CN104561700B - 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

一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法
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％，Mg2.0％，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％，Mg2.0％，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％，Mg2.0％，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％，Mg1.9％，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％，Mg1.7％，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％，Mg2.3％，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 (1)

1.一种620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法，其特征在于，该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；
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，得到铝合金管体，该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％；该管体室温下组织为超细η’MgZn2相。
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