高强度石油套管用钛合金及其用于制造石油套管的方法
【专利摘要】本发明公开了一种高强度石油套管用钛合金，其化学成分的重量百分比如下：Fe：<0.3％；C：<0.08％；N：<0.05％；H：<0.015％；O：<0.2％；Al：5.5～6.8％；V：3.5～4.5％；Mo：2.5～3.5％，余量Ti。本发明还公开了该钛合用于制造石油套管的方法。本发明制备的石油套管组织形貌均匀，成材率高，无磁性，耐腐蚀，耐高压且高强度，具有良好的机械性能，大大提高了石油套管的使用寿命。制备本发明钛合金的原料均在市场上容易获得，且成本较低，降低了石油套管的总体生产成本。用本发明的钛合金制造石油套管的工艺简单，无需特殊设备，易于在工业上推广应用。
【专利说明】高强度石油套管用钛合金及其用于制造石油套管的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钛合金【技术领域】，具体涉及一种高强度石油套管用钛合金，本发明还涉及该钛合用于制造石油套管的方法。
【背景技术】
[0002]石油套管是一种大口径管材，起到固定石油和天然气油井壁或井孔的作用。套管是插入井孔里，用水泥固定，以防止井眼隔开岩层和井眼坍塌、并保证钻探泥浆循环流动，以便于钻探开采。在石油开采过程中使用的不同类型的套管:(I)表层石油套管:保护钻井，使其避免受浅水层及浅气层污染，支撑井口设备并保持套管的其他层重量；(2)技术石油套管:分隔不同层面的压力，以便钻液额度正常流通并保护生产套管；(3)油层石油套管:将石油和天然气从地表下的储藏层里导出，用于保护钻井，将钻探泥浆分层。
[0003]为保证石油套管的机械性能，石油套管均采用合金材料来制造。现有技术中，石油套管大多采用钢合金材料，如中国专利CN101812631A公开了一种油井可膨胀套管用钢及其制造方法，油井可膨胀套管用钢合金材料各组分的质量百分比为:C:0.08~0.2%、Mn:1 ~2%、Si:0.15 ~0.35%,Al:0.02 ~0.06%、P ≤ 0.01%,S ≤ 0.005%,N ≤ 0.008%,Ca:0.001~0.005%、余量为Fe ;又如中国专利CN101194038A公开了一种膨胀管用油井管及其制造方法，所述膨胀管用油井管以质量％计，含有C:0.03~0.14%、Si<0.8%,Mn:0.3 ~2.5%、P:<0.03%,S:<0.01%,T1:0.005 ~0.03%,Al:<0.1%,N:0.001 ~0.01%,B:0.0005~0.003。这种以钢合金材料制备石油套管不仅工艺复杂，大规模生产的工艺控制难度大，而且制造成本很高，因此，需要提供一种石油套管用的新型的合金材料。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供一种高强度的石油套管用钛合金，该钛合在用于制造石油套管时工艺要求低，无需特殊设备，而且制备的石油套管具有良好的机械性倉泛。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]高强度石油套管用钛合金，所述钛合金化学成分的重量百分比如下:
[0007]Fe:<0.3% ；C:<0.08% ；N:<0.05% ；H:<0.015% ；0:<0.2% ；A1:5.5 ~6.8% ;V:
3.5 ~4.5% ；Mo:2.5 ~3.5%，余量 Ti。
[0008]上述的钛合金用于制造石油套管的方法，包括如下步骤:
[0009](1)、按权利要求1所述各成分的重量百分比称取各种材料颗粒，放入布料机内混合均匀；
[0010](2)、电极制作:将步骤(1)中混合均匀的颗粒放入到立式油压机模具内进行挤压电极；
[0011](3)真空炉内进行熔炼:一次锭单重250KG，熔炼电流为5500A~6000A ;二次真空熔炼单重500KG，熔炼电流为8000A~8500A ;并对出炉后的钛合金铸锭进行表面处理；[0012](4)、采用锻造压力机将步骤(3)中表面处理后的钛合金铸锭进行开坯锻造，空冷后再进行表面修磨处理，得到初级锻坯；
[0013](5)、用带锯车床将步骤(4)的初级锻坯切成500mm~550mm长的毛锭，把切好的毛锭在车床上扒皮，单边2_，根据成品管的内孔大小，用深孔钻钻出相应的通孔，并将中间棒材外表面、通孔内表面和端面包覆铁皮，再在铁皮外面包上铜皮；
[0014](6)、将步骤(5)包好的棒胚用电炉加热至880~910°C，保温2~4h，再将其送入双动卧式挤压机挤成长度为6000mm~1000Omm的合金管还,挤压速度控制在50~60mm/S ；管坯经空气冷却后于体积浓度为25~45%的硝酸洗液中浸泡去除残留在管坯表面的铁皮和铜皮；
[0015](7)、通过深孔车床将管坯内孔的裂纹去除，管坯外表面经物理车光修磨得到成品管。 [0016]进一步地，在上述技术方案的基础上，
[0017]上述步骤(1)中Ti颗粒的粒度为0.83~25.4mm，Al、V和Mo颗粒的粒度为0.2~
2.5mmo
[0018]上述步骤(2)中每节电极的重量为30~40Kg。
[0019]上述步骤(3)钛合金铸锭进行表面处理包括:行扒皮打磨处理；切除钛合金铸锭的冒口和锭底；去除钛合金铸锭的表面缺陷。
[0020]上述步骤(3)中钛合金铸锭的截面为直径为300mm的圆形。
[0021]上述步骤(4)中开坯锻造采用轴向拔长的锻造方式，共分一火次完成，每火次开坯锻造的始锻温度均为P相变点以上150°C~200°C，所述初级锻坯的截面为边长为230mm的圆形棒材，长度为2500mm~3000mm的钛合金大规格棒材。
[0022]上述步骤(5)中包覆铁皮的厚度为0.9mm~Imm,铜皮的厚度为0.9mm~1mm。
[0023]本发明的有益效果是:本发明技术方案完整，产品组织形貌均匀，成材率高，无磁性，耐腐蚀，耐高压且高强度，具有良好的机械性能，大大提高了石油套管的使用寿命。制备本发明钛合金的原料均在市场上容易获得，且成本较低，降低了石油套管的总体生产成本。用本发明的钛合金制造石油套管的工艺简单，无需特殊设备，易于在工业上推广应用。
【具体实施方式】
[0024]实施例1
[0025]一种制造石油套管的方法，包括如下步骤:
[0026](I)、按如下各成分的重量百分比称取石油套管钛合金材料颗粒，其中Ti颗粒的粒度为0.83~25.4mm，Al、V和Mo颗粒的粒度为0.2~2.5mm,放入布料机内混合均匀:Fe:
0.2% ；C:0.05% ；N:0.04% ；H:0.010% ；0:0.1% ；A1:6% ；V:4% ；Mo:3%，余量 Ti。
[0027](2)、电极制作:将步骤(1)中混合均匀的颗粒放入到立式油压机模具内进行挤压电极，每节电极的重量为30~40Kg。
[0028](3)真空炉内进行熔炼:一次锭单重250KG，熔炼电流为5500A~6000A ;二次真空熔炼单重500KG，熔炼电流为8000A~8500A ;并对出炉后的钛合金铸锭进行表面处理:先进行扒皮打磨处理；切除钛合金铸锭的冒口和锭底，再去除钛合金铸锭的表面缺陷；钛合金铸锭的截面为直径为300_的圆形。[0029](4)、采用锻造压力机将步骤(3)中表面处理后的钛合金铸锭进行开坯锻造，空冷后再进行表面修磨处理，得到初级锻坯；开坯锻造采用轴向拔长的锻造方式，共分一火次完成，每火次开坯锻造的始锻温度均为P相变点以上150°C~200°C，所述初级锻坯的截面为边长为230mm的圆形棒材,长度为2500mm~3000mm的钛合金大规格棒材。
[0030](5)、用带锯车床将步骤(4)的初级锻坯切成500mm~550mm长的毛锭，把切好的毛锭在车床上扒皮，单边2mm，根据成品管的内孔大小，用深孔钻钻出相应的通孔，并将中间棒材外表面、通孔内表面和端面包覆铁皮，再在铁皮外面包上铜皮，包覆铁皮的厚度为
0.9mm~1mm,铜皮的厚度为0.9mm~1mm。
[0031](6)、将步骤(5)包好的棒胚用电炉加热至880~910°C，保温2~4h，再将其送入双动卧式挤压机挤成长度为6000mm~1000Omm的合金管还,挤压速度控制在50~60mm/S ；管坯经空气冷却后于体积浓度为25~45%的硝酸洗液中浸泡去除残留在管坯表面的铁皮和铜皮。
[0032](7)、通过深孔车床将管坯内孔的裂纹去除，管坯外表面经物理车光修磨得到成品管。
[0033]经测试，制备的石油套管的力学性能指标如下:
[0034]屈服强度:850~95OMPa
[0035]抗拉强度:≥1000MPa
[0036]冲击韧性:纵向全尺寸夏比冲击功(0°C )≥80J
[0037]横向全尺寸夏比冲击功(0°C )≥80J
[0038]实施例2
[0039]一种制造石油套管的方法，与实施例1相比，除步骤(1)钛合金各成分重量百分比不同以外，其余步骤同于实施例1。
[0040]钛合金各成分重量百分比为Fe:0.1 % ；C:0.03% ；N:0.03% ；H:0.010 % ；0:
0.05% ；A1:5% ；V:3.5% ；Mo:2.5%，余量 Ti。
[0041]经测试，制备的石油套管的力学性能指标如下:
[0042]屈服强度:800~550MPa
[0043]抗拉强度:≥900MPa
[0044]冲击韧性:纵向全尺寸夏比冲击功(0°C )≥70J
[0045]横向全尺寸夏比冲击功(0°C )≥70J
[0046]实施例3
[0047]一种制造石油套管的方法，与实施例1相比，除步骤(1)钛合金各成分重量百分比不同以外，其余步骤同于实施例1。
[0048]钛合金各成分重量百分比为Fe:0.05% ；C:0.01 % ；N:0.01 % ；H:0.005% ；0:
0.03% ；A1:5% ；V:3.5% ；Mo:2.5%，余量 Ti。
[0049]经测试，制备的石油套管的力学性能指标如下:
[0050]屈服强度:700~850MPa[0051 ] 抗拉强度:≥800MPa
[0052]冲击韧性:纵向全尺寸夏比冲击功(0°C )≥60J
[0053]横向全尺寸夏比冲击功(0°C )≥60J。
【权利要求】
1.高强度石油套管用钛合金，其特征在于，所述钛合金化学成分的重量百分比如下:
Fe:<0.3%；C:<0.08% ；N:<0.05% ；H:<0.015%；0:<0.2%；A1:5.5 ~6.8% ;V:3.5 ~4.5% ；Mo:2.5 ~3.5%，余量 Ti。
2.一种如权利要求1所述的钛合金用于制造石油套管的方法，其特征在于包括如下步骤: (1)、按权利要求1所述各成分的重量百分比称取各种材料颗粒，放入布料机内混合均匀； (2)、电极制作:将步骤(1)中混合均匀的颗粒放入到立式油压机模具内进行挤压电极； (3)真空炉内熔炼:一次锭单重250KG，熔炼电流为5500A~6000A; 二次真空熔炼单重500KG，熔炼电流为8000A~8500A ;并对出炉后的钛合金铸锭进行表面处理； (4)、采用锻造压力机将步骤(3)中表面处理后的钛合金铸锭进行开坯锻造，空冷后再进行表面修磨处理，得到初级锻坯； (5)、用带锯车床将步骤(4)的初级锻坯切成500mm~550mm长的毛锭，把切好的毛锭在车床上扒皮，单边2_，根据成品管的内孔大小，用深孔钻钻出相应的通孔，并将中间棒材外表面、通孔内表面和端面包覆铁皮,再在铁皮外面包上铜皮； (6)、将步骤(5)包好的棒胚用电炉加热至880~910°C，保温2~4h，再将其送入双动卧式挤压机挤成长度为6000mm~1000Omm的合金管还,挤压速度控制在50~60mm/S ;管坯经空气冷却后于体积浓度为25~45%的硝酸洗液中浸泡去除残留在管坯表面的铁皮和铜皮； (7)、通过深孔车床将管坯内孔的裂纹去除，管坯外表面经物理车光修磨得到成品管。
3.如权利要求2所述高强度石油套管的制造方法，其特征在于:所述步骤(1)中Ti颗粒的粒度为0.83~25.4mm, Al、V和Mo颗粒的粒度为0.2~2.5mm。
4.如权利要求2所述高强度石油套管的制造方法，其特征在于:所述步骤(2)中每节电极的重量为30~40Kg。
5.如权利要求2所述高强度石油套管的制造方法，其特征在于所述步骤(3)钛合金铸锭进行表面处理包括:行扒皮打磨处理；切除钛合金铸锭的冒口和锭底；去除钛合金铸锭的表面缺陷。
6.如权利要求2所述高强度石油套管的制造方法，其特征在于:所述步骤(3)中钛合金铸锭的截面为直径为300mm的圆形。
7.如权利要求2所述高强度石油套管的制造方法，其特征在于:所述步骤(4)中开坯锻造采用轴向拔长的锻造方式，共分一火次完成，每火次开坯锻造的始锻温度均为P相变点以上150°C~200°C，所述初级锻坯的截面为边长为230mm的圆形棒材，长度为2500mm~3000mm的钛合金大规格棒材。
8.如权利要求2所述高强度石油套管的制造方法，其特征在于:所述步骤(5)中包覆铁皮的厚度为0.9mm~Imm,铜皮的厚度为0.9mm~1mm。
【文档编号】C22C14/00GK103643082SQ201310686733
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】张弯弯, 张龙龙 申请人:浙江隆华钛业有限公司