一种深井超深井铝合金钻杆用管体及其制造方法

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。

说明书

技术领域

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

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。

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 ℃以下的环境下使用，无法达到超深井要求的160℃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Al₉FeNi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

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。

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。

一种深井超深井铝合金钻杆用管体，各组分按重量份为：

Cu     4.8—5.8%，

Mg     1.2—1.8%,

Mn     1.0—1.2%,

Ti     0.05—0.20%,

Zn     0.5—0.6%，

B      0.001—0.01%，

Yb     0.02—0.05%，

余量为Al和不可避免的杂质。

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；

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，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；

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℃；

管坯挤压温度：400—450℃；

多级固溶处理；

步骤5；预变形，

步骤6；固溶后空冷自然时效。

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Mn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等提高热强性的 贵金属元素。

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。

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。

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。

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：

管管体拉伸性能，R_t0.2=325—410MPa，R_m≧460MPa，δ₅≧12.0。

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≥410MPa、屈服强度≥310MPa、δ₅≧12.0。

附图说明

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：

图1是实例1中铝合金试样在室温下的透射电镜组织图。

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。

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。

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

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。

实施例1：如图1、图2、图3所示，

一种深井超深井铝合金钻杆用管体及其制造方法，

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%，Mg1.8%,Mn1.1%,Ti0.05%,Zn0.5%，B0.005%，Yb0.02%， 余量为Al和不可避免的杂质。

上述管坯经480℃均匀化，420℃挤压变形，485℃×1h+495℃×1h固 溶淬火处理，空冷后自然时效至室温。

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℃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ISO15546标准对铝合金钻杆管体的要求。该实例120℃下热暴 露500h后透射电镜组织见图1。

实施例2：

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%，Mg1.6%,Mn1.0%,Ti0.05%,Zn0.5%，B0.005%，Yb0.05%， 余量为Al和不可避免的杂质。

上述管坯经490℃均匀化，435℃挤压变形，490℃×1h+505℃×1h固 溶淬火处理，空冷后自然时效至室温。

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℃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ISO15546标准对铝合金钻杆管体的要求。该实例160℃下热暴 露500h后透射电镜组织见图2。

实施例3：

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%，Mg1.4%,Mn1.1%,Ti0.08%,Zn0.6%，B0.008%，Yb0.05%， 余量为Al和不可避免的杂质。

上述管坯经495℃均匀化，425℃挤压变形，495℃×1h+505℃×1h固 溶淬火处理，空冷后自然时效至室温。

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℃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ISO15546标准对铝合金钻杆管体的要求。该实例160℃下热暴 露500h后透射电镜组织见图3。

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。