石油套管與鉆桿輕量化用低成本鈦合金變形穩(wěn)定性研究

陳培亮，李文霞，王居賀

(中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院 新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，深井、超深井和水平井的數(shù)量不斷增加[1]。與鈦合金相比，傳統(tǒng)鋼制套管與鉆桿的比強(qiáng)度低，在復(fù)雜鉆井/套管服役工況條件下，應(yīng)力腐蝕開裂、疲勞斷裂、刺漏、過載等事故對油氣井的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-2]。鈦合金套管與鉆桿具有比強(qiáng)度高，耐H2S應(yīng)力腐蝕，疲勞性能優(yōu)良等特點(diǎn)，可顯著減輕管柱重量與應(yīng)力集中，提高最大鉆井深度、套管下深和抗腐蝕疲勞性，延長套管與鉆桿服役壽命，并減少因管柱失效而導(dǎo)致的安全事故[3-5]。目前，大多數(shù)工業(yè)化應(yīng)用的鈦合金都含有V，Zr，Pd和Ru[6-7]等貴金屬元素，但其成本高，可成形性差且成材率低，因此耐蝕鈦合金套管與鉆桿性能和成本的最佳匹配優(yōu)選已引起越來越多的關(guān)注。

本研究采用熱鍛或熱擠壓等熱變形工藝制備了一種低成本Ti-Al-X合金，不含貴金屬元素，并具有出色的力學(xué)性能和耐腐蝕性。本文主要研究Ti-Al-X合金的熱變形行為規(guī)律，特別是流變行為的顯著特征點(diǎn)，以獲得更精確和可靠的結(jié)果，為工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐提供理論支撐。

1 試驗(yàn)方法

1)材料制備與熱處理 通過真空自耗電極電弧熔化、均勻化、鍛造/熱擠壓、固溶/時效處理制備Ti-Al-X合金，其中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

2)熱模擬測試 在Gleeble 1500上進(jìn)行單軸壓縮熱模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度分別為850、900、950和1 000 ℃，應(yīng)變速率分別為0.001、0.01、0.1和1 s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫流變行為

圖1為在不同溫度/應(yīng)變速率下獲得的Ti-Al-X合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在850 ℃，應(yīng)力水平隨應(yīng)變和應(yīng)變速率的增加而增加，隨溫度的增加而減小，并在達(dá)到峰值應(yīng)力后呈現(xiàn)出動態(tài)軟化。合金在850 ℃變形時，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。隨著溫度升高到900 ℃以上，達(dá)到峰值應(yīng)力后，應(yīng)力水平趨于穩(wěn)定。但是，經(jīng)過一段穩(wěn)定流變后，合金發(fā)生一定程度的應(yīng)變硬化，從而使應(yīng)力水平升高并出現(xiàn)周期性波動。這是由于部分動態(tài)再結(jié)晶軟化和再結(jié)晶晶粒變形/二次硬化的競爭作用而導(dǎo)致的。

2.2 熱加工流變行為

(1)

應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m可以通過以下公式計(jì)算：

(2)

表1 不同變形條件下Ti-Al-X合金的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m

此外，Ti-Al-X合金在1 000 ℃/0.001 s-1和1 050 ℃/0.001 s-1條件下的m值略大于1，分別為1.075 34和1.086 77。由流變失穩(wěn)判據(jù)可知，Ti-Al-X合金在這些條件下具有流變失穩(wěn)特性。

每種變形條件下的能量耗散因子η可以根據(jù)公式(3)計(jì)算。

(3)

由變形溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系，流變失穩(wěn)區(qū)域可以通過公式(4)定義。

(4)

穩(wěn)定流變區(qū)間為0<η<2m且0

不同變形條件下Ti-Al-X合金的能量耗散效率因子η(%)，見表2。不同變形條件下Ti-Al-X的流變失穩(wěn)參數(shù)ξ(%)，見表3。結(jié)果表明:從能量耗散因子(表2)來看，在高溫低應(yīng)變速下具有較高的能量耗散因子；從流變失穩(wěn)參數(shù)(表3)來看，該合金的熱加工范圍較窄，失穩(wěn)區(qū)域較大，合金在約0.00 1 s-1的應(yīng)變速率和1 000℃以上溫度的變形條件下，表現(xiàn)出流變失穩(wěn)，因此在熱加工過程中應(yīng)避免選擇上述變形條件。

表2 不同變形條件下Ti-Al-X合金的能量耗散效率因子η %

表3 不同變形條件下Ti-Al-X的流變失穩(wěn)參數(shù) ξ %

Ti-Al-X合金在0.05(峰值應(yīng)力)應(yīng)變下的熱加工圖，如圖2所示。圖中，陰影部分為流變失穩(wěn)區(qū)域，輪廓線上的數(shù)字代表能量耗散因子(百分?jǐn)?shù))。本文研究目標(biāo)鈦合金，只要能量耗散因子大于25%就容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，為適合合金進(jìn)行熱加工的區(qū)域，但同時在熱加工參數(shù)的選取上，還要考慮該區(qū)域要落在失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)(圖中陰影區(qū)域)之外。通常來說，在高應(yīng)變速率下，合金在變形過程中產(chǎn)生的熱量難以散出，出現(xiàn)了絕熱剪切效應(yīng)，絕熱剪切帶的形成使得該合金在絕熱剪切帶處，出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖2 Ti-Al-X合金在應(yīng)變約為0.05時的熱加工圖

3 結(jié) 論

根據(jù)流變應(yīng)力對溫度和應(yīng)變速率的不同依賴性，分析了Ti-Al-X合金的熱加工流變應(yīng)力響應(yīng)曲線差異。流變抗力隨著變形溫度和應(yīng)變速率的增加而顯著降低。合金在約0.001 s-1的應(yīng)變速率和1 000 ℃以上溫度的變形條件下，表現(xiàn)出流變失穩(wěn)，因此在熱加工過程中應(yīng)避免選擇上述變形條件。另外，隨著真應(yīng)變的增加，變形失穩(wěn)區(qū)域在熱加工圖中增大。