CN111304494B - 一种锆合金柔性连续管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锆合金柔性连续管及其制造方法，锆合金柔性连续管中各个成分的质量百分比为：Zr+Hf≥95.5；Hf：≤4.5；Nb：2.2～2.8；Fe：0.10～0.13；Si：0.007～0.01；Cr：0.04～0.07；H：≤0.005；N：≤0.025；C：≤0.05；O：≤0.18。通过合金成分设计，将短盘锆带连接到指定米数，经过排辊成型，高频电阻焊接，热处理，收卷等工艺，制成长度大于61米的锆合金柔性连续管，解决了现有碳钢、不锈钢等连续管在耐蚀性等方面的不足，具有较高的强塑性和优异的耐蚀性，形成了锆合金连续管制造工艺技术，主要用作石油、化工、核能输送和注入等重腐蚀管道领域。

Description

一种锆合金柔性连续管及其制造方法

技术领域：

本发明属于石油、化工、核电管材技术领域，涉及一种连续管，尤其是一种锆合金柔性连续管及制造方法。

背景技术：

柔性连续管可用于油气田修井、测井、钻井等领域，是一种可缠绕、长度达千米的管材。连续管作业工况有时达到数千米，且需要在高内压下承受反复的拉、压、扭、弯、挤、磨等复合载荷，连续管作业具有效率高、作业成本低、作业范围广、占地面积小等一系列优点。

锆是近年来出现的一种新兴的耐腐蚀金属材料，具有优异的耐酸、耐碱腐蚀性能。但是，锆又是一种化学性质非常活泼的元素，它与氧在200℃时会发生反应，与氢在300℃时开始发生反应，与氮在400℃时开始发生反应，温度越高反应的强度越剧烈，所以焊接时候焊缝必须做好惰性气体保护。锆对氧有很高的亲合力，导致在室温的空气中会形成保护氧化膜，这层保护氧化膜使得锆及其合金具有优良的抗腐蚀性能，可用作高温耐热保护层，用以代替碳钢、不锈钢、钛等，在石油、化工、核能领域环境苛刻环境中使用。

目前，锆管常见加工方法有两种：一种是经过斜轧穿孔、拉伸扩径、轧制的方法制作无缝管材；另一种用锆板，通过卷板机或用油压机模压成型，然后焊接成圆管，经过校圆，矫直，制作成有缝管材。现有技术中并未出现将锆合金用于制备连续管的先例，一方面是锆合金制备连续管比较昂贵，另一方面是制造工艺的限制。

但是，随着常规的油气藏腐蚀工况日益恶劣，化工、核能的快速发展，柔性连续锆管可用于油气田修井、测井，工业中强化学助剂注入，核能中酸性极强的醋酸、醋酐输送等领域，传统的定尺锆管接头众多，接头处和管体相比容易提前产生失效破坏，增大了作业的风险。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种锆合金柔性连续管及其制造方法，通过合理的合金成分设计和加工工艺，制造出的锆合金连续管性能优异、长度大于61米，具有较高的强塑性和优异的耐蚀性，形成了锆合金柔性连续管制造工艺技术。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种锆合金柔性连续管，所述锆合金柔性连续管中各个成分的质量百分比为：Zr+Hf≥95.5；Hf：≤4.5；Nb：2.2～2.8；Fe：0.10～0.13；Si：0.007～0.01；Cr：0.04～0.07；H：≤0.005；N：≤0.025；C：≤0.05；O：≤0.18。

根据上述成分进行热轧得到的锆合金卷宽度300～1000mm，锆合金卷屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥550MPa，延伸率≥18％。

上述锆合金柔性连续管的制造方法，包括以下步骤：

(1)根据拟制造的锆合金连续管管径尺寸，将锆合金卷纵剪为一定宽度的锆合金带，将锆合金带两端斜切成43°～47°，然后将两条锆合金带的头尾沿43°～47°切角精确拼接，在切口拼接位置的两侧焊接安装引弧板和息弧板，然后采用等离子对接焊或者激光焊对接焊接，在焊接过程中采用托罩加背面通气保护方式，对焊缝的正面和背面均通入99.999％高纯氩气惰性气体进行保护，完成锆合金带斜切面对接；

(2)对锆合金带斜切面焊缝及热影响区在氩气保护气氛下，快速加热到890℃～1030℃进行一定形变量的热轧制，使焊缝与母材具有相近的组织和性能，热轧制后切掉引弧板和息弧板，并对热轧制区域及锆合金带侧面进行修磨；

(3)锆合金带对接达到所需长度后，将锆合金带两个侧面加工成I型或V型坡口，根据规格和壁厚调整成型角、挤压量，采用排辊成型法将锆合金带连续成型，采用高频感应电阻焊焊接成连续锆管，焊接时需在99.999％高纯氩气气体保护环境中，氩气压力≥2MPa，焊缝接合处挤压的温度约为1450℃～1580℃，采用托罩加背面通气保护方式，完全隔绝空气完成锆合金管焊接；

(4)对焊缝和管体进行正火处理，整管采用中频感应方式在惰性气体保护环境中快速加热至1000℃左右，保温一定时间后，空冷或水冷；再通过挤压辊定径的方式对锆合金管管体及焊缝区域施加一定的形变量，达到改善锆合金管整体性能的目的；最后在大气中加热至350℃～500℃进行去应力退火处理得到锆合金连续管成品管。

上述去应力退火处理后可选用喷砂加酸洗去除管体内外表面氧化皮，管体内外表面可涂润滑剂。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的锆合金柔性连续管的作业能力相比碳钢连续管大幅提升，可用于油气田复杂苛刻腐蚀环境下修井、测井，工业中强化学助剂如盐酸、硝酸注入，核能中酸性极强的醋酸、醋酐输送等领域。连续管作业速度快、效率高，具有一般材料无法比拟的优良的耐腐蚀性。

2、本发明锆合金连续管单根长度≥61m，不需要像传统管每隔12米左右就要接箍或者焊接连接，可以缩短作业时间；通过对锆合金带接头热轧制进行形变热处理，对管材整体进行正火处理、挤压辊定径形变强化和去应力处理，使锆合金管焊缝与母材具有相近的组织和性能，确保锆管在长度方向上保持了高度的一致，大幅提高了管材的承压能力及疲劳寿命。

3、本发明的方法制造的锆合金连续管外径为12.7mm～88.9mm，壁厚为1.5mm～6.3mm，长度大于61米，屈服强度大于380MPa，抗拉强度大于550MPa，延伸率大于18％。

具体实施方式：

下面对本发明做进一步详细说明：

本发明在锆卷板制造时，将锻造后的锆板坯进行热轧后，对其进行表面处理；随后将热轧厚板坯轧制成锆合金卷。锆合金卷宽度300～1000mm，考虑制管后包申格效应，锆合金卷板屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥550MPa，延伸率≥18％。本发明适用制造的锆合金连续管外径为12.7mm～88.9mm，壁厚为1.5mm～6.3mm，长度大于61米。

实施例1：

锆合金柔性连续管中各个化学成分的质量百分比为：Zr≥94.2；Hf：2.5；Nb：2.3；Fe：0.12；Si：0.008；Cr：0.05；H：0.004；N：0.020；C：0.04；O：0.08。

采用上述合金成分设计，将锻造后的锆合金板坯进行热轧制成为360×1.91mm的锆合金卷，将其根据

规格的连续管所需板宽，将锆合金卷纵剪成锆合金带。

将纵剪后的锆合金带两端沿45°斜切，采用等离子焊，并将焊缝在高纯氩气保护环境中完成锆合金带斜切边对接焊，焊接过程完全隔绝空气，采用焊接后的颜色来判定焊接的氧化程度，确保焊缝表面呈光亮的银白色，完成锆合金带斜切面对接焊。对接后，对焊缝区域采用金属磨头打磨，避免过热氧化，最后将锆合金带存储在活套坑中待用。

随后将斜焊缝及热影响区在氩气保护环境中快速加热至930℃，进行热机械轧制，使焊缝与母材具有相近的组织和性能；热轧制后切掉引弧板和息弧板，并对热轧制区域及锆带侧面进行金属磨头打磨，打磨时避免过热氧化。

将锆合金带接长至800米，将其侧边铣成I型(本发明优选的，当锆合金带壁厚小于2mm时，两个侧面加工成I型坡口；当锆合金带壁厚大于2mm时，两个侧面加工成V型坡口)，坡口焊前在坡口两侧各20mm内采用金属磨头打磨，去除表面的氧化膜，打磨后采用排辊成型，采用高频电阻感应在99.999％高纯高纯氩气保护环境中完成焊接，氩气压力：2.2MPa，焊接速度为8m/min，并使焊缝快速冷却。焊接过程中完全隔绝空气，以免焊缝颜色发生变化，采用焊接后的颜色来判定焊接的氧化程度，确保焊缝表面呈光亮的银白色。本发明焊缝接合处挤压的温度约1550℃，使得焊缝区域被加热到塑性熔融状态，增大了锆金属原子的动能，变形晶格能得到恢复，清除了锆管大部分残余内应力，确保锆管成型应力低，接着切削掉锆合金管焊缝内外毛刺。

将焊接后的锆合金管在氩气保护环境中采用中频感应方法加热至990℃，保温5min后空冷，让某些碎晶或杂质成为晶核，重新排列形成新的晶粒，这样就逐渐恢复了锆合金原来优良的力学性能。再通过挤压辊定径，使制造的连续管的焊缝和母材组织和性能在长度方向上保持了高度的一致。最后加热至380℃完成去应力退火处理得到锆合金连续管成品管。

将退火处理后的锆合金柔性管连续缠绕至芯径大于管径20倍的卷筒上，本实施例1将锆管缠绕至芯径为600mm的卷筒上，并通过重绕检验，无损检测等质量合格后缠绕在卷筒上储存、运输和使用，获得锆合金柔性连续管。

经过测试：连续管整管拉伸屈服强度为450MPa，抗拉强度为615MPa，延伸率为23％，最大硬度202HV₁₀。

实施例2：

设计的锆合金柔性连续管中各个化学成分的质量百分比为：Zr≥92.1；Hf：3.7；Nb：2.9；Fe：0.10；Si：0.009；Cr：0.06；H：0.003；N:0.015；C：0.03；O：0.10。

采用上述合金成分设计，将锻造后的锆合金板坯进行热轧制成为1000×3.18mm的锆合金卷，将其根据

规格的连续管所需板宽，将锆合金卷纵剪成锆合金带。

与实施例1的方法相同，将纵剪后的锆合金带两端沿45°斜切，采用等离子焊，并将焊缝在高纯氩气保护环境中完成锆合金带斜切边对接焊。

将斜焊缝在氩气保护环境中快速加热至980℃，进行热机械轧制。

将锆合金带接长至3000米，将其侧边铣成V型坡口；将侧边打磨后采用排辊成型，采用高频电阻感应在99.999％高纯高纯氩气保护环境中完成焊接，氩气压力：2.5MPa，焊接速度为5m/min，焊缝接合处挤压的温度1570℃，并使焊缝快速冷却。

将焊接后的锆合金管在氩气保护环境中采用中频感应方法加热至1020℃，保温10min后空冷。再通过挤压辊定径，最后加热至400℃完成去应力退火处理。

将锆管置于温度为30℃～50℃的氢氟酸与硝酸的混合溶液中酸洗，再在内外表面涂润滑剂，获得表面更加美观、耐蚀性能更优的锆合金柔性连续管。

将锆管缠绕至芯径为2000mm的卷筒上。结果表明，连续管整管拉伸屈服强度为445MPa，抗拉强度为590MPa，延伸率为22％，最大硬度198HV₁₀。

Claims (4)

1.一种锆合金柔性连续管的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据拟制造的锆合金连续管管径尺寸，将锆合金卷纵剪为一定宽度的锆合金带，将锆合金带两端斜切成43°～47°，然后将两条锆合金带的头尾沿43°～47°切角精确拼接，在切口拼接位置的两侧焊接安装引弧板和息弧板，然后采用等离子对接焊或者激光焊对接焊接，在焊接过程中采用托罩加背面通气保护方式，对焊缝的正面和背面均通入99.999％高纯氩气气体进行保护，完成锆合金带斜切面对接；

(2)对锆合金带斜切面焊缝及热影响区在氩气保护气氛下，快速加热到890℃～1030℃进行一定形变量的热轧制，使焊缝与母材具有相近的组织和性能，热轧制后切掉引弧板和息弧板，并对热轧制区域及锆合金带侧面进行修磨；

(3)锆合金带对接达到所需长度后，将锆合金带两个侧面加工成I型或V型坡口，根据规格和壁厚调整成型角、挤压量，采用排辊成型法将锆合金带连续成型，采用高频感应电阻焊焊接成连续锆管，焊接时需在99.999％高纯氩气气体保护环境中，氩气压力≥2MPa，焊缝接合处挤压的温度为1450℃～1580℃，采用托罩加背面通气保护方式，完全隔绝空气完成锆合金管焊接；

(4)对焊缝和管体进行正火处理，整管采用中频感应方式在惰性气体保护环境中快速加热至1000℃，保温一定时间后，空冷或水冷；再通过挤压辊定径的方式对锆合金管管体及焊缝区域施加一定的形变量，达到改善锆合金管整体性能的目的；最后在大气中加热至350℃～500℃进行去应力退火处理得到锆合金连续管成品管；

所述锆合金柔性连续管中各个成分的质量百分比为：Zr+Hf≥95.5；Hf：≤4.5；Nb：2.2～2.8；Fe：0.10～0.13；Si：0.007～0.01；Cr：0.04～0.07；H：≤0.005；N：≤0.025；C：≤0.05；O：≤0.18。

2.根据权利要求1所述的一种锆合金柔性连续管的制造方法，其特征在于：根据所述成分进行热轧得到的锆合金卷宽度300～1000mm，锆合金卷屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥550MPa，延伸率≥18％。

3.根据权利要求1所述的一种锆合金柔性连续管的制造方法，其特征在于：所述去应力退火处理后选用喷砂加酸洗去除管体内外表面氧化皮，管体内外表面涂润滑剂。

4.根据权利要求1所述的一种锆合金柔性连续管的制造方法，其特征在于：当锆合金带壁厚小于2mm时，两个侧面加工成I型坡口；当锆合金带壁厚大于2mm时，两个侧面加工成V型坡口。