에 따라 전도체의 AC 또는 변조된 DC 저항의 감소를 가져온다. 온도 제한된 히터가 실질적으로 일정한 전류원에 의해 가동되면, 퀴리 온도에 접근, 도달하거나 그 이상인 히터의 부분에서는 열 소산이 감소될 수 있다. 퀴리 온도에 또는 그 부근에 있지 않은 온도 제한된 히터의 부분은 높은 저항 부하에 의해 히터가 높은 열 소산을 가지도록 하는 표피 효과 가열에 의해 지배될 수 있다.
퀴리 온도 히터는 납땜 장비, 의학용 히터, 및 오븐(예를 들어, 피자 오븐)의 가열 요소에 사용되어 왔다. 이러한 사용 중 몇몇이 라모메(Lamome) 등에게 부여된 미국 특허 제 5,579,575 호; 헨센(Henschen) 등에게 부여된 5,065,501 호; 및 야닉(Yagnik) 등에게 부여된 5,512,732 호에 개시되어 있고; 위트니(Whitney) 등에게 부여된 미국 특허 제 4,849,611 호는 반응성 성분, 저항 가열 성분, 및 온도 응답성 성분을 포함하는 다수의 불연속의 공간이 떨어진 가열 유닛을 설명한다.
지층에서 탄화수소를 가열하기 위해 온도 제한된 히터를 사용하는 이점은 원하는 온도 작동 범위에서 퀴리 온도를 갖도록 전도체가 선택된다는 점이다. 원하는 작동 온도 범위 내의 작동은 온도 제한된 히터 및 다른 장치의 온도를 설계 제한 온도 이하로 유지하면서 지층에 실질적인 열 주입을 허용한다. 설계 제한 온도는 부식, 크리프, 및/또는 변형과 같은 특성이 나쁜 영향을 받는 온도이다. 온도 제한된 히터의 온도 제한 특성은 지층에서 낮은 전도성의 "열점"에 인접한 히터의 과열 또는 과열로 인한 파손을 막는다. 몇몇 실시형태에서, 온도 제한된 히터는 열 출력을 낮추거나 제어할 수 있고/있거나 히터에 사용된 물질에 따라, 25℃, 37℃, 100℃, 250℃, 500℃, 700℃, 800℃, 900℃ 이상, 또는 1131℃까지의 온도에서 열에 저항할 수 있다.
온도 제한된 히터에 입력되는 에너지는 히터에 인접한 낮은 열 전도성 영역을 수용하도록 제한될 필요가 없기 때문에 온도 제한된 히터는 일정 와트 히터보다 지층에 더 많은 열 주입을 허용한다. 예를 들어, 그린 리버 유혈암에서 최저 비옥도 유혈암 지층 및 최고 비옥도 유혈암 지층의 열 전도율에서 적어도 3 팩터의 차이가 존재한다. 그러한 지층을 가열할 때, 낮은 열 전도성의 층에서의 온도에 의해 제한되는 통상적인 히터보다 온도 제한된 히터로 실질적으로 더 많은 열이 지층에 전달된다. 통상적인 히터의 전체 길이를 따른 열 출력은 히터가 낮은 열 전도성의 층에서 과열되지 않고 과열로 인해 파손되지 않도록 낮은 열 전도성의 층을 수용할 필요가 있다. 높은 온도에 있는 낮은 열 전도성 층에 인접한 열 출력은 온도 제한된 히터에 대해 감소될 것이지만, 높은 온도에 있지 않은 온도 제한된 히터의 남은 부분은 여전히 높은 열 출력을 제공할 것이다. 탄화수소 지층을 가열하기 위한 히터가 전형적으로 긴 길이를 가지기 때문에(예를 들어, 적어도 10m, 100m, 300m, 500m, 1km 또는 10km까지), 단지 몇몇 부분이 온도 제한된 히 터의 퀴리 온도에 또는 그 부근에 있는 동안 온도 제한된 히터의 길이의 대부분이 퀴리 온도 이하에서 작동할 수 있다.
온도 제한된 히터의 사용은 지층에의 열의 효율적인 전달을 허용한다. 열의 효율적 전달은 지층을 원하는 온도로 가열하는데 필요로하는 시간의 절약을 허용한다. 예를 들어, 그린 리버 유혈암에서, 통상적인 일정 와트 히터로 12m 히터 웰 간격을 사용할 때 열분해는 전형적으로 9.5년 내지 10년의 가열을 요구한다. 같은 히터 간격에서, 히터 장비 온도를 장비 설계 한계 온도 아래로 유지하면서 온도 제한된 히터는 더 큰 평균 열 출력을 허용할 수 있다. 지층에서의 열분해는 일정 와트 히터에 의해 제공되는 더 낮은 평균 열 출력보다 온도 제한된 히터에 의해 제공되는 더 큰 평균 열 출력으로 더 빠른 시간에 발생할 수 있다. 예를 들어, 그린 리버 유혈암에서, 12m 히터 웰 간격을 갖는 온도 제한된 히터를 사용하여 5년 내에 열분해가 발생할 수 있다. 히터 웰이 서로 너무 가까워지는 경우 부정확한 웰 간격 또는 드릴링에 의해 온도 제한된 히터는 열점을 방해한다. 어떤 실시형태에서, 온도 제한된 히터는, 서로 너무 멀리 떨어진 히터 웰에서 시간에 따라 증가되는 동력 출력을 허용하고, 또는 서로 너무 가까이 간격 띄워진 히터 웰에서 동력 출력을 제한한다. 온도 제한된 히터는 또한 상부 퇴적물과 하부 퇴적물에 인접한 영역에서 온도 손실을 보상하기 위해 그 영역에서 더욱 큰 동력을 제공한다.
온도 제한된 히터는 많은 유형의 지층에 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 타르 모래 지층 또는 중탄화수소를 함유하는 상대적으로 투과성인 지층에서, 유체의 점도를 감소시키기 위해, 유체를 동원하기 위해, 및/또는 지층의 웰보어 근처에서 유체의 방사상 흐름을 강화하기 위해 출력되는 제어가능한 낮은 온도를 제공하도록 온도 제한된 히터가 사용될 수 있다. 온도 제한된 히터는 지층의 근처 웰보어 영역의 과열에 의한 초과 코크스 형성을 막는데 사용될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 온도 제한된 히터의 사용은 비싼 온도 제어 회로 소자에의 필요를 제거하거나 줄인다. 예를 들어, 온도 제한된 히터의 사용은 열점에서 잠재적인 과열을 감시하기 위하여 온도 기록을 수행할 필요 및/또는 고정된 열전지대를 히터에 사용할 필요를 제거하거나 줄인다.
몇몇 실시형태에서, 온도 제한된 히터는 오스테나이트계 스테인레스 스틸로 제조된다. 이 오스테나이트 스틸은 면심 입방(fcc) 오스테나이트 상이 1차 상이 되는 합금을 포함할 수 있다. fcc 오스테나이트 상은 Fe-Cr-Ni 및/또는 Fe18Cr8-Ni 농도를 제어함으로써 안정화될 수 있다. 오스테나이트 상의 강도는 fcc 격자에 다른 합금을 혼합함으로써 증가될 수 있다. 낮은 온도 적용에서, 강도는 fcc 격자의 강도를 증가시키는 합금 요소를 추가함으로써 증가될 수 있다. 이러한 유형의 강화를 "고용체 강화"라고 할 수 있다. 그러나, 사용 온도가 증가되면, 오스테나이트 상 내의 합금 원소는 M23C6(M은 크롬, 및 카바이드를 형성할 수 있는 다른 요소를 포함함)과 같은 새로운 상을 형성하도록 반응할 수 있다. 주기율표의 4-13 행에 있는 원소를 함유하는 오스테나이트에 다른 상이 형성될 수 있다. 그러한 원소의 예는 니오븀, 티타늄, 바나듐, 텅스텐, 알루미늄, 또는 그 혼합물을 포함하며 이에 제한되지는 않는다. 다양한 상의 크기 및 분포와 원하는 사용 온도 범위에 있어서의 그 안정성은 스테인레스 스틸의 기계적 특성을 결정한다. 카바이드와 같은 석출물의 나노 크기 분산물은 높은 온도에서 가장 높은 강도를 줄 수 있지만, 카바이드의 크기 때문에, 불안정하고 조대할 수 있다. 나노 크기 석출물의 분산물을 함유하는 합금은 적어도 750℃의 온도에서 불안정할 수 있다. 히터가 지면 아래의 지층을 적어도 700℃의 온도까지 가열할 수 있기 때문에, 적어도 700℃의 온도를 견딜수 있는 향상된 강도 합금을 갖는 히터가 바람직하다.
몇몇 실시형태에서, 철, 크롬, 및 망간, 구리 및 텅스텐을 함유하는 니켈 합금은, 니오븀, 탄소 및 질소와 조합되어, 고온 용체화 풀림 또는 처리에도 불구하고 더 미세한 결정 크기를 유지할 수 있다. 그러한 거동은 용접된 재료에서 열영향부(heat-affected-zone)를 감소시키는데 유리할 수 있다. 최상의 금속 카바이드(MC) 나노카바이드를 달성하는데 더 높은 용체화 풀림 온도가 특히 중요하다. 예를 들어, 고온 크리프 서비스 동안 니오븀 카바이드 나노카다이드가 강화되며 그러한 영향이 향상된 합금의 조성에 의해 강화된다(더 미세한 안정한 나노카바이드 구조). 향상된 합금의 조성을 포함하고 처리되어 만들어진 튜빙 및 캐니스터 적용은 700℃ 내지 800℃에서의 서비스 동안 시효 경화될 수 있는 스테인레스 스틸을 가져온다. 향상된 합금은 합금이 고온 서비스 이전에 냉간 변형된다면 더욱 시효 경화될 수 있으나, 그러한 냉간 예비 변형은 양호한 고온 특성 또는 시효 경화에 필요하지 않다. NF709 와 같은 몇몇 선행 기술 합금은 양호한 고온 크리프 특성을 성취하기 위해 냉간 예비 변형을 요구하며, 이는 그러한 합금이 용접된 후에 냉간 예비 변형의 이점을 잃어버리기 때문에 특히 단점이 된다. 다른 선행 기술 합금은 고온 강도 및 장기 지속에 대한 냉간 예비 변형에 의해 나쁜 영향을 받는다. 따라서, 냉간 예비 변형은 예를 들어 구조 코드에 의해 제한될 수 있거나, 허용되지 않을 수 있다.
새로운 합금 조성의 몇몇 실시형태에서, 합금은 예를 들어 20퍼센트만큼 냉간 가공될 수 있으며, 800℃에서의 항복 강도는 새로이 풀림된 합금의 800℃에서의 항복 강도로부터 20퍼센트 이상 변화되지 않는다.
여기 설명되는 향상된 합금은 저온 적용, 예를 들어 극저온의 적용에 적합하다. 예를 들어 -50℃ 내지 -200℃의 온도에서 강도 및 충분한 연성을 갖는 향상된 합금은 201LN 및 YUS130 과 같이 극저온 적용에 종종 사용되는 많은 합금보다 더 높은 온도에서 강도를 유지하며, 따라서 실패가 화재를 일으키는 액화 천연 가스와 같은 서비스에서, 향상된 합금은 불 근처에서 다른 물질보다 더 오랫동안 강도를 유지할 수 있다.
향상된 합금 조성은: 18중량% 내지 22중량% 크롬, 5중량% 내지 13중량% 니켈(그리고 몇몇 실시형태에서, 5중량% 내지 9중량% 니켈), 1중량% 내지 10중량% 구리(그리고 몇몇 실시형태에서, 2중량% 내지 6중량% 구리), 1중량% 내지 10중량% 망간, 0.3중량% 내지 1중량% 실리콘, 0.5중량% 내지 1.5중량% 니오븀, 0.5중량% 내지 2중량% 텅스텐, 및 나머지로서 본질적으로 철(예를 들어, 47.8중량% 내지 68.12중량% 철)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 조성은 다른 성분, 예를 들어 0.3중량% 내지 1중량% 몰리브덴, 0.08중량% 내지 0.2중량% 탄소, 0.2중량% 내지 0.5중량% 질소 또는 그의 혼합물을 포함할 수 있다. 스틸에 전형적으로 존재하는 다른 불순물 또는 소수 성분이 또한 존재할 수 있다. 열간 변형, 냉간 변형, 및/또는 용접에 의해 예를 들어 히터의 케이싱, 캐니스터, 또는 강도 부재로 전환될 때 그러한 향상된 합금이 유용할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 향상된 합금은: 20중량% 크롬, 3중량% 구리, 4중량% 망간, 0.3중량% 몰리브덴, 0.77중량% 니오븀, 13중량% 니켈, 0.5중량% 실리콘, 1중량% 텅스텐, 0.09중량% 탄소 및 0.26중량% 질소를 포함하며, 나머지는 본질적으로 철이 된다. 어떤 실시형태에서, 향상된 합금은: 19중량% 크롬, 4.2중량% 망간, 0.3중량% 몰리브덴, 0.8중량% 니오븀, 12.5중량% 니켈, 0.5중량% 실리콘, 0.09중량% 탄소 및 0.24중량% 질소를 포함하며, 나머지는 본질적으로 철이 된다. 어떤 실시형태에서는, 향상된 합금은: 약 21중량% 크롬, 약 3중량% 구리, 약 8중량% 망간, 약 0.3중량% 몰리브덴, 약 0.8중량% 니오븀, 약 7중량% 니켈, 약 0.5중량% 실리콘, 약 1중량% 텅스텐, 약 0.13중량% 탄소 및 약 0.37중량% 질소를 포함하며, 나머지는 본질적으로 철이 된다. 어떤 실시형태에서는, 향상된 합금은: 20중량% 크롬, 4.4중량% 구리, 4.5중량% 망간, 0.3중량% 몰리브덴, 0.8중량% 니오븀, 7중량% 니켈, 0.5중량% 실리콘, 1중량% 텅스텐, 0.24중량% 탄소 및 0.3중량% 질소를 포함하며, 나머지는 본질적으로 철이 된다. 어떤 실시형태에서, 향상된 합금은 고온 황화에의 저항을 강화하고 고온 강도를 증가시키며 그리고/또는 가격을 줄이기 위해 망간의 양, 니켈의 양, W/Cu 비, Mo/W 비, C/N 비, Mn/N 비, Mn/Nb 비, Mn/Si 비, 및/또는 Mn/Ni 비를 변화시킬 수 있다. 향상된 정제 합금이 예를 들어, 안정된 모체 오스테나이트 상, 600℃ 내지 900℃에서의 고강도, 및 안정된 나노 카바이드와 나노카보니트라이드 미세조직을 갖도록 하기 위해, 향상된 정제 합금은 다음 비율(중량%를 사용)이 달성되도록 향상된 정제 합금에 존재하는 합금 원소의 조합을 포함할 수 있다: a) Mo/W - 0.3 내지 0.5; b) W/Cu - 0.25 내지 0.33; c) C/N - 0.25 내지 0.33; d) Mn/Ni - 0.3 내지 1.5; e) Mn/N - 20 내지 25; f) Mn/Nb - 5 내지 13; g) Mn/Si - 4 내지 20; 그리고 탄소와 질소의 합은 0.3중량% 내지 0.6중량%이다.
향상된 정제 합금 조성은 이전 단락에 설명된 조성 및 미국 특허 제 7,153,373 호에 개시되어 있는 조성을 포함할 수 있다. 향상된 정제 합금 조성은 800℃에서 적어도 3.25중량% 석출물을 포함할 수 있다. 향상된 정제 합금 조성은 시효 처리나 열간 가공 및/또는 냉간 가공에 의해 처리될 수 있다. 시효 처리나 열간 가공 및/또는 냉간 가공의 결과로서, 향상된 정제 합금 조성(예를 들어, NbC, Cr-농후 M23C6)은 나노카보니트라이드 석출물을 함유할 수 있다. 그러한 나노카보니트라이드 석출물은 미국 특허 제 7,153,373 호에 개시된 것과 같은 캐스트 조성물에 존재하지 않는 것으로 알려져 있으며, 조성물의 열간 가공 및/또는 냉간 가공으로 형성되는 것으로 믿어진다. 나노카보니트라이드 석출물은 5 나노미터부터 100 나노미터까지, 10 나노미터부터 90 나노미터까지, 또는 20 나노미터부터 80 나노미터까지의 크기를 갖는 입자를 포함할 수 있다. 이 정제 합금은 시효 처리(스트레스 없음) 또는 크리프(스트레스 < 0.5 항복 스트레스(YS)) 동안에 형성되는 나노카바이드(예를 들어, NbC, Cr-농후 M23C6)를 포함하는 미세조직을 가질 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 나노카바이드 석출물은 5 나노미터부터 100 나노미터까지, 10 나노미터부터 90 나노미터까지, 또는 20 나노미터부터 80 나노미터까지의 크기를 갖는 입자를 포함할 수 있다. 미세조직은 고유 합금 조성 및 정제 과정의 세부사항의 결과일 수 있다. 용체화 풀림된 물질에서, 그러한 나노크기 입자의 농도는 낮을 수 있다. 나노크기 입자는 용체화 풀림 온도/시간에 의해(1150℃ 이상에서의 더 긴 풀림으로 더 많고 더 미세한 분산물), 그리고 용체화 풀림 처리 후의 냉간 또는 온간 예비 변형(냉간 가공)에 의해 영향받을 수 있다. 냉간 예비 변형은 나노카바이드의 결정핵 생성 사이트로서 역할할 수 있는 전위(dislocation) 네트워크를 입자 내에 형성할 수 있다. 용체화 풀림된 물질은 초기에 0 퍼센트의 냉간 가공을 갖는다. 구부림, 신장, 코일링, 말기 또는 스웨이징은 예를 들어 5-15% 냉간 가공을 형성할 수 있다. 항복 강도 또는 크리프 강도에 대한 나노카바이드의 효과는 전위 피닝에 기초한 강도를 제공할 수 있고, 더 가까이 위치된 피닝 사이트(더 높은 농도, 더 미세한 분산물)는 더 큰 강도를 제공한다(입자는 전위의 상승 또는 미끄러짐에 장애가 됨).
향상된 정제 합금은 예를 들어 800℃에서 1000시간동안 시효 처리된 후에 나노카바이드와 함께 매트릭스 내에서 나노니트라이드(예를 들어, 니오븀 크롬 니트라이드(NbCrN))를 포함할 수 있다. 나노니트라이드 석출물은 5 나노미터부터 100 나노미터까지, 10 나노미터부터 90 나노미터까지, 또는 20 나노미터부터 80 나 노미터까지의 크기를 갖는 입자를 포함할 수 있다. 니오븀 크롬 니트라이드는 분석 전자 현미경의 사용에 의해 니오븀과 크롬이 풍부한 것으로 확인되었고 전자 회절에 의해서는 테트라고날 니트라이드 상인 것으로 확인되었다(양 카바이드 모두 입방상이다). X 레이 에너지 분포량 분석 결과, 향상된 합금 조성에 있어서, 이 나노크기 니트라이드 입자가 63중량% 니오븀, 28중량% 크롬, 및 6중량% 철을 가질 수 있으며 다른 성분이 각각 1.5중량% 보다 작은 것으로 나타났다. 그러한 니오븀 크롬 니트라이드는 유사한 조성을 갖는 시효 처리 주조 스테인레스 스틸에서는 관찰되지 않았으며, 정제 과정의 직접적인 결과로 나타난다.
어떤 실시형태에서, 향상된 정제 합금은 미세조직의 혼합물(예를 들어, 나노카바이드 및 나노니트라이드의 혼합물)을 포함할 수 있다. 미세조직의 혼합물은 예를 들어 9000-1000℃ 와 같은 높아진 온도에서 이 합금 조성물의 향상된 강도의 원인이 될 수 있다. 어떤 실시형태에서, 향상된 합금은 800℃에서 35kpsi 또는 30kpsi 보다 더 큰 항복 강도를 가질 수 있다.
어떤 실시형태에서, 향상된 합금은 정제 재료를 생산하기위해 처리된다. 처리과정은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다. 원심 주조 파이프가 향상된 합금으로부터 주조될 수 있다. 섹션이 주물로부터 제거되어 예를 들어 3 시간 동안 적어도 1250℃의 온도에서 열처리될 수 있다. 열 처리된 섹션은 적어도 1200℃의 온도에서 원래 두께(인치)의 약 반의 두께로 열간 압연될 수 있으며, 적어도 1200℃의 온도에서 15분동안 풀림될 수 있고 그리고나서 모래분사 처리될 수 있다. 모래분사 처리된 섹션은 원래 주조 두께의 약 3분의 1의 두께로 냉간 압 연될 수 있다. 냉간 압연된 섹션은, 예를 들어 아르곤 덮개를 갖는 공기중에서, 일정 기간 예를 들어 한시간동안 적어도 1250℃의 온도에서 풀림될 수 있으며, 그리고나서 아르곤 층을 갖는 공기중에서 적어도 1250℃의 온도에서 한시간동안 최종 추가 열처리를 받는다. 대안적인 과정은 다음의 어떤 것을 포함할 수 있다: 초기에 일정시간 예를 들어 1-1/2 시간동안 적어도 1200℃의 온도에서 주조 플레이트를 균질화하는 단계; 적어도 1200℃의 온도에서 원래 주조 두께의 3분의 2로 열간 압연시키는 단계; 및 적어도 1200℃의 온도에서 한시간동안 냉간 압연된 플레이트를 풀림하는 단계. 향상된 합금은, 양호한 질의 튜브를 생산하기 위해, 예를 들어 1200℃에서 주축 직경 22.9 밀리미터(0.9인치) 및 다이 직경 34.3 밀리미터(1.35인치)로 압출성형될 수 있다.
정제 재료는, 예를 들어 레이저 용접 또는 텅스텐 가스 아크 용접에 의해 용접될 수 있다. 따라서, 플레이트를 말아 시임을 용접하면 튜브가 생산될 수 있다.
1250℃와 같은 더 높은 온도에서 향상된 합금을 푸는 것은 합금의 특성을 향상시킬 수 있다. 더 높은 온도에서, 더 많은 상이 용해되고 석출물의 냉각시에 고온 크리프 및 인장 강도와 같은 특성에 긍정적으로 기여하는 상으로 된다. 1300℃와 같이 1250℃보다 더 높은 온도에서의 풀림이 유리할 수 있다. 예를 들어, 향상된 합금에 존재하는 계산된 상은 1200℃에서 향상된 합금에 존재하는 상과 반대로 1300℃에서 0.08%만큼 감소될 수 있다. 따라서, 냉각시에 더욱 유용한 석출물이 0.08% 만큼 형성될 수 있다. 향상된 합금은 통상적인 합금보다 뛰 어난 고온 크리프 강도 및 인장 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 망간, 질소, 구리 및 텅스텐을 포함하는 니오븀 안정화된 스테인레스 스틸 합금은, 347H 와 같은 통상적인 합금에 비해 향상된 또는 실질적으로 향상된 고온 크리프 강도 및 인장 강도를 가질 수 있다.
향상된 합금은 고온에서(예를 들어, 700℃, 800℃ 또는 1000℃ 이상에서) 슈퍼 304H와 같은 표준 스테인레스 스틸에 비해 증가된 강도를 가질 수 있다. 뛰어난 고온 크리프-파열 강도(예를 들어, 800℃, 900℃, 또는 1250℃에서의 크리프-파열 강도)는 (a) 조성, (b) 고온 처리에 의해 유도된 안정된 미립자 미세조직, 및 (c) 향상된 합금에서의 시효 유도된 석출 조직의 결과로서 향상될 수 있다. 석출 조직은, 예를 들어 입계를 강화시키는 마이크로카바이드 및 결정 내부를 강화시키는 안정된 나노카바이드를 포함한다. 시그마, 라베스, G 및 치(chi) 상 이외의 상의 존재가 고온 특성에 기여한다. 안정된 미세조직은 성분의 적절한 선택에 의해 성취될 수 있다. 고온 시효 유도된 또는 크리프 유도된 미세조직은 금속간 시그마, 라베스 및 치(chi) 상을 최소한으로 갖거나 또는 전혀 갖지 않을 수 있다. 금속간 시그마, 라베스 및 치(chi) 상은 합금의 강도 특성을 약화시킬 수 있으며 따라서 일반적으로 바람직하지 않다.
800℃에서, 향상된 합금은, 강도를 생성하는, 중량%로 적어도 3중량% 또는 적어도 3.25중량%의 마이크로카바이드, 다른 상, 및/또는 안정된 미립자 미세조직을 포함할 수 있다. 900℃에서, 향상된 합금은, 강도를 생성하는, 적어도 1.5중량%, 적어도 2중량%, 적어도 3중량%, 적어도 3.5중량%, 또는 적어도 5중량% 마이 크로카바이드, 다른 상, 및/또는 안정된 미립자 미세조직을 포함할 수 있다. 이 값은 900℃에서 347H 또는 슈퍼 304H 스테인레스 스틸 합금에서의 대응 값보다 더 높을 수 있다. 1250℃에서, 향상된 합금은, 강도를 생성하는, 적어도 0.5중량%의 마이크로카바이드, 다른 상 및/또는 안정된 미립자 미세조직을 포함할 수 있다. 마이크로카바이드, 다른 상, 및/또는 안정된 미립자 미세조직의 결과적인 더 높은 중량백분율, 및 시그마와 라베스 상의 배제로 인해, 향상된 합금의 뛰어난 고온 성능이 얻어질 수 있다.
향상된 합금과 유사한 또는 그보다 뛰어난 고온 성능을 갖는 합금은 높아진 온도에서의 상 거동을 모델링하고 또한, 예를 들어 900℃에서 시그마 또는 라베스 상 이외의 상을 적어도 1.5중량%, 적어도 2중량% 또는 적어도 2.5중량%로 유지하는 조성을 선택함으로써 얻어질 수 있다. 예를 들어, 안정된 미세조직은 탄소의 양의 거의 10배의 니오븀, 1중량% 내지 12중량% 망간, 및 0.15 내지 0.5중량% 질소를 포함할 수 있다. 구리 및 텅스텐은 안정된 미세조직의 양을 증가시키기 위해 조성에 포함될 수 있다. 향상된 합금의 원소의 선택은 다양한 방법에 의한 과정을 허용하며, 적어도 1250℃의 열처리 후에도 안정된 미세 입자 크기를 가져온다. 많은 종래 기술 합금에서는 그러한 고온에서 풀림될 때 입자가 조대하게 되는 경향이 있으며 향상된 합금이 그러한 고온 처리에 의해 향상될 수 있다. 어떤 실시형태에서, 입자 크기는 바람직한 고온 인장 및 크리프 특성을 얻도록 제어된다. 향상된 합금에서 안정된 입자 구조는 입계 미끄러짐을 줄이며, 예를 들어 650℃ 이상의 온도에서 상용 합금에 비해 더 나은 강도를 위한 기여 요인이 될 수 있다.
비제한적인 예가 아래에 설명된다.
<합금 상 거동의 모델링>
물리적 특성에 긍정적으로 기여하는 증가된 양의 상을 함유하는 조성을 결정하기 위해 다른 향상된 합금 조성에 대한 상 거동의 모델링이 수행되었다. Cu, Z, M(C,N), M2(C,N), 및 M23C6과 같은 조성은 G, 시그마, 라베스, 및 치(chi)와 같은 취성 상인 상의 양을 최소화할 수 있다. 다른 이유로 어떤 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리콘은 전형적으로 처리 특성을 향상시키기 위해 스테인레스 스틸 합금에 포함되며, 니켈과 크롬은 전형적으로 내부식성을 주기 위해 합금에 포함된다. 같은 결과를 얻기 위해 두 성분이 포함될 수 있을 때, 덜 비싼 성분이 유리하게 포함될 수 있다. 예를 들어, 망간이 성능을 희생하지 않고 니켈을 대체할 수 있는 정도까지, 그러한 대체는 현재 성분 가격에서 합금의 가격을 줄일 수 있다.
상기 설명된 것들과 유사한 합금의 전체 상 함량의 효과가 아래 식으로 근사화되는 것으로 밝혀졌다.
σr = 1.0235(TPC) + 5.5603
여기서 σr은 800℃에서 1000시간 동안의 크리프 파열 강도이며, 제곱인치 당 킬로파운드(ksi)로 나타내고, TPC는 조성에 대해 계산된 전체 상 함량이다. 이 추정은 Cu 상, Z 상, M(C,N) 상, M2(C,N) 상 및 M23C6 상("바람직한 상들")의 양 을 TPC 항에 단지 포함시키고 이에 기초하여 상수를 계산함으로써 더욱 향상되었다. 이 추정에 대한 다른 향상은 풀림 온도와 800℃에서 존재하는 바람직한 상 사이의 차이만을 사용하는 것이다. 따라서, 풀림 과정에서 용해되지 않는 성분은 높아진 온도에서 합금의 강도를 크게 증대시키지 않기 때문에 고려되지 않았다. 예를 들어, 풀림 온도에서의 평형 계산에 기초하여 존재하는 Cu 상, Z 상, M(C,N) 상, M2(C,N) 상 및 M23C6 상과 800℃에서 존재하는 계산된 양 사이의 차는 합금의 1 중량%일 수 있고, 합금의 1.5 중량% 또는 2 중량%일 수 있으며, 이 결과 양호한 고온 강도를 갖는 합금이 얻어진다. 또한, 풀림 온도는 1200℃일 수 있고, 또는 1250℃일 수 있거나 1300℃일 수 있다.
향상된 합금은 합금의 상 함량에 대한 금속 양의 변화의 효과를 판단하기 위해 다른 금속의 추가 또는 감소를 모델링하여 더욱 이해되어질 수 있다. 예를 들어, 20중량% 크롬, 3중량% 구리, 4중량% 망간, 0.3중량% 몰리브덴, 0.8중량% 니오븀, 12.5중량% 니켈, 0.5중량% 실리콘, 1중량% 텅스텐, 0.1중량% 탄소 및 0.25중량% 원소 질소의 조성을 시작으로 하여, 크롬의 양을 변화시켜 모델링해 본 결과, 도 2 에 따라서, 800℃에서 M23C6, M(C,N), M2(C,N), Z, Cu, 치(chi), 라베스, G 및 시그마 상이 포함되었다. 도 2-12 각각에 점철된 이 상들의 양은 800℃에서 이 상의 계산된 양이다. 도 2-12에서, 곡선 (220) 은 M23C6을 가리키고, 곡선 (222) 은 M2(C,N) 상을 가리키며, 곡선 (224) 은 Z 상을 가리키고, 곡선 (226) 은 Cu 상을 가리키며, 곡선 (228) 은 시그마 상을 가리키고, 곡선 (230) 은 치(chi) 상을 가리키며, 곡선 (232) 은 G 상을 가리키고, 곡선 (234) 은 라베스 상을 가리키며, 곡선 (236) 은 M(C,N) 상을 가리킨다.
도 2 는 합금에서 상의 중량백분율 대 크롬의 중량백분율을 보여준다. 보여지듯이, 시그마 상 (228) 이 20.5중량%의 크롬 함량 이상에서 선형으로 증가되고, 상 (220, 222, 224, 및 226) 의 중량백분율은 크롬의 20중량% 내지 30중량%에서 상대적으로 일정하게 유지된다. 따라서, 모델링으로부터, 합금의 20중량%와 20.5중량% 사이의 크롬 함량이 바람직하다.
도 3 은 합금에서 상의 중량백분율 대 실리콘(Si)의 중량백분율을 보여준다. 도 3 에 보여지듯이, 합금의 실리콘 함량이 변할 때, 실리콘 1.2중량% 이상에서 시그마 상 (228) 이 나타나고 실리콘 1.4중량% 이상에서는 치(chi) 상 (230) 이 나타난다. G 상은 실리콘 1.6중량% 이상에서 나타났으며 실리콘의 중량백분율이 증가할수록 증가하였다. 실리콘의 중량백분율이 증가함과 함께, 상 (220, 222, 및 224) 은 상대적으로 일정하게 유지되었으며 Cu 상 (226) 의 약간의 증가가 예상되었다. 시그마 상 (228), 치(chi) 상 (230) 및 G 상 (232) 의 출현은 이 합금에서 실리콘 함량이 1.2중량% 이하인 것이 바람직할 수 있음을 나타낸다.
도 4 는 합금에서 형성된 상의 중량백분율 대 텅스텐의 중량백분율을 보여준다. 도 4 에 보여지듯이, 합금에서 텅스텐의 양을 변화시키면, 텅스텐 1.4중량%에서 시그마 상 (228) 이 나타난다. 라베스 상 (234) 은 텅스텐 1.5중량%에서 나타났으며 텅스텐의 중량백분율을 증가시킴에 따라 증가하였다. 따라서, 이 모델을 통해 합금 내의 텅스텐 함량은 1.3중량% 이하인 것이 바람직할 수 있음 을 예견할 수 있다.
도 5 는 합금에서 형성된 상의 중량백분율 대 니오븀의 중량백분율을 보여준다. 도 5 에 보여지듯이, 모델링 결과, 합금의 니오븀 함량이 1.55중량%에 달할 때 까지 합금에서 니오븀의 중량백분율이 증가함에 따라 Z 상 (224) 의 중량백분율이 선형 방식으로 증가함을 예견할 수 있었다. 니오븀 함량이 0.1중량%로부터 1.4중량%로 증가함에 따라, M2(C,N) 상 (222) 은 꽤 선형적으로 감소되었다. M2(C,N) 상 (222) 의 감소는 Z 상 (224), Cu 상 (226) 및 M23C6 상 (220) 의 증가에 의해 보상되었다. 합금에서 니오븀 1.5중량% 이상에서, 시그마 상 (228) 은 급격히 증가했으며, Z 상 (224) 은 감소하였고, M23C6 상 (220) 은 감소하였으며, M(C,N) 상 (226) 이 나타났다. 따라서, 합금에서 니오븀 함량이 최대 1.5중량%이면 상 (220, 222, 224, 및 226) 의 중량백분율을 최대화할 수 있으며, 합금에서 형성된 시그마 상 (228) 의 중량백분율이 최소화되는 것을 피할 수 있다. 합금을 열간 가공할수 있게 하기 위해, 적어도 니오븀 0.5중량%가 바람직하다는 것이 발견되었다. 따라서, 어떤 실시형태에서, 합금은 니오븀 0.5중량% 내지 1.5중량% 또는 0.8중량% 내지 1중량%를 함유한다.
도 6 은 합금에서 형성된 상의 중량백분율 대 탄소의 중량백분율을 보여준다. 도 6 에서 보여지듯이, 합금 내의 탄소의 중량백분율이 0 에서 0.06까지 증가됨에 따라, 시그마 상 (228) 의 중량백분율이 감소됨이 예견되었다. 합금에서의 탄소의 중량백분율이 최대 0.5까지 증가함에 따라 M23C6 상 (220) 의 중량백 분율은 선형적으로 증가하는 것으로 예견되었다. 합금에서의 탄소의 중량백분율이 증가함에 따라 M2(C,N) 상 (222), Z 상 (224) 및 Cu 상 (226) 은 상대적으로 일정하게 유지되도록 예견되었다. 0.06중량% 탄소 이후에 시그마 상 (228) 이 감소되었기 때문에, 합금에서 0.06중량% 내지 0.2중량%의 탄소 함량이 유리할 수 있다.
도 7 은 형성된 상의 중량백분율 대 질소의 중량백분율을 보여준다. 도 7 에 보여지듯이, 합금 내의 질소 함량은 0중량%에서 0.15중량%까지 증가했으며, 시그마 상 (228) 의 함량은 7중량%에서 0중량%로 감소하였고, M(C,N) 상 (236) 의 함량은 1중량%에서 0중량%로 감소하였으며, M23C6 상 (220) 의 함량은 0중량%에서 1.9중량%로 증가하였고, Z 상 (224) 의 함량은 0중량%에서 1.4중량%로 증가하였다. 합금 내의 질소 함량 0.15중량% 이상에서, M2(C,N) 상 (222) 이 나타났으며 합금 내의 질소의 함량이 증가함에 따라 증가하였다. 따라서, 합금에서 0.15중량% 내지 0.5중량%의 범위의 질소 함량이 유리할 수 있다.
도 8 은 형성된 상의 중량백분율 대 티타늄(Ti)의 중량백분율을 보여준다. 도 8 에 보여지듯이, 티타늄의 중량백분율을 0.19부터 1까지 변화시킴은 합금 내의 시그마 상 (228) 의 중량백분율을 0에서 7.5로 증가시키는데 기여할 수 있다. 따라서, 합금 내에서 0.2중량% 이하의 티타늄 함량이 바람직할 수 있다. 보여지는 바와 같이, 티타늄 함량이 0중량%에서 0.2중량%로 증가함에 따라, M(C,N) 상 (236) 의 중량백분율의 증가가 일어났으며, M2(C,N) 상 (222) 의 중량백분율의 감소 가 일어났고, Z 상 (224) 의 중량백분율의 감소가 일어났다. M2(C,N) 상 (222) 및 Z 상 (224) 의 감소가 나타나 M(C,N) 상 (236) 의 중량백분율의 증가를 상쇄시킨다. 따라서, 합금 내의 Ti 의 함유는 합금의 특성을 향상시키는 상의 양을 증가시키기 위함보다 다른 목적일 수 있다.
도 9 는 형성된 상의 중량백분율 대 구리의 중량백분율을 보여준다. 도 9 에 보여지듯이, M23C6 상 (220), M2(C,N) 상 (222), 및 Z 상 (224) 의 중량백분율은 합금 내의 구리의 중량백분율이 증가함에 따라 크게 변하지 않았다. 합금 내의 구리 함량이 2.5중량% 이상으로 증가할 때 Cu 상 (226) 이 크게 증가하였다. 따라서, 어떤 실시형태에서, 합금 내의 구리 함량이 3중량% 이상인 것이 바람직하다. 어떤 실시형태에서는, 합금 내의 구리 함량이 10중량%인 것이 유리하다.
도 10 은 형성된 상의 중량백분율 대 망간의 중량백분율을 보여준다. 도 10 에 보여지듯이, 합금 내의 망간 함량을 변화시켜도 합금에서 유리한 상 M23C6 상 (220), M2(C,N) 상 (222), Z 상 (224), 및 Cu 상 (226) 의 중량백분율에 크게 영향을 미치지 않았다. 그러므로, 망간의 양은 합금의 고온 특성에 크게 영향을 미치지 않고 비용을 줄이기 위해 또는 다른 이유로 변화될 수 있으며, 합금에서 망간의 허용 함량은 2중량% 내지 10중량%이다.
도 11 은 형성된 상의 중량백분율 대 니켈의 중량백분율을 보여준다. 도 11 에 보여지듯이, 합금의 니켈 함량이 8.4중량% 이상으로 증가함에 따라, 시그마 상 (228) 의 감소가 관찰되었다. 합금의 니켈 함량이 8중량%에서 17중량%로 증 가됨에 따라, Cu 상 (226) 은 17중량%에서 사라질 때까지 거의 선형적으로 감소하였고 M2(C,N) 상 (222) 의 중량%의 작은 증가가 예견되었다. 모델로부터, 부식 특성의 향상이 더 적은 Cu 상 (226) 의 어떠한 해로운 효과를 상쇄하는 한편, 합금 내의 10중량% 내지 15중량%의 니켈 함량, 또는 다른 실시형태에서 합금 내의 12중량% 내지 13중량%의 니켈 함량은 시그마 상 (228) 의 형성을 피할 수 있다.
도 12 는 형성된 상의 중량백분율 대 몰리브덴의 중량백분율을 보여준다. 도 12 에 보여지듯이, 유리한 상 M23C6 상 (220), M2(C,N) 상 (222), Z 상 (224), 및 Cu 상 (226) 의 중량백분율은 합금 내의 몰리브덴의 중량백분율이 변화될 때 비교적 일정하게 유지되었다. 합금의 Mo 함량이 0.65중량%를 초과함에 따라, 합금 내의 시그마 상 (228) 및 치(chi) 상 (230) 의 중량백분율은 다른 상의 큰 변화 없이 크게 증가하였다. 어떤 실시형태에서, 합금 내의 몰리브덴의 함량은 따라서 많아야 0.5중량%로 제한될 수 있다.
<합금 실시예>
합금 A 부터 N 이 표 1 에 따라 준비되었다. 그러한 측정이 유효할 때 측정된 조성이 표 1 에 포함되어 있다. 표에 실린 조성에 대해 합금의 전체 상 함량이 계산된다.
Figure 112008080504010-pct00001
<니오븀이 함유되는 경우의 열간 가공 실시예>
합금의 열간 가공성을 결정하기 위해, 1 파운드 샘플을 아크 용융하여 25.4 밀리미터 x 25.4 밀리미터 x 101.6 밀리미터 (1 인치 x 1 인치 x 4 인치)의 주괴(ingots) 를 얻어 표 1 의 합금 C, D, E, F, K, L 및 M 의 샘플이 준비되었다. 핫탑(hot top)을 잘라내고 몇몇 수축 바닥을 제거한 후에, 각 샘플은 1200℃에서 1시간동안 균질화되었고, 그리고나서 1200℃에서 중간 열로 12.7 밀리미터(0.5인치)의 두께로 열간 압연되었다. 샘플은 그리고나서 6.34 밀리미터(0.25인치) 두께의 플레이트로 냉간 압연되었고, 1200℃에서 1시간동안 진공 풀림되었다.
합금 D(0중량% 니오븀)가 열간 압연되었을 때, 합금 D 는 균열이 생겨서 12.7 밀리미터(0.5인치) 두께로의 압연이 수행될 수 없었다. 합금 L(0.12중량% 니오듐)은 열간 압연될 수 있었지만, 샘플의 가장자리로부터 시작하여 샘플의 중심을 향해 진행되는 균열이 생겼고, 그러한 열간 압연 후에 유용한 재료가 될 수 없다. 합금 M(0.51% Nb) 은 균열이나 어떠한 다른 문제를 나타냄이 없이 열간 압연될 수 있었다. 다른 샘플은 어떠한 문제 없이 상기 설명된 절차를 이용하여 처리되어, 균열이 없는 6.35 밀리미터(0.25인치) 플레이트가 얻어졌다. 합금 조성에서 니오븀 0.07중량% 조차도 열간 가공 동안 합금에서 균열이 생기는 경향을 크게 감소시킬 수 있음이 발견되었다. 적어도 니오븀 0.5중량% 를 갖는 합금이 열간 가공성과 같은 특성을 향상시키기 위해 정제 합금에 포함될 수 있다. 어떤 합금은 합금 특성을 향상시키기 위해 니오븀 0.5중량% 내지 1.2중량%, 니오븀 0.6중량% 내지 1.0중량%, 또는 니오븀 0.7중량% 내지 0.9중량%를 가질 수 있다.
<고온 열처리 실시예>
표 1 에서 합금 A 및 B 의 샘플은 두 다른 방법에 의해 처리되었다. 과정 A 는 1200℃의 온도에서 열처리 및 풀림 단계를 포함하였다. 과정 B 는 1250℃의 온도에서 열처리 및 풀림 단계를 포함하였다. 더 높은 열처리 및 풀림 온도로, 더 높은 온도에서 처리되었을 때 두 합금에 대하여 항복 강도 및 극한 인장 강도의 상당한 향상이 관찰되었다.
1200℃의 온도에서의 과정은 다음과 같이 수행되었다: 3.81cm(1.5인치) 두께와 15.24cm(6인치) ID 의 원심 주조 파이프의 섹션이 1200℃의 온도에서 한 시간 반 동안 균질화되었다; 섹션은 그리고나서 합금 A 에 대해 25.4cm(1인치) 두께 및 합금 B 에 대해 1.91cm(4분의 3 인치) 두께로 1200℃에서 열간 압연되었다; 실온까지 냉각된 후에 플레이트는 1200℃에서 15분동안 풀림되었다; 플레이트는 그리고나서 13.97밀리미터(0.55인치)로 냉간 압연되었다. 냉간 압연된 플레이트는 아르곤 블랭킷 하에서 공기중에서 1200℃에서 1시간동안 풀림되었다. 풀림된 플레이트는 아르곤 블랭킷 하에서 공기중에서 1250℃에서 최종적으로 1시간 동안 풀림되었다. 이 과정을 여기서 과정 A 라고 한다.
더 높은 열처리 및 풀림 온도의 처리는 1250℃의 온도에서 1시간 반 대신에 3시간동안 주조 플레이트의 균질화에 의해 상기 절차와 달랐다; 1200℃에서 38.1 밀리미터(1.5인치) 두께로부터 19.05 밀리미터(0.75인치) 두께로 열간 압연이 수행되었다; 결과적인 플레이트는 1200℃에서 15분동안 풀림되었고 이어서 13.97 밀리미터(0.55인치) 두께로 냉간 압연되었다. 이 과정을 과정 B 라고 한다.
도 13-17 은 다른 금속에 대한 항복 강도 및 극한 인장 강도를 보여준다. 도 13 에서, 데이터 (238) 는 항복 강도를 보여주며 데이터 (240) 는 과정 A 에 의해 처리된 합금 A 의 인장 강도를 보여준다. 데이터 (242) 는 항복 강도를 보여주며 데이터 (244) 는 과정 B 에 의해 처리된 합금 B 의 인장 강도를 보여준다. 데이터 (246) 는 항복 강도를 보여주며 데이터 (248) 는 347H 스테인레스 스틸에 대한 극한 인장 강도를 보여준다.
도 14 에서, 데이터 (250) 는 과정 A 에 의해 처리된 합금 G 의 항복 강도를 보여준다. 데이터 (252 및 254) 는 합금 H 및 I 에 대한 항복 강도를 보여준다. 데이터 (256) 는 과정 A 에 의해 처리된 합금 B 의 항복 강도를 보여준다. 데이터 (258) 는 과정 B 에 의해 처리된 합금 B 의 항복 강도를 보여준다. 데이터 (246) 는 347H 스테인레스 스틸에 대한 항복 강도를 보여준다.
도 15 에서, 데이터 (260) 는 과정 A 에 의해 처리된 합금 G 의 극한 인장 강도를 보여준다. 데이터 (262 및 264) 는 합금 H 및 I 에 대한 극한 인장 강도를 보여준다. 데이터 (266) 는 과정 A 에 의해 처리된 합금 B 의 극한 인장 강도를 보여준다. 데이터 (268) 는 과정 B 에 의해 처리된 합금 B 의 극한 인장 강도를 보여준다. 데이터 (248) 는 347H 스테인레스 스틸에 대한 극한 인장 강도를 보여준다.
도 16 에서, 데이터 (270 및 272) 는 합금 J 및 K 에 대한 항복 강도를 보여준다. 데이터 (256) 는 과정 A 에 의해 처리된 합금 B 의 항복 강도를 보여준다. 데이터 (258) 는 과정 B 에 의해 처리된 합금 B 의 항복 강도를 보여준다. 데이터 (246) 는 347H 스테인레스 스틸에 대한 항복 강도를 보여준다.
도 17 에서, 데이터 (274 및 276) 는 합금 J 및 K 에 대한 극한 인장 강도를 보여준다. 데이터 (266) 는 과정 A 에 의해 처리된 합금 B 의 극한 인장 강도를 보여준다. 데이터 (268) 는 과정 B 에 의해 처리된 합금 B 의 극한 인장 강도를 보여준다. 데이터 (248) 는 347H 스테인레스 스틸에 대한 극한 인장 강도를 보여준다.
더 높은 온도에서 처리된 합금에 있어서 347H 스테인레스 스틸과 비교하여 극한 인장 강도 및 항복 강도 모두가 더 컸다. 합금 A, B, G, H, I, J 및 K 에 대해 347H를 넘어서는 상당한 향상이 보여질 수 있다. 예를 들어, 합금 A, B, G, H, I, J 및 K 는 1000℃의 시험 온도로 인장 특성을 유지하였다. 20ksi의 항복 강도가 요구된 적용에서, 합금 A, B, G, H, I, J 및 K 는 적어도 추가의 250℃에 대한 요구되는 항복 강도를 제공한다. 시험 온도에서 항복 및 극한 인장 강도 사이의 5ksi 차로, 합금 A, B, G, H, I, J 및 K 는 347H 에 대한 단지 870℃ 와는 대조적으로 950℃ 및 1000℃의 온도에서 사용될 수 있다.
과정 A 및 과정 B 에 의해 처리된 합금 B 의 샘플은 스트레스 파열 시험되었고, 그 결과가 표 2 에 표현되었다. 더 높은 풀림 온도의 과정 B 가 파열까지의 시간에 있어 47% 내지 474% 의 향상을 가져왔음이 표 2 에서 보여질 수 있다.
Figure 112008080504010-pct00002
<냉간 가공 및 시효 처리 후의 고온 항복 실시예>
과정 B 에 의해 처리된 합금 B 의 샘플은 냉간 가공 없이 2.5%, 5% 및 10% 만큼 냉간 가공된 후에 750℃에서 1000시간동안 시효 처리되었다. 시효 처리 후에 각각은 750℃에서 인장 강도 및 항복 강도에 대해 시험되었다. 결과가 표 3 에 표현된다. 냉간 가공 및 고온 시효 처리의 결과로서 항복 강도가 크게 증가되었음이 표 3 에서 보여질 수 있다. 750℃에서의 극한 인장 강도는 고온 시효 처리 및 냉간 가공의 결과로서 단지 약간 감소되었다. 풀림만 된 샘플 및 시효 처리만 된 샘플 역시 실온에서 항복 강도 및 극한 인장 강도에 대해 시험되었다. 실온에서의 항복 강도는 시효 처리의 결과로서 307MPa 에서 318MPa 로 증가하였다. 극한 인장 강도는 고온 시효 처리의 결과로서 720MPa 에서 710MPa 로 감소하였다.
Figure 112008080504010-pct00003
이 특성은 347H 와 같은 경쟁 합금과 비교될 수 있으며, 이러한 경쟁합금은, 단지 예를 들어 10% 냉간 가공의 결과로서 고온 특성을 크게 잃는다. 현장 열처리 과정에서 유용한 관 및 히터의 제조가 종종 그 제조에 냉간 가공을 요구하기 때문에, 몇몇 고온 특성의 향상 또는 적어도 고온 특성의 큰 손실의 부족이 이러한 특성을 갖는 합금에 대해 큰 이점이 될 수 있다. 이 특성이 고온 시효 처리에 의해 향상되거나 또는 적어도 크게 감소되지 않으면, 특히 이익이 될 수 있다.
<크리프 실시예>
합금의 샘플에는 0.1% 산소 시험 환경을 갖는 질소에서 800℃에서 100MPa 스트레스가 주어졌다. 각각의 샘플은 1200℃에서 1시간동안 우선 풀림되었다. 표 4 는 파열, 파열 연신율, 및 전체 상 함량을 보여주며, 여기서 전체 상 함량은 알려져 있다.
Figure 112008080504010-pct00004
향상된 합금 B 의 샘플은 압연 처리되었으며 관으로 말리고 심 용접되어 31.75 밀리미터(1.25인치) OD 파이프를 형성하였다. 파이프는 그리고나서 용접의 강도를 시험하기 위하여 잘리고 다시 서로 용접되었다. 충전재 금속은 ERNiCrMo-3 이었으며, 아르곤 보호 가스 및 50℃의 예열 최소 온도와 350℃의 인터패스 최대 온도를 갖는 3개의 패스로 용접이 완료되었다. 크리프 파손이 900℃및 44.8MPa 에서 용접 파이프의 세그먼트에 대해 시험되었다. 41 시간의 파열 시간이 5.5%의 변형에서 파손으로 측정되었다. 이는 용접부 주위의 열 영향 구역을 포함하는 용접부가 기초 합금보다 크게 더 약하지 않음을 증명하였다.
본 발명의 다양한 양태의 추가 변형 및 대안적인 실시형태가 이 설명의 관점에서 당업자에게 명백해질 것이다.
따라서, 이 설명은 단지 실례로서 파악되며, 본 발명을 수행하는 일반적인 방법을 당업자에게 가르치는 목적이 있다. 여기 보여지고 설명되는 본 발명의 형태가 현재 바람직한 실시형태로서 받아들여짐이 이해되어야 한다. 여기에 예시되고 설명된 원소 및 물질은 치환될 수 있으며, 부분 및 과정은 바뀔 수 있고, 본 발명의 어떤 특성은 독립적으로 이용될 수 있으며, 본 발명의 이 설명의 이익을 가진 후에는 모든 것이 당업자에게 명백해질 것이다. 이어지는 청구범위에 기재되듯이 본 발명의 정신 및 범위로부터 멀어지지 않고 여기에 설명된 요소들에 변화가 만들어질 수 있다. 게다가, 어떤 실시형태에서 여기 독립적으로 설명된 특징은 결합될 수 있음이 이해되어야 한다.

Claims (47)

18중량% 내지 22중량% 크롬;
5중량% 내지 13중량% 니켈;
3중량% 내지 10중량% 구리;
1중량% 내지 10중량% 망간;
0.5중량% 내지 1.5중량% 니오븀;
0.12중량% 내지 0.5중량% 질소;
0.08중량% 내지 0.2중량%의 탄소; 및
잔부는 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성물로서,
상기 조성물은, 800℃에서, M(C,N), M2(C,N) 또는 M23C6 상으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 상을 포함하는, 적어도 2중량%의 석출물을 포함하고, 상기 M 은 니켈, 구리, 니오븀, 철 또는 망간이고,
상기 석출물은 나노니트라이드를 포함하고, 상기 나노니트라이드는 5 내지 100 나노미터의 범위에서 최대 크기를 갖는 입자를 포함하는 조성물.
제 1 항에 있어서, 조성물은 800℃에서 241.316 MPa (35ksi) 보다 더 큰 항복 강도를 갖는 조성물.
제 2 항에 있어서, 상기 조성물은, 풀림된 후에, 20퍼센트의 냉간 가공되는 결과로서 20퍼센트 미만으로 변하는 800℃에서의 항복 강도를 갖는 조성물.
삭제
제 1 항에 있어서, 0.3중량% 내지 1중량% 몰리브덴을 더 포함하는 조성물.
제 2 항에 있어서, 21중량% 크롬, 3중량% 구리, 8중량% 망간, 0.8중량% 니오븀, 7중량% 니켈, 0.13중량% 탄소, 및 0.37중량% 질소를 포함하고, 0.3중량% 몰리브덴, 0.5중량% 실리콘 및 1중량% 텅스텐을 더 포함하는 조성물.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 조성물은 나노카바이드 석출물을 더 포함하는 조성물.
제 9 항에 있어서, 나노카바이드 석출물은 입자를 포함하고, 상기 입자는 5 내지 200 나노미터의 범위에서 최대 크기를 갖는 조성물.
제 1 항에 있어서, 800℃에서 상기 조성물은 적어도 3.25중량%의 석출물을 갖는 조성물.
삭제
제 11 항에 있어서, 상기 조성물은 풀림 온도에서 풀림되고,
상기 조성물은, 상기 풀림 온도에서, M(C,N), M2(C,N) 또는 M23C6 상으로 이루어진 그룹에서 선택되는 상을 포함하는 것보다, 800℃에서, M(C,N), M2(C,N) 또는 M23C6 상으로 이루어진 그룹에서 선택되는 상을 적어도 1.5중량% 더 포함하고, 상기 M 은 니켈, 구리, 니오븀, 철 또는 망간인 조성물.
제 13 항에 있어서, 풀림 온도는 적어도 1250℃인 조성물.
제 13 항에 있어서, 풀림 온도는 1300℃와 조성물의 용융 온도 사이인 조성물.
제 11 항에 있어서, 800℃에서 조성물은 적어도 4중량%의 석출물을 포함하는 조성물.
제 11 항에 있어서, 800℃에서 조성물은 적어도 8중량%의 석출물을 포함하는 조성물.
18중량% 내지 22중량% 크롬;
5중량% 내지 13중량% 니켈;
3중량% 내지 10중량% 구리;
0.5중량% 내지 1.5중량% 니오븀;
1중량% 내지 10중량% 망간;
0.12중량% 내지 0.5중량% 질소;
0.08중량% 내지 0.2중량%의 탄소; 및
잔부는 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성물로서,
상기 조성물은, 800℃에서, Cu, M(C,N), M2(C,N) 또는 M23C6 상으로 이루어진 그룹에서 선택되는 상을 포함하는, 적어도 2중량%의 석출물을 포함하고, 상기 M 은 니켈, 구리, 니오븀, 철 또는 망간이고,
상기 석출물은 나노니트라이드를 포함하고, 상기 나노니트라이드는 5 내지 100 나노미터의 범위에서 최대 크기를 갖는 입자를 포함하고,
구리에 대한 텅스텐의 비가 1/10 과 10/1 사이인 조성물.
제 18 항에 있어서, 망간에 대한 구리의 비가 1/5 과 5/1 사이인 조성물.
삭제
제 18 항에 있어서, 800℃에서 조성물은 적어도 3.25중량%의 석출물을 포함하는 조성물.
제 18 항에 있어서, 800℃에서 조성물은 적어도 4중량%의 석출물을 포함하는 조성물.
삭제
제 18 항에 있어서, 상기 조성물은 적어도 10퍼센트의 정도까지 냉간 가공되는 조성물.
제 18 항에 있어서, 상기 조성물은 적어도 10퍼센트의 정도까지 열간 가공되는 조성물.
제 18 항에 있어서, 상기 조성물은 열간 시효 처리되는 조성물.
열 생성 요소; 및
열 생성 요소를 적어도 부분적으로 둘러싸는 캐니스터를 포함하는 히터 시스템에 있어서,
상기 캐니스터는
18중량% 내지 22중량% 크롬;
5중량% 내지 13중량% 니켈;
3중량% 내지 10중량% 구리;
0.5중량% 내지 1.5중량% 니오븀;
1중량% 내지 10중량% 망간;
0.12중량% 내지 0.5중량% 질소;
0.08중량% 내지 0.2중량%의 탄소 및
잔부는 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 재료로 적어도 부분적으로 이루어지고,
상기 재료는, 800℃에서, Cu, M(C,N), M2(C,N) 또는 M23C6 상으로 이루어진 그룹에서 선택되는 상을 포함하는, 적어도 2중량%의 석출물을 포함하고, 상기 M 은 니켈, 구리, 니오븀, 철 또는 망간이고,
상기 석출물은 나노니트라이드를 포함하고, 상기 나노니트라이드는 5 내지 100 나노미터의 범위에서 최대 크기를 갖는 입자를 포함하는, 히터 시스템.
제 27 항에 있어서, 열 생성 요소는 전기 동력 열 생성 요소인 히터 시스템.
제 27 항에 있어서, 열 생성 요소는 탄화수소 연료 연소 요소인 히터 시스템.
관을 포함하는 지하 지층을 가열하는 시스템에 있어서,
상기 관은
18중량% 내지 22중량% 크롬;
5량% 내지 13중량% 니켈;
3중량% 내지 10중량% 구리;
0.5중량% 내지 1.5중량% 니오븀;
1중량% 내지 10중량% 망간;
0.12중량% 내지 0.5중량% 질소;
0.08중량% 내지 0.2중량%의 탄소; 및 잔부는 철 및 기타 불가피한 불순물을포함하는 재료로 적어도 부분적으로 이루어지고,
상기 재료는, 800℃에서, Cu, M(C,N), M2(C,N) 또는 M23C6 상으로 이루어진 그룹에서 선택되는 상을 포함하는, 적어도 2중량%의 석출물을 포함하고, 상기 M 은 니켈, 구리, 니오븀, 철 또는 망간이고, 상기 석출물은 나노니트라이드를 포함하고, 상기 나노니트라이드는 5 내지 100 나노미터의 범위에서 최대 크기를 갖는 입자를 포함하고, 구리에 대한 텅스텐의 비가 1/10 과 10/1 사이인 지하 지층을 가열하는 시스템.
제 30 항에 있어서, 지하 지층을 가열하기 위해 관을 통해 가열 매체를 순환시키는 가열 매체 시스템을 더 포함하는 시스템.
제 30 항에 있어서, 상기 가열 매체는 증기를 포함하는 시스템.
제 30 항에 있어서, 상기 가열 매체는 이산화탄소를 포함하는 시스템.
제 30 항에 있어서, 헬륨과 열을 교환함으로써 상기 가열 매체가 그 표면에서 가열되는 시스템.
제 34 항에 있어서, 상기 헬륨은 핵 반응기에서 가열되는 시스템.
제 30 항에 있어서, 상기 시스템은 열원으로서 전기 동력 가열 요소를 더 포함하는 시스템.
제 30 항에 있어서, 상기 관은 관을 형성하기 위해 롤링된 플레이트를 용접함으로써 제조되는 시스템.
제 37 항에 있어서, 상기 용접은 레이저 용접을 포함하는 시스템.
제 37 항에 있어서, 상기 용접은 가스 텅스텐 아크 용접을 포함하는 시스템.
18중량% 내지 22중량% 크롬;
5량% 내지 13중량% 니켈;
3중량% 내지 10중량% 구리;
1중량% 내지 10중량% 망간;
0.5중량% 내지 1.5중량% 니오븀;
0.12중량% 내지 0.5중량% 질소;
0.08중량% 내지 0.2중량%의 탄소; 및 잔부는 철 및 기타 불가피한 불순물을포함하는 조성물이며,
상기 조성물은, 800℃에서, Cu, M(C,N), M2(C,N) 또는 M23C6 상으로 이루어진 그룹에서 선택되는 상을 포함하는, 적어도 2중량%의 석출물을 포함하고, 상기 M 은 니켈, 구리, 니오븀, 철 또는 망간이고, 상기 석출물은 나노니트라이드를 포함하고, 상기 나노니트라이드는 5 내지 100 나노미터의 범위에서 최대 크기를 갖는 입자를 포함하고, 그 재료는 정제(wrought) 재료를 형성하기 위해 냉간 가공될 수 있으며, 상기 조성물은 20퍼센트 만큼 냉간 가공되는 결과로서 20퍼센트 미만으로 변하는 800℃에서의 항복 강도를 갖는 조성물.
제 40 항에 있어서, 상기 재료는 열간 가공될 수 있는 조성물.
삭제
삭제
삭제
1 이상의 히터 시스템을 위치시키는 단계와, 1 이상의 히터 시스템에서 발생된 열로 지하 지층의 적어도 일부를 가열하는 단계를 포함하고,
상기 히터 시스템 중 적어도 하나의 일부가 제 27 항 내지 제 29 항 중 어느 하나의 히터 시스템인 지하 지층을 가열하는 방법.
제 45 항에 있어서, 지층 내의 적어도 일부의 탄화수소가 유동되거나, 열분해되거나, 유동되고 열분해되도록 지층에 열을 제공하는 단계를 더 포함하는 지하 지층을 가열하는 방법.
제 45 항에 있어서, 지층으로부터 탄화수소의 적어도 일부를 생산하는 단계를 더 포함하는 지하 지층을 가열하는 방법.
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