CN111593230A - 一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材及其制造方法，属于石油天然气工业油井管制造技术领域。以质量百分比计，该钛合金管材的组成为Al：5.8～6.5％，V：2.0～3.0％，Zr：1.0～1.7％，Mo：0.5～1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。其制造方法是：冶炼、浇铸、锭坯锻造、挤压、轧制、退火处理、多级固溶处理、预拉伸处理和时效处理。通过本发明所述的制造方法得到的钛合金钻杆屈服强度大于930MPa，延伸率大于10％，满足API‑5DP中135Ksi强度级别钻杆力学性能标准要求。

Description

一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材及其制造方法

技术领域

本发明属于石油天然气工业油井管制造技术领域，涉及一种930MPa超高强度钛合金钻杆用管材及其制造方法，适用于钛合金石油钻杆管体。

背景技术

当前全球油气勘探开发正从常规油气藏向低压低渗透、非常规方向发展，从陆地开采向海洋开采发展，从浅层开采向深层、超深层开采发展。待开发油气资源，主要集中于低渗透、深层油气藏、海洋油气藏、非常规油气藏等。目前世界上最深的井垂直方向可达12289m，水平方向可达11739m，深水井可达3400m，非常规油气田的增加导致钻采越来越困难，如当前所面临的高温和高压、高Cl^-含量、高CO₂和H₂S含量、高冲蚀等工况，受这些苛刻工况、环境因素及二者共同作用的影响，使得石油管材失效事故时有发生。国内外为满足这些特殊工况井的钻井需求，开发了一系列的轻合金钻井工具及设备，其中铝合金钻杆已经在石油勘探开发工业中使用，而钛合金钻杆作为一种新型轻质钻杆也开始崭露头角。由于钛合金钻杆具有比强度高、耐腐蚀、无磁等优良特性，在深井、超深井以及深海钻井作业中的钻井应用中具有良好的适应性。

钛合金钻杆材料设计及制备技术方面，现有的系统理论研究较少，另一方面，在钛合金钻杆材料的研发中还存在超高钢级以上钛合金钻杆材料缺失、材料强韧性较低等问题。

综上所述，亟需研发一种成本较低且屈服强度较高的钛合金管材，使得该管材能够用于苛刻工况的深井中，避免石油管材失效事故的发生。

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930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材及其制造方法，解决现有的钛合金管材因屈服强度过小而导致深井作业时石油管材失效的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材，以质量百分比计，制备该钛合金管材的组成为：Al：5.8％～6.5％，V：2.0％～3.0％，Zr：1.0％～1.7％，Mo：0.5％～1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

优选地，该管材的拉伸性能为：屈服强度R_0.2≧933MPa，抗拉强度R_m≧1051MPa，延伸率δ≧10％，冲击功A_KV≧60J。

一种制造930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的方法，包括如下步骤：

1)按所述质量百分比称取原料，将原料混合，之后经过冶炼、浇铸及锻造制成锭坯；

2)将步骤1)制得的锭坯进行加热，之后进行挤压和轧制，形成管材；

3)将步骤2)轧制后的管材进行退火处理，之后进行多级固溶处理，即在930～940℃条件下保温2～3h，之后再在910～920℃条件下保温1.8～2.5h，空冷之后首先进行拉伸变形量为1％～2％的预拉伸处理，再进行人工时效处理，最后进行空冷，得到钛合金钻杆用管材。

优选地，步骤2)中所述的加热是将步骤1)中的锭坯置于980～1050℃的条件下加热0.8～1.2h。

优选地，步骤2)中所述的挤压过程中，设置的挤压参数为：挤压比为15～30，挤压速度为85～110mm/s。

优选地，步骤2)中所述的轧制温度为450～500℃。

优选地，步骤3)所述的退火温度为850～950℃，退火时间为1～1.5h。

优选地，步骤3)所述的人工时效处理是将管材置于450～550℃条件下保温2～2.5h，空冷。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材，本发明在管体材料配方上控制了Al和V的含量，从而能够增加管材的成材率。利用Al元素的固溶强化及其在时效过程中会引起次生α相析出的特点，控制钛合金中Al的含量，充分提高了合金强度，Zr、Mo元素的添加，有细化晶粒的作用，进一步提高了合金的屈服强度。

本发明还公开了一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，本发明在工艺上采用多级固溶处理+预拉伸处理+人工时效的热处理工艺，通过挤压轧制、多级固溶处理后进行空冷，获得粗晶组织，即较大尺寸原始β晶粒和层片α相，从而保证较高的冲击功；通过施加1％～2％拉伸变形量的预拉伸处理，产生较高的位错密度，通过时效处理能够获得细小弥散的次生α相，且次生α相首先在位错处形核长大，生成极大相界面，产生界面强化效果，以保证足够的屈服强度；原始β晶粒内的位错滑移能够保证足够的伸长率从而在保持钛合金管材高强度的同时提高了韧性。现有的钛合金管材制造方法的热处理阶段是直接采用固溶处理+时效处理，而本工艺与现有技术的区别就在于：固溶处理采取双重阶段二次固溶，同时在固溶处理之后辅以适当的预拉伸处理，从而显著提高了管材的屈服强度。

通过以上工艺路线得到的钛合金钻杆屈服强度大于930MPa，延伸率大于10％，满足API-5DP中135Ksi强度级别钻杆力学性能标准要求。

按照本发明的技术方案生产出的钛合金钻杆的性能能够达到以下要求：

(1)管体拉伸性能：屈服强度R_0.2≧933MPa，抗拉强度R_m≧1051MPa，延伸率δ≧10％，冲击功A_KV≧60J，满足API-5DP中135Ksi强度级别钻杆力学性能标准要求；

(2)管体的微观组织为大晶粒等轴β组织+细小片层次生α相+高位错密度。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的钛合金管材的透射电镜图；

图2为本发明实施例2制备的钛合金管材的透射电镜图；

图3为本发明实施例3制备的钛合金管材的透射电镜图；

图4为本发明3个实施例制备的钛合金管材的强度图；

图5为本发明3个实施例制备的钛合金管材的延伸率和冲击功。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在现有的钛合金材料中，Al为α相稳定化元素，能够提高相变点，在α相中能大量溶解并扩大α相区，主要起固溶强化作用，每增加1％的Al，可使室温下钛合金材料的抗拉强度增加50MPa。但Al含量不能过高，否则会形成Ti₃Al脆性相，同时也会使挤压难度增加；Zr为常用的中性元素，在α钛和β钛中均有较大的溶解度，常和其他元素同时加入，有补充强化作用，对合金材料塑性的不利影响比Al小，使合金具有良好的压力加工性能和焊接性能，Zr主要起到固溶强化、时效强化及沉淀强化作用，适量的Zr也有细化晶粒的作用；V和Mo是β稳定元素中应用最广的两种元素，对β相起固溶强化作用，降低相变点，增加合金的淬透性，从而强化热处理效果，但V含量过高容易增加生产成本。因此在本发明制备的钛合金管材中，调整了Al的用量，同时降低了V的用量，从而降低了钛合金的生产制作成本，同时调整Zr和Mo的含量，从而制备出强韧性较高、且成本较低的钛合金管材。具体实施例如下：

实施例1：

一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，钛合金的化学成分为(质量百分比)：Al：5.80％，V：2.00％，Zr：1.05％，Mo：0.50％，余量为Ti和不可避免的杂质，按照上述组分含量称取原料并进行冶炼、浇铸和锻造，制得管坯，将上述管坯首先置于马弗炉中，在1000℃下加热1h，之后进行挤压变形，挤压比为15，挤压速度为95mm/s，在470℃条件下进行轧制后继续在900℃条件下进行保温1.3h的退火处理，再进行多级固溶处理，即在935℃条件下保温3h，将马弗炉的炉温调至915℃后，在该温度下保温2h，之后空冷。对固溶处理后的管材施加1.0％的预拉伸变形后，在500℃条件下进行2h的人工时效处理，空冷，得到钛合金钻杆用管材。

经上述方法处理的钛合金管材，其形貌表征如图1所示。

实施例2：

一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，钛合金的化学成分为(质量百分比)：Al：6.20％，V：2.55％，Zr：1.35％，Mo：0.70％，余量为Ti和不可避免的杂质，按照上述组分含量称取原料并进行冶炼、浇铸和锻造，制得管坯，将管坯置于马弗炉中，在980℃下加热1.2h，之后进行挤压变形，挤压比为22，挤压速度为110mm/s，在450℃条件下进行轧制后继续进行950℃条件下保温1h的退火处理，再进行多级固溶处理，即在940℃条件下保温2h，将马弗炉的炉温调至915℃后，在该温度下继续保温2.5h，之后空冷。对固溶处理后的管材施加1.5％的预拉伸变形后，在450℃条件下进行2.5h的人工时效处理，空冷，得到钛合金钻杆用管材。

经上述方法处理的钛合金管材，其形貌表征如图2所示。

实施例3：

一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，钛合金的化学成分为(质量百分比)：Al：6.45％，V：2.96％，Zr：1.65％，Mo：0.97％余量为Ti和不可避免的杂质，按照上述组分含量称取原料并进行冶炼、浇铸和锻造，制得管坯，将上述管坯置于马弗炉中，在1050℃下加热0.8h，之后进行挤压变形，挤压比为30，挤压速度为85mm/s，在500℃条件下进行轧制后继续在850℃下进行保温1.5h的退火处理，再进行多级固溶处理，即在930℃条件下保温3h，将马弗炉的炉温调至910℃后，在该温度下保温1.8h，之后空冷。对固溶处理后的管材施加2％的预拉伸变形后，在550℃条件下进行2h的人工时效处理，空冷，得到钛合金钻杆用管材。

经上述方法处理的钛合金管材，其形貌表征如图3所示。

图1展示了实施例1的透射电镜组织照片，可以看出，组织主要为初生片层α相，存在部分次生α相，初生α相的尺寸较大，宽度大约有0.3μm，冲击功高，α/β相界面处存在位错塞积；图2展示了实施例2的透射电镜组织照片，可以看出，组织主要为次生片层α相，次生α相的尺寸宽度大约有0.2μm，并且在次生α相基体以及次生α与β界面处又位错塞积；图3展示了实施例3的透射电镜组织照片，可以看出，组织主要为次生α相，次生α相的组织宽度大约为0.1μm，并且在次生α相基体以及与β界面处存在高密度位错。对比图1、2、3可以发现，随着预拉伸变形量的增加，位错密度增加，由此使得制备的钛合金管材的强度逐渐增加，塑性下降。

上述实施例制得的钛合金管材的力学性能结果如表1所示。

表1各实施例中制备的钛合金管材的力学性能

由表1可知，按照本发明所述的技术方案生产出的钛合金钻杆的性能达到以下要求：

(1)管体拉伸性能：屈服强度R_0.2≧933MPa，抗拉强度R_m≧1051MPa，延伸率δ≧10％，冲击功A_KV≧60J，满足API-5DP中135Ksi强度级别钻杆力学性能标准要求。

(2)管体的微观组织为大晶粒等轴β组织+细小片层次生α相+高位错密度。

结合图4～5可以发现，实施例1、2、3随着预拉伸变形量的增加，屈服强度和抗拉强度逐渐降级，延伸率和冲击功逐渐提高。

将本发明制备的钛合金管材与现有技术对比，结果如表2所示，

表2本发明与现有技术制备的钛合金管材的性能比较

由表2中的对比结果可知，与专利文献1、2及3相比，本发明的钛合金成分中最昂贵的合金化元素V、Mo含量降低，能够降低合金材料的生产成本，Zr元素含量的增加有助于细化晶粒，同时能够提高合金材料的强韧性。并且在合金材料的制造工艺中，通过提高热变形以及热处理的温度改善原始β晶粒的等轴度，提高塑韧性，通过预拉伸过程增加位错密度，通过时效处理过程生成的次生片层α相提高合金强度，从而能够使制得的合金具有较好的强韧性。

综上所述，本发明的钛合金管材能够在降低成本的基础上，提高管材的屈服强度和拉伸强度，从而提高了钛合金管材的强韧性，使得该管材能够用于苛刻工况的深井中，避免石油管材失效事故的发生。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材，其特征在于，以质量百分比计，制备该钛合金管材的组成为：Al：5.8％～6.5％，V：2.0％～3.0％，Zr：1.0％～1.7％，Mo：0.5％～1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材，其特征在于，该管材的拉伸性能为：屈服强度R_0.2≧933MPa，抗拉强度R_m≧1051MPa，延伸率δ≧10％，冲击功A_KV≧60J。

3.一种制造权利要求1或2所述的930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)按所述质量百分比称取原料，将原料混合，之后经过冶炼、浇铸及锻造制成锭坯；

2)将步骤1)制得的锭坯进行加热，之后进行挤压和轧制，形成管材；

3)将步骤2)轧制后的管材进行退火处理，之后进行多级固溶处理，即在930～940℃条件下保温2～3h，之后再在910～920℃条件下保温1.8～2.5h，空冷之后首先进行拉伸变形量为1％～2％的预拉伸处理，再进行人工时效处理，最后进行空冷，得到钛合金钻杆用管材。

4.根据权利要求3所述的一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤2)中所述的加热是将步骤1)中的锭坯置于980～1050℃的条件下加热0.8～1.2h。

5.根据权利要求3所述的一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤2)中所述的挤压过程中，设置的挤压参数为：挤压比为15～30，挤压速度为85～110mm/s。

6.根据权利要求3所述的一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤2)中所述的轧制温度为450～500℃。

7.根据权利要求3所述的一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤3)所述的退火温度为850～950℃，退火时间为1～1.5h。

8.根据权利要求3所述的一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤3)所述的人工时效处理是将管材置于450～550℃条件下保温2～2.5h，空冷。

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