耐氯離子腐蝕型鋁合金油管用鋁合金及其管材制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油管制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耐氯離子腐蝕型鋁合金油管用鋁合金及其管材制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油工業(yè)的發(fā)展，對(duì)具有高比強(qiáng)度、塑韌性好、耐腐蝕、耐疲勞等性能的生產(chǎn)管柱的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。鋁合金油管具備上述特性且以其優(yōu)良的性價(jià)比，其研究受到世界各國(guó)的廣泛重視。
[0003]目前做為油氣資源生產(chǎn)管柱普遍使用的耐蝕合金油管如鎳基合金油管、鐵鎳基合金油管、雙相不銹鋼油管、馬氏體不銹鋼油管等多采用N1、Mo、Cr等貴金屬元素高合金化設(shè)計(jì)，成本較高，比強(qiáng)度低，工藝復(fù)雜，加工難度大，加工性能要求較高，成材率低，供貨周期長(zhǎng)，完井管柱耐硫化氫應(yīng)力腐蝕性能低。
[0004]采用鋁合金管材生產(chǎn)的鋁合金油管，可簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、降低加工難度、顯著提高管材成材率、大幅度降低生產(chǎn)成本和供貨周期。此外，采用鋁合金油管可顯著減輕完井管柱重量、大幅度降低不同深度完井管柱的應(yīng)力集中、提高管柱服役壽命及安全性。
[0005]但是，隨油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，生產(chǎn)管柱的腐蝕環(huán)境越發(fā)惡劣，特別是鋁合金油管需要面對(duì)更高的Cl—腐蝕環(huán)境，傳統(tǒng)鋁合金油管用材料在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)難以滿足耐Cl—腐蝕性能要求。開(kāi)發(fā)具有高強(qiáng)度且耐Cl—腐蝕的鋁合金油管用鋁合金及其制造方法具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用推廣前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，比強(qiáng)度高，耐氯離子腐蝕性能好的鋁合金油管用鋁合金及其管材制造方法。
[0007]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0008]—種耐氯離子腐蝕型鋁合金油管用鋁合金，以重量百分比計(jì)，包括Zn:6.90?7.49%，Mg:2.10?2.30%，Cu:0.05?0.10%，Mn:0.10?0.30%，Cr:0.10?0.30%，T1:0.01 ?0.02%，Zr:0.15?0.2%，Sc:0.05?0.1，其余為Al和雜質(zhì)。
[0009]優(yōu)選的，雜質(zhì)中Si含量不大于鋁合金總重量的0.10%，F(xiàn)e含量不大于鋁合金總重量的0.10%。
[0010]一種制造耐氯離子腐蝕型鋁合金油管用鋁合金管材的方法，包括如下工藝步驟:
[0011]1)以重量百分比計(jì)，將211:6.90?7.49%，]\^:2.10?2.30%，Cu:0.05?0.10%，Mn:0.10?0.30%，Cr:0.10?0.30%，T1:0.01?0.02%，Zr:0.15?0.2%，Sc:0.05?0.1，余量為Al和雜質(zhì)，進(jìn)行冶煉和爐外精煉后鑄造制得空心錠坯；
[0012]2)將空心錠坯加熱進(jìn)行兩級(jí)均勻化處理；
[0013]3)將兩級(jí)均勻化處理后的空心錠坯在高溫下經(jīng)進(jìn)行擠壓；
[0014]4)將擠壓后的管坯進(jìn)行雙級(jí)固溶處理并淬火冷卻；
[0015]5)將淬火冷卻后的管坯進(jìn)行管材的預(yù)拉伸變形；
[0016]6)將預(yù)拉伸變形后的管材進(jìn)行人工時(shí)效處理，得到耐氯離子腐蝕型鋁合金油管用鋁合金管材。
[0017]優(yōu)選的，按重量百分比計(jì)，根據(jù)的雜質(zhì)中Si不大于鋁合金總重量0.10%和Fe不大于鋁合金總重量0.10%的要求，對(duì)Al按純度進(jìn)行選擇備料。
[0018]優(yōu)選的，步驟2)所述兩級(jí)均勻化處理時(shí)，先將錠坯加熱到380?385°C并保溫12h進(jìn)行第一級(jí)均勻化;然后加熱至465?470°C并保溫24h進(jìn)行第二級(jí)均勻化。
[0019]優(yōu)選的，步驟3)所述進(jìn)行擠壓時(shí)，錠坯的溫度為415?425°C，擠壓比大于18，擠壓速度為3?5mm/s。
[0020]優(yōu)選的，步驟4)所述雙級(jí)固溶處理時(shí)，先加熱到445?450°C并保溫2h進(jìn)行第一級(jí)固溶處理;然后再加熱至460?470 V并保溫Ih進(jìn)行第二級(jí)固溶處理。
[0021 ]優(yōu)選的，步驟5)所述預(yù)拉伸變形的預(yù)拉伸變形量為2.0?3.0 %。
[0022]優(yōu)選的，步驟6)所述人工時(shí)效處理時(shí)，加熱至110?120°C并保溫72h進(jìn)行低溫長(zhǎng)時(shí)間人工時(shí)效。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0024]本發(fā)明所述的鋁合金，以高含量Zn和低含量Mg的搭配大大提高了其強(qiáng)度性能;適量的Mn、Cr提高了其強(qiáng)度和重復(fù)加載抗力，并保證了其良好的塑韌性;微量T1、Zr、Sc作為補(bǔ)充和完善，細(xì)化晶粒及析出強(qiáng)化保證了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和性能的可靠;其整體比強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，成本低廉，加工性好，成材率高。
[0025]進(jìn)一步的，通過(guò)控制不可避免的Fe和Si的含量，極大的避免了缺口作用的發(fā)生。
[0026]本發(fā)明所述的制造方法，通過(guò)兩級(jí)均勻化處理、預(yù)拉伸變形和低溫長(zhǎng)時(shí)間人工時(shí)效相結(jié)合的處理工藝，獲得晶內(nèi)超細(xì)V相和晶界斷續(xù)η相為主的組織;能夠消除不同鑄錠偏析，有效防止鑄錠開(kāi)裂;能夠增加位錯(cuò)密度，提高晶內(nèi)強(qiáng)化析出相形核率，提高強(qiáng)度;而且還能夠改善晶界η相分布情況，降低晶內(nèi)和晶界之間的電極電位差，提高耐氯離子腐蝕性能。從而保證鋁合金油管用管材具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。
[0027]進(jìn)一步的，所述的鋁合金以及管材中，通過(guò)合理的成分和變形熱處理工藝進(jìn)行最終產(chǎn)品的組織和質(zhì)量控制，各成分的作用及處理后的效果如下。
[0028]鋅和鎂是鋁合金油管用鋁合金中主要強(qiáng)化元素。在充分固溶情況下，Zn和Mg在合金中形成主要強(qiáng)化相n’(MgZn2)。11’相在合金中的溶解度隨溫度的降低而急劇下降，Tl’相在共晶溫度下的溶解度達(dá)28%，在室溫下下降到4?5%，具有很強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化效果。在固溶極限范圍內(nèi)，提高Zn、Mg含量可以大大提高強(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致合金的斷裂韌性和抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能降低。對(duì)于本發(fā)明的一種耐氯離子腐蝕型鋁合金油管用鋁合金采用6.90?7.49%的Zn含量和2.10?2.30 %的Mg含量設(shè)計(jì)。
[0029]銅是鋁合金油管用鋁合金中重要合金元素。Cu可與Al和Mg形成強(qiáng)化相S相(Al2CuMg)對(duì)鋁合金產(chǎn)生附加的強(qiáng)化效果，提高鋁合金管材的強(qiáng)度和重復(fù)加載抗力。Cu能提高沉淀相的彌散度，改善晶間結(jié)構(gòu)，如晶界沉淀相、晶界無(wú)沉淀析出帶。但Cu的加入有產(chǎn)生晶間腐蝕和點(diǎn)腐蝕的傾向。對(duì)于本發(fā)明的耐氯離子腐蝕型鋁合金油管用鋁合金Cu含量設(shè)計(jì)在0.05?0.10%范圍。
[0030]錳是鋁合金油管用鋁合金中經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素。Mn可細(xì)化晶粒、阻礙基體晶粒長(zhǎng)大和再結(jié)晶，在不降低鋁合金塑性和韌性的情況下，提高鋁合金管材強(qiáng)度。但過(guò)量的Mn會(huì)降低Zn、Mg等溶質(zhì)元素在基體中的溶解度從而降低強(qiáng)韌性。因此，本發(fā)明選取的Mn含量:0.10?
0.30%。
[0031]鉻是補(bǔ)償鋁合金油管用鋁合金中因強(qiáng)度升高而引起塑韌性損失的強(qiáng)化元素。Cr元素在提高管材的塑韌性的同時(shí)降低應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，但過(guò)量的Cr將降低鋁合金管材的淬透性。因此，本發(fā)明選取的Cr含量:0.10?0.30%。
[0032]鈦、鋯、鈧是鋁合金油管用鋁合金中細(xì)化晶粒、抑制再結(jié)晶的元素。T1、Zr、Sc和Al結(jié)合分別形成Al3T1、Al3Zr、Al3SC金屬間化合物，這種金屬間化合物有兩種結(jié)構(gòu)和形態(tài):從熔體中直接析出的Al3T1、Al3Zr、Al3Sc為四方結(jié)構(gòu)，可顯著細(xì)化合金的鑄態(tài)晶粒;另一種是鑄錠均勻化過(guò)程中析出的球形粒子，與基體共格，具有強(qiáng)烈抑制熱加工過(guò)程中再結(jié)晶的作用。此外，微量Sc對(duì)于提高合金組織均勻性，提高合金耐腐蝕性作用顯著。綜合考慮成本及上述微量元素作用，本發(fā)明選取的Ti含量:0.01?0.02%、Zr含量:0.15?0.2%、Sc含量:
0.05 ?0.1%ο
[0033]鐵和硅是鋁合金油管用鋁合金中的有害雜質(zhì)，在合金中是不可避免的，主要來(lái)自原材料、熔煉和鑄造中使用的工具和設(shè)備。Fe和Si在合金中主要以硬而脆的FeAl3和游離的Si形式存在，包括以粗大的不溶或難溶的Mg2S1、Al6Fe、AlFeS1、Al7Cu2Fe等脆性相和共晶化合物的形式存在。含F(xiàn)e、Si的相在室溫下很難溶解，起到缺口作用，容易成為裂紋源而使材料發(fā)生斷裂。為顯著提高本發(fā)明合金的耐蝕性，需要嚴(yán)格控制Fe、Si含量。因此，本發(fā)明中控制Fe含量 <0.10%，Si含量 <0.10%。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為本發(fā)明實(shí)例I的人工時(shí)效后鋁合金管材的透射電鏡組織圖。
[0035]圖2為本發(fā)明實(shí)例2的人工時(shí)效后鋁合金管材的透射電鏡組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0037]實(shí)施例1
[0038]本發(fā)明一種耐氯離子腐蝕型鋁合金油管用鋁合金，其化學(xué)成分以重量百分比計(jì)包括:7.49% 的 Ζη，2.30% 的 Mg，0.05% 的 Cu，0.26% 的 Μη，0.10% 的 Cr，0.01% 的 Ti，0.2% 的Zr，0.05 %的Sc，其余成分為Al和不可避免雜質(zhì)，其中不可避免的雜質(zhì)中包括占鋁合金總重量0.09% 的 Fe，0.06% 的 Si。
[0039]上述耐氯離子腐蝕型鋁合金油管用鋁合金管材的制造方法為，將上述原料進(jìn)行冶煉和爐外精煉后鑄造制得空心錠坯，空心錠坯在加熱爐內(nèi)分別加熱至385°C、465