一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體及其制造方法
【專利摘要】一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體及其制造方法，屬于石油管制造【技術領域】。組分按重量份為：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%，余量為Al和不可避免的雜質。利用Cu元素析出強化，Mn元素在特定溫度下的固溶強化及晶粒細化，Zn和Mg的析出強化，以及Yb、B、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；鑄造獲得管坯，鑄錠均勻化、擠壓、固溶，管坯均勻化加熱溫度：480—505℃；管坯擠壓溫度：400—450℃；本發明在工藝上無固溶淬火+長時間時效等熱處理工藝、對淬火后管體預變形后直接自然時效，簡化了生產工藝并降低了環境污染。
【專利說明】一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體及其制造方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體及其制造方法，屬于石油管制造技 術領域。

【背景技術】
[0002] 隨著石油工業的發展，深井、超深井及水平井數量不斷增加，勘探開發難度增大。 與現有鋼制鉆桿相比，鋁合金鉆桿具有重量輕、韌性好、耐硫化氫腐蝕、耐疲勞等優點，具有 廣闊的應用前景。
[0003] 對于鋁合金鉆桿管體而言，由于深井、超深井特定的服役工況，要求其具有良好的 強韌性配合的同時，具有一定的耐熱性。2000系合金是傳統鑄錠冶金法生產的鋁合金中最 具熱強性的合金，但一般也只能在120°C以下的環境下使用，無法達到超深井要求的160°C 環境下使用要求。因此，進一步提高2000系合金組織性能的熱穩定性，對于該合金作為鉆 桿材料應用于深井、超深井及水平井的石油鉆探具有重要的科學意義和極高的應用價值。 為了提高2000系列合金的高溫力學性能，國內外研究通常在2000系列合金中加入Fe、Ni 元素以形成Al 9FeNi耐熱相，或者在較高Cu/Mg比的2000系中加入Ag，形成Ω耐熱相，以 提高熱強性。但通過上述方法形成耐熱相提高高溫力學性能的同時，合金的室溫力學性能 降低，此外合金元素價格昂貴，且需要固溶和長時間時效處理，工藝復雜，供貨周期長，影響 了鋁合金鉆桿的服役安全性和廣泛推廣使用。


【發明內容】

[0004] 為了克服現有技術的不足，本發明提供一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體及其 制造方法，主要解決現有鋁合金鉆桿管體熱強性不足、生產成本較高、生產工藝復雜、供貨 周期長等問題。
[0005] 本發明所述的鋁合金鉆桿用管體由高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg系鋁合金組成。
[0006] -種深井超深井鋁合金鉆桿用管體，各組分按重量份為：
[0007] Cu 4. 8-5. 8%,
[0008] Mg 1. 2-1. 8%,
[0009] Μη 1. 0-1. 2%,
[0010] Ti 0.05-0. 20%,
[0011] Zn 0. 5-0. 6%,
[0012] B 0. 001-0. 01%,
[0013] Yb 0. 02-0. 05%,
[0014] 余量為A1和不可避免的雜質。
[0015] 一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體制造方法，含有以下步驟；
[0016] 步驟1 ;備料，按所述的成分配比備料，
[0017] 步驟2 ;熔煉，利用Cu元素析出強化，Μη元素在特定溫度下的固溶強化及晶粒細 化，Zn和Mg的析出強化，以及Yb、B、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；
[0018] 步驟3;鑄造獲得管坯，
[0019] 步驟4 ;鑄錠均勻化、擠壓、固溶，
[0020] 管坯均勻化加熱溫度：480- 505°C ;
[0021] 管坯擠壓溫度：400- 450°C ;
[0022] 多級固溶處理；
[0023] 步驟5;預變形，
[0024] 步驟6 ;固溶后空冷自然時效。
[0025] 本發明在管體材料配方上具有與以往的鋁合金鉆桿用管體所使用D16T、AK4-1T1 合金相比，本發明在管體材料配方上控制Cu/Mg含量比(質量百分數）在2. 7 - 4. 8之間、較 高的Μη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1?熱強性的貴金屬兀素。
[0026] 利用Cu元素析出強化，Μη元素在特定溫度下的固溶強化及晶粒細化，Zn和Mg的 析出強化，以及Yb、B、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。
[0027] 合金成分設計簡單且成本低；本發明在工藝上無固溶淬火+長時間時效等熱處理 工藝、對淬火后管體預變形后直接自然時效，簡化了生產工藝并降低了環境污染。
[0028] 自然時效后的鋁合金鉆桿管體具有較高的強韌性、耐高溫性能。
[0029] 按照上述技術方案生產出的鋁合金鉆桿的性能達到以下要求：
[0030] 管管體拉伸性能，Rt0 2=325- 410MPa，匕芎 460MPa，δ 5 芎 12. 0。
[0031] 管體耐熱性能，在120° C和160° C下熱暴露500小時后的室溫抗拉強度 彡410MPa、屈服強度彡310MPa、δ 5芎12. 0。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 當結合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更好地理解本發明以 及容易得知其中許多伴隨的優點，但此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解， 構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發 明的不當限定，如圖其中：
[0033] 圖1是實例1中鋁合金試樣在室溫下的透射電鏡組織圖。
[0034] 圖2是實例2中鋁合金試樣在120° C熱暴露500小時后的透射電鏡組織圖。
[0035] 圖3是實例3中鋁合金試樣在160° C熱暴露500小時后的透射電鏡組織圖。
[0036] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

【具體實施方式】
[0037] 顯然，本領域技術人員基于本發明的宗旨所做的許多修改和變化屬于本發明的保 護范圍。
[0038] 實施例1 :如圖1、圖2、圖3所示，
[0039] -種深井超深井鋁合金鉆桿用管體及其制造方法，
[0040] 本發明提供一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體，其組成為（質量百分數）：Cu4. 9%， Mgl. 8%, Mnl. 1%, TiO. 05%, Ζη0· 5%，Β0· 005%，YbO. 02%，余量為 A1 和不可避免的雜質。
[0041] 上述管坯經480°C均勻化，420°C擠壓變形，485°C Xlh+495°C Xlh固溶淬火處理， 空冷后自然時效至室溫。
[0042] 經上述方法處理的鋁合金的力學性能達到：抗拉強度為505MPa，屈服強度為 367MPa，延伸率為13. 5% ;120°C熱暴露500h后，拉伸性能達到：抗拉強度為402MPa，屈服強 度為311MPa，延伸率為12. 3%。其性能指標完全達到IS015546標準對鋁合金鉆桿管體的要 求。該實例120°C下熱暴露500h后透射電鏡組織見圖1。
[0043] 實施例2 :
[0044] 本發明提供一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體，其組成為（質量百分數）：Cu5. 2%， Mgl. 6%, Mnl. 0%，TiO. 05%, Ζη0· 5%，Β0· 005%，YbO. 05%，余量為 A1 和不可避免的雜質。
[0045] 上述管坯經490°C均勻化，435°C擠壓變形，490°C X lh+505°C X lh固溶淬火處理， 空冷后自然時效至室溫。
[0046] 經上述方法處理的鋁合金的力學性能達到：抗拉強度為517MPa，屈服強度為 407MPa，延伸率為13. 0% ;160°C熱暴露500h后，拉伸性能達到：抗拉強度為426MPa，屈服強 度為317MPa，延伸率為13. 0%。其性能指標完全達到IS015546標準對鋁合金鉆桿管體的要 求。該實例160°C下熱暴露500h后透射電鏡組織見圖2。
[0047] 實施例3 :
[0048] 本發明提供一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體，其組成為（質量百分數）：Cu5. 8%， Mgl. 4%, Mnl. 1%, TiO. 08%, Ζη0· 6%，Β0· 008%，YbO. 05%，余量為 A1 和不可避免的雜質。
[0049] 上述管坯經495°C均勻化，425°C擠壓變形，495°C X lh+505°C X lh固溶淬火處理， 空冷后自然時效至室溫。
[0050] 經上述方法處理的鋁合金的力學性能達到：抗拉強度為527MPa，屈服強度為 403MPa，延伸率為12. 5% ;160°C熱暴露500h后，拉伸性能達到：抗拉強度為433MPa，屈服強 度為327MPa，延伸率為12. 1%。其性能指標完全達到IS015546標準對鋁合金鉆桿管體的要 求。該實例160°C下熱暴露500h后透射電鏡組織見圖3。
[0051] 如上所述，對本發明的實施例進行了詳細地說明，但是只要實質上沒有脫離本發 明的發明點及效果可以有很多的變形，這對本領域的技術人員來說是顯而易見的。因此，這 樣的變形例也全部包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體，其特征在于組分按重量配比為：Cu4. 8 - 5. 8%， Mgl. 2-1. 8%, Mnl. 〇-1. 2%, TiO. 05-0. 20%, ZnO. 5-0. 6%, BO. 001-0. 01%, YbO. 02- 0. 05%，余量為A1和不可避免的雜質。
2. -種深井超深井鋁合金鉆桿用管體制造方法，其特征在于含有以下步驟； 步驟1 ;備料，按所述的成分配比備料， 步驟2 ;熔煉，利用Cu元素析出強化，Μη元素在特定溫度下的固溶強化及晶粒細化，Zn 和Mg的析出強化，以及Yb、B、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； 步驟3;鑄造獲得管坯， 步驟4 ;鑄錠均勻化、擠壓、固溶， 管坯均勻化加熱溫度：480- 505°C ; 管坯擠壓溫度：400- 450°C ; 多級固溶處理； 步驟5;預變形， 步驟6 ;固溶后空冷自然時效。
3. 根據權利要求2所述的一種深井超深井鋁合金鉆桿用管體制造方法，其特征在于： 步驟4所述的多級固溶處理的開始溫度為460°C-480°C，保溫時間lh，第二級固溶開始溫 度為480°C-500°C，固溶時間lh。
【文檔編號】E21B17/01GK104099500SQ201310114425
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月3日 優先權日:2013年4月3日
【發明者】盧強, 劉鵬, 祖強, 龔建文, 謝居良, 王中勝, 陳家磊, 馮春, 劉永剛, 宋生印 申請人:中國石油天然氣股份有限公司