一种钛合金、由该合金制造的抽油光杆及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种钛合金，其特征在于，按照重量百分比计，该钛合金含有Al：4～8wt%，Mo：2～5wt%，V：2～4wt%，Zr：0.5～3wt%，Si：0.1～1wt%，Fe：0.02～1wt%，其他杂质：0～0.4wt%，余量为Ti。本发明还涉及一种由该合金制造的抽油光杆及其在油井设备上的应用。
【专利说明】一种钛合金、由该合金制造的抽油光杆及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钛合金及由其制造的抽油光杆，属于石油设备领域。
【背景技术】
[0002]杆泵采油设备是目前国内外主要的采油设备，包括地面抽油机、井下抽油杆串(由抽油光杆、抽油杆和接箍构成)及抽油泵三部分。作为杆泵采油设备的重要部件，抽油光杆的工作环境不断恶化。随着深油井、稠油井和高含水井的增多，抽油光杆载荷不断加大的同时，还要承受油井产出液的腐蚀。采油工业中，对抽油光杆性能的要求日益提高。
[0003]目前对抽油光杆性能改进主要采用表面化学镀镍和电镀铬的方法，通过在抽油光杆表面增加耐腐蚀和耐磨损的金属涂层，提供其耐腐蚀性和耐磨损性。但效果并不理想，这类抽油光杆的使用寿命一般只有I~6个月。频繁更换抽油光杆，不仅造成采油生产的高成本，同时也严重影响油田的生产效率。
[0004]为解决上述问题，本发明提供了一种钛合金及由其制造的抽油光杆，因该钛合金具有高抗疲劳度、高蠕变强度和较低的弹性模量，由其所制造的抽油光杆耐磨性能远高于镀层表面，在疲劳载荷的情况下能够减少应力，且无表层脱落之忧，将使用寿命提高到目前产品的5-8倍以上。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种具有高抗疲劳度、高蠕变强度和较低弹性模量的钛
I=1-Wl O
[0006]根据本发明的一个方案，其特征在于，按照重量百分比计，合金中含有Al:4~8wt%, Mo:2 ~5wt%, V:2 ~4wt%, Zr:0.5 ~3wt%, Si:0.1 ~lwt%, Fe:0.02 ~lwt%,其他杂质:0~0.4wt%，余量为Ti。进一步优选的实施方案为，合金中含有Al:6~7wt%，Mo:3 ~4wt%, V:2 ~4wt%, Zr:1 ~2wt%, Si:0.2 ~0.4wt%, Fe:0.02 ~lwt%,其他杂质:0 ~
0.4wt%，余量为 Ti。
[0007]合金中的钛有两种同质异晶体:密排六方结构α相和体心立方的β相。本申请所述合金中4~8wt%的招及2~4wt%的f凡,作用在于稳定α相,提高合金的常温和高温强度、降低比重；2~5wt%的钥，为β相的共晶型元素,0.02~lwt%的铁，为β相的共析型元素，两者协同作用，能够提高合金的耐热强度；0.5~3wt%的锆，有利于提高混晶硬化和耐热强度；硅能够提高合金中的耐热强度和耐氧化性。其他杂质主要为氧、氮、碳和氢，其中氢可以用真空退火除去。
[0008]本申请中所提供的钛合金是一种综合性能良好的α +β型热强钛合金，在500°C以下有优异的热强性能(高温强度、蠕变抗力等)。该合金具有抗拉强度高、密度小、质量轻、比强度高、耐高温、耐腐·蚀，有热处理强化效应功能。
[0009]本发明的又一目的在于提供一种具有高耐磨性、抗疲劳性、耐腐蚀性的长寿命抽油光杆。[0010]根据本发明的一个方案，其特征在于，由所述抽油光杆由钛合金制得，所述钛合金中含有 Al:4 ~8wt%, Mo:2 ~5wt%, V:2 ~4wt%, Zr:0.5 ~3wt%, Si:0.1 ~lwt%, Fe:
0.02~lwt%，其他杂质:0~0.4wt%，余量为Ti ;进一步优选的实施方案为，合金中含有Al:6 ~7wt%, Mo:3 ~4wt%, V:2 ~4wt%, Zr:1 ~2wt%, Si:0.2 ~0.4wt%, Fe:0.02 ~lwt%,其他杂质:0~0.4wt%，余量为Ti。
[0011]本发明还提供了上述钛合金抽油光杆的制备方法，其特征在于，包含以下步骤:
[0012]a)以海绵钛为 Ti 源，按 Al:4 ~8wt%，Mo:2 ~5wt%，V:2 ~4wt%，Zr:0.5 ~3wt%，Si:0.1~lwt%，Fe:0.02~lwt%，其他杂质:0~0.4wt%，余量为Ti的比例混合，制成钛合金电极块；进一步优选的实施方案为，按Al:6~7wt%,Mo:3~4wt%, V:2~4wt%, Zr:1~2wt%, Si:0.2~0.4wt%, Fe:0.02~lwt%，其他杂质:0~0.4wt%，余量为Ti的比例混合，制成钛合金电极块；
[0013]b)将步骤a)所得钛合金电极块焊接成钛合金电极杆；
[0014]c)将步骤b)所得钛合金电极杆熔炼两次以上，得到钛合金铸锭；
[0015]d)步骤c)所得钛合金铸锭，经过下料、锻造、轧制、退火矫直，扒皮抛光后，得到所述钛合金抽油光杆。
[0016]作为一个优选的实施方式，所述步骤a)中电极块的制备可采用挤制成型法、压制成型法或等静压成型法；进一步优选的实施方式为，采用立式横压法或等静压成型法。
[0017]作为一个优选的实施方式，所述步骤b)中，采用真空焊接技术将步骤a)所得电极块焊接成电极杆。
[0018]作为一个优选的实施方式，所述步骤c)中，采用真空自耗熔炼工艺将钛合金电极杆熔炼成钛合金锭。
[0019]作为一个优选的实施方式，所述步骤d)中的锻造，可采用开坯锻造、自由锻造、模锻、旋煅、恒温锻造或冷锻造中的任意一种或任意几种的结合，进一步的优选实施方式为开坯锻造，锻造温度在900~1200°C之间。本领域技术人员，可根据公知常识和实际需要，选择锻造温度，以保证获得理想的钛合金性能。
[0020]所述下料，可采用剪切法、锯切法、砂轮片切割法、折断法、气割法、摩擦切割、电机械锯割、阳极机械切割法、电火花切割法或精密下料法。本领域技术人员，可根据实际需要，选择任意合适的下料方法。
[0021 ] 所述的任一钛合金可用于机械设备。
[0022]所述任一钛合金抽油光杆可用于油井设备。
[0023]根据本领域公知常识，本发明所述抽油光杆为石化行业用语，一般指金属圆形杆件，它上连抽油机下连抽油杆，起传递动力的作用。
[0024]根据本领域公知常识，等静压成型法是利用液体介质的不可压缩性，并能均匀的向各个方向传递压力的特点·，将金属压制成电极块。
[0025]根据本领域公知常识，本发明所述真空自耗炉的熔炼工艺，是指在真空或保护性气氛条件下，依靠电弧的热能把金属电极熔化，重新融成锭。其优点在于，在电极熔化过程中，金属液经过电弧区被加热到高温，在真空条件下，金属中的气体和杂质得到进一步的去除，使金属的质量得到提高。
[0026]本发明能产生的有益效果为:[0027]钛合金抽油光杆综合性能突出，钛合金抽油光杆室温、高温力学性能都好于油田用棒，可在恶劣环境下长期工作，完全可以替代A0C-140油田棒。钛合金抽油光杆在500°C高温下力学性能、持久强度为745Mpa和640Mpa比纯钛棒的室温抗拉强度还高。与目前普遍采用的AOC抽油光杆相比，本发明所述钛合金抽油光杆具有更高的抗疲劳强度、蠕变强度和较低的弹性模量，在疲劳载荷的情况下能够减少应力；耐磨性能比镀层高出许多；因为是整体钛合金，不存在AOC抽油光杆中表层脱落的问题；大幅提高了抽油光杆的寿命，在保证制造成本小于AOC抽油光杆2倍的前提下，将使用寿命至少提高了 5-8倍，重量减轻近50%左右；所述钛合金抽油光杆在油田开采设备中的应用，将为油田开采产业带来一场革命性的进步。
【具体实施方式】
[0028]下面通过实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
[0029]钛合金抽油光杆的具体加工过程为:海绵钛加合金包压制电极一电极块真空焊接—三次真空自耗熔炼铸锭一铸锭扒皮去冒口、底部一化学成分取样、冒口探伤、打硬度一电炉加热锻造、打磨一电炉加热轧机轧制毛棒一电炉退火棒材一矫直棒材一表面扒皮一精密矫直一棒材抛光一高低温力学性能一尺寸外观检查一入库。
[0030]实施例1
[0031]经150°C X2h电炉烘干的I级海绵钛，与Al-Mo合金、Al-Si合金、Al-V合金、纯铝及纯锆屑等，按照一定比例，由2500t油压机压制成电极块，在自耗电弧炉内真空焊接，经真空自耗电弧炉三次熔炼成Φ400Χ 1500mm的铸锭，然后经车床扒皮、去冒口和底部，车光后实际铸锭尺寸为Φ 382 X 1450mm;然后分别在铸锭上下部位取样(上部记为1#，下部记为2#)，检测化学成分和硬度；对铸锭冒口部位进行超声波探伤、尺寸和表面质量检查，再把车光后的铸锭经电炉加热、自由锻开坯锻造成方棒，经砂轮修磨后轧棒机轧制成毛坯棒，由电炉对毛坯棒进行热处理退火，经矫直机矫直毛棒，再经扒皮机对棒材表面扒皮，然后对扒完皮的棒材用特种压力机进行精确矫直，最后经抛光机对棒材表面抛光，再分别对棒材上下部取样(上部记为3#，下部记为4#)检测。钛合金抽油光杆尺寸Φ28.65X9000mm。
[0032]表1钛合金抽油光杆室温力学性能对比
[0033]
【权利要求】
1.一种钛合金，其特征在于，按照重量百分比计，合金中含有Al:4~8wt%’ Mo:2~5wt%, V:2 ~4wt%, Zr:0.5 ~3wt%, Si:0.1 ~lwt%, Fe:0.02 ~lwt%,其他杂质:0 ~0.4wt%，余量为 Ti。
2.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，按照重量百分比计，合金中含有Al:6 ~7wt%,Mo:3 ~4wt%, V:2 ~4wt%, Zr:1 ~2wt%，Si:0.2 ~0.4wt%, Fe:0.02 ~0.06wt%,其他杂质:0~0.4wt%，余量为Ti。
3.一种钛合金抽油光杆，其特征在于，由权利要求1或2所述钛合金制得。
4.权利要求3所述钛合金抽油光杆的制备方法，其特征在于，包含以下步骤: a)以海绵钛为Ti源，按权利要求1所述组分及比例混合，制成钛合金电极块； b)将步骤a)所得钛合金电极块焊接成钛合金电极杆； c)将步骤b)所得钛合金电极杆熔炼两次以上，得到钛合金铸锭； d)步骤c)所得钛合金铸锭，经过下料、锻造、轧制、退火矫直，扒皮抛光后，得到所述钛合金抽油光杆。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中电极块的制备可采用挤制成型法、压制成型法或等静压成型法。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中，采用真空焊接技术将电极块焊接成电极杆。
7.根据权利要求4所述`的方法，其特征在于，所述步骤c)中，采用真空自耗熔炼工艺将钛合金电极杆熔炼成钛合金锭。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤d)中的锻造，可采用开坯锻造、自由锻造、模锻、旋煅、恒温锻造或冷锻造中的任意一种或任意几种的结合。
9.权利要求1或2所述的钛合金在机械设备上的应用。
10.权利要求3所述钛合金抽油光杆在油井设备上的应用。
【文档编号】C22C1/02GK103667789SQ201410005189
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】杨林 申请人:北京宏大钛科贸有限公司