CN109701948A - 一种高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐磨性高硬度长寿命的海洋钻井用钛合金钻探杆的制备方法，该方法包括：一、将常规钛合金钻探杆进行喷丸处理；二、清理残留弹丸；三、将钻探杆固定到渗碳架上；四、对钻探杆进行渗碳处理。本发明对常规的钛合金钻探杆进行喷丸处理和渗碳处理，在钻探杆表层形成韧性好、硬度高、耐磨、耐腐蚀的改性纳米保护层，大幅延长了钛合金钻探杆的使用寿命，降低了钻探杆的使用成本，拓宽了钛合金钻探杆的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，特别涉及一种高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法。
背景技术
钛及其合金具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀好等诸多优特性，被誉为“未来的金属”，也是最具发展前途的新型结构材料。钛及其合金不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用，而且已经开始在化工、石油、轻工、冶金、发电等领域中广泛应用。
钛及其合金是所有金属中耐海水腐蚀和海洋气氛腐蚀最好的材料，因此，钛及其钛合金能是海洋工程应用方面的首选金属材料，已广泛应用于海洋油气开发、海港建筑、沿海发电站、海水淡化、船舶、海洋渔业及海洋热能转换等领域。
由于海洋钻探的特殊条件，常规的钻探杆在进行海洋油气井钻探时易出现早期疲劳、磨损和物理损伤现象，大幅降低了其使用寿命。而且钻头更换时间占钻探时间的比重远大于常规钻探工程项目，严重影响了海洋钻探的工程进度。为解决该问题，美国GrantPrideco公司与RTI能源系统公司合作，进行了钛合金钻探杆研制，最终发现TC4(Ti-6Al-4V)钛合金钻探杆具有很高的耐蚀性、强度、挠度和耐用性，而且质量轻，可满足海洋使用要求。但钛合金的材料成本远高于不锈钢钻管，造成其应用受到一定的限制。因此，通过改善钻探杆耐磨性提高其磨损寿命，从而降低钛合金钻探杆的相对成本是钛合金钻探杆的重要发展方向。
随着海洋化石能源的开发，各国对钛合金钻探杆需求越来越强烈。很多公司在该方面进行系统研发，采用优化常规的机加工艺，将钻探杆的表面磨损率提高了10％左右，表面硬度提高到1000(维氏硬度)，钻井管的寿命提高了约10％。但依然无法满足钻探杆低成本的要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，通过对常规的钛合金钻探杆进行喷丸处理和渗碳处理，在钻探杆表层形成韧性好、硬度高、耐磨、耐腐蚀的改性纳米保护层，可大幅提高钻探杆的耐磨性、硬度和使用寿命，降低钻探杆的使用成本，处理的钻探杆可用于海洋钻井。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：对钻探杆进行喷丸处理；
去除Ti-6Al-4V钻探杆肉眼可见的污物后，将钻探杆固定到装有旋转架的喷丸室，进行钻探杆的旋转喷丸处理，先打开旋转电机使钻探杆的旋转速率控制在1-5圈/min，然后打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.4-0.6MPa，喷丸时间5-30min，保证弹丸对钻探杆有足够的冲击力和冲击时间，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为55-65HRC，直径0.1-0.5mm。
步骤二：清理钻探杆上的残留弹丸；
对喷丸处理的钻探杆超声振动清洗，清洗的过程为：1)先将钻探杆竖直固定在固定架上；2)将装有钻探杆的固定架放入超声振动槽的支架上，并使钻探杆位于固定架下方，同时使钻探杆始终保持竖直状态，且钻探杆的底部与超声探头的垂直距离为10-20mm，钻探杆的竖直放置确保钻探杆工作区的弹丸充分脱落；3)在清洗槽内加入皂化液，并保证液面高于钻探杆的顶部；4)打开超声发生器开关进行超声清洗，使器件表面的残余弹丸完全去除，同时彻底清除钻探杆表面的残余油污，从而保证渗碳处理时钻探杆表面能够与碳原子充分接触；5)将钻探杆用高压清水对表面进行二次清洗，去除皂化液，烘干后待用。其中皂化液的温度为40-60℃；超声清洗频率为30-40kHz，超声清洗时间为10-30min。
步骤三：固定钻探杆；
将钻探杆末端固定在渗碳架上，并保证钻探杆工作区与环境气体完全接触，将装有钻探杆的渗碳架放入渗碳装置内，确保钻探杆不与渗碳室接触。其中渗碳架的材质为与钻探杆高温下不反应的同质材料。
步骤四：对钻探杆进行渗碳处理。
处理工艺为：1)采用真空泵对渗碳室进行抽真空除气，真空度为0.1-2Pa，充入高纯氩气，使渗碳室内保持一定的气压(25-50Pa)，氩气可以为碳源的电离提供电离气氛；2)调整碳源的源极电压到600-850V，将阴极电压调整到300-450V；3)采用100-300℃/h的升温速率升温至750-850℃，保温3-5h，随炉冷却至室温完成渗碳处理。
通过上述复合工艺能效果明显地提高钛合金钻探杆的耐磨损性能和硬度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明将常用的钛合金钻探杆进行喷丸处理，使钻探杆表面到几微米甚至十几微米区间内的金属晶粒纳米化，从而提高了钻探杆耐蚀性、耐磨性，大幅延长了钻探杆的使用寿命。而且该纳米晶粒层是具有优异韧性和高硬度的保护膜，可以避免钻探杆与特殊坚硬岩石层碰撞时的变形或破裂，适用于任何复杂地质条件下的钻井任务。
2、本发明通过对喷丸处理的钻探杆进行渗碳处理，进一步提高了纳米保护层的硬度，降低了摩擦系数，进一步延长了钻探杆的使用寿命。
3、本发明制备的钻探杆表层硬度从维氏硬度920提高到1420，提高了50％以上。钻探杆使用寿命提高了，不仅利于降低钻探杆的使用成本，同时节省了更换钻探杆的时间，提高了工作效率。
4、本发明的制备工艺简单，过程设计合理，制备成本低，适宜钻探杆的大批量制备。
5、本发明制备的钻探杆使用寿命的提高，减少了钻探杆使用数量，相当于降低了钻探杆的成本，这会拓宽高成本钛合金钻探杆的应用领域。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例1
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一：喷丸处理。去除Ti-6Al-4V钻探杆肉眼可见的污物后，将钻探杆固定到装有旋转架的喷丸室，进行钻探杆的旋转喷丸处理。先打开旋转电机使钻探杆的旋转速率控制在1圈/min。后打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.4MPa，喷丸时间5min。其中，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为55HRC，直径0.1mm，
步骤二：残留弹丸清理。将步骤一中喷丸处理的钻探杆超声振动清洗。清洗过程为：1)先将钻探杆竖直固定在固定架上；2)后将装有钻探杆的固定架放入超声振动槽的支架上，并使钻探杆位于固定架下方，同时使钻探杆始终保持竖直状态，且钻探杆的底部与超声探头的垂直距离为10mm，钻探杆的竖直放置可确保钻探杆工作区的弹丸充分脱落；3)再将清洗槽内加入皂化液，并保证液面高于钻探杆的顶部，同时将皂化液的温度40℃；4)后打开超声发生器开关，将超声频率控制在30kHz，超声时间为10min。使器件表面的残余弹丸完全去除，同时彻底清除钻探杆表面的残余油污，从而保证渗碳处理时钻探杆表面可以与碳原子充分接触。后将钻探杆用高压清水对表面进行二次清洗，去除皂化液，烘干后待用。
步骤三：渗碳前钻探杆的固定。将步骤二中烘干后的钻探杆末端固定在渗碳架上，并保证钻探杆工作区与环境气体完全接触。将装有钻探杆的渗碳架放入渗碳装置内，确保钻探杆不与渗碳室接触。
步骤四：渗碳处理。具体工艺为：1)采用真空泵对渗碳室进行抽真空除气，真空度为0.1-2Pa，充入高纯氩气，使渗碳室内的气压保持在25Pa；2)再调整碳源的源极电压到600V，将阴极电压调整到300V；3)再采用100℃/h的升温速率升温至750℃，保温3h，随炉冷却至室温完成渗碳处理。
经检测，本实施例制备钻探杆的纳米晶粒层的厚度达到6μm，有效渗碳深度达到3.5μm，接近直接渗碳试样渗碳层厚的3.6倍。钻探杆表层硬度从维氏硬度920提高到1060，提高了15％以上。而且，HESP后的磨损失重降低，仅为原始的3％。
实施例2
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一：喷丸处理。去除Ti-6Al-4V钻探杆肉眼可见的污物后，将钻探杆固定到装有旋转架的喷丸室，进行钻探杆的旋转喷丸处理。先打开旋转电机使钻探杆的旋转速率控制在5圈/min。后打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.6MPa，喷丸时间45min。其中，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为65HRC，直径0.5mm，
步骤二：残留弹丸清理。将步骤一中喷丸处理的钻探杆超声振动清洗。清洗过程为：1)先将钻探杆竖直固定在固定架上；2)后将装有钻探杆的固定架放入超声振动槽的支架上，并使钻探杆位于固定架下方，同时使钻探杆始终保持竖直状态，且钻探杆的底部与超声探头的垂直距离为20mm，钻探杆的竖直放置可确保钻探杆工作区的弹丸充分脱落；3)再将清洗槽内加入皂化液，并保证液面高于钻探杆的顶部，同时将皂化液的温度60℃；4)后打开超声发生器开关，将超声频率控制在40kHz，超声时间为30min。使器件表面的残余弹丸完全去除，同时彻底清除钻探杆表面的残余油污，从而保证渗碳处理时钻探杆表面可以与碳原子充分接触。后将钻探杆用高压清水对表面进行二次清洗，去除皂化液，烘干后待用。
步骤三：渗碳前钻探杆的固定。将步骤二中烘干后的钻探杆末端固定在渗碳架上，并保证钻探杆工作区与环境气体完全接触。将装有钻探杆的渗碳架放入渗碳装置内，确保钻探杆不与渗碳室接触。
步骤四：渗碳处理。具体工艺为：1)采用真空泵对渗碳室进行抽真空除气，真空度为0.1-2Pa，充入高纯氩气，使渗碳室内的气压保持在50Pa；2)再调整碳源的源极电压到850V，将阴极电压调整到450V；3)再采用300℃/h的升温速率升温至850℃，保温5h，随炉冷却至室温完成渗碳处理。
经检测，本实施例制备钻探杆的纳米晶粒层的厚度达到12μm，有效渗碳深度达到7.5μm，接近直接渗碳试样渗碳层厚的8倍。钻探杆表层硬度从维氏硬度920提高到1420，提高了50％以上。而且，HESP后的磨损失重降低，仅为原始的0.7％。
实施例3
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一：喷丸处理。去除Ti-6Al-4V钻探杆肉眼可见的污物后，将钻探杆固定到装有旋转架的喷丸室，进行钻探杆的旋转喷丸处理。先打开旋转电机使钻探杆的旋转速率控制在3圈/min。后打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.5MPa，喷丸时间15min。其中，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为60HRC，直径0.3mm，
步骤二：残留弹丸清理。将步骤一中喷丸处理的钻探杆超声振动清洗。清洗过程为：1)先将钻探杆竖直固定在固定架上；2)后将装有钻探杆的固定架放入超声振动槽的支架上，并使钻探杆位于固定架下方，同时使钻探杆始终保持竖直状态，且钻探杆的底部与超声探头的垂直距离为15mm，钻探杆的竖直放置可确保钻探杆工作区的弹丸充分脱落；3)再将清洗槽内加入皂化液，并保证液面高于钻探杆的顶部，同时将皂化液的温度50℃；4)后打开超声发生器开关，将超声频率控制在35kHz，超声时间为20min。使器件表面的残余弹丸完全去除，同时彻底清除钻探杆表面的残余油污，从而保证渗碳处理时钻探杆表面可以与碳原子充分接触。后将钻探杆用高压清水对表面进行二次清洗，去除皂化液，烘干后待用。
步骤三：渗碳前钻探杆的固定。将步骤二中烘干后的钻探杆末端固定在渗碳架上，并保证钻探杆工作区与环境气体完全接触。将装有钻探杆的渗碳架放入渗碳装置内，确保钻探杆不与渗碳室接触。
步骤四：渗碳处理。具体工艺为：1)采用真空泵对渗碳室进行抽真空除气，真空度为0.1-2Pa，充入高纯氩气，使渗碳室内的气压保持在30Pa；2)再调整碳源的源极电压到750V，将阴极电压调整到380V；3)再采用200℃/h的升温速率升温至800℃，保温4h，随炉冷却至室温完成渗碳处理。
经检测，本实施例制备钻探杆的纳米晶粒层的厚度达到7μm，有效渗碳深度达到4μm，接近直接渗碳试样渗碳层厚的4.2倍。钻探杆表层硬度从维氏硬度920提高到1200，提高了30％以上。而且，HESP后的磨损失重降低，仅为原始的4％。
实施例4
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一：喷丸处理。去除Ti-6Al-4V钻探杆肉眼可见的污物后，将钻探杆固定到装有旋转架的喷丸室，进行钻探杆的旋转喷丸处理。先打开旋转电机使钻探杆的旋转速率控制在3圈/min。后打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.5MPa，喷丸时间30min。其中，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为60HRC，直径0.3mm，
步骤二：残留弹丸清理。将步骤一中喷丸处理的钻探杆超声振动清洗。清洗过程为：1)先将钻探杆竖直固定在固定架上；2)后将装有钻探杆的固定架放入超声振动槽的支架上，并使钻探杆位于固定架下方，同时使钻探杆始终保持竖直状态，且钻探杆的底部与超声探头的垂直距离为15mm，钻探杆的竖直放置可确保钻探杆工作区的弹丸充分脱落；3)再将清洗槽内加入皂化液，并保证液面高于钻探杆的顶部，同时将皂化液的温度50℃；4)后打开超声发生器开关，将超声频率控制在35kHz，超声时间为20min。使器件表面的残余弹丸完全去除，同时彻底清除钻探杆表面的残余油污，从而保证渗碳处理时钻探杆表面可以与碳原子充分接触。后将钻探杆用高压清水对表面进行二次清洗，去除皂化液，烘干后待用。
步骤三：渗碳前钻探杆的固定。将步骤二中烘干后的钻探杆末端固定在渗碳架上，并保证钻探杆工作区与环境气体完全接触。将装有钻探杆的渗碳架放入渗碳装置内，确保钻探杆不与渗碳室接触。
步骤四：渗碳处理。具体工艺为：1)采用真空泵对渗碳室进行抽真空除气，真空度为0.1-2Pa，充入高纯氩气，使渗碳室内的气压保持在30Pa；2)再调整碳源的源极电压到750V，将阴极电压调整到380V；3)再采用200℃/h的升温速率升温至830℃，保温4.5h，随炉冷却至室温完成渗碳处理。
经检测，本实施例制备钻探杆的纳米晶粒层的厚度达到10μm，有效渗碳深度达到6μm，接近直接渗碳试样渗碳层厚的6倍。钻探杆表层硬度从维氏硬度920提高到1250，提高了35％以上。而且，HESP后的磨损失重降低，仅为原始的2.3％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对钻探杆进行喷丸处理；
步骤二：清理钻探杆上的残留弹丸；
步骤三：固定钻探杆；
步骤四：对钻探杆进行渗碳处理。
2.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，去除Ti-6Al-4V钻探杆肉眼可见的污物后，将钻探杆固定到装有旋转架的喷丸室，进行钻探杆的旋转喷丸处理，先打开旋转电机使钻探杆的旋转速率控制在1-5圈/min，然后打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.4-0.6MPa，喷丸时间5-30min，保证弹丸对钻探杆有足够的冲击力和冲击时间。
3.根据权利要求2所述高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，其特征在于，所述弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为55-65HRC，直径0.1-0.5mm。
4.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，对喷丸处理的钻探杆超声振动清洗。
5.根据权利要求4所述高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，其特征在于，所述清洗的过程为：1)先将钻探杆竖直固定在固定架上；2)将装有钻探杆的固定架放入超声振动槽的支架上，并使钻探杆位于固定架下方，同时使钻探杆始终保持竖直状态，且钻探杆的底部与超声探头的垂直距离为10-20mm，钻探杆的竖直放置确保钻探杆工作区的弹丸充分脱落；3)在清洗槽内加入皂化液，并保证液面高于钻探杆的顶部；4)打开超声发生器开关进行超声清洗，使器件表面的残余弹丸完全去除，同时彻底清除钻探杆表面的残余油污，从而保证渗碳处理时钻探杆表面能够与碳原子充分接触；5)将钻探杆用高压清水对表面进行二次清洗，去除皂化液，烘干后待用。
6.根据权利要求5所述高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，其特征在于，所述皂化液的温度为40-60℃；超声清洗频率为30-40kHz，超声清洗时间为10-30min。
7.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，将钻探杆末端固定在渗碳架上，并保证钻探杆工作区与环境气体完全接触，将装有钻探杆的渗碳架放入渗碳装置内，确保钻探杆不与渗碳室接触。
8.根据权利要求7所述高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，其特征在于，所述固定钻探杆的渗碳架的材质为与钻探杆高温下不反应的同质材料。
9.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，渗碳处理工艺为：1)采用真空泵对渗碳室进行抽真空除气，真空度为0.1-2Pa，充入高纯氩气，使渗碳室内保持一定的气压，氩气可以为碳源的电离提供电离气氛；2)调整碳源的源极电压到600-850V，将阴极电压调整到300-450V；3)采用100-300℃/h的升温速率升温至750-850℃，保温3-5h，随炉冷却至室温完成渗碳处理。
10.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金钻探杆的制备方法，其特征在于，所述渗碳室内的气压需控制在25-50Pa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190503 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |