CN109097647B

CN109097647B - 一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金及其制造方法

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Publication number: CN109097647B
Application number: CN201811043567.1A
Authority: CN
Inventors: 王玉刚; 李永卉; 王鹏; 聂波; 鹿兵; 董阳; 杨富波; 欧庆峰; 郭利; 刘凯; 韩洪昌; 崔伟超; 王涛; 刘浩; 韦艳琴; 张新峰; 孔令均; 冯骥; 吴茂来; 韩正乾
Original assignee: SHANDONG YANKUANG LIGHT ALLOY CO Ltd
Current assignee: SHANDONG YANKUANG LIGHT ALLOY CO Ltd
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: CN109097647A

Abstract

本发明公开了一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金及其制造方法，以重量百分比计，包括Zn:5.5～6.3%，Mg：2.5～3.1%，Cu：0.5～0.9%，Fe：≤0.2%，Zr：≤0.15%，Ti：≤0.1%，Mn：0.1～0.3%，Cr：0.1～0.25%,余量为Al和不可避免的杂质。本发明制备的铝合金变径钻杆用管体具有较高的强度，较好的耐蚀性能和抗疲劳性能，并且尺寸精度、同心度等技术指标控制水平高，质量稳定，综合性能好，成本较低，利于进行工业化生产批量及现场应用。

Description

一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及热挤压制造技术领域，特别是涉及一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金及其制造方法。

背景技术

变径钻杆：该类产品主要是通过变径挤压成型的内加厚或外加厚管材，在外加厚位置有变径过度段的管材。铝合金钻杆具有比强度高、密度低、弯曲应力小等优点，在提高钻井深度、耐蚀性、降低大钩载荷和定向井及水平井钻井作业等方面具有显著优势，是深井、超深井及低温开采急需的关键材料。

现有同类产品通常采用1953合金，机械性能Rm≥530MPa,Rp0.2≥480MPa,A≥7%，未进行耐蚀性、耐疲劳性测试。

随着油气勘探向深井、超深井、定向井、水平井、含H₂S和CO_２油气井、海洋井等复杂井的发展，研究适合复杂井况勘探开发的钻具成为必然趋势。如何通过开发新的铝合金，并通过相关工艺使钻杆具有较高的强度，较好的耐蚀性能和抗疲劳性能，同时能够降低生产成本，是本发明要解决的技术问题。

发明内容

本发明就是针对上述要解决的技术问题提供一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金及其制造方法。本发明制造的铝合金变径钻杆用管体具有较高的强度，较好的耐蚀性能和抗疲劳性能，并且尺寸精度、同心度等技术指标控制水平高，质量稳定，综合性能好，成本较低，利于进行工业化生产批量及现场应用。

本发明的一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金及其制造方法技术方案为，一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金，由按重量百分比的以下成分组成：Zn:5.5～6.3%，Mg：2.5～3.1%，Cu：0.5～0.9%，Fe：≤0.2%（优选0.1-0.2%），Zr：≤0.15%（优选0.05-0.12%），Ti：≤0.1%（优选0.02-0.06%），Mn：0.1～0.3%，Cr：0.1～0.25%,余量为Al和不可避免的杂质。

所述的一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金的制造方法，包括以下步骤：

（1）按比例配料熔炼，铸造成圆铸棒；

（2）双级均匀化处理：将圆铸棒进行双级均匀化处理；

（3）车皮镗孔：将圆棒进行车皮、镗孔；

（4）挤压处理：将经过双级均匀化处理的圆形空心棒进行变径挤压；

（5）单级固溶处理：将挤压后的管坯进行单级固溶处理；

（6）张力拉伸：将经过固溶处理的管坯进行张力拉伸处理，变形量为1-2%；

（7）辊矫处理：将经过张力拉伸后的管坯进行辊式矫直；

（8）最后，将辊式矫直后的管坯进行双级人工时效处理，得到高强度耐蚀铝合金变径钻杆用管体。

步骤（2）中所述双级均匀化处理的具体过程为：将圆铸棒加热到340-370℃，保温7-10h；最后加热至450-470℃，保温24-32h；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒。

所述加热速率为 10-20℃／min。

在步骤（2）与步骤（3）之间，还经过超声波探伤：圆棒100%进行超声波探伤，达到GB/T 6519 中A级探伤要求。

步骤（4）中所述挤压处理的具体过程为：将经过双级均匀化处理的圆形空心棒加热到390-420℃，进行变截面挤压，挤压比15-20，挤压速度为 0.5-2mm/s。

步骤（5）中所述单级固溶处理的具体过程为：将经过挤压的管坯加热到450-480℃，保温1-2h，然后入水冷却，冷却速度为50-70℃/s。

单级固溶处理的具体过程中加热的速率大于20℃／min。

步骤（8）中所述双级人工时效的条件为：在90-125℃下保温5h-12h后,加热至150-175℃，保温6-12h。

本发明的有益效果为：

(1）本发明的铝合金在材料的成分上与以往的铝合金钻杆所使用的1953合金相比，通过控制各元素合适的重量百分比,利用 Zn、Mg元素析出强化相MgZn₂，Cu元素固溶强化及提高切削性、Mn元素提高再结晶温度，细化晶粒及溶剂杂质Fe，Zr阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒，以及Ti细化铸造组织，减小开裂倾向，调控协同铝合金组织的综合性能，使铝合金钻杆用管体既具备较高的强度、热强性，又具备较好的耐蚀性和抗疲劳性能。本发明中由于合金成分设计简单，工艺经济实用，并且不需要加入Sc、Er、Ag 等贵金属元素，所以成本较低。具体如下：

本发明中同时加入Zn和Mg，Zn和Mg之间形成强化相MgZn₂，对铝合金产生明显的强化作用。这两种相在铝合金管体中的溶解度随温度的降低急剧下降，随着MgZn₂含量的提高，可不断增加抗拉强度和屈服强度，但在强化合金的同时却会降低耐蚀性能，为了得到既具有高强度，又具备耐蚀性的综合性能铝合金管体。与以往的铝合金钻杆所使用的1953合金相比，适当降低Zn、Mg元素的含量，铝合金管体中控制Zn重量含量为5.5～6.3%，控制 Mg重量含量为2.5～3.1% 。

在Al-Zn-Mg的基础上加入少量的Cu，形成Al-Zn-Mg-Cu系高强度铝合金，Cu大部分溶入η（MnZn₂）和τ（Al₂Mg₃Zn₃）相内，少量溶入α（Al）内，为了利用Cu在合金中的强化效果，同时保证合金的耐蚀性，因此，铝合金管材中控制Cu 重量百分含量为0.5～0.9%。

本发明与以往的铝合金钻杆所使用的1953合金相比，适当降低 Fe元素的含量,减小有利于裂纹扩展的金属间化合物的尺寸和数量，所以可以提高铝合金管材的断裂韧性，可不增加过多成本的基础上，提高铝合金管体的抗疲劳性能。因此，铝合金管材中控制 Fe重量百分含量为 0.1-0.2%。

本发明中加入微量的Ti 元素，可以细化铸造组织、减少开裂倾向，提高合金的力学性能。Ti加入铝中形成Al₃Ti,与熔体产生包晶反应而成为非自发核心，起到细化作用，同时还提高再结晶温度，提高铝合金管体的耐蚀性，降低生产成本。因此铝合金管材中控制Ti重量百分含量为0.02-0.06%。

本发明与以往的铝合金钻杆所使用的1953合金相比，提高Zr 元素的加入量,形成Al₃Zr化合物，阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒。另外Zr在低温下回溶，提高铝合金管体的加工性。因此铝合金管材中控制Zr重量百分含量为0.05-0.12%。

本发明中Mn元素阻止合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能细化再结晶晶粒，还能溶解杂质铁，形成Al₆(Fe、Mn)，减小Fe的有害影响。同时Al₆Mn的电极电位与铝的电极电位相等，所以对铝的耐蚀性能没有影响。但合金中Mn含量过多时，会形成粗大、硬脆的Al₆Mn化合物，损害合金性能。因此，铝合金管材中控制Mn重量百分含量为 0.1-0.3% 。

本发明中含有Cr元素，Cr元素主要以Al₂CrFe和Al₁₂（CrMn）等化合物存在，阻碍再结晶的形核和长大过程，起到一定的强化作用。另外还能改善合金韧性和增加淬火敏感性。因此，铝合金管材中控制 Cr 重量百分含量为0.1～0.25% 。

本发明以低含量 Zn、Mg，低含量Fe、Cu ，适量Mn、Cr ，微量Ti、Zr，结合热处理工艺，（MgZn₂）强化相为主的组织。

（2）本发明在工艺上采用双级均匀化处理、单级固溶处理、双级人工时效等热处理工艺，消除枝晶偏析、溶解非平衡相和沉淀过饱和的过渡元素，降低再结晶温度，还使晶内普遍脱溶，降低晶内和晶间的电位差，从而既可获得较高强度，也提高了耐蚀性、抗疲劳性能和热强性。

（3）本发明制造的变径钻杆管体的性能达到以下要求：

①拉伸性能，Rm≥560MPa,Rp0.2≥500MPa,A≥8%；

②耐高温性能：在120℃、500小时屈服强度保持量≥80%；

③耐蚀性能：硫化氢（16.39g/m³）水溶液，20℃/720h条件下,平均腐蚀速率小于0.12mm/y，最大点蚀速率小于0.2mm/y。

④疲劳性能：在r=0、N=1×10⁷周次下，光滑试样疲劳强度σ≥324MPa。

⑤生产成本较现有技术同类产品降低30%-40%。

附图说明：

图1所示为本发明实施例1产品进行720小时腐蚀试验后表面宏观照片；

图2所示为实施例1产品的电子背散射衍射照片；

图3所示为实施例1产品的SEM照片。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。

实施例１

一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金，化学成分按重量百分数计，包括：Zn:6%，Mg：2.8%，Cu：0.7%，Fe：0.15%，Zr：0.05%，Ti：0.02%，Mn：0.2%，Cr：0.15%,余量为Al和不可避免的杂质。

上述变径钻杆用管体的制造方法为：将上述原料铸造成圆铸棒；在加热速率为10℃／min的条件下，将圆铸棒加热到340℃，保温10h，最后加热至450℃，保温32h，然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒；按照GB/T 6519 中A级探伤要求，对圆棒100%进行超声波探伤；将圆棒进行车皮、镗孔，得到圆形空心棒；将圆形空心棒加热到400℃，进行变截面挤压；对管坯进行预拉伸，拉伸量为1%；在加热速率20℃／min条件下，将经过挤压的管坯加热到480℃，保温1h，然后按照冷却速度为70℃/s入水冷却；将经过固溶处理的管坯进行拉伸处理，变形量为1.5%；将经过拉伸后的管坯进行辊式矫直；在90℃下保温12h后,加热至150℃，保温12h进行双级人工时效处理，得到高强度耐蚀铝合金变径钻杆用管体。

上述得到的产品电子背散射衍射照片如说明书附图图2所示，SEM照片如说明书附图图3所示。

经上述制造方法得到的铝合金管体的力学性能：

拉伸性能：Rm为585MPa，Rp0.2为 519MPa，A为11.0%；

120℃热暴露 500h后，拉伸性能达到：Rm为549Pa，Rp0.2为 495MPa，A为 13.5%。

其性能指标完全达到 ISO 标准对铝合金钻杆用管材的要求。

耐蚀性能：硫化氢（16.39g/m³）水溶液，20℃/720h条件下，无腐蚀；本实施例产品720小时腐蚀试验后表面宏观照片如说明书附图图1所示。

疲劳性能：在r=0、N=1×10⁷周次下，光滑试样疲劳强度σ≥324MPa。

实施例2

一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金，化学成分按重量百分数计，包括：Zn:6.3%，Mg：2.5%，Cu：0.5%，Fe：0.1%，Zr：0.10%，Ti：0.04%，Mn：0.3%，Cr：0.25%,余量为Al和不可避免的杂质。

上述铝合金钻杆用管体的制造方法为：将上述原料铸造成圆铸棒；在加热速率为15℃／min的条件下，将圆铸棒加热到365℃，保温8.5h，最后加热至465℃，保温28h，然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒；按照GB/T 6519 中A级探伤要求，对圆棒100%进行超声波探伤；将圆棒进行车皮、镗孔，得到圆形空心棒；将圆形空心棒加热到410℃，进行变截面挤压；对管坯进行预拉伸，拉伸量为1.2%；在加热速率25℃／min条件下，将经过挤压的管坯加热到475℃，保温1.5h，然后按照冷却速度为65℃/s入水冷却；将经过固溶处理的管坯进行拉伸处理，变形量为1.3%；将经过拉伸后的管坯进行辊式矫直；在105℃下保温10h后,加热至160℃，保温11h进行双级人工时效处理，得到高强度耐蚀铝合金变径钻杆用管体。

经上述制造方法得到的铝合金管体的力学性能：

拉伸性能：Rm为582MPa，Rp0.2为 523MPa，A为10.5%；

120℃热暴露 500h后，拉伸性能达到：Rm为542Pa，Rp0.2为 497MPa，A为 14.5%。

其性能指标完全达到 ISO 标准对铝合金钻杆用管材的要求。

耐蚀性能：硫化氢（16.39g/m³）水溶液，20℃/720h条件下，无腐蚀；

实施例3

一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金，化学成分按重量百分数计，包括：Zn:5.5%，Mg：3.1%，Cu：0.9%，Fe：0.15%，Zr：0.05%，Ti：0.06%，Mn：0.1%，Cr：0.1%,余量为Al和不可避免的杂质。

上述铝合金钻杆用管体的制造方法为：将上述原料铸造成圆铸棒；在加热速率为18℃／min的条件下，将圆铸棒加热到360℃，保温8.5h，最后加热至460℃，保温25h，然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒；按照GB/T 6519 中A级探伤要求，对圆棒100%进行超声波探伤；将圆棒进行车皮、镗孔，得到圆形空心棒；将圆形空心棒加热到395℃，进行变截面挤压；对管坯进行预拉伸，拉伸量为1.2%；在加热速率20℃／min条件下，将经过挤压的管坯加热到470℃，保温1.5h，然后按照冷却速度为60℃/s入水冷却；将经过固溶处理的管坯进行拉伸处理，变形量为1.2%；将经过拉伸后的管坯进行辊式矫直；在110℃下保温10h后,加热至150℃，保温10h进行双级人工时效处理，得到高强度耐蚀铝合金变径钻杆用管体。

经上述制造方法得到的铝合金管体的力学性能：

拉伸性能：Rm为575MPa，Rp0.2为 521MPa，A为12.0%；

120℃热暴露 500h后，拉伸性能达到：Rm为537Pa，Rp0.2为 497MPa，A为 15.5%。

其性能指标完全达到 ISO 标准对铝合金钻杆用管材的要求。

Claims

1.一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金，其特征在于，由按重量百分比的以下成分组成：Zn:5.5～6.3％，Mg：2.5～3.1％，Cu：0.5～0.9％，Fe：0.1-0.2％，Zr：0.05-0.12％，Ti：0.02-0.06％，Mn：0.1～0.3％，Cr：0.1～0.25％,余量为Al和不可避免的杂质；

(1)按比例配料熔炼，铸造成圆铸棒；

(2)双级均匀化处理：将圆铸棒加热到340-370℃，保温7-10h；最后加热至450-470℃，保温24-32h；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒，所述加热速率为10-20℃/min；

(3)车皮镗孔：将圆棒进行车皮、镗孔；

(4)挤压处理：将经过双级均匀化处理的圆形空心棒加热到390-420℃，进行变截面挤压，挤压比15-20，挤压速度为0.5-2mm/s；

(5)单级固溶处理：将经过挤压的管坯加热到450-480℃，保温1-2h，然后入水冷却，冷却速度为50-70℃/s，单级固溶处理的具体过程中加热的速率大于20℃/min；

(6)张力矫直：将经过固溶处理的管坯进行张力矫直处理，变形量为1-2％；

(7)辊矫处理：将经过预拉伸后的管坯进行辊式矫直；

(8)最后，将辊式矫直后的管坯进行双级人工时效处理，得到高强度耐蚀铝合金变径钻杆用管体，所述双级人工时效的条件为：在90-125℃下保温5h-12h后,加热至150-175℃，保温6-12h。

2.根据权利要求1所述的一种变径钻杆管体用高强度耐蚀铝合金，其特征在于，在步骤(2)与步骤(3)之间，还经过超声波探伤：圆棒100％进行超声波探伤，达到GB/T 6519中A级探伤要求。