[發明專利]一種620MPa級鋁合金鉆桿用管體及其制造方法

在審

• 申請號: 201410853240.6
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104561700A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 馮春;李方坡;王新虎;王鵬;朱麗娟
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團公司;中國石油天然氣集團公司管材研究所
• 主分類號: C22C21/10
• 分類號: C22C21/10;C22F1/053
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明涉及油井管制造技術領域，具體涉及一種620MPa級鋁合金鉆桿用管體及其制造方法。

背景技術

隨著石油工業的發展，對油氣資源勘探用鉆桿的性能要求不斷提高。相比于傳統鋼質鉆桿，超高強度鋁合金鉆桿具有密度低、比強度高、耐腐蝕及抗疲勞性能優良等特點，是解決深井、超深井、定向井、酸性氣井及深海油氣井等復雜鉆井問題的重要油井管材。

目前，普遍使用的鋁合金鉆桿用管材多為Al-Cu-Mg系鋁合金，但其強度不足、表面硬度低，限制了其在苛刻鉆井工況條件下更廣泛的推廣使用。而采用Al-Cu-Mg-Zn系超高強度鋁合金鉆桿，可提高鉆桿管體的服役強度及表面硬度，顯著降低苛刻鉆井工況條件下鉆柱的安全風險，所以有必要提供一種Al-Cu-Mg-Zn系鋁合金鉆桿用管體。

發明內容

本發明的目的是提供一種620MPa級鋁合金鉆桿用管體及其制造方法，該方法制得的鋁合金鉆桿用管體具有較高的強度，并且表面硬度高，熱強性能較好。

為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種620MPa級鋁合金鉆桿用管體，以重量百分比計，包括Zn：7.5～8.5％，Mg：1.7～2.3％，Cu：1.7～2.6％，Fe：0.1～0.3％，Ni：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.2％，Ti：0.01～0.02％，Mn：0.2～0.3％，Cr：0.1～0.2％，余量為Al和不可避免的雜質。

一種制造620MPa級鋁合金鉆桿用管體的方法，包括如下步驟：

1)以重量百分比計，將Zn：7.5～8.5％，Mg：1.7～2.3％，Cu：1.7～2.6％，Fe：0.1～0.3％，Ni：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.2％，Ti：0.01～0.02％，Mn：0.2～0.3％，Cr：0.1～0.2％，余量為Al，進行冶煉、鑄造成管坯；

2)多級均勻化處理：將管坯進行多級均勻化處理；

3)擠壓處理：將經過多級均勻化處理的管坯進行變截面擠壓；

4)雙級固溶處理：將擠壓后的管坯進行雙級固溶處理；

5)預變形：將經過雙級固溶處理的管坯進行預拉伸變形，變形量為2～3％；

6)最后，將預變形后的管坯進行自然時效或人工時效處理，得到620MPa級鋁合金鉆桿用管體。

所述多級均勻化處理的具體過程為：將管坯加熱到365～385℃，保溫8～12h；然后加熱至410℃～425℃，保溫10～15h；最后加熱至455～465℃，保溫30～35h；然后自然降至室溫，得到經過均勻化處理的管坯。

所述加熱速率為10～20℃/min。

所述擠壓處理的具體過程為：將經過多級均勻化處理的管坯加熱到420～435℃，保溫20-40min后進行變截面擠壓，擠壓比大于18，擠壓速度為3～6mm/s。

所述雙級固溶處理的具體過程為：將經過擠壓的管坯加熱到435～445℃，保溫1～2h后加熱至460～465℃保溫1～1.5h，然后以噴水冷卻，冷卻速度為30～50℃/s。

所述雙級固溶處理的具體過程中加熱的速率大于20℃/min。

所述人工時效的條件為：在120～125℃下保溫8h～60h。

與現有技術相比，本發明具有的有益效果：

(1)本發明通過控制各元素合適的重量百分比，利用Zn、Mg元素析出強化，Cu元素原子團簇偏聚區強化、Mn元素在固溶處理溫度下的固溶強化及晶粒細化，以及Zr、Ti復合添加的晶粒細化，充分發揮了固溶強化、析出強化、晶粒細化等復合作用，從而提高了鋁合金鉆桿用管體的強度、硬度、熱強性。本發明中由于合金成分設計簡單，并且不需要加入不加入Ag等提高熱強性的貴金屬元素，所以成本低。

(2)本發明在工藝上采用多級均勻化處理、多級固溶處理、時效等熱處理工藝，大幅度消除了基體內部偏析、不均等，顯著促進了鋁合金基體內部未熔解共晶相的回熔，從而在保持高強度的同時，提高了熱強性。

(3)本發明制造的鋁合金鉆桿管體的性能達到以下要求：

a)管體拉伸性能，R_t0.2＝550～600MPa，R_m≥620MPa，δ₅≥8.0。

b)管體耐熱性能，在120℃下熱暴露500小時后的室溫抗拉強度≥434MPa、屈服強度≥420MPa、δ₅≥7.0。

c)管體的微觀組織為超細η’(MgZn2)相。