一种深井超深井铝合金钻杆用管体及其制造方法
【专利摘要】一种深井超深井铝合金钻杆用管体及其制造方法，属于石油管制造【技术领域】。组分按重量份为：Cu4.8—5.8%，Mg1.2—1.8%,Mn1.0—1.2%,Ti0.05—0.20%,Zn0.5—0.6%，B0.001—0.01%，Yb0.02—0.05%，余量为Al和不可避免的杂质。利用Cu元素析出强化，Mn元素在特定温度下的固溶强化及晶粒细化，Zn和Mg的析出强化，以及Yb、B、Ti复合添加的晶粒细化，充分发挥了固溶强化、析出强化、晶粒细化等复合作用；铸造获得管坯，铸锭均匀化、挤压、固溶，管坯均匀化加热温度：480—505℃；管坯挤压温度：400—450℃；本发明在工艺上无固溶淬火+长时间时效等热处理工艺、对淬火后管体预变形后直接自然时效，简化了生产工艺并降低了环境污染。
【专利说明】一种深井超深井铝合金钻杆用管体及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种深井超深井铝合金钻杆用管体及其制造方法，属于石油管制造技 术领域。
【背景技术】
[0002] 随着石油工业的发展，深井、超深井及水平井数量不断增加，勘探开发难度增大。 与现有钢制钻杆相比，铝合金钻杆具有重量轻、韧性好、耐硫化氢腐蚀、耐疲劳等优点，具有 广阔的应用前景。
[0003] 对于铝合金钻杆管体而言，由于深井、超深井特定的服役工况，要求其具有良好的 强韧性配合的同时，具有一定的耐热性。2000系合金是传统铸锭冶金法生产的铝合金中最 具热强性的合金，但一般也只能在120°C以下的环境下使用，无法达到超深井要求的160°C 环境下使用要求。因此，进一步提高2000系合金组织性能的热稳定性，对于该合金作为钻 杆材料应用于深井、超深井及水平井的石油钻探具有重要的科学意义和极高的应用价值。 为了提高2000系列合金的高温力学性能，国内外研究通常在2000系列合金中加入Fe、Ni 元素以形成Al 9FeNi耐热相，或者在较高Cu/Mg比的2000系中加入Ag，形成Ω耐热相，以 提高热强性。但通过上述方法形成耐热相提高高温力学性能的同时，合金的室温力学性能 降低，此外合金元素价格昂贵，且需要固溶和长时间时效处理，工艺复杂，供货周期长，影响 了铝合金钻杆的服役安全性和广泛推广使用。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种深井超深井铝合金钻杆用管体及其 制造方法，主要解决现有铝合金钻杆管体热强性不足、生产成本较高、生产工艺复杂、供货 周期长等问题。
[0005] 本发明所述的铝合金钻杆用管体由高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg系铝合金组成。
[0006] -种深井超深井铝合金钻杆用管体，各组分按重量份为：
[0007] Cu 4. 8-5. 8%,
[0008] Mg 1. 2-1. 8%,
[0009] Μη 1. 0-1. 2%,
[0010] Ti 0.05-0. 20%,
[0011] Zn 0. 5-0. 6%,
[0012] B 0. 001-0. 01%,
[0013] Yb 0. 02-0. 05%,
[0014] 余量为A1和不可避免的杂质。
[0015] 一种深井超深井铝合金钻杆用管体制造方法，含有以下步骤；
[0016] 步骤1 ;备料，按所述的成分配比备料，
[0017] 步骤2 ;熔炼，利用Cu元素析出强化，Μη元素在特定温度下的固溶强化及晶粒细 化，Zn和Mg的析出强化，以及Yb、B、Ti复合添加的晶粒细化，充分发挥了固溶强化、析出强 化、晶粒细化等复合作用；
[0018] 步骤3;铸造获得管坯，
[0019] 步骤4 ;铸锭均匀化、挤压、固溶，
[0020] 管坯均匀化加热温度：480- 505°C ;
[0021] 管坯挤压温度：400- 450°C ;
[0022] 多级固溶处理；
[0023] 步骤5;预变形，
[0024] 步骤6 ;固溶后空冷自然时效。
[0025] 本发明在管体材料配方上具有与以往的铝合金钻杆用管体所使用D16T、AK4-1T1 合金相比，本发明在管体材料配方上控制Cu/Mg含量比(质量百分数）在2. 7 - 4. 8之间、较 高的Μη含量（1. 0 - 1. 2%)、一定的Mg含量和Zn含量、微量的Ti、B、Yb元素，不加入Ni、Ag 等提1?热强性的贵金属兀素。
[0026] 利用Cu元素析出强化，Μη元素在特定温度下的固溶强化及晶粒细化，Zn和Mg的 析出强化，以及Yb、B、Ti复合添加的晶粒细化，充分发挥了固溶强化、析出强化、晶粒细化 等复合作用。
[0027] 合金成分设计简单且成本低；本发明在工艺上无固溶淬火+长时间时效等热处理 工艺、对淬火后管体预变形后直接自然时效，简化了生产工艺并降低了环境污染。
[0028] 自然时效后的铝合金钻杆管体具有较高的强韧性、耐高温性能。
[0029] 按照上述技术方案生产出的铝合金钻杆的性能达到以下要求：
[0030] 管管体拉伸性能，Rt0 2=325- 410MPa，匕芎 460MPa，δ 5 芎 12. 0。
[0031] 管体耐热性能，在120° C和160° C下热暴露500小时后的室温抗拉强度 彡410MPa、屈服强度彡310MPa、δ 5芎12. 0。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以 及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解， 构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发 明的不当限定，如图其中：
[0033] 图1是实例1中铝合金试样在室温下的透射电镜组织图。
[0034] 图2是实例2中铝合金试样在120° C热暴露500小时后的透射电镜组织图。
[0035] 图3是实例3中铝合金试样在160° C热暴露500小时后的透射电镜组织图。
[0036] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
【具体实施方式】
[0037] 显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保 护范围。
[0038] 实施例1 :如图1、图2、图3所示，
[0039] -种深井超深井铝合金钻杆用管体及其制造方法，
[0040] 本发明提供一种深井超深井铝合金钻杆用管体，其组成为（质量百分数）：Cu4. 9%， Mgl. 8%, Mnl. 1%, TiO. 05%, Ζη0· 5%，Β0· 005%，YbO. 02%，余量为 A1 和不可避免的杂质。
[0041] 上述管坯经480°C均匀化，420°C挤压变形，485°C Xlh+495°C Xlh固溶淬火处理， 空冷后自然时效至室温。
[0042] 经上述方法处理的铝合金的力学性能达到：抗拉强度为505MPa，屈服强度为 367MPa，延伸率为13. 5% ;120°C热暴露500h后，拉伸性能达到：抗拉强度为402MPa，屈服强 度为311MPa，延伸率为12. 3%。其性能指标完全达到IS015546标准对铝合金钻杆管体的要 求。该实例120°C下热暴露500h后透射电镜组织见图1。
[0043] 实施例2 :
[0044] 本发明提供一种深井超深井铝合金钻杆用管体，其组成为（质量百分数）：Cu5. 2%， Mgl. 6%, Mnl. 0%，TiO. 05%, Ζη0· 5%，Β0· 005%，YbO. 05%，余量为 A1 和不可避免的杂质。
[0045] 上述管坯经490°C均匀化，435°C挤压变形，490°C X lh+505°C X lh固溶淬火处理， 空冷后自然时效至室温。
[0046] 经上述方法处理的铝合金的力学性能达到：抗拉强度为517MPa，屈服强度为 407MPa，延伸率为13. 0% ;160°C热暴露500h后，拉伸性能达到：抗拉强度为426MPa，屈服强 度为317MPa，延伸率为13. 0%。其性能指标完全达到IS015546标准对铝合金钻杆管体的要 求。该实例160°C下热暴露500h后透射电镜组织见图2。
[0047] 实施例3 :
[0048] 本发明提供一种深井超深井铝合金钻杆用管体，其组成为（质量百分数）：Cu5. 8%， Mgl. 4%, Mnl. 1%, TiO. 08%, Ζη0· 6%，Β0· 008%，YbO. 05%，余量为 A1 和不可避免的杂质。
[0049] 上述管坯经495°C均匀化，425°C挤压变形，495°C X lh+505°C X lh固溶淬火处理， 空冷后自然时效至室温。
[0050] 经上述方法处理的铝合金的力学性能达到：抗拉强度为527MPa，屈服强度为 403MPa，延伸率为12. 5% ;160°C热暴露500h后，拉伸性能达到：抗拉强度为433MPa，屈服强 度为327MPa，延伸率为12. 1%。其性能指标完全达到IS015546标准对铝合金钻杆管体的要 求。该实例160°C下热暴露500h后透射电镜组织见图3。
[0051] 如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发 明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这 样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种深井超深井铝合金钻杆用管体，其特征在于组分按重量配比为：Cu4. 8 - 5. 8%， Mgl. 2-1. 8%, Mnl. 〇-1. 2%, TiO. 05-0. 20%, ZnO. 5-0. 6%, BO. 001-0. 01%, YbO. 02- 0. 05%，余量为A1和不可避免的杂质。
2. -种深井超深井铝合金钻杆用管体制造方法，其特征在于含有以下步骤； 步骤1 ;备料，按所述的成分配比备料， 步骤2 ;熔炼，利用Cu元素析出强化，Μη元素在特定温度下的固溶强化及晶粒细化，Zn 和Mg的析出强化，以及Yb、B、Ti复合添加的晶粒细化，充分发挥了固溶强化、析出强化、晶 粒细化等复合作用； 步骤3;铸造获得管坯， 步骤4 ;铸锭均匀化、挤压、固溶， 管坯均匀化加热温度：480- 505°C ; 管坯挤压温度：400- 450°C ; 多级固溶处理； 步骤5;预变形， 步骤6 ;固溶后空冷自然时效。
3. 根据权利要求2所述的一种深井超深井铝合金钻杆用管体制造方法，其特征在于： 步骤4所述的多级固溶处理的开始温度为460°C-480°C，保温时间lh，第二级固溶开始温 度为480°C-500°C，固溶时间lh。
【文档编号】E21B17/01GK104099500SQ201310114425
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月3日 优先权日:2013年4月3日
【发明者】卢强, 刘鹏, 祖强, 龚建文, 谢居良, 王中胜, 陈家磊, 冯春, 刘永刚, 宋生印 申请人:中国石油天然气股份有限公司