CN105156672B - 深海石油钻采设备用高性能钛连接密封环及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深海石油钻采设备用的钛连接密封环，包括圆环状的环体，环体的中心孔为圆周表面，沿所述环体的外圆表面圆周方向依次具有圆环状的凸台、平台、斜端面和平端面，所述内圆周表面可根据用户要求加工螺纹，来连接输油管或在其它设备上使用。还提供了对所述钛连接密封环的加工工艺方法，主要包括海绵钛备料、真空熔炼钛锭、锻压开方、加热锻造、热处理和机加工的步骤。本发明的实测抗拉强度565MPa、屈服强度460MPa、延伸率25.2％、断面收缩率44％，技术性能显著提高。它能满足1000m～3000m深或更深的深海使用可靠地使用，可承受巨大的深海压力和油气输送压力的需要，也可提高钻采设备的使用寿命和开采效率，还可避免腐蚀破损漏油对海洋环境的污染。

Description

深海石油钻采设备用高性能钛连接密封环及加工方法
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，涉及钛金属加工，具体涉及一种深海石油钻采设备用高性能钛连接密封环及其加工方法。
背景技术
从最近十几年来全球大型油气田的发现情况看，60％～70％的新增石油储量均源自海洋，其中深海中发现的储量大概占45％～50％。因此，深海已成为全世界油气田储量接替的主要区域。单以深海来看，全世界的深海油气储量超过2000亿吨，其中石油占到60％～70％，天然气占到10％～20％。因此人类已经将目标从近海投向远海，然而深海勘探与开采技术需要挑战人类科技的极限，各国开始争夺深海油气资源，我国也将目光瞄准深海油气田的开发。深海油气田的钻采开发需要大量高精尖的深水作业装备，但我国目前的装备水平还比较低。在深海钻探开采油气，即使有万分之一的事故概率，受深海地质条件的限制，以人为的力量很难在短时间内寻找到最有效的解决途径。因此，深海石油的钻探、开采或输送设备(简称“钻采设备”)的工作环境严酷，其长寿命，高可靠性尤其重要。
目前，在石油钻采行业中，深海石油钻采设备大多采用钢制(包括不锈钢)的法兰盘对接并用螺栓连接或采用复杂的连接组件(简称“组件”)来连接两段输油管道，其安装或更换维护工作繁琐，安装后组件的内应力不均匀。因此，钢制的组件通常在1000m～3000m深海里使用时，由于耐海水腐蚀能力差，存在着使用寿命短的缺点，易诱发断裂、破损漏油或设备无法工作的事故。如果钢制连接密封组件发生腐蚀就必须更换或维修，而钻采设备处于深海往往不易维修或更换，所以随着深海石油钻采向更深深度发展，特别是在深于3000m深海使用时，钢制连接密封组件已很难满足深海石油钻采的需要。
发明内容
钛金属则因其密度小、强度高、比强度大和热膨胀系数小、耐腐蚀、高温和低温性能好等优点。如果利用其优点，设计结构相对简单的钛或钛合金密封连接环(简称“钛连接密封环”)并经过特殊的加工工艺处理提高其性能指标，来替代钢制连接密封组件，有效克服上述缺点，实现深海石油钻采设备长寿命、耐高压、耐海水腐蚀和易维护的需要。因此，本发明提供了一种钛连接密封环和对其进行加工的工艺方法，现表述如下。
一、本发明提供了一种深海石油钻采设备用的钛连接密封环，其具有内螺纹可连接两段输油管，也可在其它设备上使用。它能满足1000m～3000m深或更深的深海使用，可提高钻采设备的使用寿命和开采效率，也可避免腐蚀破损漏油对海洋环境的污染。本发明采用的具体技术方案如下。
一种深海石油钻采设备用高性能钛连接密封环，包括环体(1)，其外形为圆环状，内部为中心孔，其特征在于：沿所述环体(1)的外圆表面圆周方向依次具有圆环状的凸台(2)、平台(3)、斜端面(4)和平端面(6)。
进一步的，所述中心孔的内圆周表面(5)具有内螺纹(7)。
再进一步的，所述凸台(2)将所述环体(1)外圆表面均分成两部分；所述凸台(2)、平台(3)和斜端面(4)的轴向宽度比为3∶2∶4；所述凸台(2)截面呈矩形。
再进一步的，所述环体(1)的内圆周半径(R1)为223.5mm；所述斜端面(4)的第一外圆周半径(R2)为250mm、第二外圆周半径(R3)为284mm；所述凸台(2)的外圆周半径(R4)为300mm；所述环体(1)的轴向宽度(L)为150mm、所述凸台(2)的轴向宽度(N)为30mm、所述平台(3)的轴向宽度为20mm、所述斜端面(4)的轴向宽度为40mm。
进一步的，材料为钛或钛合金。
与现有技术比，本发明的技术效果是：
首先，钛连接密封环的结构设计可保证在安装使用过程中的内应力分布均匀，其结构相对简单，安装、更换或维护也简易，同时用一个零部件来替代有多个零部件构成的连接组件，其可靠性也会显著提高；其次，钛连接密封环在经过热处理后，其抗拉强度、屈服强度等性能指标，较之普通的钛制品均大幅度提高。
因此本发明能满足在深海可靠地使用，可承受巨大的深海压力和油气输送压力的需要，能实现深海石油钻采设备长寿命、耐高压、耐海水腐蚀和易维护的需要。
二、本发明还提供了对上述钛连接密封环的加工工艺方法，具体内容如下。
一种钛连接密封环的加工方法，其特征在于，包括海绵钛备料、真空熔炼钛锭、锻压开方、加热锻造、热处理和机加工的步骤，具体为：
(a)所述海绵钛备料的步骤，是选用购买粒度在0.83mm～25.4mm的海绵钛进行烘干备用；
(b)所述真空熔炼钛锭的步骤，是把烘干的海绵钛压制成电极块并用氩弧焊焊接成熔炼电极，在真空条件下对其进行真空熔炼；所述真空熔炼至少循环两次；冷却后取样进行化学分析，合格则形成Φ550mm～650mm的钛锭；
(c)所述锻压开方的步骤，将所述钛锭在电加热炉内加热到950℃～1200℃并保温250min～380min之后进行三墩三拔锻压并形成长钛方坯，再根据规格需要锯切并锻造成小钛方坯；
(d)所述加热锻造的步骤，具体包括三个阶段的步骤：第一阶段，将所述小钛方坯加热至760℃～900℃进行锻造并保温100min～140min后锻造成需要的毛坯，再进行冲压中心圆孔形成腔体毛坯，经冷却后进行第一次修磨；第二阶段，对第一次修磨后的腔体毛坯加热至800℃～900℃锻造并保温100min～140min后依次进行扩孔、冷却和第二次修磨；第三阶段，对第二次修磨后的腔体毛坯加热至810℃～880℃锻造并保温100min～140min后再锻造形成钛连接密封环毛坯；
(e)所述热处理的步骤，是在非真空条件下，对所述钛连接密封环毛坯加热至650℃～700℃并保温100min～140min退火处理，冷却后取样进行物理性能试验合格后转入机加工；
(f)所述机加工的步骤，可利用数控车床加工凸台、平台、斜端面、平端面和中心圆孔，之后修磨得到光亮的钛连接密封环，经检验合格成品入库。
进一步的，所述锻压开方步骤的钛锭在电加热炉内优选加热温度为1150℃并保温350min；
所述真空熔炼的真空度为2Pa～10Pa；
所述加热锻造步骤的第一阶段，对所述小钛方坯优选加热温度为860℃锻造并保温120min；第二阶段，对第一次修磨后的腔体毛坯优选加热至850℃锻造并保温120min；第三阶段对腔体毛坯优选加热至840℃锻造并保温120min；
所述热处理步骤的退火处理优选加热温度680℃并保温120min。
进一步的，所述机加工步骤形成的中心圆孔为光滑的内圆周表面，还可根据用户要求再加工内螺纹。
按本加工方法生产的钛连接密封环，经实验测定，抗拉强度为565MPa，远高于美国ASTM B381标准对普通钛制品抗拉强度要求的62.3％；屈服强度为460MPa，远高于该标准的67.3％；延伸率为25.2％，远高于该标准的26％；断面收缩率为44％，远高于该标准的46.7％。
附图说明
图1，为本发明的主视图。
图2，为本发明主视图的俯视图。
图3，为本发明俯视图的A-A剖视图。
图4，为本发明的金相组织图。
图5，为现有技术的金相组织图。
其中，1--环体、2--凸台、3--平台、4--斜端面、5--内圆周表面、6--平端面、7--内螺纹、R1--内圆周半径、R2--斜端面的第一外圆周半径、R3--斜端面的第二外圆周半径、R4--凸台外圆周半径、L--环体的轴向宽度、N--凸台的轴向宽度、M--凸台及相邻的两个平台的轴向宽度总和。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细说明本发明的钛连接密封环及其加工方法的具体实施例。
一、首先，如图1～图3所示，为本发明深海石油钻采设备用高性能钛连接密封环的主视图、俯视图和俯视图的A-A剖视图。其中，L--钛连接密封环的轴向宽度、N--凸台的轴向宽度、M--凸台2及相邻的两个平台3的轴向宽度总和。本发明的环体1是以凸台2为对称的中空腔体结构。其中空腔体的内表面为内圆周表面5，其外表面也为圆周表面，并具有凸台2、平台3、斜端面4。如图1和图3所示，沿凸台2的上或下方向，依次具有圆环状的凸台2、平台3、斜端面4和平端面6；凸台2的径向中心线呈上下对称，以轴向中心线呈左右对称；凸台2的轴向切面呈矩形；沿环体1的内圆周表面5可以是光滑的，也可根据使用需要加工成内螺纹7，可用于连接输油管或连接其它石油装备。其中，环体1的内圆周半径R1与斜端面4的第一外圆周半径R2形成平端面6，第一外圆周半径R2与斜端面4的第二外圆周半径R3形成成斜端面4，第二外圆周半径R3与凸台2的外圆周半径R4形成凸台2。根据客户的要求，当知晓钛连接密封环的轴向宽度L，凸台2的轴向宽度N，两个平台3与1个凸台2的轴向宽度总和M，则可计算出平台2的轴向宽度为(M-N)/2和斜端面4的轴向宽度为(L-M)/2。
进一步，具体的优选方案为：内圆周半径R1为223.5mm，第一外圆周半径为R2为250mm，第二外圆周半径为R3为284mm，外圆周半径R4为300mm；钛连接密封环的轴向宽度L为150mm，凸台2的轴向宽度N为30mm，平台3具有轴向宽度20mm，斜端面4的轴向宽度为40mm。
二、下面，对本发明深海石油钻采设备用高性能钛连接密封环的加工方法，具体详细的说明如下。
深海石油钻采设备用钛连接密封环的加工方法，具体步骤为：
对购买的海绵钛进行筛选，标准为0级和1级海绵钛，选用粒度在0.83mm～25.4mm的海绵钛进行烘干备用，接着将海绵钛压制成熔炼用的电极块，再将电极块用氩弧焊焊连接成熔炼电极，在真空条件下对所述熔炼电极进行真空熔炼，所述真空熔炼至少循环两次；冷却后取样进行化学分析合格则形成钛锭。该熔炼必须在真空中进行至少要经过两次熔炼，所述真空熔炼的真空度维持在2Pa～10Pa，2Pa、4Pa或6Pa为优选。两次熔炼目的是实现铸锭化学成分的均匀分布，这是铸锭质量的关键。其中，取样成分分析是对熔炼好的钛锭要进行取样分析，主要分析杂质元素，如铁、碳、氮、氢、氧和其它元素(残余元素)，分析结果要满足用户的要求及企业的内控标准；接着是锻压开方：将Φ600mm左右的钛锭在电加热炉内加热到1050℃，保温300min，在3500吨锻压机上进行换向三墩三拔，形成500×500×1(1为方坯长度)的长方坯，进行修磨后，再加热到870℃，保温300min，锻造成180×180×1的小长方坯，再根据钛连接密封环的规格尺寸锯切下料进行锻造。加热锻造的步骤，具体包括三个阶段的步骤：其中，第一阶段，将所述钛锭加热至860℃锻造，保温120min之后锻压成需要的方坯，对毛坯依次进行冲孔、冷却和第一次修磨；第二阶段，对第一次修磨后的毛坯加热至850℃，保温120min后依次进行扩孔、冷却和第二次修磨；第三阶段，对第二次修磨后的毛坯加热至840℃，保温120min，锻造形成钛连接密封环毛坯，经过上述三个阶段的锻造，每个阶段都要保证一定的金属变形量，来保证材料微观组织均匀，实现成品的良好性能。热处理的步骤，是在非真空条件下，在650℃～700℃对毛坯进行保温120min退火处理，优选680℃退火，冷却后取样进行物理性能试验合格后，再用数控车床车凸台2、平台3、斜端面4、平端面6或内螺纹7；其中是否加工内螺纹7，要根据用户的要求进行，也可不加工内螺纹7直接销售给用户；之后进行修磨得到光亮的钛连接密封环，经过检验合格成品入库。热处理的目的是为了获得稳定的、塑性好的、具有一定综合性能的显微组织，正确选用退火加热温度是很重要的，退火是在非真空下进行，为了减少钛材的氧化和污染程度，试验当退火温度达到650℃时，抗拉强度、屈服强度随温度升高强度急剧下降，延伸率随温度升高急剧上升。当退火温度在650-700℃之间时，抗拉强度、屈服强度、延伸率变化趋缓。这说明钛连接密封环在650-700℃之间进行退火，性能是稳定的，把退火温度确定为680℃、保温120min的退火条件是可行的。
目前，以美国ASTM B381标准为例，其对现有类似用途的普通钛制品要求的抗拉强度是345MPa、屈服强度275MPa、延伸率20％、断面收缩率30％。
经实验测定，按本加工方法生产的钛连接密封环，抗拉强度为565MPa，远高于该标准62.3％；屈服强度为460MPa，远高于该标准的67.3％；延伸率为25.2％，远高于该标准的26％；断面收缩率为44％，远高于该标准的46.7％。
再经过对显微组织的对比分析，如图4所示，为本发明的金相显微组织图，其微观晶粒细化、组织均匀、性能稳定，获得了良好的综合性能。再如图5所示，为现有技术普通钛制品的金相组织图，其微观组织的均匀度、精细度均较差，表现在晶粒粗大，晶粒没有得到充分的破碎。
由此可见，钛连接密封环在经过本发明加工方法的加工后，其抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率等指标，显著高于现有标准，能满足在深海可靠地使用，可承受巨大的深海压力和油气输送压力的需要，还能满足用户的特殊需要。

Claims (7)

1.深海石油钻采设备用高性能钛连接密封环，包括环体(1)，其外形为圆环状，内部为中心孔，其特征在于：沿所述环体(1)的外圆表面圆周方向依次具有圆环状的凸台(2)、平台(3)、斜端面(4)和平端面(6)；所述中心孔的内圆周表面(5)具有内螺纹(7)；所述内螺纹(7)用于连接和密封两段深海输油气管道；所述钛连接密封环采用以下加工方法生产，该加工方法包括海绵钛备料、真空熔炼钛锭、锻压开方、加热锻造、热处理和机加工的步骤，具体为：
(a)所述海绵钛备料的步骤，是对选用购买的海绵钛进行烘干备用；
(b)所述真空熔炼钛锭的步骤，是把烘干的海绵钛压制成电极块并用氩弧焊焊接成熔炼电极，在真空条件下熔炼；所述真空熔炼至少循环两次；冷却后取样进行化学分析，合格则形成Φ550mm～650mm的钛锭；
(c)所述锻压开方的步骤，是将所述钛锭加热到950℃～1200℃并保温250min～380min之后进行三墩三拔锻压形成长钛方坯，再根据规格需要锯切并锻造成小钛方坯；
(d)所述加热锻造的步骤，具体包括三个阶段的步骤：第一阶段，将所述小钛方坯加热至760℃～900℃进行锻造并保温100min～140min后锻造成所需要的毛坯，再冲压中心圆孔形成腔体毛坯，经冷却后进行第一次修磨；第二阶段，对第一次修磨后的腔体毛坯加热至800℃～900℃锻造并保温100min～140min后依次进行扩孔、冷却和第二次修磨；第三阶段，对第二次修磨后的腔体毛坯加热至810℃～880℃锻造并保温100min～140min后再锻造形成钛连接密封环毛坯；
(e)所述热处理的步骤，是在非真空条件下对所述钛连接密封环毛坯加热至650℃～700℃并保温100min～140min退火处理，冷却后取样进行物理性能试验合格后转入机加工；
(f)所述机加工的步骤，是利用机加工具加工凸台、平台、斜端面、平端面和中心圆孔，之后修磨得到光亮的钛连接密封环，经检验合格成品入库。
2.如权利要求1所述的钛连接密封环，其特征在于：所述凸台(2)将所述环体(1)外圆表面均分成两部分；所述凸台(2)、平台(3)和斜端面(4)的轴向宽度比为3∶2∶4；所述凸台(2)截面呈矩形。
3.如权利要求2所述的钛连接密封环，其特征在于：所述环体(1)的内圆周半径(R1)为223.5mm；所述斜端面(4)的第一外圆周半径(R2)为250mm、第二外圆周半径(R3)为284mm；所述凸台(2)的外圆周半径(R4)为300mm；所述环体(1)的轴向宽度(L)为150mm、所述凸台(2)的轴向宽度(N)为30mm、所述平台(3)的轴向宽度为20mm、所述斜端面(4)的轴向宽度为40mm。
4.如权利要求1、2或3所述的钛连接密封环，其特征在于：材料为钛或钛合金。
5.如权利要求1所述的钛连接密封环的加工方法，其特征在于，包括海绵钛备料、真空熔炼钛锭、锻压开方、加热锻造、热处理和机加工的步骤，具体为：
(a)所述海绵钛备料的步骤，是对选用购买的海绵钛进行烘干备用；
(b)所述真空熔炼钛锭的步骤，是把烘干的海绵钛压制成电极块并用氩弧焊焊接成熔炼电极，在真空条件下熔炼；所述真空熔炼至少循环两次；冷却后取样进行化学分析，合格则形成Φ550mm～650mm的钛锭；
(c)所述锻压开方的步骤，是将所述钛锭加热到950℃～1200℃并保温250min～380min之后进行三墩三拔锻压形成长钛方坯，再根据规格需要锯切并锻造成小钛方坯；
(d)所述加热锻造的步骤，具体包括三个阶段的步骤：第一阶段，将所述小钛方坯加热至760℃～900℃进行锻造并保温100min～140min后锻造成所需要的毛坯，再冲压中心圆孔形成腔体毛坯，经冷却后进行第一次修磨；第二阶段，对第一次修磨后的腔体毛坯加热至800℃～900℃锻造并保温100min～140min后依次进行扩孔、冷却和第二次修磨；第三阶段，对第二次修磨后的腔体毛坯加热至810℃～880℃锻造并保温100min～140min后再锻造形成钛连接密封环毛坯；
(e)所述热处理的步骤，是在非真空条件下对所述钛连接密封环毛坯加热至650℃～700℃并保温100min～140min退火处理，冷却后取样进行物理性能试验合格后转入机加工；
(f)所述机加工的步骤，是利用机加工具加工凸台、平台、斜端面、平端面和中心圆孔，之后修磨得到光亮的钛连接密封环，经检验合格成品入库。
6.如权利要求5所述的钛连接密封环的加工方法，其特征在于，
所述海绵钛粒度为0.83mm～25.4mm；
所述真空熔炼的真空度为2Pa～10Pa；
所述锻压开方步骤的钛锭在电加热炉内加热温度为1150℃并保温350min；
所述加热锻造步骤的第一阶段，对所述小钛方坯加热温度为860℃锻造并保温120min；第二阶段，对第一次修磨后的腔体毛坯加热至850℃锻造并保温120min；第三阶段对腔体毛坯加热至840℃锻造并保温120min；
所述热处理步骤的退火处理加热温度为680℃并保温120min。
7.如权利要求5或6所述的钛连接密封环的加工方法，其特征在于，所述机加工步骤形成的中心圆孔为光滑的内圆周表面或加工内螺纹。
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