CN111621669A - 一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材及制造方法，所述的管材以质量百分比计，包括Al 5.5％～6％、V 1.5％～2.0％、C≤0.05％、N≤0.03％、H≤0.0125％和O≤0.1％，余量为Ti；所述方法先将原料依次进行冶炼、铸造和锻造，得到圆锭坯，之后经加热保温、挤压得到管材，再对管材轧制后，进行初步退火处理，再采用两级固溶处理、预拉伸处理和人工时效热处理工艺，最终不仅使加工制造难度变小，成本降低，而且达到了石油行业720MPa级的钻杆用管材要求的抗拉强度和屈服强度、延伸率和冲击功。

Description

一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材及制造方法

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，具体为一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材及制造方法。

背景技术

石油工业的勘探开发逐渐向深井超深井、低压低渗井、海洋油气井和非常规油气井四个方向发展，钻采环境以及油气井类型变得越来越复杂和苛刻，由于传统钢钻杆比强度低，设备重量大，高温力学性能差等问题，当面对这些苛刻的钻采环境油气井，其优越性大大降低。而钛合金钻杆比强度高、耐高温、耐腐蚀等优异特性，对于超深井、大位移井、含硫井、短半径井、高温高压井等复杂工况油气井钻井问题具有广泛的应用前景。

我国钛合金石油钻杆正在处于研发阶段，制约钛合金在石油领域的应用主要是由于其昂贵的合金化，例如V、Mo和Zr等合金化元素，以及其加工制造难度大，导致成本增加，并且对于石油行业要求的抗拉强度和屈服强度、延伸率和冲击功，达到720MPa级的钻杆用管材的加工制造工艺尚不明确。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材及制造方法，合金成分设计简单且成本低，塑韧性好、抗疲劳性能好、性能稳定。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材，所述的管材以质量百分比计，包括Al5.5％～6％、V 1.5％～2.0％、C≤0.05％、N≤0.03％、H≤0.0125％和O≤0.1％，余量为Ti。

一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，包括如下步骤，

步骤1，依照所述管材的组分配制原料，依次冶炼、铸造和锻造，得到圆锭坯，管材的组分按质量百分比计包括，Al 5.5％～6％，V 1.5％～2.0％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.0125％，O≤0.1％，余量为Ti；

步骤2，将圆锭坯加热到980～1050℃后保温，之后进行挤压得到管材，将管材轧制后进行退火处理，得到退火处理后的管材；

步骤3，将退火处理后的管材在950～970℃下保温0.8～1.2h，之后在930～940℃下保温后自然冷却至室温；

步骤4，将步骤3得到的管材预拉伸处理后进行时效处理，得到720MPa级高强度钛合金钻杆用管材。

进一步，步骤2将圆锭坯在所述温度保温0.8～1.5h。

进一步，步骤2中，得到管材时的挤压比大于15，挤压速度为85～110mm/s。

进一步，步骤2将管材在450～500℃下进行轧制。

进一步，步骤2将管材轧制后在770～830℃下保温0.8～1.2h，得到退火处理后的管材。

进一步，步骤3将退火处理后的管材在950～970℃下保温后，在930～940℃下保温0.8～1.2h。

进一步，步骤4中，所述的管材在预拉伸处理时的变形量为0.5％～2％。

进一步，步骤4中将所述的管材预拉伸处理后，先在480～530℃下保温1.5h～2h，之后自然冷却到室温。

一种由上述任意一项所述的720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法得到的720MPa级高强度钛合金钻杆用管材。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材，将Al的质量百分比设计为5.5％～6％，这是因为Al为α相稳定化元素，能提高钻杆用管材的相变点，Al在α相中大量溶解和扩大α相区，在钻杆用管材中主要起固溶强化作用，每增加1％Al，可使钻杆用管材的室温抗拉强度增加50MPa，但Al含量超过6％后，会在钻杆用管材中形成Ti₃Al脆性相，降低断裂韧性，并且挤压难度增加；将V的质量百分比设计为1.5％～2.0％，这是因为V是β稳定元素中应用最广的元素，V对β相起固溶强化作用，能降低相变点，增加合金的淬透性，从而强化热处理强化效果，但V含量过高容易增加成本；将杂质元素C控制在0.05％以下、N控制在0.03％以下、H控制在0.0125％以下，O控制在0.1％以下，余量为Ti。与国外使用的TC4钛合金钻杆相比，本发明在管体材料配方上控制Al，V含量，能降低成本，可以增加管材成材率，利用Al元素的固溶强化及时效过程次生α相的析出，能充分提高了合金强度，经过之后配套的加工制造工艺，能达到石油行业720MPa级的钻杆用管材要求的抗拉强度和屈服强度、延伸率和冲击功。

本发明一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，先将原料依次进行冶炼、铸造和锻造，得到圆锭坯，之后经加热保温、挤压得到管材，再对管材轧制后，进行初步退火处理，再采用两级固溶处理、预拉伸处理和人工时效热处理工艺，其中通过提高热变形以及相应的热处理温度改善原始β晶粒的等轴度，提高塑韧性，两级固溶处理后采取空冷的缓冷措施获得粗晶组织，即较大尺寸原始β晶粒和层片α相，以及α/β相界面处的位错密度不高，保证较高的冲击功；通过预拉伸过程增加位错密度以及时效处理过程生成的次生片层α相提高强度，综合获得较好的强韧性；人工时效处理获得细小弥散的次生α相，以保证足够的屈服强度；原始β晶粒内的位错滑移保证足够的伸长率从而在保持高强度的同时，提高了韧性，显著降低了加工难度，提高成材率，性能满足720MPa级石油钻杆的力学性能要求：屈服强度R_0.2>720MPa，抗拉强度R_m≥921MPa，延伸率δ≥10％，冲击功A_KV≥54J。

附图说明

图1为本发明实施例1制造的管材的透射电镜组织图。

图2为本发明实施例2制造的管材的透射电镜组织图。

图3为本发明实施例3制造的管材的透射电镜组织图。

图4为按照本发明所述方案制备的720MPa级钛合金钻杆用管材加工的钻杆管体实物图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的720MPa级高强度钛合金钻杆用管材，其组分以重量百分比计，包括Al5.5％～6％，V 1.5％～2.0％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.0125％，O≤0.1％，余量为Ti，以上组分均为纯金属，C、N、H、O是之后依次熔、铸、锻过程中不可避免的杂质元素，熔、铸、锻指的是冶炼、铸造和锻造。

以下讨论上述管材中各组分的具体的含量及作用，也就是限定各个成分的含量范围的理由，单位均为质量百分比。

Al 5.5％～6％。

Al为α相稳定化元素，能提高钻杆用管材的相变点，Al在α相中大量溶解和扩大α相区，在钻杆用管材中主要起固溶强化作用，每增加1％Al，可使钻杆用管材的室温抗拉强度增加50MPa，但Al含量超过6％后，会在钻杆用管材中形成Ti₃Al脆性相，降低断裂韧性，并且挤压难度增加，由于管材成型方式是热挤压，因此钛合金钻杆管体控制Al含量为：5.5％～6％。

V 1.5％～2.0％。

V是β稳定元素中应用最广的元素，V对β相起固溶强化作用，能降低相变点，增加合金的淬透性，从而强化热处理强化效果，但V含量过高容易增加成本，因此控制V含量为：1.5％～2.0％。

本发明一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，包括如下步骤，

步骤1，依照管材的组分配制原料，依次冶炼、铸造和锻造成圆锭坯，管材的组分按质量百分比计为，Al 5.5％～6％，V 1.5％～2.0％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.0125％，O≤0.1％，余量为Ti；

步骤2，将圆锭坯加热到980～1050℃，保温0.8～1.5h，之后进行挤压，挤压比大于15，挤压速度为85～110mm/s，得到管材；

步骤3，将管材在450～500℃进行轧制，一般采用中低温轧制，冷轧易裂，高温轧制对组织有影响，然后进行770～830℃和保温0.8～1.2h的退火处理，得到退火处理后的管材；

步骤4，固溶处理，

将退火处理后的管材在真空热处理炉加热到950～970℃，保温0.8～1.2h，随炉冷却至930～940℃，保温0.8～1.2h，空冷，即自然冷却至室温；

步骤5，预拉伸处理，

对步骤4得到的管材施加的预拉伸变形量控制在0.5％～2％之间；

步骤6，时效处理，

将步骤5得到的管材加热到480～530℃，保温1.5h～2h，自然冷却到室温。

实施例1，

本发明一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，

步骤1，依照管材的组分配制原料，依次冶炼、铸造和锻造，得到圆锭坯，管材的组分按质量百分比计为，Al 5.65％，V 1.7％，杂质元素分别按照常规手段进行控制，使C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.0125％，O≤0.1％，余量为Ti；

步骤2，将上述圆锭坯加热到1000℃，保温1h后挤压变形，挤压的挤压比为17，挤压速度为90m/s，得到管材；

步骤3，将管材在470℃进行轧制后，在800℃下保温1h以退火处理；

步骤4，将退火处理后的管材加热到955℃，保温1h，随炉冷却至935℃，保温1h，自然冷却至室温；

步骤5，对处理后的管材施加1.0％的预拉伸变形后，加热到500℃保温2h，之后自然冷却到室温。

经上述方法处理的钛合金的力学性能达到：抗拉强度为921MPa，屈服强度为856MPa，延伸率为13％，冲击功为56J；该实例处理后管材的透射电镜组织见图1，其中钛合金钻杆β晶粒尺寸较大，次生α相排列整齐，α/β界面处的位错密度不高，因此冲击功高。

实施例2，

本发明一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，

步骤1，依照管材的组分配制原料，依次冶炼、铸造和锻造，得到圆锭坯，管材的组分按质量百分比计为，Al 5.75％，V 1.85％，杂质元素分别按照常规手段进行控制，使C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.0125％，O≤0.1％，余量为Ti；

步骤2，将上述圆锭坯加热到1000℃，保温1h后挤压变形，挤压的挤压比为20，挤压速度为100m/s，得到管材；

步骤3，将管材在470℃进行轧制后，在800℃下保温1h以退火处理；

步骤4，将退火处理后的管材加热到960℃，保温1h，随炉冷却至935℃，保温1h，自然冷却至室温；

步骤5，对处理后的管材施加1.5％的预拉伸变形后，加热到500℃保温2h，之后自然冷却到室温。

经上述方法处理的钛合金的力学性能达到：抗拉强度为930MPa,屈服强度为872MPa，延伸率为11％，冲击功为55J；该实例处理后管材的透射电镜组织见图2，V含量以及预拉伸变形增加之后，生成的β相含量较多，并且预拉伸增加了次生α相的形核位置，生成的次生α相含量较多。α/β相界面处位错密度适中。

实施例3，

本发明一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，

步骤1，依照管材的组分配制原料，依次冶炼、铸造和锻造，得到圆锭坯，管材的组分按质量百分比计为，Al 5.8％，V 1.9％，杂质元素分别按照常规手段进行控制，使C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.0125％，O≤0.1％，余量为Ti；

步骤2，将上述圆锭坯加热到1000℃，保温1h后挤压变形，挤压的挤压比为25，挤压速度为105m/s，得到管材；

步骤3，将管材在470℃进行轧制后，在800℃下保温1h以退火处理；

步骤4，将退火处理后的管材加热到965℃，保温1h，随炉冷却至935℃，保温1h，自然冷却至室温；

步骤5，对处理后的管材施加1.8％的预拉伸变形后，加热到500℃保温2h，之后自然冷却到室温。

经上述方法处理的钛合金的力学性能达到：屈服强度为1021MPa，抗拉强度为952MPa，延伸率为10％，冲击功为54J；该实例处理后管材的透射电镜组织见图3，存在等轴β晶粒尺寸，生成了大量的细小层片次生α相，α/β相界面处位错塞积，位错密度增加，因此强度高。

实施例4，

本发明一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，

步骤1，依照管材的组分配制原料，依次冶炼、铸造和锻造，得到圆锭坯，管材的组分按质量百分比计为，Al 5.5％，V 2％，杂质元素分别按照常规手段进行控制，使C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.0125％，O≤0.1％，余量为Ti；

步骤2，将上述圆锭坯加热到980℃，保温0.8h后挤压变形，挤压的挤压比为22，挤压速度为85m/s，得到管材；

步骤3，将管材在450℃进行轧制后，在770℃下保温0.8h以退火处理；

步骤4，将退火处理后的管材加热到950℃，保温1.2h，随炉冷却至930℃，保温1.2h，自然冷却至室温；

步骤5，对处理后的管材施加0.5％的预拉伸变形后，加热到480℃保温1.5h，之后自然冷却到室温。

实施例5，

本发明一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，

步骤1，依照管材的组分配制原料，依次冶炼、铸造和锻造，得到圆锭坯，管材的组分按质量百分比计为，Al 6％，V 1.5％，杂质元素分别按照常规手段进行控制，使C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.0125％，O≤0.1％，余量为Ti；

步骤2，将上述圆锭坯加热到1050℃，保温1.5h后挤压变形，挤压的挤压比为28，挤压速度为110m/s，得到管材；

步骤3，将管材在500℃进行轧制后，在830℃下保温1.2h以退火处理；

步骤4，将退火处理后的管材加热到970℃，保温0.8h，随炉冷却至940℃，保温0.8h，自然冷却至室温；

步骤5，对处理后的管材施加2.0％的预拉伸变形后，加热到530℃保温1.5h，之后自然冷却到室温。

因此按照上述技术方案生产出的钛合金钻杆的性能达到以下要求，

钛合金钻杆拉伸性能：屈服强度R_0.2>720MPa，抗拉强度R_m≥921MPa，延伸率δ≥10％，冲击功A_KV≥54J。

表1：本发明钛合金钻杆用管材与现有钻杆用管材化学成分的比较

表1显示了本发明钛合金钻杆用管材与现有技术中述及的钻杆用管材化学成分上的不同，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含量显著降低，无Mo、Zr、Nb、Fe和Si这些其他合金化元素，杂质元素C、H、O、N含量也较低，这样可以显著降低成本。

本发明得到的这种管材适用于制造钛合金石油钻杆管体，具体如图4实物钛合金钻杆所示，成品钻杆包括钻杆接头，钻杆管体，且管体和接头为同种钛合金材料，通过摩擦焊连接。钛合金石油钻杆管体的成材率高，性能满足720MPa级石油钻杆的力学性能要求：屈服强度R_0.2>720MPa，抗拉强度R_m≥921MPa，延伸率δ≥10％，冲击功A_KV≥54J。

Claims (10)

1.一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材，其特征在于，所述的管材以质量百分比计，包括Al 5.5％～6％、V 1.5％～2.0％、C≤0.05％、N≤0.03％、H≤0.0125％和O≤0.1％，余量为Ti。

2.一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，依照所述管材的组分配制原料，依次冶炼、铸造和锻造，得到圆锭坯，管材的组分按质量百分比计包括，Al 5.5％～6％，V 1.5％～2.0％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.0125％，O≤0.1％，余量为Ti；

步骤2，将圆锭坯加热到980～1050℃后保温，之后进行挤压得到管材，将管材轧制后进行退火处理，得到退火处理后的管材；

步骤3，将退火处理后的管材在950～970℃下保温0.8～1.2h，之后在930～940℃下保温后自然冷却至室温；

步骤4，将步骤3得到的管材预拉伸处理后进行时效处理，得到720MPa级高强度钛合金钻杆用管材。

3.根据权利要求2所述的一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤2将圆锭坯在所述温度保温0.8～1.5h。

4.根据权利要求2所述的一种720MPa级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，得到管材时的挤压比大于15，挤压速度为85～110mm/s。

5.根据权利要求2所述的一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤2将管材在450～500℃下进行轧制。

6.根据权利要求2所述的一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤2将管材轧制后在770～830℃下保温0.8～1.2h，得到退火处理后的管材。

7.根据权利要求2所述的一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤3将退火处理后的管材在950～970℃下保温后，在930～940℃下保温0.8～1.2h。

8.根据权利要求2所述的一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤4中，所述的管材在预拉伸处理时的变形量为0.5％～2％。

9.根据权利要求2所述的一种720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法，其特征在于，步骤4中将所述的管材预拉伸处理后，先在480～530℃下保温1.5h～2h，之后自然冷却到室温。

10.一种由权利要求2～9中任意一项所述的720MPa级高强度钛合金钻杆用管材的制造方法得到的720MPa级高强度钛合金钻杆用管材。

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