一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及油井管制造技术领域，具体涉及一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法。
【背景技术】
[0002]随着石油工业的发展，对油气资源勘探用钻杆的性能要求不断提高。相比于传统钢质钻杆，超高强度铝合金钻杆具有密度低、比强度高、耐腐蚀及抗疲劳性能优良等特点，是解决深井、超深井、定向井、酸性气井及深海油气井等复杂钻井问题的重要油井管材。
[0003]目前，普遍使用的铝合金钻杆用管材多为Al-Cu-Mg系铝合金，但其强度不足、表面硬度低，限制了其在苛刻钻井工况条件下更广泛的推广使用。而采用Al-Cu-Mg-Zn系超高强度铝合金钻杆，可提高钻杆管体的服役强度及表面硬度，显著降低苛刻钻井工况条件下钻柱的安全风险，所以有必要提供一种Al-Cu-Mg-Zn系铝合金钻杆用管体。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法，该方法制得的铝合金钻杆用管体具有较高的强度，并且表面硬度高，热强性能较好。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案:
[0006]一种620MPa级铝合金钻杆用管体，以重量百分比计，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%，T1:0.01?0.02%, Mn:0.2?0.3%，Cr:0.1?0.2%，余量为Al和不可避免的杂质。
[0007]一种制造620MPa级铝合金钻杆用管体的方法，包括如下步骤:
[0008]I)以重量百分比计，将 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%，余量为Al，进行冶炼、铸造成管坯；
[0009]2)多级均匀化处理:将管坯进行多级均匀化处理；
[0010]3)挤压处理:将经过多级均匀化处理的管坯进行变截面挤压；
[0011]4)双级固溶处理:将挤压后的管坯进行双级固溶处理；
[0012]5)预变形:将经过双级固溶处理的管坯进行预拉伸变形，变形量为2?3% ;
[0013]6)最后，将预变形后的管坯进行自然时效或人工时效处理，得到620MPa级铝合金钻杆用管体。
[0014]所述多级均匀化处理的具体过程为:将管坯加热到365?385°C，保温8?12h ;然后加热至410°C?425°C，保温10?15h ;最后加热至455?465°C，保温30?35h ;然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的管坯。
[0015]所述加热速率为10?20°C/min。
[0016]所述挤压处理的具体过程为:将经过多级均匀化处理的管坯加热到420?435°C，保温20-40min后进行变截面挤压，挤压比大于18，挤压速度为3?6mm/s。
[0017]所述双级固溶处理的具体过程为:将经过挤压的管坯加热到435?445°C，保温I?2h后加热至460?465°C保温I?1.5h，然后以喷水冷却，冷却速度为30?50°C /s。
[0018]所述双级固溶处理的具体过程中加热的速率大于20°C /min。
[0019]所述人工时效的条件为:在120?125°C下保温8h?60h。
[0020]与现有技术相比，本发明具有的有益效果:
[0021](I)本发明通过控制各元素合适的重量百分比，利用Zn、Mg元素析出强化，Cu元素原子团簇偏聚区强化、Mn元素在固溶处理温度下的固溶强化及晶粒细化，以及Zr、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，从而提高了铝合金钻杆用管体的强度、硬度、热强性。本发明中由于合金成分设计简单，并且不需要加入不加入Ag等提高热强性的贵金属元素，所以成本低。
[0022](2)本发明在工艺上采用多级均匀化处理、多级固溶处理、时效等热处理工艺，大幅度消除了基体内部偏析、不均等，显著促进了铝合金基体内部未熔解共晶相的回熔，从而在保持高强度的同时，提高了热强性。
[0023](3)本发明制造的铝合金钻杆管体的性能达到以下要求:
[0024]a)管体拉伸性能，Rt0.2= 550 ?600MPa，Rni彡 620MPa，δ 5多 8.0。
[0025]b)管体耐热性能，在120°C下热暴露500小时后的室温抗拉强度彡434MPa、屈服强度彡 420MPa、δ 5彡 7.0。
[0026]c)管体的微观组织为超细η ’ (MgZn2)相。
[0027](4)本发明中由于加入Zn和Mg，并且控制Zn/Mg含量比，Zn、Mg和Al会在管体内形成高浓度的三元固溶体T (Al2Mg3Zn3)相:Zn和Mg之间形成二元的η ’ (MgZn2)相，这两种相在铝合金管体中的溶解度随温度的降低急剧下降，弥散析出从而强化铝合金基体，强化效果随Zn和Mg元素含量增加而提高。但过多的Zn和Mg元素含量会显著降低铝合金管体的塑韧性，因此，铝合金管体中控制Zn重量含量为7.5?8.5 %，控制Mg重量含量为1.7?2.
[0028](5)本发明中由于加入Cu，Cu可以与Al和Mg形成强化相S相(Al2CuMg)，S相能够对铝合金管体产生附加的强化效果，从而提高铝合金管体的强度和重复加载抗力，同时避免因Zn，Mg含量过高所导致的铝合金管体的塑性和耐蚀性降低的缺点。但过高的Cu含量导致铝合金管材的抗疲劳性能降低，因此，铝合金管材中控制Cu重量百分含量为1.7?
2.
[0029](6)本发明中由于加入Fe、Ni元素，所以可以提高铝合金管材的抗高温性能，提高热强性。但过高的Fe、Ni含量会导致管材的塑韧性降低，因此，铝合金管材中控制Fe重量百分含量为0.1?0.3%, Ni重量百分含量为0.1?0.3% ;
[0030](7)本发明中加入微量的Zr、Ti元素，可以细化晶粒、抑制再结晶、降低铝合金管材的淬火敏感性。并且铝合金管材中控制Zr重量百分含量为0.1?0.2%，Ti重量百分含量为 0.01 ?0.02%o
[0031](8)本发明中Mn元素可以细化晶粒、阻碍基体晶粒长大和再结晶，在不降低铝合金塑性和韧性的情况下，提高铝合金管材强度。但过量的Mn会降低Zn、Mg等溶质元素在基体中的溶解度从而降低强韧性。因此，铝合金管材中控制Mn重量百分含量为0.2?0.3%。
[0032](9)本发明中含有Cr，加入Cr元素在提高管材的塑韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性，但过量的Cr将降低管材的淬透性。因此，铝合金管材中控制Cr重量百分含量为0.1?
0.
[0033](10)本发明以高含量Zn、低含量Mg、Cu，适量N1、Mn、Cr，微量T1、Zr，结合热处理工艺，获得细小弥散的n’ (MgZn2)强化相为主的组织，本发明采用均匀化及固溶热处理采用了多级处理技术，挤压工艺采用了变截面挤压技术制造的管材强度高，表面硬度高，韧性、热强性、耐腐蚀及抗疲劳性能好。
【附图说明】
[0034]图1为本发明实施例1的人工时效后管体的透射电镜组织图。
[0035]图2为本发明实施例2的人工时效后管体的透射电镜组织图。
[0036]图3为本发明实施例3的人工时效后管体的透射电镜组织图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0038]实施例1
[0039]—种620MPa级铝合金钻杆用管体化学成分按重量百分数计，包括:Zn 7.6%, Mg
2.0%, Cu 2.3%, Fe 0.3%, Ni 0.3%, Zr 0.2%, Ti 0.02%, Mn 0.3%, Cr 0.2%，余量为Al和不可避免的杂质。
[0040]上述620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法为:将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，在加热速率为10°C/min条件下，管坯经380°C X8h+420°C X12h+460°C X32h均匀化处理，自然降至室温，然后在420°C下保温20min后变截面挤压变形，挤压比大于18，挤压速度为3mm/s ;再经435°C X2h+465°C Xlh固溶处理，采用水冷的冷却方式、以30 °C /s的冷却速度冷却至室温，再对管体施加2.0 %的预拉伸变形后，在120°C下进行人工时效处理36h0
[0041]经上述制造方法得到的铝合金管体的力学性能达到:抗拉强度为634MPa，屈服强度为588MPa，延伸率为9.1%;120°C热暴露500h后，拉伸性能达到:抗拉强度为594MPa，屈服强度为563MPa，延伸率为8.3%。其性能指标完全达到ISO标准对铝合金钻杆用管材的要求。该实施例室温下组织为超细n’ (MgZn2)相，参照图1。
[0042]实施例2
[0043]一种620MPa级铝合金钻杆用管体的化学成分按重量百分数计，包括:Zn 7.9%,Mg 2.0%，Cu 2.3%,Fe 0.3%,Ni 0.3% , ,Zr 0.2%,Ti 0.02%, Mn 0.3%, Cr 0.2%，余量为Al和不可避免的杂质。
[0044]上述620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法为:将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，在加热速率为10°C/min条件下，管坯经380°C X8h+420°C X12h+460°C X32h均匀化处理，自然降至室温，然后在420°C下保温20min后变截面挤压变形，挤压比大于18，挤压速度为6mm/s ;再经435°C X2h+460°C Xlh固溶淬火处理，采用水冷的冷却方式、以50°C /s的冷却速度冷却至室温，再对管体施加2.0%的预拉伸变形后，在120°C下进行人工时效处理12h。
[0045]经上述制造方法得到的铝合金管体的力学性能达到