CN103909112B

CN103909112B - 110ksi级钛合金油管及其生产方法

Info

Publication number: CN103909112B
Application number: CN201410126903.4A
Authority: CN
Inventors: 曾理; 郭元蓉; 黄英; 江健; 邹友富; 李银
Original assignee: Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: CN103909112A

Abstract

本发明提供了一种110ksi级钛合金油管及其生产方法。所述方法包括：冶炼成分为Al：3.5～7%、V：2.5～6.5%、Mo：1.5～2.5%、Si：0.15～0.35%及余量Ti的合金液，制成圆管坯；加热圆管坯至950～995℃；斜轧穿孔以得毛管，延伸系数为2.3～3.5，扩径率为10～18%；向毛管吹硼砂，随后进行除鳞；连轧形成荒管，延伸系数为2.3～2.8，减径率为16～20%；将荒管经中间冷床冷却到400℃以下，然后用再加热炉加热至890～960℃，用张减机减径，张减机变形量≥50%。本发明能够得到具有良好力学性能和良好的抗H₂S和CO₂腐蚀性能的110ksi级钛合金油管。

Description

110ksi级钛合金油管及其生产方法

技术领域

本发明涉及钛合金油管技术领域，具体来讲，涉及一种110ksi级钛合金油井管及其生产方法。

背景技术

目前，随着油井开采深度的不断增加，流体的温度和压力升高，含硫量增加，因此，对于油井管的材料和技术要求更为严格。随着埋藏很深的高酸性油气田的逐渐发现和开采，开采环境中H₂S、CO₂、S、Cl-含量很高，常用的不锈钢管材已无法满足开采需求。因此，高合金化的镍基耐蚀合金(028、825、G-3、2550、050、625、C276)等镍基合金己经在石油勘探和工作条件苛刻的油井上得到了广泛的应用。

然而，在深井中使用上述镍基合金，重量亦显太重。鉴于钛合金管具有低密度、高强度的特点，其比强度（强度/重量比）高，并且具有更加优良的抗疲劳性能和抗腐蚀特性，因此，开发钛合金油管及其生产工艺就成了急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。

例如，本发明的目的之一在于提供一种适合在高温、硫化氢和高二氧化碳环境下使用的110ksi级钛合金油管及其生产方法。

本发明的一方面提供了一种110ksi级钛合金油管的生产方法。所述生产方法包括依次进行的以下步骤：冶炼形成成分按重量百分比计为Al：3.5～7%、V：2.5～6.5%、Mo：1.5～2.5%、Si：0.15～0.35%以及余量Ti的钛合金液，将钛合金液制成圆管坯；加热圆管坯，以使圆管坯温度为950～995℃；对圆管坯进行斜轧穿孔以得到毛管，其中，控制延伸系数为2.3～3.5，扩径率为10～18%；向毛管吹硼砂，对毛管进行除鳞；对毛管进行连轧以形成荒管，其中，控制延伸系数为2.3～2.8，减径率为16～20%；将荒管经再加热炉前的中间冷床冷却到400℃以下，然后用再加热炉加热至890～960℃，接着用张减机减径，控制张减机变形量≥50%，得到110ksi级钛合金油管。

本发明的另一方面提供了一种110ksi级钛合金油管。所述110ksi级钛合金油管采用如上所述的生产方法制得。其成分按重量百分比计为Al：3.5～7%、V：2.5～6.5%、Mo：1.5～2.5%、Si：0.15～0.35%以及余量Ti，并且其具有α+β等轴组织。

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：能够得到具有良好力学性能（例如，屈服强度R_P0.2：758～965Mpa、抗拉强度：≥862Mpa、延伸：≥12.0%、0℃的全尺寸纵向夏比冲击功不小于41J）并具有良好的抗H₂S和CO₂腐蚀性能的110ksi级钛合金油管。本发明的钛合金油管适合在高温、硫化氢和高二氧化碳环境的油井下使用。

附图说明

图1示出了本发明110ksi级钛合金油管的一个示例性实施例的金相组织结构图；

图2示出了本发明110ksi级钛合金油管的另一个示例性实施例的金相组织结构图；

图3示出了本发明110ksi级钛合金油管的又一个示例性实施例的金相组织结构图。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的110ksi级钛合金油管及其生产方法。

根据本发明一方面的110ksi级钛合金油管（也可称为油井管）生产方法包括依次进行的以下步骤：冶炼形成成分按重量百分比计为Al：3.5～7%、V：2.5～6.5%、Mo：1.5～2.5%、Si：0.15～0.35%以及余量Ti的钛合金液，将钛合金液制成圆管坯；加热圆管坯，以使圆管坯温度为950～995℃；对圆管坯进行斜轧穿孔以得到毛管，其中，控制延伸系数为2.3～3.5，扩径率为10～18%；向毛管吹硼砂，对毛管进行除鳞；对毛管进行连轧以形成荒管，其中，控制延伸系数为2.3～2.8，减径率为16～20%；将荒管经再加热炉前的中间冷床冷却到400℃以下，然后用再加热炉加热至890～960℃，接着用张减机减径，控制张减机变形量≥50%，得到110ksi级钛合金油管。

在本发明的生产方法的一个示例性实施例中，钛合金液的成分优选为Al：5.5～6.5%、V：3.2～5.7%、Mo：1.9～2.3%、Si：0.20～0.30%以及余量Ti。

在本发明的生产方法的一个示例性实施例中，加热圆管坯的步骤可通过使圆管坯依次经历温度不高于800℃的预热段、温度为860～998℃的加热段和温度为950～995℃的均热段，以将圆管坯的温度控制为950～995℃。例如，加热圆管坯的步骤可通过使圆管坯依次经历温度为550～790℃的预热段、温度为温度为800～860℃的加热一段、温度为880～930℃的加热二段、温度为950～980℃的加热三段和温度为980～995℃的均热段，以将圆管坯的温度控制为965～985℃。

在本发明的生产方法的一个示例性实施例中，优选地，斜轧穿孔以得到毛管的步骤控制轧辊速度为0.35～0.5mm/s。

根据本发明另一方面的110ksi级钛合金油管采用如上所述的生产方法制得。该110ksi级钛合金油管的成分按重量百分比计为Al：3.5～7%、V：2.5～6.5%、Mo：1.5～2.5%、Si：0.15～0.35%以及余量Ti，并且其具有α+β等轴组织。

在本发明的110ksi级钛合金油管中，合金元素的主要作用如下：

将铝的含量控制为3.5～7%，能够改善抗氧化性，减小合金密度，显著提高再结晶温度，提高合金的热强性，防止由亚稳定β相分解产生的ω相而引起的脆性，提高氢在α-Ti中的溶解度，减少由氢化物引起氢脆的敏感性。优选地，将铝的含量控制为5.5～6.5%。如果铝含量超过7%，则可能对合金的塑性、韧性及应力腐蚀不利。

将钒和钼的含量分别控制为V：2.5～6.5%、Mo：1.5～2.5%，能够固溶强化β相，并显著降低相变点、增加淬透性，从而增强热处理强化效果；并且加入上述含量的钒和钼后的钛合金油管不发生共析反应，在高温下组织稳定性好，有利于提高蠕变抗力和耐蚀性，尤其是提高合金在氯化物溶液中抗缝隙腐蚀能力。优选地，将钒和钼的含量分别控制为V：3.2～5.7%、Mo：1.9～2.3%。

将硅的含量控制为0.15～0.35%，能够改善合金的耐热性能。如果硅含量过高，则会造成硅在α相析出，从而劣化性能。优选地，将硅的含量控制为0.2～0.30%。

在本发的一个示例性实施例中，110ksi级钛合金油管生产方法可以通过以下步骤来实现：

（1）冶炼：选用海绵块，按照成分按重量百分比为：Ti余量，Al：3.5～7%，V：2.5～6.5%，Mo：1.5～2.5%，Si：0.15～0.35%的配比配料，采用二次真空自耗电弧炉熔炼（例如，进行2～3次熔炼），经快锻机锻造成毛坯，扒皮制得圆管坯。

（2）环形炉加热：将所述管坯在环形炉中加热，炉内气氛为弱氧化气氛，炉温设定预热段≤800℃；加热段为860～998℃均热段为950～995℃，均热段保温1～1.7小时以保证加热温度均匀。

（3）斜轧穿孔：钛合金坯料出环形炉经二辊斜轧穿孔机穿孔得到毛管，轧辊速度0.35～0.5mm/s，控制延伸系数为2.3～3.5，穿孔后毛管扩径率为10～18%，斜轧穿孔采用普通穿碳钢的顶头，穿孔毛管经吹硼砂后，送连轧机。

（4）连轧：毛管经高压风除鳞后进入五机架三辊连轧机，轧制为荒管，出口速度为3.2～4m/s，延伸系数为2.3～2.8，减径率为16～20%。

（5）张力减径：将所述荒管经再加热炉前中间冷床冷却到400℃以下，然后用再加热炉加热至890～960℃，经张减机减径，控制张减机变形量≥50%，优选地，可以为100%以上，得到最终的油管。

对于本发明的钛合金荒管来讲，在960℃以下的较低温度变形时应力软化现象非常明显，变形机制和热变形激活能不同于960℃以上的较高温度变形机制，这主要是因为变形过程中同时发生了相变。钛合金在960℃以上高温度变形时，低应变速率(如ε=0.01s－1)促进了动态再结晶行为的发生，而在较高的应变速率(如ε=10s－1)时，一般只发生动态回复现象，动态再结晶行为受抑制。因此，再加热炉加热温度为890～960℃，并要求张减机变形量≥50%。

示例1

选用海绵块，按照成分按重量百分比为：Ti余量，Al：5.7%，V：3.8%，Mo：2.0%，Si：0.22%的配比配料，采用二次真空自耗电弧炉熔炼，进行2次熔炼，经快锻机锻造成毛坯，扒皮制得圆管坯。圆管坯的规格为195mm。

将管坯在环形炉中加热，炉内气氛为弱氧化气氛，炉温设定预热段630±10℃；加热一段为830±15℃，加热二段为900±15℃，加热三段为965±15℃，均热段为985±5℃，均热段保温1.5小时以保证加热温度均匀。

管坯出环形炉经二辊斜轧穿孔机穿孔得到225×16规格的毛管，轧辊速度0.36mm/s，控制延伸系数为2.84，穿孔后毛管扩径率为15.4%，斜轧穿孔采用普通穿碳钢的顶头，穿孔毛管经吹硼砂后，送连轧机。

毛管经高压风除鳞后进入五机架三辊连轧机，轧制为荒管，出口速度为3.2m/s，延伸系数为2.43，减径率为19.1%。荒管规格为182×7.9mm。

张力减径：将所述荒管经再加热炉前中间冷床冷却到350～370℃，然后用再加热炉加热至910±5℃，经张减机减径，张减机变形量259%，得到规格为88.90×6.45mm的钛合金油管。经检测，本示例的钛合金油管具有α+β等轴组织，其金相组织结构如图1所示。

示例2

选用海绵块，按照成分按重量百分比为：Ti余量，Al：5.98%，V：3.98%，Mo：2.15%，Si：0.24%的配比配料，采用二次真空自耗电弧炉熔炼，进行2次熔炼，经快锻机锻造成毛坯，扒皮制得圆管坯。圆管坯的规格为195mm。

将管坯在环形炉中加热，炉内气氛为弱氧化气氛，炉温设定预热段650±10℃；加热一段为830±15℃，加热二段为900±15℃，加热三段为965±15℃，均热段为985±10℃，均热段保温1.6小时以保证加热温度均匀。

管坯出环形炉经二辊斜轧穿孔机穿孔得到222×16.5规格的毛管，轧辊速度0.40mm/s，控制延伸系数为2.80，穿孔后毛管扩径率为13.8%，斜轧穿孔采用普通穿碳钢的顶头，穿孔毛管经吹硼砂后，送连轧机。

毛管经高压风除鳞后进入五机架三辊连轧机，轧制为荒管，出口速度为3.5m/s，延伸系数为2.44，减径率为18%。荒管规格为182×8.0mm。

张力减径：将所述荒管经再加热炉前中间冷床冷却到185～205℃，然后用再加热炉加热至900±5℃，经张减机减径，张减机变形量259%，得到规格为88.90×6.45mm的钛合金油管。经检测，本示例的钛合金油管具有α+β等轴组织，其金相组织结构如图2所示。

示例3

选用海绵块，按照成分按重量百分比为：Ti余量，Al：6.23%，V：4.04%，Mo：2.11%，Si：0.24%的配比配料，采用二次真空自耗电弧炉熔炼，进行2次熔炼，经快锻机锻造成毛坯，扒皮制得圆管坯。圆管坯的规格为160mm。

将管坯在环形炉中加热，炉内气氛为弱氧化气氛，炉温设定预热段600±10℃；加热一段为830±15℃，加热二段为900±15℃，加热三段为965±15℃，均热段为985±10℃，均热段保温1.2小时以保证加热温度均匀。

管坯出环形炉经二辊斜轧穿孔机穿孔得到181×14规格的毛管，轧辊速度0.45mm/s，控制延伸系数为2.74，穿孔后毛管扩径率为13.1%，斜轧穿孔采用普通穿碳钢的顶头，穿孔毛管经吹硼砂后，送连轧机。

毛管经高压风除鳞后进入五机架三辊连轧机，轧制为荒管，出口速度为3.5m/s，延伸系数为2.35，减径率为18%。荒管规格为140×7.5mm。

张力减径：将所述荒管经再加热炉前中间冷床冷却到45～65℃，然后用再加热炉加热至930±5，经张减机减径，张减机变形量187%，得到规格为88.90×6.45mm的钛合金油管。经检测，本示例的钛合金油管具有α+β等轴组织，其金相组织结构如图3所示。

表1示例1至3得到的钛合金油管的力学性能检测结果

表1中，“内、中、外”分别表示壁厚内部、中间、外部位置；L表示冲击功试样方向为纵向；5×l0×55表示冲击功试样尺寸；0℃表示冲击试验温度。10mm×10mm×55mm冲击试样为全尺寸，5mm×l0mm×55mm冲击试样为小尺寸，本发明的钛合金油管试样的5×l0×55小尺寸冲击试样的纵向0℃夏比冲击功可达28J以上，不小于41×0.55=23J，故而，本发明的钛合金油管试样的全尺寸纵向0℃夏比冲击功不小于41J。

下面对示例1至3所得到的钛合金油管进行抗腐蚀检验。

NACETMO177A法（简称A法）应力腐蚀试验：

试验温度为24±3℃，试验溶液为NACETM0177-2005A溶液，加载应力按实际屈服强度90%计，检测时间为720h。经检测，示例1至3的样品在加载实际屈服强度90%应力条件下，未发生应力开裂。

NACETMO177B法（简称B法）应力腐蚀试验：

试验温度为150℃，硫化氢分压为0.7MPa，单质硫浓度为1g/L，CO₂分压为1.4MPa，NaCl浓度为91000mg/L，加载应力按实际屈服强度90%计，检测时间为720h。经检测，示例1至3的样品在加载实际屈服强度90%应力条件下，未发生应力开裂，无局部腐蚀。

高压釜挂片腐蚀试验

试验温度为150℃，硫化氢分压为0.7MPa，单质硫浓度为1g/L，CO₂分压为1.4MPa，NaCl浓度为91000mg/L，进行腐蚀挂片试验168h。经检测，示例1至3的样品的年腐蚀率为0.0020mm/ao。

上述试验表明，本发明的方法制得的钛合金油井管具有良好的抗CO₂、H₂S应力腐蚀性能。

综上所述，本发明的有益效果包括：能够不经离线热处理，获得具有优良力学性能和抗腐蚀性能的110ksi级钛合金油管。例如，本发明所制得级钛合金油管的力学性能指标为：屈服强度R_P0.2：758～965Mpa、抗拉强度：≥862Mpa、延伸：≥12.0%、0℃冲击功不小于41J。

本发明所制得级钛合金油管的性能能够满足API5CT标准110ksi级的要求，且具有优良的理化性能、使用性能、抗硫化氢和二氧化碳腐蚀的性能，其抗硫化氢应力应力腐蚀门槛值达到100%SMYS(名义最小屈服强度)。

此外，本发明所制得的110ksi级钛合金油管经矫直后，表面修磨，按API5CTSR2要求进行内外表面纵横向探伤，合格后转螺纹加工厂即可。

尽管上面已经结合附图和示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims

1.一种110ksi级钛合金油管的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括依次进行的以下步骤：

冶炼形成成分按重量百分比计为Al：3.5～7％、V：2.5～6.5％、Mo：1.5～2.5％、Si：0.15～0.35％以及余量Ti的钛合金液，将钛合金液制成圆管坯；

加热圆管坯，以使圆管坯温度为950～995℃；

对圆管坯进行斜轧穿孔以得到毛管，其中，控制延伸系数为2.3～3.5，扩径率为10～18％；

向毛管吹硼砂，对毛管进行除鳞；

对毛管进行连轧以形成荒管，其中，控制延伸系数为2.3～2.8，减径率为16～20％；

将荒管经再加热炉前的中间冷床冷却到400℃以下，然后用再加热炉加热至890～960℃，接着用张减机减径，控制张减机变形量≥50％，得到110ksi级钛合金油管。

2.根据权利要求1所述的110ksi级钛合金油管的生产方法，其特征在于，所述钛合金液的成分为Al：4.0～5.5％、V：3.2～5.7％、Mo：1.9～2.3％、Si：0.20～0.30％以及余量Ti。

3.根据权利要求1所述的110ksi级钛合金油管的生产方法，其特征在于，所述加热圆管坯的步骤将圆管坯依次经历温度不高于800℃的预热段、温度为860～998℃的加热段和温度为950～995℃的均热段。

4.根据权利要求1所述的110ksi级钛合金油管的生产方法，其特征在于，所述斜轧穿孔以得到毛管的步骤控制轧辊速度为0.35～0.5mm/s。

5.一种110ksi级钛合金油管，其特征在于，所述110ksi级钛合金油管采用如权利要求1至4中任意一项所述的生产方法制得，所述110ksi级钛合金油管的成分按重量百分比计为Al：3.5～7％、V：2.5～6.5％、Mo：1.5～2.5％、Si：0.15～0.35％以及余量Ti，并且其具有α+β等轴组织。

6.根据权利要求5所述的110ksi级钛合金油管，其特征在于，所述110ksi级钛合金油管的成分为Al：4.2～5.7％、V：3.5～5.5％、Mo：1.8～2.0％、Si：0.18～0.24％以及余量Ti。

7.根据权利要求5所述的110ksi级钛合金油管，其特征在于，所述110ksi级钛合金油管的屈服R_P0.2为758～965Mpa、抗拉强度不小于862Mpa、延伸率不小于12.0％、0℃的全尺寸纵向夏比冲击功不小于41J。