CN104532090B - 一种 580MPa 级铝合金钻杆用管体及其制造方法 - Google Patents

一种 580MPa 级铝合金钻杆用管体及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种580MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法，以重量百分比计，包括Zn：6.0～7.5％，Mg：1.7～2.3％，Cu：1.7～2.6％，Fe：0.1～0.3％，Ni：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.2％，Ti：0.01～0.02％，余量为Al和不可避免的杂质。其制造方法是：冶炼、浇铸、管坯均匀化处理、管坯再加热、挤压、固溶、预拉伸变形，时效，本发明提高了强度，有好的塑性、韧性、抗腐蚀和抗疲劳性能，管体的拉伸性能、延伸率均达到ISO规范规定。

Description

一种580MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法
技术领域
本发明属于油井管制造技术领域，涉及一种铝合金钻杆用管材，具体涉及一种580MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法。
背景技术
石油钻杆是用于输送泥浆、传递动力的主要工具，在整个钻柱中钻杆的用量约占85％以上，是钻井中的主要工具。相比于传统的钢钴质钻杆，铝合金钻杆具有密度小、自重轻、耐腐蚀、无磁性等优良特性，使之在实际应用中能显著提高钻探深度、钻探速度和钻探效率，便于运输。特别在某些深井、超深井、定向井、酸性气井(含H2S和CO2)及深海钻井的钻探中具有得天独厚的优势。
铝合金钻杆的研究起源于上世纪60年代，经过50多年的发展，铝合金钻杆作业现已成为世界油气工业技术研究和应用中的一个热点。在国外，铝合金钻杆技术主要用于减轻钻机负荷、提高安全余量及提高作业效率，特别是在复杂井况(超深、高含硫化氢、长水平段、大位移等)条件下被广泛应用。合理使用铝合金钻杆将降低钻井综合成本50％以上。铝合金钻杆技术已代表当今世界钻井技术的发展方向，并将作为一种常规、高效的作业技术在世界范围内普及。2011年，俄罗斯Exxon Neftegas公司采用铝合金钻杆仅用60天钻完了水平段长达11475m Odoptu OP-11井。目前，铝合金钻杆最大钻井深度已超过12000m，随着铝合金钻杆技术的发展，在钻井领域的应用将进一步扩大。
我国引进和利用铝合金钻杆技术始于2000年以后。2009年，我国引进了第一批D16T高强度铝合金钻杆(俄罗斯阿克瓦基科公司)产品。2013年，石油管工程技术研究院牵头研制出国产化D16T高强度铝合金钻杆并成功下井应用。与D16T高强度铝合金钻杆相比，超高强度铝合金钻杆强度、硬度等指标提高20％以上，具有更为广阔的推广应用空间。现有铝合金钻杆标准ISO15546-2011中列出了用于制造超高强度铝合金钻杆用管材为1953T1，但该管材强度不足，因此，为了满足不同地质条件的需要和弥补1953T1管材强度的不足，开发出更高强度的580MPa级超高强度铝合金钻杆用管材意义重大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种580MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法，该铝合金钻杆用管体强度高、塑韧性好、抗腐蚀抗疲劳性能好、性能稳定且生产成本较低。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种580MPa级铝合金钻杆用管体，按重量百分比计，包括Zn：6.0～7.5％，Mg：1.7～2.3％，Cu：1.7～2.6％，Fe：0.1～0.3％，Ni：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.2％，Ti：0.01～0.02％，余量为Al和不可避免的杂质。
一种制造580MPa级铝合金钻杆用管体的方法，包括如下步骤：
1)按重量百分比计，将Zn：6.0～7.5％，Mg：1.7～2.3％，Cu：1.7～2.6％，Fe：0.1～0.3％，Ni：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.2％，Ti：0.01～0.02％，余量为Al，进行冶炼、铸造成管坯；
2)多级均匀化处理：将管坯进行多级均匀化处理；
3)挤压处理：将经过多级均匀化处理的管坯进行挤压；
4)多级固溶处理：将挤压后的管坯进行多级固溶处理；
5)预变形：将经过多级固溶处理的管坯进行预拉伸变形，变形量为2～3％；
6)最后，将预变形后的管坯进行自然时效或人工时效处理，得到580MPa级铝合金钻杆用管体。
所述多级均匀化处理的具体过程为：将管坯加热到365～385℃，保温8～12h；然后加热至410℃～425℃，保温10～15h；最后加热至455～465℃，保温30～35h；再自然降至室温，得到经过均匀化处理的管坯。
所述加热速率为10～20℃/min。
所述挤压处理的具体过程为：将经过多级均匀化处理的管坯加热到420～435℃，保温20-40min后进行挤压，挤压比大于18，挤压速度为3～6mm/s。
所述多级固溶处理的具体过程为：将经过挤压的管坯加热到435～445℃，保温1～2h后加热至460～465℃保温1～1.5h，然后以喷水冷却，冷却速度为30～50℃/s。
所述多级固溶处理的具体过程中加热的速率大于20℃/min。
所述人工时效的条件为：在120～125℃下保温8h～60h。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
(1)本发明中由于加入Zn和Mg，Zn和Mg会在管体内与Al形成高浓度的三元固溶体T(Al2Mg3Zn3)相；Zn和Mg之间形成二元的η(MgZn2)相，这两种相在铝合金管体中的溶解度随温度的降低急剧下降，弥散析出从而强化铝合金基体，强化效果随Zn和Mg元素含量增加而提高。但过多的Zn和Mg元素含量会显著降低铝合金管体的塑韧性，因此，铝合金管体中控制Zn重量百分含量为6.0～7.5％，控制Mg重量百分含量为1.7～2.3％.
(2)由于本发明中加入Cu，Cu可以与Al和Mg形成强化相S相(Al2CuMg)，强化相S相能够对铝合金管体产生附加的强化效果，从而提高铝合金管体的强度和重复加载抗力，同时可以克服因Zn，Mg含量过高所导致的铝合金管体的塑性和耐蚀性降低的缺点。但过高的Cu含量导致铝合金管体的抗疲劳性能降低，因此，铝合金管体中控制Cu含量为1.7～2.6％。
(3)本发明中的Fe、Ni元素，可以提高铝合金管体的抗高温性能，提高热强性。但过高的Fe、Ni含量会导致管体的塑韧性降低，因此，铝合金管体中控制Fe重量百分含量为0.1～0.3％，Ni重量百分含量为0.1～0.3％；本发明中铝合金管体中控制Zr重量百分含量为0.1～0.2％，Ti重量百分含量为0.01～0.02％；微量Zr、Ti元素可以细化晶粒、抑制再结晶、降低铝合金管体的淬火敏感性。
(4)与现有的铝合金钻杆用管体所使用D16T合金相比，本发明在管体材料配方上控制Zn/Mg含量比(重量百分数)、适量添加Ni、Fe等提高耐热性元素，降低Mn含量，微量的Ti、Zr元素，不加入Ag等提高热强性的贵金属元素，管体成分简单，并且成本低。利用Zn、Mg元素析出强化，Cu元素原子团簇偏聚区强化、Mn元素在特定温度下的固溶强化及晶粒细化，以及Ti、Zr复合添加的晶粒细化，充分发挥了固溶强化、析出强化、晶粒细化等复合作用。
(5)本发明的制造方法中采用多级均匀化处理、多级固溶处理和时效等热处理工艺，大幅度消除了管体内部偏析、不均等问题，显著促进了铝合金基体内部未熔解共晶相的回熔，从而在保持高强度的同时，提高了热强性，适合石油钻井作业领域使用。
(6)本发明的制造的580MPa级铝合金钻杆用管体的性能为：
a)管体拉伸性能，Rt0.2＝530～580MPa，Rm≥580MPa，δ10≥8.0。
b)管体耐热性能，在120℃下热暴露500小时后的室温抗拉强度≥406MPa、屈服强度≥364MPa、δ10≥8.4。
c)管体的微观组织以弥散细化的η’相为主。
进一步的，采用在120～125℃下保温8h～60h的人工时效，大幅度消除了基体内部偏析、不均等问题，促进了铝合金基体内部未熔解共晶相的回熔，从而在保持高强度的同时，提高了热强性。
附图说明
图1为本发明实施例1的人工时效后管体的透射电镜组织图。
图2为本发明实施例2的人工时效后管体的透射电镜组织图。
图3为本发明实施例3的人工时效后管体的透射电镜组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
580MPa级铝合金钻杆用管体的化学成分为按重量百分数计包括：Zn 6.3％，Mg2.1％，Cu 2.3％，Fe 0.3％，Ni 0.3％，Zr 0.2％，Ti 0.02％，余量为Al和不可避免的杂质。
580MPa级铝合金钻杆用管体的制备方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，在加热速率为10℃/min条件下，管坯经380℃×8h+420℃×12h+460℃×32h均匀化处理，自然降至室温，然后在420℃下保温20min后挤压变形，挤压比大于18，挤压速度为3mm/s；再经455℃×2h+470℃×1h固溶淬火处理，然后喷水冷却，以30℃/s的冷却速度冷却至室温，再对固溶淬火处理后的管体施加2％的预拉伸变形后，在120℃下进行人工时效处理36h。
由上述制造方法得到的铝合金钻杆用管体的力学性能达到：抗拉强度为603MPa，屈服强度为572MPa，延伸率为9.5％；120℃热暴露500h后，拉伸性能达到：抗拉强度为574MPa，屈服强度为538MPa，延伸率为8.5％。其性能指标完全达到ISO标准对铝合金钻杆管体的要求。该实施例的管体的透射电镜组织见图1。
实施例2
580MPa级铝合金钻杆用管体的化学成分为按重量百分数计包括：Zn 6.8％，Mg2.2％，Cu 2.5％，Fe 0.3％，Ni 0.2％，Zr 0.2％，Ti 0.02％，余量为Al和不可避免的杂质。
580MPa级铝合金钻杆用管体的制备方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，在加热速率为10℃/min条件下，管坯经380℃×8h+420℃×12h+460℃×32h均匀化处理，自然降至室温，然后在420℃下保温20min后挤压变形，挤压比大于18，挤压速度为3mm/s；再经455℃×2h+470℃×1h固溶淬火处理，然后喷水冷却，以30℃/s的冷却速度冷却至室温，再对固溶淬火处理后的管体施加2％的预拉伸变形后，在120℃下进行人工时效处理12h。
经上述制造方法得到的铝合金钻杆用管体的力学性能达到：抗拉强度为611MPa，屈服强度为579MPa，延伸率为12.0％；120℃热暴露500h后，拉伸性能达到：抗拉强度为575MPa，屈服强度为541MPa，延伸率为9.5％。其性能指标完全达到ISO标准对铝合金钻杆管体的要求。该实施例的管体透射电镜组织见图2。
实施例3
580MPa级铝合金钻杆用管体的化学成分为按重量百分数计包括：Zn 7.3％，Mg2.3％，Cu 2.3％，Fe 0.3％，Ni 0.3％，Zr 0.2％，Ti 0.02％，余量为Al和不可避免的杂质。
580MPa级铝合金钻杆用管体的制备方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，在加热速率为10℃/min条件下，管坯经380℃×8h+420℃×12h+460℃×32h均匀化处理，自然降至室温，然后在420℃下保温20min后挤压变形，挤压比大于18，挤压速度为3mm/s；再经455℃×2h+470℃×1h固溶淬火处理，然后喷水冷却，以30℃/s的冷却速度冷却至室温，再对固溶淬火处理后的管体施加2％的预拉伸变形后，在120℃下进行人工时效处理48h。
经上述制造方法得到的铝合金钻杆用管体的力学性能达到：抗拉强度为617MPa，屈服强度为574MPa，延伸率为11.5％；120℃热暴露500h后，拉伸性能达到：抗拉强度为582MPa，屈服强度为544MPa，延伸率为10.0％。其性能指标完全达到ISO标准对铝合金钻杆管体的要求。该实施例的管体的透射电镜组织见图3。
从图1-3可以看出，本发明制造620MPa级铝合金钻杆用管体的组织为超细η’(MgZn2)相。
实施例4
580MPa级铝合金钻杆用管体的化学成分为按重量百分数计包括：Zn 6％，Mg 2％，Cu 1.7％，Fe 0.1％，Ni 0.1％，Zr 0.1％，Ti 0.01％，余量为Al和不可避免的杂质。
580MPa级铝合金钻杆用管体的制备方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，在加热速率为10℃/min条件下，管坯经365℃×12h+415℃×13h+465℃×30h均匀化处理，自然降至室温，然后在435℃下保温20min后挤压变形，挤压比大于18，挤压速度为6mm/s；再经445℃×1h+460℃×1h固溶淬火处理，然后喷水冷却，以40℃/s的冷却速度冷却至室温，再对固溶淬火处理后的管体施加3％的预拉伸变形后，在125℃下进行人工时效处理60h。
实施例5
580MPa级铝合金钻杆用管体的化学成分为按重量百分数计包括：Zn 7.5％，Mg1.7％，Cu 2％，Fe 0.2％，Ni 0.15％，Zr 0.15％，Ti 0.01％，余量为Al和不可避免的杂质。
580MPa级铝合金钻杆用管体的制备方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，在加热速率为10℃/min条件下，管坯经385℃×8h+410℃×15h+455℃×35h均匀化处理，自然降至室温，然后在430℃下保温30min后挤压变形，挤压比大于18，挤压速度为5mm/s；再经440℃×1h+462℃×1.5h固溶淬火处理，然后喷水冷却，以35℃/s的冷却速度冷却至室温，再对固溶淬火处理后的管体施加2.5％的预拉伸变形后，在122℃下进行人工时效处理8h。
实施例6
580MPa级铝合金钻杆用管体的化学成分为按重量百分数计包括：Zn 7％，Mg1.8％，Cu 2.6％，Fe 0.3％，Ni 0.25％，Zr 0.2％，Ti 0.01％，余量为Al和不可避免的杂质。
580MPa级铝合金钻杆用管体的制备方法，将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，在加热速率为10℃/min条件下，将管坯加热到375℃，保温10h；然后加热至425℃，保温10h；最后加热至455℃，保温34h；再自然降至室温，得到经过均匀化处理的管坯。然后将经均匀化处理的管坯在425℃下保温40min后挤压变形，挤压比大于18，挤压速度为4mm/s；再将经过挤压变形的管坯加热到440℃，保温1.5h后加热至460℃保温1.5h，然后以喷水冷却，以50℃/s的冷却速度冷却至室温，再对固溶淬火处理后的管体施加2％的预拉伸变形后，在124℃下进行人工时效处理24h。
本发明的具有如下优点：
1、与现有的铝合金钻杆用管体所使用D16T合金相比，本发明在管体材料配方上控制Zn/Mg含量比(质量百分数)、适量添加Ni、Fe等提高耐热性元素，降低Mn含量，微量的Ti、B、Yb元素，不加入Ag等提高热强性的贵金属元素。利用Zn、Mg元素析出强化，Cu元素原子团簇偏聚区强化、Mn元素在特定温度下的固溶强化及晶粒细化，以及Yb、Zr复合添加的晶粒细化，充分发挥了固溶强化、析出强化、晶粒细化等复合作用。合金成分设计简单且成本低。
2、本发明在工艺上采用多级均匀化处理+多级固溶处理+人工时效等热处理工艺，大幅度消除了基体内部偏析、不均等，显著促进了铝合金基体内部未熔解共晶相的回熔，从而在保持高强度的同时，提高了热强性。
本发明生产出的铝合金钻杆用管体的性能达到以下要求：
(1)管体拉伸性能，Rt0.2＝530～580MPa，Rm≥580MPa，δ10≥8.0。
(2)管体耐热性能，在120℃下热暴露500小时后的室温抗拉强度≥406MPa、屈服强度≥364MPa、δ10≥8.4。
(3)管体的微观组织以弥散细化的η’相为主。

Claims (6)

1.一种制造580MPa级铝合金钻杆用管体的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按重量百分比计，将Zn：6.0～7.5％，Mg：1.7～2.3％，Cu：1.7～2.6％，Fe：0.1～0.3％，Ni：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.2％，Ti：0.01～0.02％，余量为Al，进行冶炼、铸造成管坯；
2)多级均匀化处理：将管坯进行多级均匀化处理；
3)挤压处理：将经过多级均匀化处理的管坯进行挤压；
4)多级固溶处理：将挤压后的管坯进行多级固溶处理；
5)预变形：将经过多级固溶处理的管坯进行预拉伸变形，变形量为2～3％；
6)最后，将预变形后的管坯进行自然时效或人工时效处理，得到580MPa级铝合金钻杆用管体；
所述多级均匀化处理的具体过程为：将管坯加热到365～385℃，保温8～12h；然后加热至410℃～425℃，保温10～15h；最后加热至455～465℃，保温30～35h；再自然降至室温，得到经过均匀化处理的管坯。
2.根据权利要求1所述的制造580MPa级铝合金钻杆用管体的方法，其特征在于，所述加热速率为10～20℃/min。
3.根据权利要求1所述的制造580MPa级铝合金钻杆用管体的方法，其特征在于，所述挤压处理的具体过程为：将经过多级均匀化处理的管坯加热到420～435℃，保温20-40min后进行挤压，挤压比大于18，挤压速度为3～6mm/s。
4.根据权利要求1所述的制造580MPa级铝合金钻杆用管体的方法，其特征在于，所述多级固溶处理的具体过程为：将经过挤压的管坯加热到435～445℃，保温1～2h后加热至460～465℃保温1～1.5h，然后以喷水冷却，冷却速度为30～50℃/s。
5.根据权利要求1所述的制造580MPa级铝合金钻杆用管体的方法，其特征在于，所述多级固溶处理的具体过程中加热的速率大于20℃/min。
6.根据权利要求1所述的制造580MPa级铝合金钻杆用管体的方法，其特征在于，所述人工时效的条件为：在120～125℃下保温8h～60h。
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