一种105ksi钛合金石油钻杆用管材及制造方法与流程

[0001]
本发明属于石油天然气工业钻采领域，具体涉及一种105ksi钛合金石油钻杆用管材及制造方法。


背景技术：

[0002]
随着现代石油工业的发展以及国内外对油气资源需求的逐渐增长，促使石油天然气勘探开发不断深入，所遇开采环境和地层条件也越来越复杂，超过7000m的深井越来越常见；海洋钻井也已不满足于浅海，逐渐向深水进军；陆地上，以往难以开采的三高(高温、高压、高腐蚀)油气井也开始攻克。传统的钢制钻杆管体材料如27crmo、30crmo等虽然仍在油田大量应用，但随着钻采环境变得越来越苛刻，已经逐渐不能满足高温高压高腐蚀井材料需求，发生很多失效问题。钛合金石油钻杆具有密度小、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。
[0003]
钛合金石油钻杆正在处于研发阶段，制约钛合金管材在石油领域的广泛应用主要是由于昂贵的合金化元素v、mo、zr等，加工制造难度大，成本高，对于达到石油行业要求的105ksi级钻杆管体力学性能其热处理工艺尚不明确。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种105ksi钛合金石油钻杆用管材及制造方法，可满足105ksi级石油钻杆管体力学性能。
[0005]
本发明是通过以下技术方案来实现：
[0006]
一种105ksi钛合金石油钻杆用管材，所述的管材以质量百分比计，包括al 4.9～5.3％、mo 0.7～0.9％、v 3.0～3.3％、zr 1.5～2％，余量为ti。
[0007]
一种105ksi钛合金石油钻杆用管材的制造方法，包括以下步骤：
[0008]
步骤1，依照所述管材的组分配置原料，依次冶炼、铸造，得到锭坯，管材的组分按质量百分比计，包括al 4.9～5.3％、mo 0.7～0.9％、v 3.0～3.3％、zr 1.5～2％，余量为ti；
[0009]
步骤2，对锭坯升温后进行挤压；
[0010]
步骤3，对挤压后的锭坯进行轧制；
[0011]
步骤4，在轧制后的管材表面涂覆保护性涂料；
[0012]
步骤5，对涂覆保护性涂料后的管材进行固溶处理；
[0013]
步骤6，对固溶处理后的管材进行时效处理，得到105ksi钛合金石油钻杆用管材。
[0014]
进一步，步骤2中，锭坯升温温度为980℃～1050℃，保温1h后进行挤压。
[0015]
进一步，步骤2中，挤压时，挤压比大于9，挤压速度为17mm/s。
[0016]
进一步，步骤3中，轧制温度为450℃～550℃。
[0017]
进一步，步骤4中，保护性涂料为cr2o3。
[0018]
进一步，步骤5中，固溶处理是将管材升温到980℃～1050℃保温45～60min后，空冷至室温，得到固溶处理后的管材。
[0019]
步骤六中，时效处理是将固溶处理后的管材升温到550℃～650℃，保温5～7h，空冷至室温。
[0020]
一种105ksi钛合金石油钻杆用管材的制造方法得到的105ksi钛合金石油钻杆用管材。
[0021]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0022]
本发明的管体成分主要包括al、mo、v、zr和ti，al主要起固溶强化作用，每增加1％al，可使室温抗拉强度增加50mpa。但al超过6％后，会形成ti3al脆性相。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。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，从而强化热处理强化效果。
[0023]
对本发明的管材进行实物力学性能评价，测试其抗拉强度rm、屈服强度r
0.2
、延伸率a，做夏比冲击试验(v型缺口，纵向，室温)测试其冲击功，用金相显微镜观察金相组织。所测数值均能满足105ksi级钻杆力学性能要求，本发明填补国内外关于105ksi级钛合金石油钻杆管体的制造工艺空白，操作步骤简单。
附图说明
[0024]
图1为为本发明实施例1制造的管材的金相组织图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0026]
本发明是一种105ksi钛合金石油钻杆用管材的制造方法，包括以下步骤：
[0027]
步骤1，依照所述管材的组分配置原料，依次冶炼、铸造，得到锭坯，管材的组分按质量百分比计，包括al 4.9～5.3％、mo 0.7～0.9％、v 3.0～3.3％、zr 1.5～2％，余量为ti；
[0028]
步骤2，对锭坯升温，升温温度为980℃～1050℃，保温1h后进行挤压，挤压时，挤压比大于9，挤压速度为17mm/s；
[0029]
步骤3，对挤压后的锭坯进行轧制，轧制温度为450℃～550℃；
[0030]
步骤4，在轧制后的管材表面涂覆保护性涂料cr2o3；
[0031]
步骤5，对涂覆保护性涂料后的管材进行固溶处理；将管材升温到980℃～1050℃，保温45～60min，将管材空冷至室温，完成固溶处理；
[0032]
步骤6，对固溶处理后的管材进行时效处理；将固溶处理后的管材升温到550℃～650℃，保温5～7h，空冷至室温，完成制造。
[0033]
实施例1：
[0034]
采用某公司提供的钛合金石油钻杆管体，其具体成分为al：5.1％、mo：0.8％、v：3.2％、zr：1.7％，其余为ti，单位为质量百分比，其热处理工艺操作步骤如下。
[0035]
步骤1，所述的成分配比备料，以冶炼、铸造成圆锭坯；
[0036]
步骤2，对锭坯加热到1000℃，保温1h进行挤压，挤压比大于9，挤压速度17mm/s。
[0037]
步骤3，对上述挤压后的钛合金石油管材进行轧制，轧制温度为500℃。
[0038]
步骤4，在钛合金石油钻杆管体表面涂覆cr2o3保护性涂料。
[0039]
步骤5，对涂覆保护性涂料后的管材进行固溶处理；将钛合金石油钻杆管体送入升温至1000℃的加热炉内，保温60min，将管材空冷至室温，完成固溶处理。
[0040]
步骤6，将固溶处理后的钛合金石油钻杆管体再次送入升温至600℃的加热炉内，保温6h，取出后空冷至室温。
[0041]
对经过上述制造工艺后的钛合金石油钻杆进行实物性能测试，其机械性能如下：其机械性能达到：抗拉强度r
m
为920mpa，屈服强度r
0.2
为850mpa，延伸率a为15％，夏比冲击功(v型缺口，纵向，室温)为45j，上述经过制造工艺后钛合金石油钻杆管体其力学性能符合105ksi钢级石油技术要求，，抗拉强度r
m
≥793mpa，屈服强度r
0.2
为724～931mpa，延伸率a≥12％，夏比冲击功(v型，纵向，室温)≥40j。经过上述制造工艺后钛合金钻杆管体金相组织如图1所示，为片层组织，其中α相含量为68.3％，平均β晶粒尺寸为160um。
[0042]
实施例2：
[0043]
步骤1，按照质量百分比，取4.9％的al、0.7％的mo、3.0％的v以及1.5％的zr，其余为ti，并制成锭坯；
[0044]
步骤2，对锭坯升温，升温温度为980℃，保温1h后进行挤压，挤压时，挤压比大于9，挤压速度为17mm/s；
[0045]
步骤3，对挤压后的锭坯进行轧制，轧制温度为450℃；
[0046]
步骤4，在轧制后的管材表面涂覆保护性涂料cr2o3；
[0047]
步骤5，对涂覆保护性涂料后的管材进行固溶处理；将管材升温到980℃，保温45min，将管材空冷至室温，完成固溶处理；
[0048]
步骤6，对固溶处理后的管材进行时效处理；将固溶处理后的管材升温到550℃，保温5h，空冷至室温，完成制造。
[0049]
实施例3：
[0050]
步骤1，按照质量百分比，取5.3％的al、0.9％的mo、3.3％的v以及2％的zr，其余为ti，并制成锭坯；
[0051]
步骤2，对锭坯升温，升温温度为1050℃，保温1h后进行挤压，挤压时，挤压比大于9，挤压速度为17mm/s；
[0052]
步骤3，对挤压后的锭坯进行轧制，轧制温度为550℃；
[0053]
步骤4，在轧制后的管材表面涂覆保护性涂料cr2o3；
[0054]
步骤5，对涂覆保护性涂料后的管材进行固溶处理；将管材升温到1050℃，保温60min，将管材空冷至室温，完成固溶处理；
[0055]
步骤6，对固溶处理后的管材进行时效处理；将固溶处理后的管材升温到650℃，保温7h，空冷至室温，完成制造。
[0056]
实施例4：
[0057]
步骤1，按照质量百分比，取5.1％的al、0.8％的mo、3.2％的v以及1.8％的zr，其余为ti，并制成锭坯；
[0058]
步骤2，对锭坯升温，升温温度为1010℃，保温1h后进行挤压，挤压时，挤压比大于9，挤压速度为17mm/s；
[0059]
步骤3，对挤压后的锭坯进行轧制，轧制温度为500℃；
[0060]
步骤4，在轧制后的管材表面涂覆保护性涂料cr2o3；
[0061]
步骤5，对涂覆保护性涂料后的管材进行固溶处理；将管材升温到1010℃，保温53min，将管材空冷至室温，完成固溶处理；
[0062]
步骤6，对固溶处理后的管材进行时效处理；将固溶处理后的管材升温到600℃，保温6h，空冷至室温，完成制造。
[0063]
本发明对于研发钛合金石油钻杆具有指导性意义；其力学性能如下：抗拉强度r
m
为850～960mpa，屈服强度r
0.2
为800～920mpa，延伸率a≥12％，夏比冲击功(v型缺口，纵向，室温)≥40j，可满足105ksi级石油钻杆管体力学性能。