CN115354178A - 石油钻探用铝合金管体及其制备方法 - Google Patents

石油钻探用铝合金管体及其制备方法 Download PDF

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CN115354178A CN202211276488.1A CN202211276488A CN115354178A CN 115354178 A CN115354178 A CN 115354178A CN 202211276488 A CN202211276488 A CN 202211276488A CN 115354178 A CN115354178 A CN 115354178A
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    • F16L9/02—Rigid pipes of metal

Abstract

本申请公开了一种石油钻探用铝合金管体及其制备方法，涉及铝合金材料技术领域，包括以下步骤：配置混合原料；所述混合原料包括：1.17wt%~1.3wt%的硅、0.18wt%~0.28wt%的铁、0.04wt%~0.1wt%的铜、0.7wt%~0.8wt%的锰、0.95wt%~1.07wt%的镁、0.1wt%~0.2wt%的铬、0.001wt%~0.05wt%的锌、0.03wt%~0.08wt%的钛，余量为铝；所述混合原料依次经过冶炼、铸造、均质处理、挤压处理、拉伸和人工时效处理。本申请制备得到的铝合金管体的抗拉强度＞370MPa，屈服强度≥325MPa，延伸率≥10％。

Description

石油钻探用铝合金管体及其制备方法
技术领域
本申请涉及海洋油气开采技术领域，尤其涉及一种石油钻探用铝合金管体及其制备方法。
背景技术
随着水平井、深井、超深井、大位移井等钻井技术的应用，钻探设备的材质将会显著影响海底石油资源的开采效率，同时，海底石油开采环境严峻，钻探设备中的钻杆维修十分不便；因此，亟需一种力学性能好且防腐蚀的适用于海底石油钻探用铝合金管体。
发明内容
本申请提供一种石油钻探用铝合金管体及其制备方法，所述铝合金管体的抗拉强度＞370MPa，屈服强度≥325MPa，延伸率≥10％，晶间腐蚀程度为一级，适用于海底石油开采的严峻环境。
第一方面，本申请提供了一种石油钻探用铝合金管体的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置混合原料；
所述混合原料包括：1.17wt%~1.3wt%的硅、0.18wt%~0.28wt%的铁、0.04 wt%~0.1wt%的铜、0.7wt%~0.8 wt%的锰、0.95wt%~1.07wt%的镁、0.1wt%~0.2 wt%的铬、0.001wt%~0.05wt%的锌、0.03wt%~0.08wt%的钛，余量为铝；
（2）所述混合原料依次经过冶炼、铸造、均质处理、挤压处理、拉伸和时效热处理；
冶炼：所述混合原料通过冶炼获得合金；
铸造：将所述合金进行铸造处理，获得管坯；
均质处理：对所述管坯进行均匀化处理，得到中间产品a；
挤压处理：对所述中间产品a进行挤压处理，得到中间产品b；
拉伸：将所述中间产品b进行拉伸，得到中间产品c；
时效热处理（文中有时也称人工时效处理）：对所述中间产品c进行时效热处理，即可得到所述石油钻探用铝合金管体。
冶炼、铸造以及均质对合金均匀性有一定影响，主要是合金成分的搭配和均质工艺的温度时间；挤压、拉伸、时效热处理对力学性能有一定影响，主要是时效热处理的温度时间（即在170~180℃条件下，保温时间7~9h）。
本申请中冶炼和铸造过程所使用的工艺和参数为本领域常用的工艺和参数，例如冶炼温度为730℃~750℃，冶炼时间为10min~15min；例如铸造温度707℃~717℃，氢含量不超过0.18ml/100g.Al，其他参数以及设备均可参照现有技术的常规工艺。本领域技术人员可根据实际需要选择，本申请不做严格限定。
本申请通过合金之间的协同作用，尤其是控制锰、铬、钛、铜各微合金化的含量在合适的范围，形成不同的金属间化合物，改善金属的性质，提高合金的强度和耐腐蚀性，以适应海底石油开采的环境需求。而且，在后期制备管材过程中能够起到细化晶粒、抑制再结晶及钉扎位错的作用，有利于管材强度和耐腐蚀性的提高。
本申请通过形成合金相，提高力学性能参数，例如：
铜元素：用以形成Al2Cu，析出相，时效热处理后析出用以强化管材的力学性能；
钛元素：用以形成Al3Ti，起到细化晶粒的作用，但是不能加太多，控制钛元素的含量在合适的范围，利于形成适量的Al3Ti；
锰元素：控制锰含量在合适的范围，加太多的话，会形成大块状合金相，影响力学性能的提升；
铬元素：用以形成(CrFe)A117和（CrMn）A112等金属间化合物，阻碍再结晶的形成和长大过程，还可以强化管材的强度。
在其中一些实施例中，步骤（1）中，所述混合原料包括：1.17wt%~1.3wt%的硅、0.18wt%~0.28wt%的铁、0.06wt%~0.1wt%的铜、0.75wt%~0.8 wt%的锰、0.95wt%~1.07wt%的镁、0.15wt%~0.2wt%的铬、0.001wt%~0.05wt%的锌、0.07wt%~0.08wt%的钛，余量为铝。通过进一步限定各微合金化元素（例如锰、铬、钛、铜）的含量，利于提升管材强度和耐腐蚀性。
在其中一些实施例中，步骤（1）中，所述混合原料包括：1.3wt%的硅、0.28wt%的铁、0.06wt%的铜、0.8 wt%的锰、1.07wt%的镁、0.2wt%的铬、0.05 wt%的锌、0.08wt%的钛，余量为铝。
在其中一些实施例中，步骤（2）中，所述均质处理的条件包括：均质温度500~520℃，保温时间8~10小时。通过均质处理利于形成细小且均匀的晶粒。
示例性地，所述均质温度为500℃、505℃、510℃、515℃、520℃或者上述任意两个值组成的范围。
示例性地，所述保温时间为8h、8.5h、9h、9.5h、10h或者上述任意两个值组成的范围。
在其中一些实施例中，步骤（2）中，所述挤压处理的条件包括：管坯温度500~510℃，制品速度4.5~5.5m/min，挤压筒温度440~450℃，模具温度470~480℃，保温时间6~8小时；低温炉温度340~360℃，低温炉保温时间10~24小时，出口温度510~545℃。
示例性地，所述管坯温度为500℃、502℃、504℃、506℃、508℃、510℃或者上述任意两个值组成的范围。
示例性地，所述制品速度为4.5m/min、4.8m/min、5m/min、5.2m/min、5.5m/min或者上述任意两个值组成的范围。
示例性地，所述挤压筒温度为440℃、442℃、444℃、446℃、448℃、450℃或者上述任意两个值组成的范围。
示例性地，所述模具温度为470℃、472℃、474℃、476℃、478℃、480℃或者上述任意两个值组成的范围。
示例性地，所述保温时间为6h、6.5h、7h、7.5h、8h或者上述任意两个值组成的范围。
示例性地，所述低温炉温度为340℃、345℃、350℃、355℃、360℃或者上述任意两个值组成的范围。
示例性地，所述低温炉保温时间为10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h、24h或者上述任意两个值组成的范围。
示例性地，所述出口温度为510℃、520℃、525℃、530℃、535℃、540℃、545℃或者上述任意两个值组成的范围。所述出口温度是指所述中间产品b从模具成型出来的温度，出口温度越高，性能越高，但是不能太高会影响模具的寿命。
在其中一些实施例中，步骤（2）中，所述拉伸的拉伸率为0.5~3%。
示例性地，所述拉伸的拉伸率为0.5%、1%、2%、3%或者上述任意两个值组成的范围。
在其中一些实施例中，步骤（2）中，所述人工时效处理的条件包括：在170~180℃条件下，保温7~9h。合适条件的时效热处理可以使合金在保证强度的同时还大大提高了抗腐蚀性能，性能得到完美结合。
示例性地，所述人工时效处理的温度为170℃、172℃、174℃、176℃、178℃、180℃或者上述任意两个值组成的范围。
示例性地，所述人工时效处理的保温时间为7h、7.5h、8h、8.5h、9h或者上述任意两个值组成的范围。
在其中一些实施例中，步骤（2）中，在所述均质处理之前，将所述管坯进行矫直，矫直率为0.6%~1.2%。在制备过程中将管坯按照特定矫直率进行矫直，可以消除管材在生产过程中由于外力作用或者冷热不均而产生的残余应力，从而减小或消除管材缺陷，保证管材质量。
第二方面，本申请提供了上述任一项所述的制备方法得到的铝合金管体。
所述铝合金管体的抗拉强度＞360MPa，屈服强度＞310MPa，延伸率＞10％，晶间腐蚀程度为一级。
本专利技术的生产流程为：冶炼→铸造→均质处理→挤压处理→拉伸→人工时效处理。
冶炼：优化合金成分，提高Mn、Cr、Ti、Cu的含量在合适的范围，形成不同的金属间化合物，改善金属的性质，提高合金的强度和耐腐蚀性，新的合金元素百分比含量为：1.17wt%~1.3wt%的硅、0.18wt%~0.28wt%的铁、0.04 wt%~0.1wt%的铜、0.7wt%~0.8 wt%的锰、0.95wt%~1.07wt%的镁、0.1wt%~0.2 wt%的铬、0 wt%~0.05 wt%的锌、0.03wt%~0.08wt%的钛，余量为铝。
铸造：铸造温度707℃~717℃，氢含量不超过0.18ml/100g.Al；减小平均晶粒尺寸。
均质处理：均质温度500~520℃，保温时间8~10小时；形成细小且均匀的晶粒。
挤压处理：管坯温度500~510℃，制品速度4.5~5.5m/min，挤压筒温度440~450℃，模具温度470~480℃，保温时间6~8小时；低温炉温度340~360℃，炉内保温时间10~24小时，出口温度510~545℃。
拉伸：拉伸率为0.5~3%。
时效热处理：在170~180℃条件下，保温7~9h。使合金在保证强度的同时还大大提高了抗腐蚀性能，性能得到完美结合。
本申请一些实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
1、本申请提供的铝合金管体，具有拉强度大于370Mpa、屈服强度大于等于325Mpa以及延伸率大于等于10％的优秀力学性能，且晶间腐蚀程度为一级，即兼顾力学性能和抗腐蚀性能。
2、本申请通过调整锰、铬、钛、铜含量，形成不同的金属间化合物，改善金属的性质，提高合金的强度和耐腐蚀性，以适应海底石油开采的环境需求。而且，通过形成合金相在后期制备管材过程中能够起到细化晶粒、抑制再结晶及钉扎位错的作用，利于管材强度和耐腐蚀性的提高。
3、本申请的整个生产工艺使得新合金具有较好的均匀性以及较高的力学性能，同时，通过在生产工艺的尾端设置时效热处理，可以保证新合金的强度以及抗腐蚀性。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供了一种石油钻探用铝合金管体及其制备方法，生产工艺流程为：冶炼→铸造→均质处理→挤压处理→拉伸→人工时效处理。
冶炼：本申请铝合金管体的合金元素百分比含量为：1.17wt%~1.3wt%的硅、0.18wt%~0.28wt%的铁、0.04wt%~0.1wt%的铜、0.7wt%~0.8wt%的锰、0.95wt%~1.07wt%的镁、0.1wt%~0.2wt%的铬、0.001wt%~0.05wt%的锌、0.03wt%~0.08wt%的钛，余量为铝。
铸造：铸造温度707℃~717℃，氢含量不超过0.18ml/100g.Al。
矫直：将得到的管坯进行矫直处理，矫直率为0.6~1.2%。
均质处理：均质温度500~520℃，保温时间8~10小时。
挤压处理：管坯温度500~510℃，制品速度4.5~5.5m/min，挤压筒温度440~450℃，模具温度470~480℃，保温时间6~8小时；低温炉温度340~360℃，炉内保温时间10~24小时，出口温度510~545℃。
拉伸：拉伸率为0.5~3%。
人工时效：在170~180℃条件下，保温7~9h。
本专利中，抗拉强度的测试方法为：GB/T 228 金属材料拉伸试验；
延伸率的测试方法为：GB/T 228 金属材料拉伸试验；
晶间腐蚀程度的测试方法按GBT 7998-2005铝合金晶间腐蚀测定方法进行测试。
本申请中的原料均可通过商业途径购买获得。
实施例1
生产石油钻探用铝合金管体，成品管径626mm、成品长度8m。
其生产工艺流程包括：冶炼→铸造→均质处理→挤压处理→拉伸→人工时效处理。
步骤1、冶炼
在冶炼阶段中，按质量百分比：1.17wt%的硅、0.18wt%的铁、0.04 wt%的铜、0.7wt%的锰、0.95wt%的镁、0.1wt%的铬、0.001wt%的锌、0.03wt%的钛，余量为铝进行冶炼获得合金；
其中，冶炼温度为730℃，冶炼时间为10min。
步骤2、铸造
将步骤1获得的所述合金置于707℃的铸造盘中进行铸造，铸棒长度为1.0m时开始检测盘前氢含量，氢含量为0.15 ml/100g.Al，获得管坯；
将所述管坯进行矫直，矫直率为0.6%。
步骤3、均质处理
将步骤2获得的管坯进行均质处理：均质温度500℃，保温时间8小时，得到中间产品a（均质后的管坯）。
步骤4、挤压处理
将步骤3得到的中间产品a进行挤压处理：管坯温度500℃，制品速度4.5m/min，挤压筒温度440℃，模具温度470℃，保温时间6小时；低温炉温度340℃，低温炉保温时间10小时，出口温度510℃，得到中间产品b。
步骤5、拉伸
将步骤4得到的所述中间产品b进行拉伸，拉伸率为0.5%，得到中间产品c。
步骤6、时效热处理
将步骤5得到的所述中间产品c进行时效热处理：在170℃条件下，保温7h。
最后进行锯切即得产品，锯切的尺寸根据实际情况具体选择，本申请不做过多限制。
对产品铝合金管体进行光谱分析合金成分：Si：1.17wt%、Fe：0.18wt%、Cu ：0.04wt%、Mn ：0.7wt%、Mg ：0.95wt%、Cr ：0.1wt%、Zn ：0.001wt%、Ti 0.03wt%，余量为Al。其抗拉强度373MPa，屈服强度325MPa，延伸率10％，晶间腐蚀程度为一级。
实施例2
生产石油钻探用铝合金管体，成品管径626mm、成品长度8m。
其生产工艺流程包括：冶炼→铸造→均质处理→挤压处理→拉伸→人工时效处理。
步骤1、冶炼
在冶炼阶段中，按质量百分比：1.3wt%的硅、0.28wt%的铁、0.06wt%的铜、0.8wt%的锰、1.07wt%的镁、0.2wt%的铬、0.05wt%的锌、0.08wt%的钛，余量为铝进行冶炼获得合金；
其中，冶炼温度为750℃，冶炼时间为15min。
步骤2、铸造
将步骤1获得的所述合金置于715℃的铸造盘中进行铸造，铸棒长度为1.0m时开始检测盘前氢含量，氢含量为0.18 ml/100g.Al，获得管坯；
将所述管坯进行矫直，矫直率为1.1%。
步骤3、均质处理
将步骤2获得的管坯进行均质处理：均质温度515℃，保温时间9小时，得到中间产品a（均质后的管坯）。
步骤4、挤压处理
将步骤3得到的中间产品a进行挤压处理：管坯温度508℃，制品速度5.2m/min，挤压筒温度445℃，模具温度475℃，保温时间7小时；低温炉温度350℃，低温炉保温时间15小时，出口温度535℃，得到中间产品b。
步骤5、拉伸
将步骤4得到的所述中间产品b进行拉伸，拉伸率为1.5%，得到中间产品c。
步骤6、时效热处理
将步骤5得到的所述中间产品c进行时效热处理：在180℃条件下，保温8h。
最后进行锯切即得产品，锯切的尺寸根据实际情况具体选择，本申请不做过多限制。
对产品铝合金管体进行光谱分析合金成分：Si：1.3wt%、Fe ：0.28wt%、Cu ：0.06wt%、Mn ：0.8wt%、Mg ：1.07wt%、Cr ：0.2wt%、Zn ：0.05wt%、Ti 0.08wt%，余量为Al。其抗拉强度385MPa，屈服强度335MPa，延伸率13％，晶间腐蚀程度为一级。
实施例3
生产石油钻探用铝合金管体，成品管径626mm、成品长度8m。
其生产工艺流程包括：冶炼→铸造→均质处理→挤压处理→拉伸→人工时效处理。
步骤1、冶炼
在冶炼阶段中，按质量百分比：1.2wt%的硅、0.22wt%的铁、0.1wt%的铜、0.78wt%的锰、1.01wt%的镁、0.18wt%的铬、0.03wt%的锌、0.075wt%的钛，余量为铝进行冶炼获得合金；
其中，冶炼温度为740℃，冶炼时间为13min。
步骤2、铸造
将步骤1获得的所述合金置于717℃的铸造盘中进行铸造，铸棒长度为1.0m时开始检测盘前氢含量，氢含量为0.16 ml/100g.Al，获得管坯；
将所述管坯进行矫直，矫直率为1.2%。
步骤3、均质处理
将步骤2获得的管坯进行均质处理：均质温度520℃，保温时间10小时，得到中间产品a（均质后的管坯）。
步骤4、挤压处理
将步骤3得到的中间产品a进行挤压处理：管坯温度510℃，制品速度5.5m/min，挤压筒温度450℃，模具温度480℃，保温时间8小时；低温炉温度360℃，低温炉保温时间24小时，出口温度545℃，得到中间产品b。
步骤5、拉伸
将步骤4得到的所述中间产品b进行拉伸，拉伸率为3.0%，得到中间产品c。
步骤6、时效热处理
将步骤5得到的所述中间产品c进行时效热处理：在180℃条件下，保温9h。
最后进行锯切即得产品，锯切的尺寸根据实际情况具体选择，本申请不做过多限制。
对产品铝合金管体进行光谱分析合金成分：Si：1.2wt%、Fe ：0.22wt%、Cu ：0.1wt%、Mn ：0.78wt%、Mg ：1.01wt%、Cr ：0.18wt%、Zn ：0.03wt%、Ti 0.075wt%，余量为Al。其抗拉强度379MPa，屈服强度330MPa，延伸率11％，晶间腐蚀程度为一级。
上述测试是通过GBT 228.1-2021 金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法中进行测试得到的，具体操作可参照现有技术。
对比例1
生产石油钻探用铝合金管体，成品管径626mm、成品长度8m。
其生产工艺流程包括：冶炼→铸造→均质处理→挤压处理→拉伸→人工时效处理。
步骤1、冶炼
在冶炼阶段中，按质量百分比：1.17wt%的硅、0.18wt%的铁、0.04 wt%的铜、1.5wt%的锰、0.95wt%的镁、0.01wt%的铬、0.001wt%的锌、0.03wt%的钛，余量为铝进行冶炼获得合金；
其中，冶炼温度为730℃，冶炼时间为10min。
步骤2、铸造
将步骤1获得的所述合金置于707℃的铸造盘中进行铸造，铸棒长度为1.0m时开始检测盘前氢含量，氢含量为0.15 ml/100g.Al，获得管坯；
将所述管坯进行矫直，矫直率为0.8%。
步骤3、均质处理
将步骤2获得的管坯进行均质处理：均质温度500℃，保温时间8小时，得到中间产品a（均质后的管坯）。
步骤4、挤压处理
将步骤3得到的中间产品a进行挤压处理：管坯温度500℃，制品速度4.5m/min，挤压筒温度440℃，模具温度470℃，保温时间6小时；低温炉温度340℃，低温炉保温时间10小时，出口温度510℃，得到中间产品b。
步骤5、拉伸
将步骤4得到的所述中间产品b进行拉伸，拉伸率为0.5%，得到中间产品c。
步骤6、时效热处理
将步骤5得到的所述中间产品c进行时效热处理：在170℃条件下，保温7h。
最后进行锯切即得产品，锯切的尺寸根据实际情况具体选择，本申请不做过多限制。
对产品铝合金管体进行光谱分析合金成分：Si：1.17wt%、Fe：0.18wt%、Cu ：0.04wt%、Mn ：1.5wt%、Mg ：0.95wt%、Cr ：0.01wt%、Zn ：0.001wt%、Ti 0.03wt%，余量为Al。其抗拉强度361MPa，屈服强度315MPa，延伸率8％，晶间腐蚀程度为一级。
通过以上实施例，可以看出本发明所述的制备方法制备得到的铝合金管体的抗拉强度＞370MPa，屈服强度≥325MPa，延伸率≥10％，具有较好的力学性能，且抗腐蚀能力强。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石油钻探用铝合金管体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配置混合原料；
所述混合原料包括：1.17wt%~1.3wt%的硅、0.18wt%~0.28wt%的铁、0.04 wt%~0.1wt%的铜、0.7wt%~0.8wt%的锰、0.95wt%~1.07wt%的镁、0.1wt%~0.2 wt%的铬、0.001wt%~0.05wt%的锌、0.03wt%~0.08wt%的钛，余量为铝；
（2）所述混合原料依次经过冶炼、铸造、均质处理、挤压处理、拉伸和时效热处理；
冶炼：所述混合原料通过冶炼获得合金；
铸造：将所述合金进行铸造处理，获得管坯；
均质处理：对所述管坯进行均匀化处理，得到中间产品a；
挤压处理：对所述中间产品a进行挤压处理，得到中间产品b；
拉伸：将所述中间产品b进行拉伸，得到中间产品c；
人工时效处理：对所述中间产品c进行时效热处理，即可得到所述石油钻探用铝合金管体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述混合原料包括：1.17wt%~1.3wt%的硅、0.18wt%~0.28wt%的铁、0.06 wt%~0.1wt%的铜、0.75wt%~0.8 wt%的锰、0.95 wt%~1.07wt%的镁、0.15wt%~0.2 wt%的铬、0.001 wt%~0.05 wt%的锌、0.07wt%~0.08wt%的钛，余量为铝。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述均质处理的条件包括：均质温度500~520℃，保温时间8~10小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述挤压处理的条件包括：管坯温度500~510℃，制品速度4.5 ~5.5 m/min，挤压筒温度440~450℃，模具温度470~480℃，保温时间6~8小时；
低温炉温度340~360℃，保温时间10~24小时，出口温度510~545℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述拉伸的拉伸率为0.5~3%。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述时效热处理的条件包括：在170~180℃条件下，保温时间7~9h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，在所述均质处理之前，将所述管坯进行矫直，矫直率为0.6~1.2%。
8.一种铝合金管体，其特征在于，所述铝合金管体由权利要求1至7任一项所述制备方法制备得到。
9.根据权利要求8所述的铝合金管体，其特征在于，所述铝合金管体的抗拉强度＞370MPa，屈服强度≥325MPa，延伸率≥10％，晶间腐蚀程度为一级。
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