CN110303067B - 一种高强韧性钛合金油井管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强韧性钛合金油井管的制造方法，属于金属材料加工领域，其成分质量百分比为：Al：5.8～6.5，V：3.5～4.5，Ni：0.16～0.8，Nb：0.16～0.8，Fe≤0.20，O≤0.16,H≤0.01,N≤0.05,C≤0.08,其余为Ti和不可避免的杂质。本发明通过将上述成分冶炼制成圆坯，经坯料加热、穿孔、轧制、定减径、热矫直和热处理等主要工序后获得。本发明通过在TC4钛合金成分的基础上，添加适量β稳定合金元素Ni和Nb，并采用上述加工工艺，制造的不同规格钛合金油井管可满足API P110级和Q125级高强度、高韧性油井管的性能要求，而且具有良好的耐蚀性、焊接性和热加工性。

Description

一种高强韧性钛合金油井管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高强韧性钛合金油井管及其制造方法。

背景技术

石油工业在我国国民经济中一直占有重要的地位，而且随着石油工业的发展，油井管作为石油天然气开发工程中所必须的重要材料，需求与日俱增。石油工业中每年由于石油用管服役工况恶劣导致其磨损、腐蚀、断裂、开裂等问题，其所带来的破坏和损失对国家造成重大经济损失。据国际钻井承包商协会统计，每起钻柱断裂事故平均直接损失为10.6万美元。尤其近年来随着石油资源的不断开采，石油天然气勘探开发向极地和海洋拓展，高压高温井的不断涌现使得开采难度越来越大，深井、超深井的井下高温、高压环境对油井管的强度、韧性等使用性能有着极高要求，所处条件超出大多数低碳微合金钢管和耐蚀合金管(如镍基合金)长期服役的能力范围。

钛合金由于具有密度小、比强度高、无磁性、耐蚀性好和良好的耐高温性能等特点，其应用领域迅速扩展。其中钛合金油井管作为现有油井管的补充和替代产品，优势和需求越来越明显，国内外很多机构都在进行钛合金油井管的研制，使得钛合金油井管的研究和应用成为目前高温高压及高腐蚀恶劣环境油气井选材和腐蚀控制最热门的方向。

钛合金油井管采用钛合金无缝管制造。当前钛合金无缝管的生产工艺主要包括热挤压/斜轧穿孔+冷轧、热挤压+减定径、斜轧穿孔+连轧/斜轧几种类型。其中热挤压/斜轧穿孔+冷轧一般生产孔径较小的薄壁钛合金管，而且冷轧后需要真空退火增加成本，而且中高强度钛合金的冷变形能力不佳，加工难度大。中国专利CN 105618508A提供了一种穿孔+冷轧生产薄壁钛合金无缝管的生产方法，虽然利用高温中频推制减少了冷轧前热处理工序，但是需重复推制、酸洗、冷轧工艺，导致工序较多、能耗高。热挤压钛合金管工艺存在成材率较低问题，不仅要求具有大型挤压设备，制定合理的挤压温度、挤压速度、挤压比，其中关键在于选择合理的润滑工艺。当前常见的润滑剂包括铜包覆和润滑脂：其中铜包覆挤压工序复杂，酸洗过程污染严重，且高温下钛铜易形成硬脆金属间化合物；使用润滑脂易造成管材末端出现粘结的质量问题影响后续加工，最终成品的尺寸精度和表面质量难以保证。此外中国专利CN102371288A提供了一种高精度高强钛合金无缝管材的制备方法，其采用棒材机加通孔+多道次冷轧的制备工艺，虽然工艺简单、尺寸精度高，但是其材料利用率太低，严重制约钛合金油井管大规模工业生产及应用。

因此，在穿孔+轧制工艺基础上，提供一种生产效率高、更经济、全流程热加工方法以实现高强韧钛合金油井管的生产，性能达到API P110或Q125级标准油井管力学性能要求，替代传统热挤压工艺和冷加工工艺，对于实现高强韧性钛合金油井管的关键工艺生产及应用前景具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有钛合金油井管综合性能的不足，提供一种高强韧性钛合金油井管及其制造方法，在TC4合金成分基础上设计成分，通过添加微量合金元素Ni和Nb，采用穿孔、轧制工艺制造出高强度、高韧性、高延伸率、高耐蚀性的钛合金油井管，本方法具有产品质量优异、成本低、连续性好、产品规格丰富等特点。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现：提供一种P110级高强韧性钛合金油井管的制造方法，该钛合金油井管的成分按质量百分比为：Al：5.8～6.5，V：3.5～4.5，Ni：0.16～0.8，Nb：0.16～0.8，Fe≤0.20，O≤0.16,H≤0.01,N≤0.05,C≤0.08,其余为Ti和不可避免的杂质，其具体制造工艺步骤为：

S1:制坯。按照权利要求1所述化学成分配比，按常规冶炼锻造方法将上述成分原料加工成圆坯。

S2：穿孔和轧制。将制成的圆坯涂覆抗氧化涂层，待干燥后在环形炉中加热至970℃～1150℃，对加热后的圆坯进行斜轧穿孔以获得毛管，对毛管在820℃～950℃进行轧制以获得荒管。

S3：减定径：将荒管再加热至780℃～880℃进行减定径。

S4：热矫直：经200℃～600℃热矫后获得热轧态管。

S5：热处理：将热轧态管加热至850℃～950℃保温0.5-1.0小时后空冷固溶处理后空冷，再在650℃～750℃退火0.5～1小时进行退火处理，然后空冷。

S6：管材表面加工：进行机加工将表面氧化皮及缺陷全部去除，获得成品管。

进一步地，所述步骤S2中的穿孔入口温度控制为950℃～1050℃，毛管的轧制方法为连轧

或斜轧。

进一步地，所述步骤S5中的固溶处理可调整至步骤S3减定径前，即将荒管再加热至

850℃～950℃直接进行固溶处理，保温0.5～1.0小时后空冷至780℃～880℃进行减定径。

一种根据如上所述方法的制备的钛合金油井管，其特征在于油井管满足API P110级高强高韧性的性能要求：屈服强度758～965MPa，抗拉强度≥862MPa，延伸率≥14％，0℃冲击功≥41J，或满足API Q125级高强高韧性的性能要求：屈服强度826～1034MPa，抗拉强度≥931MPa，延伸率≥13％，0℃冲击功≥52J。

本发明达到的效果是该方法制造的高强韧性钛合金油井管达到的性能参数，完全满足APIP110级和Q125级高强高韧性的性能要求。在现有TC4钛合金成分基础上，添加微量的β稳定合金元素Ni和Nb，可起到固溶强化作用，提高强度、高温性能、耐蚀性等性能指标，配合热轧后热处理工艺还可改善产品的综合性能，可广泛应用于服役工况苛刻的油气井行业，比现有的高合金化的钛合金管和镍基合金管更具经济性、实用性，对于我国石油工业的发展具有极大的促进作用。

附图说明

图1为本发明实施方式1中制造所得钛合金圆坯的金相组织图。

图2为本发明实施方式2中制造所得钛合金成品油井管的金相组织图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式。

实施方式1：

一种P110级高强韧性钛合金油井管及其制造方法，其成分按质量百分比为：Al：5.9，V：4.1，Ni：0.5，Nb：0.7，Fe≤0.15，O≤0.08,H≤0.01,N≤0.05,C≤0.06,其余为Ti和不可避免的杂质。

具体制备过程按如下步骤：

(1)制坯。按照上述化学成分配比，经真空冶炼方法将上述成分原料加工成圆坯。

(2)穿孔和轧制。将制成的圆坯涂覆抗氧化涂层，待干燥后在环形炉中加热至1050℃～1080℃，对加热后的圆坯进行斜轧穿孔以获得毛管，穿孔入口温度控制为970℃～1010℃，对毛管进行连轧以获得荒管，连轧机入口温度控制为900℃～940℃。

(3)减定径：将荒管再加热至800℃～850℃进行减定径。

(4)热矫直：经500℃～550℃热矫后获得热轧态管。

(5)热处理：将热轧态管加热至880℃～930℃保温0.5-1.0小时后空冷固溶处理后空冷，再在680℃～730℃退火0.5小时进行退火处理，然后空冷。

(6)管材表面加工：进行机加工将表面氧化皮及缺陷全部去除，获得成品管。

本实施方式制备的钛合金圆坯，由图1可以看出，其金相组织由长条状的初生α相和β转变组织基体组成，组织均匀性好。

经热处理工艺后的成品管材性能参数为屈服强度936MPa，抗拉强度984MPa，延伸率15％，0℃冲击功53J，完全满足API P110级和Q125级标准的产品要求。

实施方式2：

一种P110级高强韧性钛合金油井管及其制造方法，其成分按质量百分比为：Al：6.0，V：3.9，Ni：0.8，Nb：0.5，Fe≤0.10，O≤0.08,H≤0.01,N≤0.05,C≤0.05,其余为Ti和不可避免的杂质。

具体制备过程按如下步骤：

(1)制坯。按照上述化学成分配比，经真空冶炼方法将上述成分原料加工成圆坯。

(2)穿孔和轧制。将制成的圆坯涂覆抗氧化涂层，待干燥后在环形炉中加热至1050℃～1100℃，对加热后的圆坯进行斜轧穿孔以获得毛管，穿孔入口温度控制为980℃～1030℃，对毛管进行斜轧以获得荒管，连轧机入口温度控制为900℃～940℃。

(3)固溶处理和减定径：将荒管再加热至850℃～900℃进行固溶处理，保温0.5～1小时后空冷至780℃～830℃进行减定径。

(4)热矫直：经530℃～580℃热矫后获得热轧态管。

(5)热处理：将热轧态管加热至700℃～750℃退火0.5小时进行退火处理，然后空冷。

(6)管材表面加工：进行机加工将表面氧化皮及缺陷全部去除，获得成品管。

本实施方式制备的成品油井管，由图2可以看出，其金相组织由大量片层次生α相、部分球化α相和晶间β相组成。

经热处理工艺后的成品管材性能参数为屈服强度942MPa，抗拉强度1015MPa，延伸率18％，0℃冲击功58J，完全满足API P110级和Q125级标准的产品要求。

实施方式3：

一种P110级高强韧性钛合金油井管及其制造方法，其成分按质量百分比为：Al：5.9，V：3.9，Ni：0.16，Nb：0.16，Fe≤0.15，O≤0.08,H≤0.01,N≤0.05,C≤0.05,其余为Ti和不可避免的杂质。

具体制备过程按如下步骤：

(1)制坯。按照上述化学成分配比，经真空冶炼方法将上述成分原料加工成圆坯。

(2)穿孔和轧制。将制成的圆坯涂覆抗氧化涂层，待干燥后在环形炉中加热至1020℃～1070℃，对加热后的圆坯进行斜轧穿孔以获得毛管，穿孔入口温度控制为970℃～1020℃，对毛管进行连轧以获得荒管，连轧机入口温度控制为890℃～940℃。

(3)固溶处理和减定径：将荒管再加热至850℃～900℃进行固溶处理，保温0.5～1小时后空冷至750℃～800℃进行减定径。

(4)热矫直和管端墩粗：经550℃～600℃热矫和管端墩粗后获得热轧态管。

(5)热处理：将热轧态管加热至680℃～730℃退火0.5小时进行退火处理，然后空冷。

(6)管材表面加工：进行机加工将表面氧化皮及缺陷全部去除，获得成品管。

经热处理工艺后的成品管材性能参数为屈服强度935MPa，抗拉强度994MPa，延伸率14％，0℃冲击功50J，完全满足API P110级和Q125级标准的产品要求。

Claims (4)

1.一种高强韧性钛合金油井管的制造方法，其特征在于该钛合金油井管的成分按质量百分比为：Al：5.8～6.5，V：3.5～4.5，Ni：0.16～0.8，Nb：0.16～0.8，Fe≤0.20，O≤0.16,H≤0.01,N≤0.05,C≤0.08,其余为Ti和不可避免的杂质；

制备步骤如下：

S1:制坯：按照上述化学成分配比原料，按常规冶炼锻造方法加工成圆坯；

S2：穿孔和轧制：将制成的圆坯涂覆抗氧化涂层，待干燥后在环形炉中加热至970℃～1150℃，对加热后的圆坯进行斜轧穿孔以获得毛管，对毛管在820℃～950℃进行轧制以获得荒管；

S3：减定径：将荒管再加热至780℃～880℃进行减定径轧制；

S4：热矫直：经200℃～600℃热矫后获得热轧态管；

S5：热处理：将热轧态管加热至850℃～950℃保温0.5～1.0小时固溶处理后空冷，再在650℃～750℃退火0.5～1小时理退火处理，然后空冷；

S6：管材表面加工：进行机加工将表面氧化皮及缺陷全部去除，获得成品管。

2.根据权利要求1所述的高强韧性钛合金油井管的制造方法，其特征在于所述步骤S2中的穿孔入口温度控制为950℃～1050℃，毛管的轧制方法为连轧或斜轧。

3.根据权利要求1所述的高强韧性钛合金油井管的制造方法，其特征在于所述步骤S5中的固溶处理可调整至步骤S3减定径前，即将荒管再加热至850℃～950℃直接进行固溶处理，保温0.5～1.0小时后空冷至780℃～880℃进行减定径。

4.一种根据权利要求1所述方法的制备的钛合金油井管，其特征在于油井管满足APIP110级高强高韧性的性能要求：屈服强度758～965MPa，抗拉强度≥862MPa，延伸率≥14％，0℃冲击功≥41J，或满足API Q125级高强高韧性的性能要求：屈服强度826～1034MPa，抗拉强度≥931MPa，延伸率≥13％，0℃冲击功≥52J。

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