CN1280444C - 含碳化钒的铁基形状记忆合金及其形状记忆封隔器的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及含碳化钒的铁基形状记忆合金及其形状记忆封隔器，该合金是以Fe、Mn、Si作为主要组成成分的Fe-Mn-Si系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系和Fe-Mn-Si-Cr-Ni-N系形状记忆合金，其组织中含有碳化钒。本发明的材料简化了冶炼工艺，并能大幅度提高记忆性能，经过一次训练即可充分显示出良好的形状记忆性能。利用该合金制备的形状记忆封隔器，这种封隔器结构简单、控制准确、封隔良好、抗高温、易坐封、多级使用方便。

Description

含碳化钒的铁基形状记忆合金及其形状记忆封隔器的应用

技术领域

本发明涉及铁基形状记忆合金和油田封隔器，特别是一种含有碳化钒的铁基形状记忆合金和形状记忆封隔器。

技术背景

铁基形状记忆合金在建筑、机械、石油化工、电力等各项领域用于操作结构，连接结构，防松结构均有广泛前途并备受关注。

上述常用的形状记忆合金是以Fe、Mn和Si为主要组成成分的Fe-Mn-Si系、Fe-Mn-Si-Cr系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni-N系的形状记忆合金。

但是，目前上述几个系列合金还不方便实用，主要原因是这种合金如不经过多次记忆训练，就不能充分显示形状记忆的效果。所谓多次记忆训练即指在一定温度下施加变形，然后在逆相变点以上附近进行退火热处理，再重复上述循环多次训练的操作工艺。以往的Fe-Mn-Si系形状记忆合金由于必须执行上述繁琐训练工艺，影响到推广使用。

中国专利CN 1317595 A公开了一种主要成分是Fe-Mn-Si并含有少量碳化铌的形状记忆合金，经过实效处理即可得到较大回复率。但是上述形状记忆合金中铌元素是贵重元素，成本较高，另外均化处理的温度也较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种含碳化钒的铁基形状记忆合金，可以解决以往的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的繁琐训练问题，即改进的新型Fe-Mn-Si系形状记忆合金，不需要通过复杂处理也能获得良好的形状记忆性能。本发明成本低，均匀化处理容易，形状记忆效果好。

本发明提供一种含碳化钒的铁基形状记忆合金封隔器，它包含新的铁基形状记忆合金成分，是在石油油井封隔器上的成功应用。这种封隔器结构简单、控制准确、封隔良好、抗高温、易坐封、多级使用方便。

本发明是一种含有碳化钒的铁基形状记忆合金，它是至少含有Fe、Mn和Si作为主要化学成分的Fe-Mn-Si系形状记忆合金，其中的组织中含有碳化钒。

本发明上述所说的Fe-Mn-Si系合金中的碳化钒的重量百分比为0.1-1.5％；本发明上述所说的该合金含有碳化钒，要求化学成分中钒与碳的原子比例为V/C≥1。

本发明的制造方法是冶炼添加钒和碳而熔炼成合金，在1000-1200℃的范围内进行均匀化热处理，然后在400-1000℃的温度范围内进行时效处理，使碳化钒析出。

本发明的优选合金是含有Fe、Mn和Si作为主要组成成分，也可包括Ni、Cr、N元素，即为Fe-Mn-Si-Cr、Fe-Mn-Si-Cr-N或Fe-Mn-Si-Cr-Ni-N合金系。该合金的组织中含有碳化钒，由于合金组织中存在碳化钒共格析出，促进了ε马氏体定向长大，从而提供了形状记忆过程所需的参照***，所以能够获得更好的形状记忆效果。因此本发明的形状记忆合金不需要进行多次训练；同时为了配置碳化钒，增加了合金的含碳量，这样简化了冶金工艺，冶炼合金可不必要采用AOD或VOD精炼，当合金含碳量超过0.08％，则可以直接用电弧炉冶炼，因此能大大降低工艺成本。

本发明合金中，上述所说的碳化钒的最佳含量为0.1-1.5％，当碳化钒的重量百分比低于0.1％的时候，不能得到本发明的预期结果；另外，当碳化钒的含量超过1.5％时，合金的力学性能和切削加工性能急剧下降，从实用角度考虑不可取。

本发明的形状记忆合金的化学组成(重量百分比％)如下：

Mn：2-30；Si：2-6；Cr：0-20；Ni：0-20；N：0-0.2；Fe：余量在说明这些化学组成时，需要提出本发明的形状记忆合金组织中含有碳化钒，这样相应碳化钒的化学组成(重量％)应当是：

V≥0.08-1.25；C＝0.02-0.25即由钒和碳构成的碳化钒，如上所述最佳重量比为0.1-1.5％，另外，钒与碳的原子比应在1以上。

上述发明的含有碳化钒的Fe-Mn-Si系形状记忆合金可以采用下述方法制造，即使用规定的元素原料，并添加微量的钒和碳进行熔炼，然后在1000-1200℃的温度范围内进行均质化处理，然后在400-900℃的温度范围内进行时效处理，使碳化钒析出如图1所示，图1(a)为碳化钒的透射电子显微镜(111)_VC暗场像，图1(b)为电子衍射谱，其中大斑点为奥氏体斑点，属于[211]晶带轴，小班点是同位向共格的碳化钒析出相的斑点。

本发明提供了含有碳化钒的形状记忆合金的形状记忆封隔器，它是包含上主体、下主体螺结成本体，本体上下分别有阴阳锥面管螺纹，用于连接上下拉管，上主体和下主体之间螺结上盖圈和下盖圈，其中间夹有胶筒，胶筒内侧上、下水平圆周上均布上形状记忆弓片和下形状记忆弓片；所述的形状记忆弓片是含有碳化钒的形状记忆合金。所述的上形状记忆弓片和下形状记忆弓片可以是上下1-5组形状记忆弓片；所述的上形状记忆弓片和下形状记忆弓片每组可以是6-12片。

本发明可以免除以往Fe-Mn-Si系形状记忆合金繁琐的训练工艺，即不通过复杂处理也能获得良好的形状记忆效果；同时简化了冶炼工艺。本发明可适用于任意形状的合金零件，可以用作连接部件，例如用于连接自来水管、煤气管、石油输送管道等，因为不用焊接连接，就避免了焊缝延迟断裂和应力腐蚀问题。

本发明提供了在石油油井封隔器上成功的应用。这种封隔器结构简单、控制准确、封隔良好、抗高温、易坐封、多级使用方便。

附图说明

图1.碳化钒的电子显微镜图及电子衍射谱。

图2.弯曲法测量形状记忆效应示意图。

图3.不同处理制度获得的形状记忆效应。

图4.形状记忆封隔器示意图。

具体实施方式

实施例1

下面举实例对比说明加入碳化钒与未加碳化钒的效果区别。

通过空气感应炉熔炼制造下列三种化学组成(重量％)的合金。

①Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni

②Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-0.5(VC)

③Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-1.5(VC)

对于②③两种合金，在1200℃温度下均质化10小时，然后在800℃时效处理1.5小时。经过时效处理后的合金试样在透射电镜照片中都发现存在碳化钒。

为了便于比较，熔炼①合金，只进行上述均质化处理，因为合金不含钒，因此检测不到碳化钒，该合金一般要经过多次训练。

对于上述含碳化钒的合金②③和用于比较的一般记忆合金①，通过弯曲法评价形状记忆效果。实验使用的板条状试样，尺寸为0.5mm(厚)×100mm(长)×3mm(宽)。试样的变形量为5％。图2是弯曲法测量形状记忆效应示意图。变形量采用(1)式计算：

${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{t}{t+d}\×100\%---\left(1\right);$

其中，t是试样的厚度，d是模具的直径；形状记忆回复率采用(2)式计算：

其中θ_m代表加热后回复的角度；形状记忆应变回复量采用(3)式计算：

ε_m＝η_m×ε_p                                (3)；

图3示出不同处理制度的形状记忆效果。由图中可以看出，与以往合金相比，本发明合金可以提高20-30％形状记忆回复量。根据本发明，不需要进行多次训练热处理，就可以获得明显的形状记忆功能。本发明可适用于任意形状连接部件，例如用于连接自来水管、煤气管、石油输送管道等，其中由于由于本发明材料形状记忆性能好，用于形状记忆封割器效果非常良好。

实施例2

利用上述材料作成零件，可以制备下述特殊功能封隔器。

石油油井封隔器是油田采油的常用工具，常用于组成注汽管柱、封上注下管柱、封下注上管柱、封窜管柱和两层分注管柱和其他多种用途，有目的封隔和密封油井套管内部空间。过去多用C-Z、DGT、HBD-1、MJS、KT-2、UN1-V1、和R-2等，液压式封隔器结构非常复杂，采用双金属片封隔器可控性很差，热稳定欠佳，因此本发明提出改进。

本发明提出一种形状记忆封隔器，见图4，由上主体1、下主体7螺结成本体、本体上下分别有阴阳锥面管螺纹，用于连接上下拉管，上主体和下主体之间螺结上盖圈2和下盖圈6，其中间夹胶筒4，胶筒内侧上、下水平圆周上均布上形状记忆弓片3和下形状记忆弓片5，有上下两组每组八片，每组还可以是6-12片，按上述材料制造形状记忆弓片。通过上主体壁孔热蒸汽加热形状记忆弓片，使其分别弓起、均匀撑大胶筒，从而压紧密封油井套管，起到封隔采油空间作用。所述的形状记忆封隔器，其组成有上形状记忆弓片和下形状记忆弓片共两组形状记忆弓片，根据需要可增加至5组，或减少至一组。本发明形状记忆封割器结构非常简单，抗高温、易坐封，人为控制性能好，分隔密封可靠，多级使用十分方便。

某油井地下原油粘度高7.9mPa.s，相对密度大0.804g/cm³，原油含腊42-50％，原油压缩系数79.9×10^-5/MPa，由于油层具有偏析和蒸汽超覆现象，则采用两个封隔器以封上注下的方式，注入蒸汽进行开采，注汽压力17.5MPa，蒸气温度350℃，封隔器最大直径118mm，最小内径90mm，封隔器总长短于一般封隔器1/3，为2900mm。形状记忆材料组成为：

C 0.09，Si 5.8，Mn 16，Ni 2，Cr 9，V 0.4，S 0.02，P 0.03，余量Fe。

训练后形状记忆补井尺寸为20mm×8mm×120mm，封隔器下井到预定位置后，通入蒸气温度高于200℃时，上述铁基形状记忆合金制作的形状记忆弓片开始中间变弯***，压迫胶筒扩径，紧密压迫套管内壁，封隔效果良好，坐封时间20min，内外压力差可达20MPa。记忆合金随温度升高，形状弯曲回复越大，合金强度不下降反而升高，因此热稳定性良好，杜绝了封隔器高温软化现象，同时在减少汽量及停汽期间，仍能保持良好的密封状态。由于利用封隔器卡封，该井平均日产达到18吨，平均每日增产6吨，每年单井增产612吨原油，收到良好效果。

Claims (5)

1、一种含碳化钒的铁基形状记忆合金，该合金是以Fe，Mn和Si作为主要成分的Fe-Mn-Si系形状记忆合金，其特征在于其中含有0.1-1.5％的碳化钒，所述的形状记忆合金的重量百分比组成：

Mn：2-30％

Si：2-6％

Cr：0-20％

Ni：0-20％

N：0-0.2％

V  0.08-1.25％

C  0.02-0.25％

Fe：余量；

所述的合金的化学组成中钒与碳的原子比例为V∶C≥1。

2、按照权利要求1所述的形状记忆合金，其特征在于该合金是Fe-Mn-Si-Cr、Fe-Mn-Si-Cr-N或Fe-Mn-Si-Cr-Ni-N合金系。

3、权利要求1所述的含碳化钒的铁基形状记忆合金的制造方法，其特征在于添加钒和碳而熔炼成的合金，在1000-1200℃的温度范围内进行均质化处理，使碳化钒回熔，然后在400-900℃的温度范围内进行时效处理，使碳化钒析出。

4、一种含有权利要求1所述的含碳化钒的铁基形状记忆合金的形状记忆封隔器，其特征在于它是包含上主体、下主体螺结成本体，本体上下分别有阴阳锥面管螺纹，用于连接上下拉管，上主体和下主体之间螺结上盖圈和下盖圈，其中间夹有胶筒，胶筒内侧上、下水平圆周上均布上形状记忆弓片和下形状记忆弓片；所述的形状记忆弓片是含有碳化钒的形状记忆合金。

5、按照权利要求4所述的形状记忆封隔器，其特征在于所述的上形状记忆弓片和下形状记忆弓片是上下1-5组形状记忆弓片；所述的上形状记忆弓片和下形状记忆弓片每组是6-12片。

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