CN106269981A - 适用于钻杆料的钛合金无缝管的生产方法 - Google Patents

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孙宇
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Abstract

本发明提供一种适用于钻杆料的钛合金无缝管的生产方法，该钛合金无缝管的制造方法步骤包括：该钻杆料配制；海绵钛真空炉熔炼，浇铸成方坯，方坯经6‑8次锻造、加工后制成圆坯，圆坯在环形炉中采用分段加热，随后加热到相变点以下30‑50℃并保温240‑360min以达到均温，出炉前温度快速升至1000～1080℃，保温1h后出炉，随后进行低速率穿孔，然后经过连轧、再加热、定径后为性能优良、尺寸精度极高的钻杆料。本发明效果是该方法使成品钻杆材料可服役环境大大延伸。冲击韧性可以达到36J(0℃,VL,10*5mm)，锻造后显微组织晶粒度达到8级，成品管尺寸精度可以达到：外径偏差±0.5％、壁厚偏差±10％和成材率提高10％以上。

Description

适用于钻杆料的钛合金无缝管的生产方法
技术领域
本发明涉及一种适用于钻杆料的钛合金无缝管的生产方法。
背景技术
钛合金作为一种先进的轻量化材料，具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等一系列优点，随着钛合金的不断发展，越来越需要高强度、耐腐蚀的钛合金，尤其是钛合金管材需求越来越多，但是由于钛合金具有抗高温、高强度、难变形、加工成型难度极大等特点，造成钛合金管的研制和加工技术难度大，目前我国钛管工业现状已无法适应发展的需要。
目前，针对传统钻杆材料的抗硫化氢能力，日益严苛的各类油气田腐蚀服役环境，使其服役寿命大大缩短，危险系数大幅提升，一旦发生事故将造成大量资源浪费和经济损失。相比于传统钻杆材料，在钻机负载相同的情况下，由于钛合金本身具有其轻质化的特点，以其为原料生产的钛合金钻杆可以将钻探深度大幅提高；另外，其优异的抗腐蚀性能，可以使其安全服役于8000米以上的苛刻腐蚀油气井的开采工作。
目前的钛合金管材生产技术，以成型焊接和钻孔挤压法为主。钛或钛合金带材成形焊接法是将钛或钛合金铸坯经多道次工序轧成带材，纵剪分条处理，然后在成型焊管机上进行成型焊接，这样的方法生产成本低，但是由于其有焊缝，由于钛合金的焊接比较困难，在焊接过程中容易产生夹杂、空洞等冶金缺陷，并且焊缝和热影响区为铸造组织，其晶粒粗大，因而不能使用在重要的使用场合，应用有限制。挤压法是将钛合金或钛合金铸坯加热，送入挤压机挤压成荒管，后经过多道次的轧制和退火处理再加工制造成成品管材，但由于需要大型的挤压机，而且其成品的内外表面质量也较差，金属消耗量大，工艺废料高达10％-15％，成本较高，且生产节奏慢。此方法是通过对于管坯的多次锻造，慢速的管坯穿孔、精准控制热轧制温度、以及对于定径前适当的再加热处理，最终生产出性能优良、尺寸精度优异的钛合金的无缝管钻杆料。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于钻杆料的钛合金无缝管生产方法。该方法可以在提高成材率，降低生产成本的前提下，满足钻杆在尺寸精度和高强度的要求。其屈服强度达到520MPa，冲击功36J(0℃,VL,10*5mm)
为了实现上述目的，本发明提出一种适用于钻杆料的钛合金无缝管生产方法，该方法包括以下操作步骤：
(1)配制海绵钛原料，成分为Al：4.5～5.5％，Fe<0.08％，Si<0.08％，C<0.05％，N<0.02％，H<0.005％，O<0.10％，余量为Ti；
(2)冶炼：采用步骤(1)配制的海绵钛原料，经真空自耗电弧炉熔炼三次，浇铸成方坯；
(3)锻造：将上述方坯经6-8次锻造后，进行机加工，加工成圆坯；
(4)穿孔：将上述圆坯在环形炉中采用分区段加热出炉后，以0.01s-1的变形速率进行穿孔轧制得到钛合金毛管，其中轧制的轧辊速度为65-70rpm，出口速度为0.55-0.60m/s；
(5)连轧：将上述毛管在连轧机组上实施热轧制，轧制温度为900～930℃，得到钛合金荒管；
(6)再加热：经上述热轧的钛合金荒管加热到900～960℃，根据钢管规格保温时间为0.5h～1h，温度控制在900～960℃。
(7)张减：精确调整十四架定径机工艺参数，即前4架为减径量为14％，中间4架减径量为12％，后6架减径量为8～10％，进行定径，上冷床，得到成品管材，其尺寸精度达到外径偏差：±0.5％，壁厚偏差：±10％。
本发明效果是：
1.填补了使用钛合金作为钻杆生产原料的空白，利用钛合金本身具备的轻量化，耐腐蚀的材料特性，使成品钻杆材料可服役环境大大延伸。
2.强度性能稳定，韧性高。在屈服强度≥520MPa的前提下，冲击韧性可以达到36J(0℃,VL,10*5mm)，为钻杆料后期镦粗、热处理，提供了保证。
3.尺寸精度高，成材率优良。根据钛合金变形抗力高、导热系数相对较低以及黏性大等特点，设计的锻造过程，使粗大的铸态组织得到了充分的破碎，锻造后显微组织晶粒度达到8级，因此在生产过程中不易发生由于材料本身特性造成各种缺陷或性能波动过大等情况，例如局部壁薄等情况，因此尺寸精度可以达到：外径偏差±0.5％、壁厚偏差±10％和成材率提高10％以上。
附图说明
图1为本发明锻造后的金相组织。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的适用于钻杆料的钛合金无缝管的生产方法做进一步说明。
具体技术方案如下：
配制海绵钛原料冶炼成分为Al：4.5～5.5％，Fe<0.08％，Si<0.08％，C<0.05％，N<0.02％，H<0.005％，O<0.10％，余量为Ti。
冶炼：原料采用海绵钛，采用真空自耗电弧炉熔炼三次，浇铸成方坯。方坯然后经6-8次锻造成圆坯，过程为：①开坯：1030±10℃，一火次，两镦两拔，每镦每拔变形量控制在50±5％左右，终锻温度≥850℃；②1010±10℃，一火次，两镦两拔，每镦每拔变形量控制在45±5％左右，终锻温度≥850℃；③990±10℃，一火次，两镦两拔，每镦每拔变形量控制在40±5％左右，终锻温度≥850℃；④970±10℃，一火次，两镦两拔，每镦每拔变形量控制在30±5％左右，终锻温度≥850℃；实际锻造次数小于8次时，过程由高温段向低温段依次执行，直至所需次数。最终圆坯规格为φ210。
穿孔：圆坯在环形炉中采取分段加热，其中各区(共6区)段温度及保温时间分别为：1区)800℃，保温1.5h；2区)850℃，保温1.5h；3区)850℃，保温2h；4区)950℃，保温2h；5区)950℃，2h；6区)1000-1050℃，快速升温，保温2h；共计在炉时间12小时。出炉后，采用较低的变形速率，遵循其弹性模量低等材料特性，进行慢穿孔得到钛合金毛管，其中轧辊速度为65-70rpm，出口速度为0.55-0.60m/s。
热轧：将上述毛管在连轧PQF机组上实施热轧制，轧制温度为900～930℃，得到荒管。
再加热：经上述热轧的钛合金管加热到900～960℃，根据钢管规格保温时间为30-60min，得到均匀的篮网组织，这是为了确保定径时管材具有较好的高温韧性的重要环节。
张减：精确调整十四架定径机工艺参数，前4架为减径量为14％，中间4架减径量为12％，后6架减径量为8～10％，进行定径，上冷床，得到成品管材。其尺寸精度可达到外径偏差：±0.5％，壁厚偏差：±10％，且其组织均匀，性能优异。
本发明成品率高，产品尺寸精度高，内部组织极其优良，如图1所示管坯经锻造后组织1000X显微组织晶粒度达到8级。
实施例1
冶炼工艺：原料采用海绵钛，经真空自耗电弧炉熔炼三次；经6次锻造、扒皮得到规格为φ210*2300mm的管坯；
其化学成分如下：Al：4.5％，Fe<0.08％，Si<0.08％，C<0.05％，N<0.02％，H<0.005％，O<0.10％，余量为Ti。
穿孔工艺：环形炉加热后，采用低的变形速率，进行慢穿孔得到钛合金毛管，其中轧辊速度为70rpm,出口速度在0.60m/s。穿管成为Ф210的毛管.
热轧：将上述毛管在连轧PQF机组上实施热轧制，轧制温度为900℃，得到规格为φ185的荒管。
再加热：经上述热轧的钛合金管加热到900℃，根据钢管规格保温时间为30min，得到均匀的篮网组织。
张减：精确调整十四架工艺参数，前4架为减径量为14％，中间4架减径量为12％，后6架减径量为9％，进行定径，上冷床，得到φ127.00X9.19成品管材。其尺寸精度可达到外径偏差：±0.5％t，壁厚偏差：±10％OD
可以达到以下指标：
屈服强度 550MPa；
抗拉强度 640MPa；
延伸率 21％；
冲击功 36J(0℃，VL，10*5mm)；
实施例2
冶炼工艺：原料采用海绵钛，经真空自耗电弧炉熔炼三次；经8次锻造、扒皮得到规格为φ210*2200mm的管坯；
其化学成分如下：Al：5.5％，Fe<0.08％，Si<0.08％，C<0.05％，N<0.02％，H<0.005％，O<0.10％，余量为Ti。
穿孔工艺：环形炉加热后，采用低的变形速率，进行慢穿孔得到钛合金毛管，其中轧辊速度为65rpm,出口速度在0.55m/s。穿管成为Ф210的毛管。
热轧：将上述毛管在连轧PQF机组上实施热轧制，轧制温度为930℃，得到规格为φ185的荒管。
再加热：经上述热轧的钛合金管加热到960℃，根据钢管规格保温时间为60min，得到均匀的篮网组织。
张减：精确调整十四架工艺参数，前4架为减径量为14％，中间4架减径量为12％，后6架减径量为9％，进行定径，上冷床，得到φ127.00X9.19成品管材。其尺寸精度可达到外径偏差：±0.5％，壁厚偏差：±10％
可以达到以下指标：
屈服强度 560MPa；
抗拉强度 645MPa；
延伸率 22％；
冲击功 38J(0℃，VL，10*5mm)。

Claims (4)

1.一种适用于钻杆料的钛合金无缝管生产方法，该方法包括以下操作步骤：
(1)配制海绵钛原料，成分为Al：4.5～5.5％，Fe<0.08％，Si<0.08％，C<0.05％，N<0.02％，H<0.005％，O<0.10％，余量为Ti；
(2)冶炼：采用步骤(1)配制的海绵钛原料，经真空自耗电弧炉熔炼三次，浇铸成方坯；
(3)锻造：将上述方坯经6-8次锻造后，进行机加工，加工成圆坯；
(4)穿孔：将上述圆坯在环形炉中采用分区段加热出炉后，以0.01s-1的变形速率进行穿孔轧制得到钛合金毛管，其中轧制的轧辊速度为65-70rpm，出口速度为0.55-0.60m/s；
(5)连轧：将上述毛管在连轧机组上实施热轧制，轧制温度为900～930℃，得到钛合金荒管；
(6)再加热：经上述热轧的钛合金荒管加热到900～960℃，根据钢管规格保温时间为0.5h～1h，温度控制在900～960℃。
(7)张减：精确调整十四架定径机工艺参数，即前4架为减径量为14％，中间4架减径量为12％，后6架减径量为8～10％，进行定径，上冷床，得到成品管材，其尺寸精度达到外径偏差：±0.5％，壁厚偏差：±10％。
2.根据权利要求1所述的适用于钻杆料的钛合金无缝管生产方法，其特征是：所述步骤(3)锻造过程为：①开坯：温度1030±10℃，一火次，两镦两拔，每镦每拔变形量控制在50％±5％，终锻温度≥850℃；②温度为1010±10℃，一火次，两镦两拔，每镦每拔变形量控制在45％±5％，终锻温度≥850℃；③温度为990±10℃，一火次，两镦两拔，每镦每拔变形量控制在40％±5％，终锻温度≥850℃；④温度为970±10℃，一火次，两镦两拔，每镦每拔变形量控制在30％±5％，终锻温度≥850℃；实际锻造次数小于8次时，过程由高温段向低温段依次执行，直至所需次数，机加工后，得到相应规格的圆坯。
3.根据权利要求1所述的适用于钻杆料的钛合金无缝管生产方法，其特征是：所述步骤(4)中环形炉内采取分段加热，各区段温度及保温时间分别为：1区)温度800℃，保温1h；2区)温度850℃，保温1h；3区)温度850℃，保温2h；4区)温度950℃，保温2h；5区)温度950℃，4h-6h；6区)温度1000-1080℃，快速升温，保温2h；共计在炉时间12-14小时。
4.根据权利要求1所述的适用于钻杆料的钛合金无缝管生产方法，其特征是：所述步骤(4)中轧辊速度为65-70rpm,出口速度在0.55～0.60m/s时，采取0.05s-1的变形速率，进行穿孔。
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