一種鈦合金、由該合金製造的抽油光杆及其應用的製作方法
2023-10-28 13:24:27
一種鈦合金、由該合金製造的抽油光杆及其應用的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種鈦合金，其特徵在於，按照重量百分比計，該鈦合金含有Al：4～8wt%，Mo：2～5wt%，V：2～4wt%，Zr：0.5～3wt%，Si：0.1～1wt%，Fe：0.02～1wt%，其他雜質：0～0.4wt%，餘量為Ti。本發明還涉及一種由該合金製造的抽油光杆及其在油井設備上的應用。
【專利說明】一種鈦合金、由該合金製造的抽油光杆及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鈦合金及由其製造的抽油光杆，屬於石油設備領域。
【背景技術】
[0002]杆泵採油設備是目前國內外主要的採油設備，包括地面抽油機、井下抽油杆串(由抽油光杆、抽油杆和接箍構成)及抽油泵三部分。作為杆泵採油設備的重要部件，抽油光杆的工作環境不斷惡化。隨著深油井、稠油井和高含水井的增多，抽油光杆載荷不斷加大的同時，還要承受油井產出液的腐蝕。採油工業中，對抽油光杆性能的要求日益提高。
[0003]目前對抽油光杆性能改進主要採用表面化學鍍鎳和電鍍鉻的方法，通過在抽油光杆表面增加耐腐蝕和耐磨損的金屬塗層，提供其耐腐蝕性和耐磨損性。但效果並不理想，這類抽油光杆的使用壽命一般只有I~6個月。頻繁更換抽油光杆，不僅造成採油生產的高成本，同時也嚴重影響油田的生產效率。
[0004]為解決上述問題，本發明提供了一種鈦合金及由其製造的抽油光杆，因該鈦合金具有高抗疲勞度、高蠕變強度和較低的彈性模量，由其所製造的抽油光杆耐磨性能遠高於鍍層表面，在疲勞載荷的情況下能夠減少應力，且無表層脫落之憂，將使用壽命提高到目前產品的5-8倍以上。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於，提供一種具有高抗疲勞度、高蠕變強度和較低彈性模量的鈦
I=1-Wl O
[0006]根據本發明的一個方案，其特徵在於，按照重量百分比計，合金中含有Al:4~8wt%, Mo:2 ~5wt%, V:2 ~4wt%, Zr:0.5 ~3wt%, Si:0.1 ~lwt%, Fe:0.02 ~lwt%,其他雜質:0~0.4wt%，餘量為Ti。進一步優選的實施方案為，合金中含有Al:6~7wt%，Mo:3 ~4wt%, V:2 ~4wt%, Zr:1 ~2wt%, Si:0.2 ~0.4wt%, Fe:0.02 ~lwt%,其他雜質:0 ~
0.4wt%，餘量為 Ti。
[0007]合金中的鈦有兩種同質異晶體:密排六方結構α相和體心立方的β相。本申請所述合金中4~8wt%的招及2~4wt%的f凡,作用在於穩定α相,提高合金的常溫和高溫強度、降低比重；2~5wt%的鑰，為β相的共晶型元素,0.02~lwt%的鐵，為β相的共析型元素，兩者協同作用，能夠提高合金的耐熱強度；0.5~3wt%的鋯，有利於提高混晶硬化和耐熱強度；矽能夠提高合金中的耐熱強度和耐氧化性。其他雜質主要為氧、氮、碳和氫，其中氫可以用真空退火除去。
[0008]本申請中所提供的鈦合金是一種綜合性能良好的α +β型熱強鈦合金，在500°C以下有優異的熱強性能(高溫強度、蠕變抗力等)。該合金具有抗拉強度高、密度小、質量輕、比強度高、耐高溫、耐腐·蝕，有熱處理強化效應功能。
[0009]本發明的又一目的在於提供一種具有高耐磨性、抗疲勞性、耐腐蝕性的長壽命抽油光杆。[0010]根據本發明的一個方案，其特徵在於，由所述抽油光杆由鈦合金製得，所述鈦合金中含有 Al:4 ~8wt%, Mo:2 ~5wt%, V:2 ~4wt%, Zr:0.5 ~3wt%, Si:0.1 ~lwt%, Fe:
0.02~lwt%，其他雜質:0~0.4wt%，餘量為Ti ;進一步優選的實施方案為，合金中含有Al:6 ~7wt%, Mo:3 ~4wt%, V:2 ~4wt%, Zr:1 ~2wt%, Si:0.2 ~0.4wt%, Fe:0.02 ~lwt%,其他雜質:0~0.4wt%，餘量為Ti。
[0011]本發明還提供了上述鈦合金抽油光杆的製備方法，其特徵在於，包含以下步驟:
[0012]a)以海綿鈦為 Ti 源，按 Al:4 ~8wt%，Mo:2 ~5wt%，V:2 ~4wt%，Zr:0.5 ~3wt%，Si:0.1~lwt%，Fe:0.02~lwt%，其他雜質:0~0.4wt%，餘量為Ti的比例混合，製成鈦合金電極塊；進一步優選的實施方案為，按Al:6~7wt%,Mo:3~4wt%, V:2~4wt%, Zr:1~2wt%, Si:0.2~0.4wt%, Fe:0.02~lwt%，其他雜質:0~0.4wt%，餘量為Ti的比例混合，製成鈦合金電極塊；
[0013]b)將步驟a)所得鈦合金電極塊焊接成鈦合金電極杆；
[0014]c)將步驟b)所得鈦合金電極杆熔煉兩次以上，得到鈦合金鑄錠；
[0015]d)步驟c)所得鈦合金鑄錠，經過下料、鍛造、軋制、退火矯直，扒皮拋光後，得到所述鈦合金抽油光杆。
[0016]作為一個優選的實施方式，所述步驟a)中電極塊的製備可採用擠製成型法、壓製成型法或等靜壓成型法；進一步優選的實施方式為，採用立式橫壓法或等靜壓成型法。
[0017]作為一個優選的實施方式，所述步驟b)中，採用真空焊接技術將步驟a)所得電極塊焊接成電極杆。
[0018]作為一個優選的實施方式，所述步驟c)中，採用真空自耗熔煉工藝將鈦合金電極杆熔煉成鈦合金錠。
[0019]作為一個優選的實施方式，所述步驟d)中的鍛造，可採用開坯鍛造、自由鍛造、模鍛、旋煅、恆溫鍛造或冷鍛造中的任意一種或任意幾種的結合，進一步的優選實施方式為開坯鍛造，鍛造溫度在900~1200°C之間。本領域技術人員，可根據公知常識和實際需要，選擇鍛造溫度，以保證獲得理想的鈦合金性能。
[0020]所述下料，可採用剪切法、鋸切法、砂輪片切割法、折斷法、氣割法、摩擦切割、電機械鋸割、陽極機械切割法、電火花切割法或精密下料法。本領域技術人員，可根據實際需要，選擇任意合適的下料方法。
[0021 ] 所述的任一鈦合金可用於機械設備。
[0022]所述任一鈦合金抽油光杆可用於油井設備。
[0023]根據本領域公知常識，本發明所述抽油光杆為石化行業用語，一般指金屬圓形杆件，它上連抽油機下連抽油杆，起傳遞動力的作用。
[0024]根據本領域公知常識，等靜壓成型法是利用液體介質的不可壓縮性，並能均勻的向各個方向傳遞壓力的特點·，將金屬壓製成電極塊。
[0025]根據本領域公知常識，本發明所述真空自耗爐的熔煉工藝，是指在真空或保護性氣氛條件下，依靠電弧的熱能把金屬電極熔化，重新融成錠。其優點在於，在電極熔化過程中，金屬液經過電弧區被加熱到高溫，在真空條件下，金屬中的氣體和雜質得到進一步的去除，使金屬的質量得到提高。
[0026]本發明能產生的有益效果為:[0027]鈦合金抽油光杆綜合性能突出，鈦合金抽油光杆室溫、高溫力學性能都好於油田用棒，可在惡劣環境下長期工作，完全可以替代A0C-140油田棒。鈦合金抽油光杆在500°C高溫下力學性能、持久強度為745Mpa和640Mpa比純鈦棒的室溫抗拉強度還高。與目前普遍採用的AOC抽油光杆相比，本發明所述鈦合金抽油光杆具有更高的抗疲勞強度、蠕變強度和較低的彈性模量，在疲勞載荷的情況下能夠減少應力；耐磨性能比鍍層高出許多；因為是整體鈦合金，不存在AOC抽油光杆中表層脫落的問題；大幅提高了抽油光杆的壽命，在保證製造成本小於AOC抽油光杆2倍的前提下，將使用壽命至少提高了 5-8倍，重量減輕近50%左右；所述鈦合金抽油光杆在油田開採設備中的應用，將為油田開採產業帶來一場革命性的進步。
【具體實施方式】
[0028]下面通過實施例詳述本發明，但本發明並不局限於這些實施例。
[0029]鈦合金抽油光杆的具體加工過程為:海綿鈦加合金包壓制電極一電極塊真空焊接—三次真空自耗熔煉鑄錠一鑄錠扒皮去冒口、底部一化學成分取樣、冒口探傷、打硬度一電爐加熱鍛造、打磨一電爐加熱軋機軋制毛棒一電爐退火棒材一矯直棒材一表面扒皮一精密矯直一棒材拋光一高低溫力學性能一尺寸外觀檢查一入庫。
[0030]實施例1
[0031]經150°C X2h電爐烘乾的I級海綿鈦，與Al-Mo合金、Al-Si合金、Al-V合金、純鋁及純鋯屑等，按照一定比例，由2500t油壓機壓製成電極塊，在自耗電弧爐內真空焊接，經真空自耗電弧爐三次熔煉成Φ400Χ 1500mm的鑄錠，然後經車床扒皮、去冒口和底部，車光後實際鑄錠尺寸為Φ 382 X 1450mm;然後分別在鑄錠上下部位取樣(上部記為1#，下部記為2#)，檢測化學成分和硬度；對鑄錠冒口部位進行超聲波探傷、尺寸和表面質量檢查，再把車光後的鑄錠經電爐加熱、自由鍛開坯鍛造成方棒，經砂輪修磨後軋棒機軋製成毛坯棒，由電爐對毛坯棒進行熱處理退火，經矯直機矯直毛棒，再經扒皮機對棒材表面扒皮，然後對扒完皮的棒材用特種壓力機進行精確矯直，最後經拋光機對棒材表面拋光，再分別對棒材上下部取樣(上部記為3#，下部記為4#)檢測。鈦合金抽油光杆尺寸Φ28.65X9000mm。
[0032]表1鈦合金抽油光杆室溫力學性能對比
[0033]
【權利要求】
1.一種鈦合金，其特徵在於，按照重量百分比計，合金中含有Al:4~8wt%』 Mo:2~5wt%, V:2 ~4wt%, Zr:0.5 ~3wt%, Si:0.1 ~lwt%, Fe:0.02 ~lwt%,其他雜質:0 ~0.4wt%，餘量為 Ti。
2.根據權利要求1所述的鈦合金，其特徵在於，按照重量百分比計，合金中含有Al:6 ~7wt%,Mo:3 ~4wt%, V:2 ~4wt%, Zr:1 ~2wt%，Si:0.2 ~0.4wt%, Fe:0.02 ~0.06wt%,其他雜質:0~0.4wt%，餘量為Ti。
3.一種鈦合金抽油光杆，其特徵在於，由權利要求1或2所述鈦合金製得。
4.權利要求3所述鈦合金抽油光杆的製備方法，其特徵在於，包含以下步驟: a)以海綿鈦為Ti源，按權利要求1所述組分及比例混合，製成鈦合金電極塊； b)將步驟a)所得鈦合金電極塊焊接成鈦合金電極杆； c)將步驟b)所得鈦合金電極杆熔煉兩次以上，得到鈦合金鑄錠； d)步驟c)所得鈦合金鑄錠，經過下料、鍛造、軋制、退火矯直，扒皮拋光後，得到所述鈦合金抽油光杆。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述步驟a)中電極塊的製備可採用擠製成型法、壓製成型法或等靜壓成型法。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述步驟b)中，採用真空焊接技術將電極塊焊接成電極杆。
7.根據權利要求4所述`的方法，其特徵在於，所述步驟c)中，採用真空自耗熔煉工藝將鈦合金電極杆熔煉成鈦合金錠。
8.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述步驟d)中的鍛造，可採用開坯鍛造、自由鍛造、模鍛、旋煅、恆溫鍛造或冷鍛造中的任意一種或任意幾種的結合。
9.權利要求1或2所述的鈦合金在機械設備上的應用。
10.權利要求3所述鈦合金抽油光杆在油井設備上的應用。
【文檔編號】C22C1/02GK103667789SQ201410005189
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2014年1月6日 優先權日:2014年1月6日
【發明者】楊林 申請人:北京宏大鈦科貿有限公司