一种石油钻管及其制备方法与流程

本发明涉及石油开采装备技术领域，具体而言，涉及一种石油钻管及其制备方法。

背景技术：

石油钻管用于石油、地质钻探。石油钻管工作时受拉、压、扭转和冲击载荷等应力的作用，管壁受到泥浆、岩石颗粒的磨损，因此要求管材具有足够的强度、硬度、耐磨性和冲击韧性。

传统钢结构石油钻管使用过程中，在严苛的工况条件下及易损坏，因此石油钻管采用钢和硬质合金钢结合的结构，硬质合金具有硬度高、耐磨、耐腐蚀等优点，钢与硬质合金复合钻管可以提高抗磨损能力，实现高硬度、高耐磨性和良好冲击韧性的结合。

传统的硬质合金和钢复合钻管的连接采用机械镶嵌的连接方法，即将硬质合金管镶嵌到钢管中，依靠相互之间的摩擦力实现结合。虽然机械镶嵌连接可以获得一定的连接强度，但在长期使用过程中，在石油钻管内外壁循环承受拉、压等应力的工况下，容易出现硬质合金和钢管分离的情况，影响石油钻管的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种石油钻管及其制备方法，能够提高石油钻管的使用寿命和质量。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例的一方面提供一种石油钻管，其包括外管和套设在所述外管内的内管，所述外管和所述内管之间通过钎焊层连接，其中，所述外管的材质为钢，所述内管的材质为硬质合金。

可选地，所述钎焊层为镍基钎焊层。

本发明实施例的另一方面提供一种石油钻管的制备方法，其包括向外管内填充钎料；其中，所述外管为钢管；按预设冷却时间将内管浸入液氮中冷却；其中，所述内管为硬质合金管；将所述内管安装在所述外管内，使所述钎料位于所述外管和所述内管之间，形成待焊件；将所述待焊件钎焊，形成石油钻管。

可选地，所述按预设冷却时间将内管浸入液氮中冷却；其中，所述内管为硬质合金管包括：将所述内管浸入液氮中3min～4min。

可选地，所述向外管内填充钎料；其中，所述外管为钢管包括：在所述外管内填充镍基钎料。

可选地，所述钎料为片状钎料，所述向外管内填充钎料包括：将所述钎料卷成圆筒状放置在所述外管内，使所述钎料的外壁与所述外管的内壁贴合。

可选地，将所述内管安装在所述外管内，使所述钎料位于所述外管和所述内管之间，形成待焊件包括：将所述内管安装在所述钎料的圆筒内，使所述钎料的内壁和所述内管的外壁贴合。

可选地，所述将所述待焊件钎焊，形成石油钻管包括：将所述待焊件放置在钎焊炉内抽真空加热；以预设加热速度加热至预设温度后，按保温时间保温；随炉冷却至100℃；取出形成成品的石油钻管。

可选地，在所述向外管内填充钎料；其中，所述外管为钢管之前，所述方法包括：清洗所述外管和所述内管；吹干所述外管和所述内管。

可选地，所述清洗所述外管和所述内管包括：将所述外管和所述内管放置在丙酮溶液中超声波清洗。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的石油钻管及其制备方法，包括外管和内管，内管套设在外管内，且内管和外管通过钎焊连接，外管为钢管，内管为硬质合金管。在钎焊前，先将硬质合金管浸泡在液氮中进行冷却，利用热胀冷缩的原理，在液氮超低温冷却后，硬质合金管体积会收缩，再安装到钢管后，温度上升到常温时硬质合金管体积会膨胀，受到钢管的约束，产生向外的张力，从而保证了真空钎焊过程中，液态钎料不会流失，钢管和硬质合金管之间不会出现缝隙，确保焊接质量。通过这种方式，使得钢管和硬质合金管之间连接强度得到大幅度提高，从而提高了石油钻管的使用寿命及质量稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的石油钻管结构示意图；

图2为本发明实施例提供的石油钻管的制备方法流程图之一；

图3为本发明实施例提供的石油钻管的制备方法流程图之二。

图标：10－石油钻管；11－外管；12－钎焊层；13－内管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

石油钻管10用于石油、地质钻探，其工作条件极为复杂。石油钻管10工作时受拉、压、扭转和冲击载荷等应力的作用，管壁易受到泥浆、岩石颗粒的磨损，因此要求管材具有足够的强度、硬度、耐磨性和冲击韧性。

传统钢结构石油钻管使用过程中，在复杂和严苛的工况条件下极易出现损坏。因此，提出了钢与硬质合金复合钻管，因为硬质合金硬度高、耐磨、耐腐蚀，因此钢与硬质合金复合钻管，其具有较高的抗磨损能力，以及具有高硬度、高耐磨性和良好冲击韧性等优点。

现有技术中，硬质合金和钢复合的石油钻管的连接，采用的是机械镶嵌的连接方法，即将硬质合金管镶嵌到钢管中，依靠相互之间的摩擦力实现结合。虽然机械镶嵌连接可以获得一定的连接强度，但在长期使用过程中，在钻管内、外壁循环承受拉、压等应力的工况下，容易出现硬质合金和钢管分离的情况，影响石油钻管的使用寿命。

为解决上述问题，本实施例提出了一种石油钻管10及其制备方法，采用钎焊的方式连接硬质合金和钢管，使硬质合金与钢复合的石油钻管10连接强度得到大幅度提高，从而提高了石油钻管10的使用寿命及质量稳定性。

实施例一

请参照图1，本实施例提供一种石油钻管10，其包括外管11和套设在外管11内的内管13，外管11和内管13之间通过钎焊层12连接，其中，外管11的材质为钢，内管13的材质为硬质合金。

外管11采用钢材料，外管11即为钢管；内管13采用硬质合金材料，内管13即为硬质合金管。

外管11和内管13之间通过钎焊层12连接，也就是说，外管11和内管13通过钎焊的方式连接固定。并且，采用真空钎焊。

需要说明的是，内管13在和外管11钎焊前，需先将内管13(硬质合金管)浸泡在液氮中进行冷却，利用热胀冷缩的原理，在液氮超低温冷却后，硬质合金管体积会收缩，再安装到外管11(钢管)后，温度上升到常温时硬质合金管体积会膨胀，产生向外的张力，保证外管11和内管13紧密结合，从而保证了真空钎焊过程中，外管11和内管13之间不会出现缝隙，确保焊接质量。

本发明实施例提供的石油钻管10，包括外管11和内管13，内管13套设在外管11内，且内管13和外管11通过钎焊连接，外管11为钢管，内管13为硬质合金管。在钎焊前，先将硬质合金管浸泡在液氮中进行冷却，利用热胀冷缩的原理，在液氮超低温冷却后，硬质合金管体积会收缩，再安装到钢管后，温度上升到常温时硬质合金管体积会膨胀，受到钢管的约束，产生向外的张力，从而保证了真空钎焊过程中，液态钎料不会流失，钢管和硬质合金管之间不会出现缝隙，确保焊接质量。通过这种方式，使得钢管和硬质合金管之间连接强度得到大幅度提高，从而提高了石油钻管10的使用寿命及质量稳定性。

具体地，钢管和硬质合金管钎焊时的钎料为镍基钎料，即bni2，焊接后形成的钎焊层12为镍基钎焊层12。

bni2为镍基钎料的一种，主要组成元素以ni为主，其次还含有降熔元素(meltingpointdepressantelement)b和si，以及其它元素。常用于钎焊不锈钢，是马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢和沉淀硬化高温合金等材料做母材时的首选钎料。钎料可以为棒状，箔带状，粉状等形式。

bni2钎料是应用最广泛的镍基钎料，在钎焊过程中，其熔化温度较低，具有较好的润湿性，因此本实施例选用bni2作为钎料，使钎焊形成的钎焊层12(钎焊接头)具有较好的高温强度，及优良的抗氧化性能和耐蚀性能，提高石油钻管10整体的性能。

另外，本实施例中的钎料为片状钎料，在钎焊过程中，片状钎料熔化成液态，填充钢管和硬质合金管之间的缝隙，形成石油钻管10。

采用片状钎料，相较常规膏状钎料会有涂抹不均匀的情况，片状钎料可以保证钎料的均匀性并且安装更加简单，方便，只需将片状钎料卷成管状放入外管11中，再将内管13放在卷成管状的片状钎料中即可。

实施例二

如图2和图3所示，本实施例提供一种石油钻管10的制备方法，该方法包括：

s100－1：清理外管11和内管13。

钎焊前需先对外管11和内管13进行表面清洗，将内管13(硬质合金管)、外管11(钢管)放置在丙酮溶液中，采用超声清洗两分钟，然后用吹风机吹干外管11和内管13，待钎焊。

s100：向外管11内填充钎料；其中，外管11为钢管。

钎料为镍基钎料，并且，钎料为片状钎料。

填充时，先将钎料按外管11(钢管)内径的周长长度裁剪片状钎料的周长，然后将片状钎料卷成圆筒状放置在外管11内，使圆筒状的钎料的外壁与外管11的内壁贴合。

后续再将内管13套设进圆筒状钎料内，使内管13的外壁与钎料的内壁贴合。

现有技术中，钎焊的钎料一般为膏状钎料，膏状钎料采用涂抹的方式，但是膏状钎料会存在涂抹不均匀的情况，使得在钎焊后形成的焊层厚度不一，这样会造成薄处的焊层连接强度弱。

本实施例采用片状钎料，片状钎料厚薄一致，可以保证钎料的均匀性，并且安装方便、简单。

s110：按预设冷却时间将内管13浸入液氮中冷却；其中，内管13为硬质合金管。

预设时间为3min～4min，将内管13浸入液氮中3min～4min，以使内管13冷却，然后拿出内管13待钎焊。

冷却的目的是为了保证后续钎焊后，内管13和外管11之间无缝隙。

焊前将内管13(硬质合金管)浸泡在液氮中进行冷却，利用热胀冷缩的原理，在液氮超低温冷却后，硬质合金管体积会收缩，安装到外管11(钢管)后温度上升到常温时，硬质合金管体积会膨胀，会受到钢管的约束，产生向外的张力，在此状态下进行钎焊，温度升高会就不会在外管11和内管13两种材料之间产生缝隙，钎焊时钎料熔化为液态，液态钎料不会流失，从而保证了真空钎焊过程中钢管和硬质合金之间不会出现缝隙，保证两者紧密结合，因此保证了焊接质量。

假设采用常规真空钎焊，常温下将硬质合金管安装到钢管内，然后在真空钎焊过程中，会对焊接件进行加热，因为钢管的热膨胀系数几乎等于硬质合金管的两倍，因此就导致钢管体积膨胀多而硬质合金体积膨胀少，于是在常温下紧密结合的两种材料，在高温下就会形成缝隙，而钎焊时钎料熔化为液态，一旦两种材料间出现缝隙，液态钎料就会流动，造成产品局部出现焊接缺陷，影响产品质量。本实施例采用钎焊前先对内管13液氮冷却，解决了上述问题。

s120：将内管13安装在外管11内，使钎料位于外管11和内管13之间，形成待焊件。

将已经清洗干净和吹干的内管13和外管11，其中，内管13经液氮冷却，然后将外管11和内管13通过钎料钎焊，最终形成石油钻管10。

具体地，将内管13安装在外管11内形成待焊件，此时外管11内已经有圆筒状的钎料，将内管13安装在钎料的圆筒内，使内管13的外壁与钎料的内壁贴合，钎料的外壁和外管11的内壁贴合。

s130：将待焊件钎焊，形成石油钻管10。

具体地，s131：将待焊件放置在钎焊炉内抽真空加热。

s132：以预设加热速度加热至预设温度后，按保温时间保温。其中，预设加热速度为20℃/min，预设温度为1050℃，保温时间1小时，各参数允许一定的误差。

将待焊件放入钎焊炉内抽真空加热，加热时，钎料熔化成液态，依靠毛细作用自动流入到外管11和内管13之间的缝隙中，以填充外管11和内管13之间的缝隙，冷却、凝固后形成钎焊层12。

另外，本实施例采用真空钎焊，由于待焊件处于真空环境下，不会出现氧化和杂质污染，可以有效排除空气对工件的有害影响；工件受热均匀，变形小，焊后得到的焊层光亮致密，具有良好的力学性能和抗腐蚀性能。

需要注意的是，预设温度也就是加热温度，要高于钎料的熔点而低于母材(外管11和内管13)的熔点，使得钎料熔化成液态填充外管11和内管13之间的缝隙的同时，还要保证母材不能熔化。

s133：然后随炉冷却至100℃。

s134：待工件温度低于100℃后，取出工件，焊接完成，得到形成成品的石油钻管10。

综上，本实施例提供的石油钻管10，采用真空钎焊的方法进行硬质合金管与钢管复合石油钻管10的制造，与传统机械镶嵌相比，(钎焊层12)钎焊接头具有更高的强度及质量稳定性。并且，本实施例采用液氮冷却硬质合金管的方法，解决了由于钢与硬质合金热膨胀系数不同而导致的无法钎焊的难题。本实施例提出焊前利用液氮对硬质合金管进行冷却，硬质合金管在低温下体积缩小，装入钢管后，当温度逐渐升高，硬质合金管体积增大，与钢管之间紧密结合，因此消除了热膨胀系数不同导致的焊接强度低的缺陷。因此实施例提供的硬质合金管与钢管复合而成的石油钻管10，连接强度得到大幅度提高，从而提高了石油钻管10的使用寿命及质量稳定性。并且，本实施例钎焊时的钎料采用片状钎料，保证钎料的均匀性，安装更加简单。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。