本發(fā)明涉有色金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈦合金油井管的制備方法。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油天然氣的需求與日俱增，加快了對含高H₂S、CO₂、CL^-等勘探開發(fā)成本高、工況極其苛刻的油氣田的開發(fā)，我國廣泛分布的天然氣資源中含硫氣的氣田占相當(dāng)大的比例，如四川、新疆塔里木區(qū)塊都屬于含硫油氣田。國內(nèi)對含高H₂S、CO₂、CL^-氣田的防腐問題已經(jīng)開展了多年的的研究與技術(shù)攻關(guān)，并采取多種防腐措施，如采用低合金抗硫管材、加注緩蝕劑，防腐涂層，鎳基合金等。目前我國西部地區(qū)使用的耐腐蝕合金管材主要與13Cr和鎳基合金為主，對于高含硫地區(qū)13Cr已經(jīng)無法滿足苛刻環(huán)境的需要。鎳基合金雖然耐腐蝕性能好，但是鎳基合金也存在加工工藝復(fù)雜，生產(chǎn)技術(shù)難度大，材料成本高表面容易損傷等缺陷，并且我國鎳資源匱乏，依賴與鎳基合金管材不利于油氣田的長期戰(zhàn)略發(fā)展。

由于普通的碳鋼、低合金鋼乃至13Cr、22Cr等材質(zhì)的油井管，其機(jī)械性能和耐蝕性能差，以及目前采用的油井管絲扣和粘扣螺紋表面間的摩擦力和上扣扭矩大、抗黏扣性能差等問題，降低了油井管的氣密性和使用壽命，已經(jīng)不能滿足上述特殊環(huán)境的要求，必須采用高耐腐蝕合金石油管材。鈦合金密度小，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性能優(yōu)異，具有良好的抗疲勞和蠕變性能，在石油化工行業(yè)有巨大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述機(jī)械性能、耐蝕性能差，油井管絲扣氣密性和粘扣問題，提供一種鈦合金油井管的制備方法，采用新的螺紋接頭和納米銅涂料，從而提高了油井管的氣密性和使用壽命，有效的降低螺紋表面間的摩擦力和上扣扭矩，達(dá)到改善油套管抗黏扣性能的目的。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種鈦合金油井管的制備方法，步驟包括：

1）制備鈦合金管坯

將Ti-6Al-4V-0.1Ru鈦合金坯料按要求長度切斷，并對切斷后的坯料按要求加工到相應(yīng)的外徑尺寸，同時(shí)保證其加工后的表面粗糙度Ra＜3.2μm，得鈦合金管坯；

2）制備鈦合金管

對鈦合金坯料兩端面加工定心孔，坯料表面涂刷防護(hù)涂料，然后置于環(huán)形爐中加熱，再依次經(jīng)穿孔、軋管、定徑、冷卻、矯正、鋸切、噴砂工序，得鈦合金管；

3）連接扣螺紋加工

將鈦合金管連接扣部位的管體與接箍相互配合的密封面進(jìn)行外圓加工，然后在管體與接箍兩端分別加工出偏梯形螺紋的公、母螺紋，再通過數(shù)控車床進(jìn)行螺紋精加工，完成螺紋車絲工作；

４）螺紋表面防黏扣處理

按下述質(zhì)量百分含量組成的原料配制防黏扣涂料：有機(jī)粘結(jié)劑30～40%、固體潤滑劑45～60%、防腐劑6～14%、潤濕劑0.05～0.1%，混合后，上述原料混合后涂刷于螺紋表面，干燥，得鈦合金油井管。

步驟２）中所述的防護(hù)涂料，質(zhì)量百分含量組成：SiO₂ 20～45%、Al₂O₃ 2～5%、Li₂CO₃5～10%、H₂BO₃ 20～40%、TiO₂ 0～5%、CaCO₃ 3～10%、ZrO₂ 5～10%、Na₂CO₃ 5～10%、K₂CO₃ 10～15%、粘結(jié)劑１％；所述的粘結(jié)劑為95wt%的聚丙烯酸鈉和5wt%NaSiO₃?9H₂O的混合物。

步驟2）中，環(huán)形爐中加熱時(shí)，采用分段加熱，包括低溫慢速段和高溫快速段，具體為：低溫慢速段加熱速度為10min/cm，包括預(yù)熱段500～650℃、加熱I段650～800℃、加熱II段800～1000℃和加熱III段1000～1080℃；高溫快速段微氧化氣氛加熱保溫，爐膛微正壓，加熱速度為7min/cm，包括均熱段溫度1000～1070℃，出料溫度950～1120℃。

步驟2）中，所述的穿孔，穿孔前溫度為920～1050℃，穿孔過程中溫度960～1120℃，穿孔后溫度930～1080℃；

步驟2）中，所述的軋管，對管坯進(jìn)行二次精軋，其中，精軋前溫度880～1050℃，精軋過程中溫度930～1010℃，精軋后溫度830～980℃。

步驟2）中，所述的定徑，定徑前溫度為850～980℃，最高加熱溫度為1100℃，定徑后溫度為760～840℃。

步驟3）中，所述的管體端部和接箍內(nèi)臺階面相互配合的密封面優(yōu)選圓弧型；

步驟3）中，所述的偏梯形螺紋，優(yōu)選為每英寸8牙、6牙、5牙，具體根據(jù)尺寸確定。

步驟3）中，所述偏梯形螺紋加工使用錯齒絲錐進(jìn)行攻絲操作，即將絲錐的刀齒每間隔一個就去掉一個，呈交錯排列；偏梯形螺紋加工設(shè)備為：采用FANUC系統(tǒng)，床身導(dǎo)軌采用重載滾動直線導(dǎo)軌，可承受重切削，60°傾斜式床身結(jié)構(gòu)，液壓卡盤，上下固定刀架組合。

步驟4）中，所述的有機(jī)粘結(jié)劑優(yōu)選聚酰胺酰亞胺樹脂；所述的固體潤滑劑優(yōu)選組成為60wt%納米銅、20wt%聚四氟乙烯和20wt%二硫化銅的混合物；所述的防腐劑優(yōu)選硬脂酸鈣；所述的潤濕劑優(yōu)選聚醚硅氧烷共聚物。

本發(fā)明鈦合金油井管制備方法，選用 Ti-6Al-4V-0.1Ru作為油井管管體材料，與一般TC4材質(zhì)的鈦合金相比，提高了其在氯離子環(huán)境中抗縫隙腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕。坯料在加熱前表面涂刷防護(hù)涂料可以避免棒坯在加熱時(shí)與氧、氮、碳、鐵等發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)及吸氫，由于封閉涂料的應(yīng)用隔離了有害成分，實(shí)現(xiàn)了環(huán)形爐加熱工藝，相對電爐加熱工藝降低了成本、提高了效率。采用新型的接頭，新型接頭具有良好的氣密性能、連接強(qiáng)度高、不易錯扣、上扣扭矩易控制。接扣密封面圓弧設(shè)計(jì)降低了應(yīng)力集中腐蝕，接頭內(nèi)孔流線型設(shè)計(jì)，提高了流動效率，減少了渦流和沖蝕。改進(jìn)偏梯形螺紋，連接強(qiáng)度高、不易錯扣、黏扣；接頭部位的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，不低于管體的強(qiáng)度，提供精確的擰結(jié)定位，增強(qiáng)了接頭的密封能力及整體連接強(qiáng)度。新型的納米銅復(fù)合納米減磨涂料，不但能有效的提高鈦合金抗黏扣性能，而且不會損傷鈦合金的力學(xué)性能，采用納米銅為基體，加入其它納米顆粒，環(huán)氧樹脂作為主要粘合劑，符合節(jié)能環(huán)保要求。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：本發(fā)明制備一種新型的油井管，耐腐蝕性強(qiáng)，機(jī)械性能好，使用壽命長，而且抗黏扣能力優(yōu)異。通過對油井套管特殊螺紋和接扣的處理，以及防護(hù)和防黏扣涂料的研發(fā)和使用，從而提高了油井管的氣密性和使用壽命，有效的降低螺紋表面間的摩擦力和上扣扭矩，達(dá)到改善油套管抗黏扣性能的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明鈦合金管連接扣部位的管體（A）與接箍（B）及螺紋；

圖2為本發(fā)明鈦合金油井管與普通油井管不同載荷下的摩擦因數(shù)；

圖中，1、2N-普通油井管，2、6N-普通油井管，3、10N-普通油井管， 4、2N-鈦合金油井管，5、6N-鈦合金油井管，6、10N-鈦合金油井管；

圖3為本發(fā)明鈦合金油井管與普通碳鋼油井管耐鹽霧腐蝕速率對比。

具體實(shí)施方式

下面將通過實(shí)施例進(jìn)一步的描述本發(fā)明技術(shù)方案。這些描述并不是對本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步的限定。凡對本發(fā)明內(nèi)容所作的等同替換，或相應(yīng)的改進(jìn)，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

實(shí)施例1

一種鈦合金油井管的制備方法，步驟包括：

1）制備鈦合金管坯

將Ti-6Al-4V-0.1Ru鈦合金坯料按要求長度切斷，并對切斷后的坯料按要求加工到相應(yīng)的外徑尺寸，同時(shí)保證其加工后的表面粗糙度Ra＜3.2μm，得鈦合金管坯；

2）制備鈦合金管

對鈦合金坯料兩端面加工定心孔，坯料表面涂刷防護(hù)涂料（防護(hù)涂料，質(zhì)量百分含量組成SiO₂ 32%，Al₂O₃5%，Li₂CO₃ 5%，H₂BO₃ 23%，TiO₂ 5%，CaCO₃ 7%，ZrO₂5%，Na₂CO₃ 7%，K₂CO₃10%，粘結(jié)劑１%；粘結(jié)劑為0.95wt%的聚丙烯酸鈉和5wt%NaSiO3?9H2O混合組成）；

然后置于環(huán)形爐中分段加熱，低溫慢速段加熱速度為10min/cm，包括預(yù)熱段500℃～650℃、加熱I段650～800℃、加熱II段800～1000℃和加熱III段1000～1080℃；高溫快速段微氧化氣氛加熱保溫，爐膛微正壓，加熱速度為7min/cm，包括均熱段溫度1000～1070℃，出料溫度950～1120℃；

再依次經(jīng)穿孔（穿孔前溫度為920～1050℃，穿孔過程中溫度960～1120℃，穿孔后溫度930～1080℃）、軋管（二次精軋，其中，精軋前溫度880～1050℃，精軋過程中溫度930～1010℃，精軋后溫度830～980℃）、定徑（定徑前溫度為850～980℃，最高加熱溫度為1100℃，定徑后溫度為760～840℃）、冷卻、矯正、鋸切、噴砂工序，得鈦合金管；

3）連接扣螺紋加工

將鈦合金管連接扣部位的管體與接箍相互配合的密封面進(jìn)行外圓加工（使管體端部和接箍內(nèi)臺階面相互配合的密封面為圓弧型），然后在管體與接箍兩端分別加工出偏梯形螺紋的公、母螺紋（每英寸6牙），再通過數(shù)控車床進(jìn)行螺紋精加工，完成螺紋車絲工作（圖1）；

所述偏梯形螺紋加工使用錯齒絲錐進(jìn)行攻絲操作，即將絲錐的刀齒每間隔一個就去掉一個，呈交錯排列；偏梯形螺紋加工設(shè)備為：采用FANUC系統(tǒng)，床身導(dǎo)軌采用重載滾動直線導(dǎo)軌，可承受重切削，60°傾斜式床身結(jié)構(gòu)，液壓卡盤，上下固定刀架組合；

４）螺紋表面防黏扣處理

按下述質(zhì)量百分含量組成的原料配制防黏扣涂料：有機(jī)粘結(jié)劑35.1%、固體潤滑劑54.8%、防腐劑10%、潤濕劑0.1%，混合后，上述原料混合后涂刷于螺紋表面，干燥，得鈦合金油井管。

其中有機(jī)粘結(jié)劑為聚酰胺酰亞胺樹脂；固體潤滑劑組成為60wt%納米銅、20wt%聚四氟乙烯和20wt%二硫化銅的混合物；防腐劑為硬脂酸鈣；潤濕劑為聚醚硅氧烷共聚物。

實(shí)施例2

一種鈦合金油井管的制備方法，與實(shí)施例1不同之處在于：

2）防護(hù)涂料，質(zhì)量百分含量組成 SiO₂ 24%，Al₂O₃5%，Li₂CO₃ 9%，H₂BO₃ 26%，TiO₂ 5%，CaCO₃ 8%，ZrO₂ 4%，Na₂CO₃ 9%，K₂CO₃ 10%，粘結(jié)劑１%；粘結(jié)劑為95wt%的聚丙烯酸鈉和5wt%NaSiO3?9H2O混合組成。

3）公、母螺紋每英寸8牙；

４）防黏扣涂料：有機(jī)粘結(jié)劑33.95%、固體潤滑劑60%、防腐劑6%、潤濕劑0.05%。

實(shí)施例3

一種鈦合金油井管的制備方法，與實(shí)施例1不同之處在于：

2）防護(hù)涂料，質(zhì)量百分含量組成SiO₂ 39%，Al₂O₃5%，Li₂CO₃ 5%，H₂BO₃ 20%，TiO₂ 5%，CaCO₃ 5%，ZrO₂ 5%，Na₂CO₃ 5%，K₂CO₃ 10%，粘結(jié)劑１%；粘結(jié)劑為95wt%的聚丙烯酸鈉和5wt%NaSiO3?9H2O混合組成。

3）公、母螺紋每英寸5牙；

４）防黏扣涂料：有機(jī)粘結(jié)劑40%、固體潤滑劑45.9%、防腐劑14%、潤濕劑0.1%。

本發(fā)明制備的鈦合金油井管產(chǎn)品（已實(shí)施例1為例）性能分析：

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在不同載荷下鈦合金油井管和普通油井管摩擦因數(shù)的對比，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)所采用的對磨材料為氮化硅，載荷分別為2、6、10N轉(zhuǎn)速225r/min，時(shí)間為12分鐘，結(jié)果如圖2所示，結(jié)果顯示：本發(fā)明制備的的鈦合金油井管式樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線比普通鋼要平緩的多，基本上不隨時(shí)間而變化。隨著載荷的增大，鈦合金油井管的摩擦因數(shù)有所增加，但增加幅度不大，而參照試樣的摩擦因數(shù)變化幅度較大。在不同載荷下普通油井管的摩擦因數(shù)都要大于鈦合金油井管的摩擦因數(shù)。

本發(fā)明鈦合金油井管與普通碳鋼油井管耐鹽霧腐蝕速率對比，如圖3所示，結(jié)果顯示：鈦合金鹽霧腐蝕速率是碳鋼的萬分之一、不銹鋼的千分之一。

可見，本發(fā)明油井管采用了新型的螺紋接頭和納米銅涂料后，提高了油井管的氣密性和使用壽命，有效的降低螺紋表面間的摩擦力和上扣扭矩，達(dá)到改善油井管抗腐蝕和抗黏扣性能的目的。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍是由所附權(quán)利要求書限定的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對這些實(shí)施方式作出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。