CN104561700A - 一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法,按重量百分比计,包括:Zn:7.5~8.5%,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%,Mn:0.2~0.3%,Cr:0.1~0.2%,其余为Al。本发明利用Zn、Mg元素析出强化,Cu元素原子团簇偏聚区强化、Mn元素在固溶处理温度下的固溶强化及晶粒细化,以及Zr、Ti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,从而提高了铝合金钻杆用管体的强度、硬度、热强性。本发明中由于合金成分设计简单,成本低。
Description
技术领域
本发明涉及油井管制造技术领域,具体涉及一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法。
背景技术
随着石油工业的发展,对油气资源勘探用钻杆的性能要求不断提高。相比于传统钢质钻杆,超高强度铝合金钻杆具有密度低、比强度高、耐腐蚀及抗疲劳性能优良等特点,是解决深井、超深井、定向井、酸性气井及深海油气井等复杂钻井问题的重要油井管材。
目前,普遍使用的铝合金钻杆用管材多为Al-Cu-Mg系铝合金,但其强度不足、表面硬度低,限制了其在苛刻钻井工况条件下更广泛的推广使用。而采用Al-Cu-Mg-Zn系超高强度铝合金钻杆,可提高钻杆管体的服役强度及表面硬度,显著降低苛刻钻井工况条件下钻柱的安全风险,所以有必要提供一种Al-Cu-Mg-Zn系铝合金钻杆用管体。
发明内容
本发明的目的是提供一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法,该方法制得的铝合金钻杆用管体具有较高的强度,并且表面硬度高,热强性能较好。
为实现上述目的,本发明采用如下的技术方案:
一种620MPa级铝合金钻杆用管体,以重量百分比计,包括Zn:7.5~8.5%,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%,Mn:0.2~0.3%,Cr:0.1~0.2%,余量为Al和不可避免的杂质。
一种制造620MPa级铝合金钻杆用管体的方法,包括如下步骤:
1)以重量百分比计,将Zn:7.5~8.5%,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%,Mn:0.2~0.3%,Cr:0.1~0.2%,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变截面挤压;
4)双级固溶处理:将挤压后的管坯进行双级固溶处理;
5)预变形:将经过双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620MPa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;然后自然降至室温,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后进行变截面挤压,挤压比大于18,挤压速度为3~6mm/s。
所述双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。
所述双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)本发明通过控制各元素合适的重量百分比,利用Zn、Mg元素析出强化,Cu元素原子团簇偏聚区强化、Mn元素在固溶处理温度下的固溶强化及晶粒细化,以及Zr、Ti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,从而提高了铝合金钻杆用管体的强度、硬度、热强性。本发明中由于合金成分设计简单,并且不需要加入不加入Ag等提高热强性的贵金属元素,所以成本低。
(2)本发明在工艺上采用多级均匀化处理、多级固溶处理、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。
(3)本发明制造的铝合金钻杆管体的性能达到以下要求:
a)管体拉伸性能,Rt0.2=550~600MPa,Rm≥620MPa,δ5≥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≥434MPa、屈服强度≥420MPa、δ5≥7.0。
c)管体的微观组织为超细η’(MgZn2)相。
(4)本发明中由于加入Zn和Mg,并且控制Zn/Mg含量比,Zn、Mg和Al会在管体内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重量含量为7.5~8.5%,控制Mg重量含量为1.7~2.3%。
(5)本发明中由于加入Cu,Cu可以与Al和Mg形成强化相S相(Al2CuMg),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,同时避免因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含量导致铝合金管材的抗疲劳性能降低,因此,铝合金管材中控制Cu重量百分含量为1.7~2.6%。
(6)本发明中由于加入Fe、Ni元素,所以可以提高铝合金管材的抗高温性能,提高热强性。但过高的Fe、Ni含量会导致管材的塑韧性降低,因此,铝合金管材中控制Fe重量百分含量为0.1~0.3%,Ni重量百分含量为0.1~0.3%;
(7)本发明中加入微量的Zr、Ti元素,可以细化晶粒、抑制再结晶、降低铝合金管材的淬火敏感性。并且铝合金管材中控制Zr重量百分含量为0.1~0.2%,Ti重量百分含量为0.01~0.02%。
(8)本发明中Mn元素可以细化晶粒、阻碍基体晶粒长大和再结晶,在不降低铝合金塑性和韧性的情况下,提高铝合金管材强度。但过量的Mn会降低Zn、Mg等溶质元素在基体中的溶解度从而降低强韧性。因此,铝合金管材中控制Mn重量百分含量为0.2~0.3%。
(9)本发明中含有Cr,加入Cr元素在提高管材的塑韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性,但过量的Cr将降低管材的淬透性。因此,铝合金管材中控制Cr重量百分含量为0.1~0.2%。
(10)本发明以高含量Zn、低含量Mg、Cu,适量Ni、Mn、Cr,微量Ti、Zr,结合热处理工艺,获得细小弥散的η’(MgZn2)强化相为主的组织,本发明采用均匀化及固溶热处理采用了多级处理技术,挤压工艺采用了变截面挤压技术制造的管材强度高,表面硬度高,韧性、热强性、耐腐蚀及抗疲劳性能好。
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
一种620MPa级铝合金钻杆用管体化学成分按重量百分数计,包括:Zn 7.6%,Mg 2.0%,Cu 2.3%,Fe 0.3%,Ni 0.3%,Zr 0.2%,Ti 0.02%,Mn 0.3%,Cr 0.2%,余量为Al和不可避免的杂质。
上述620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法为: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后变截面挤压变形,挤压比大于18,挤压速度为3mm/s;再经435℃×2h+465℃×1h固溶处理,采用水冷的冷却方式、以30℃/s的冷却速度冷却至室温,再对管体施加2.0%的预拉伸变形后,在120℃下进行人工时效处理36h。
经上述制造方法得到的铝合金管体的力学性能达到:抗拉强度为634MPa,屈服强度为588MPa,延伸率为9.1%;120℃热暴露500h后,拉伸性能达到:抗拉强度为594MPa,屈服强度为563MPa,延伸率为8.3%。其性能指标完全达到ISO标准对铝合金钻杆用管材的要求。该实施例室温下组织为超细η’(MgZn2)相,参照图1。
实施例2
一种620MPa级铝合金钻杆用管体的化学成分按重量百分数计,包括:Zn 7.9%,Mg 2.0%,Cu 2.3%,Fe 0.3%,Ni 0.3%,,Zr 0.2%,Ti 0.02%,Mn 0.3%,Cr 0.2%,余量为Al和不可避免的杂质。
上述620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法为: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后变截面挤压变形,挤压比大于18,挤压速度为6mm/s;再经435℃×2h+460℃×1h固溶淬火处理,采用水冷的冷却方式、以50℃/s的冷却速度冷却至室温,再对管体施加2.0%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管体的力学性能达到:抗拉强度为635MPa,屈服强度为583MPa,延伸率为9.0%;120℃热暴露500h后,拉伸性能达到:抗拉强度为585MPa,屈服强度为562MPa,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。该实施例室温下组织为超细η’(MgZn2)相,参照图2。
实施例3
一种620MPa级铝合金钻杆用管体的组成按重量百分数计,包括:Zn 8.2%,Mg 2.0%,Cu 2.3%,Fe 0.3%,Ni 0.3%,Zr 0.2%,Ti 0.02%,Mn 0.3%,Cr 0.2%,余量为Al和不可避免的杂质。
上述620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法为:将上述原料通过冶炼铸造获得管坯,在加热速率为20℃/min条件下,将管坯经380℃×8h+420℃×12h+460℃×32h均匀化处理,自然降至室温,然后在420℃下下保温20min后变截面挤压变形,挤压比大于18,挤压速度为4mm/s;再经435℃×2h+465℃×1h固溶淬火处理,采用水冷的冷却方式、以50℃/s的冷却速度冷却至室温,再对管体施加2.0%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管体的力学性能达到:抗拉强度为648MPa,屈服强度为594MPa,延伸率为10.5%;120℃热暴露500h后,拉伸性能达到:抗拉强度为583MPa,屈服强度为558MPa,延伸率为9.0%。其性能指标完全达到ISO标准对铝合金钻杆管体的要求。该实施例室温下组织为超细η’(MgZn2)相,参照图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
一种620MPa级铝合金钻杆用管体化学成分按重量百分数计,包括:Zn 7.5%,Mg 1.9%,Cu 1.7%,Fe 0.1%,Ni 0.2%,Zr 0.1%,Ti 0.01%,Mn 0.2%,Cr 0.1%,余量为Al和不可避免的杂质。
上述620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法为:将上述原料通过冶炼铸造获得管坯,在加热速率为20℃/min条件下,管坯经365℃×12h+410℃×15h+455℃×35h均匀化处理,自然降至室温,然后在435℃下下保温20min后变截面挤压变形,挤压比大于18,挤压速度为5mm/s;再经445℃×1h+460℃×1h固溶处理,采用水冷的冷却方式、以40℃/s的冷却速度冷却至室温,再对管体施加3.0%的预拉伸变形后,在122℃下进行人工时效处理60h。
实施例5
一种620MPa级铝合金钻杆用管体化学成分按重量百分数计,包括:Zn 8.5%,Mg 1.7%,Cu 2.6%,Fe 0.15%,Ni 0.25%,Zr 0.15%,Ti 0.01%,Mn 0.2%,Cr 0.1%,余量为Al和不可避免的杂质。
上述620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法为:将上述原料通过冶炼铸造获得管坯,在加热速率为15℃/min条件下,管坯经375℃×10h+425℃×10h+465℃×30h均匀化处理,自然降至室温,然后在430℃下保温30min后变截面挤压变形,挤压比大于18,挤压速度为6mm/s;再经440℃×1h+462℃×1.5h固溶处理,采用水冷的冷却方式、以35℃/s的冷却速度冷却至室温,再对管体施加2.5%的预拉伸变形后,在123℃下进行人工时效处理24h。
实施例6
一种620MPa级铝合金钻杆用管体化学成分按重量百分数计,包括:Zn 8%,Mg 2.3%,Cu 2%,Fe 0.2%,Ni 0.1%,Zr 0.2%,Ti 0.01%,Mn 0.25%,Cr 0.15%,余量为Al和不可避免的杂质。
上述620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法为:将上述原料通过冶炼铸造获得管坯,在加热速率为20℃/min条件下,将管坯加热到385℃,保温8h;然后加热至415℃,保温13h;最后加热至460℃,保温33h;然后自然降至室温,得到经过均匀化处理的管坯,再将经过均匀化处理的管坯在425℃下保温40min后变截面挤压变形,挤压比大于18,挤压速度为3mm/s;将经过挤压的管坯加热到440℃,保温1.5h后加热至460℃保温1.5h,然后以喷水冷却至室温,冷却速度为45℃/s,再对管体施加3.0%的预拉伸变形后,在122℃下进行人工时效处理60h。
本发明具有如下的优点:
1、与现有的铝合金钻杆用管体所使用合金相比,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、Cr、Fe等提高耐热性元素,降低Mn含量,微量的Zr、Ti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(固溶时的435~445℃、460~465℃)下的固溶强化及晶粒细化,以及Zr、Ti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。
本发明制造的铝合金钻杆管体的性能达到以下要求:
(1)管体拉伸性能,Rt0.2=550~600MPa,Rm≥620MPa,δ5≥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≥434MPa、屈服强度≥420MPa、δ5≥7.0。
(3)管体的微观组织为超细η’(MgZn2)相。
Claims (8)
1.一种620MPa级铝合金钻杆用管体,其特征在于,以重量百分比计,包括Zn:7.5~8.5%,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%,Mn:0.2~0.3%,Cr:0.1~0.2%,余量为Al和不可避免的杂质。
2.一种制造620MPa级铝合金钻杆用管体的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)以重量百分比计,将Zn:7.5~8.5%,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%,Mn:0.2~0.3%,Cr:0.1~0.2%,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变截面挤压;
4)双级固溶处理:将挤压后的管坯进行双级固溶处理;
5)预变形:将经过双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620MPa级铝合金钻杆用管体。
3.根据权利要求2所述的制造620MPa级铝合金钻杆用管体的方法,其特征在于,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;然后自然降至室温,得到经过均匀化处理的管坯。
4.根据权利要求3所述的制造620MPa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。
5.根据权利要求2所述的制造620MPa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后进行变截面挤压,挤压比大于18,挤压速度为3~6mm/s。
6.根据权利要求2所述的制造620MPa级铝合金钻杆用管体的方法,其特征在于,所述双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。
7.根据权利要求6所述的制造620MPa级铝合金钻杆用管体的方法,其特征在于,所述双级固溶处理的具体过程中加热的速率大于20℃/min。
8.根据权利要求2所述的制造620MPa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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