[发明专利]一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

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％，Ti：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。

一种制造620MPa级铝合金钻杆用管体的方法，包括如下步骤：

1)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；

2)多级均匀化处理：将管坯进行多级均匀化处理；

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；

4)双级固溶处理：将挤压后的管坯进行双级固溶处理；

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％；

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。

所述多级均匀化处理的具体过程为：将管坯加热到365～385℃，保温8～12h；然后加热至410℃～425℃，保温10～15h；最后加热至455～465℃，保温30～35h；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的管坯。

所述加热速率为10～20℃/min。

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℃，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。

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℃，保温1～2h后加热至460～465℃保温1～1.5h，然后以喷水冷却，冷却速度为30～50℃/s。

所述双级固溶处理的具体过程中加热的速率大于20℃/min。

所述人工时效的条件为：在120～125℃下保温8h～60h。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

(1)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。

(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。

(3)本发明制造的铝合金钻杆管体的性能达到以下要求：

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

b)管体耐热性能，在120℃下热暴露500小时后的室温抗拉强度≥434MPa、屈服强度≥420MPa、δ₅≥7.0。

c)管体的微观组织为超细η’(MgZn2)相。