外加厚油管一次成形技術(shù)應(yīng)用分析

崔 奮,張德松,王國正,張朋舉,劉延成,賈美玲

(1.西安交通大學,西安 710049;2.吐哈油田公司機械廠,新疆哈密 839009)

外加厚油管一次成形技術(shù)應(yīng)用分析

崔 奮1,2,張德松2,王國正1,2,張朋舉2,劉延成2,賈美玲2

(1.西安交通大學,西安 710049;2.吐哈油田公司機械廠,新疆哈密 839009)

為了提高外加厚油管的生產(chǎn)效率,根據(jù)相關(guān)理論對外加厚油管一次成形的關(guān)鍵工藝進行分析、計算,確定出加熱溫度、頂鍛力等工藝參數(shù)。通過研究國內(nèi)的外加厚油管生產(chǎn)線的裝備情況,選擇出外加厚油管一次成形生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備。從理論及實踐上驗證了外加厚油管可以采用一次成形的工藝實施生產(chǎn)。

外加厚油管;液壓加厚機;感應(yīng)加熱;一次成形

據(jù)美國能源部對國際上的井深趨勢進行的統(tǒng)計,近30 a來,全球石油天然氣井深平均增加了1倍以上[1],并且繼續(xù)呈快速增長的趨勢。隨著井深的增加,對油管的連接性能提出了更高的要求。油管在井下,通常要承受幾十甚至上百兆帕的內(nèi)壓或外壓,上千千牛的拉伸載荷,同時還要經(jīng)受溫度及嚴酷的腐蝕介質(zhì)的作用。油管螺紋連接部位是最薄弱的環(huán)節(jié),不加厚油管螺紋連接部位只能承受相當于管體強度60%～80%的拉伸載荷,油管的失效事故80%左右發(fā)生在螺紋連接處[2-4]。經(jīng)過管端加厚后,其螺紋部分的連接強度與管體本身的強度相一致,滿足了深井的要求。

1 油管加厚工藝現(xiàn)狀

根據(jù)油管加厚方式的不同,可以分為3種形式,如圖1所示。

圖1 油管的3種加厚方式

1.1 內(nèi)加厚

內(nèi)加厚油管的管坯在鐓鍛階段模具芯軸和型腔接觸溫差大,拔模困難。因此工藝性較差。另外,油管內(nèi)徑縮小,導致過流面積變小,影響油井產(chǎn)量及井下投撈作業(yè)。

1.2 內(nèi)外加厚

內(nèi)外加厚油管的管坯在鐓鍛開始階段就處于自由行程,因此其穩(wěn)定性較差。批量生產(chǎn)時,產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定。

1.3 外加厚

從工藝上分析,外加厚是一個鐓粗過程,所需變形抗力小,而且芯軸與管坯之間摩擦力也較小。油管的過流面積不發(fā)生變化,不會影響單井產(chǎn)量及井下作業(yè)。因此,目前油管使用最多、技術(shù)最為成熟的是管端外加厚工藝。

近年來,外加厚油管的工藝變化主要體現(xiàn)在加熱次數(shù)和成形次數(shù)上。根據(jù)傳統(tǒng)鍛造要求,進行一次加熱多次成形工藝,多次成形主要為二次成形與三次成形,大多數(shù)生產(chǎn)廠家執(zhí)行的是二次成形工藝。

隨著外加厚油管生產(chǎn)量的不斷增加,為了提高生產(chǎn)效率,國內(nèi)部分廠家采用二次加熱、一次成形的生產(chǎn)工藝,并且生產(chǎn)出了符合API Spec 5CT要求的外加厚油管。

從20世紀50年代至今,外加厚油管生產(chǎn)工藝從加熱方式到最終的成形方式都發(fā)生了比較大的變化,經(jīng)過試踐檢驗,二次加熱、一次成形成為成熟、可靠、生產(chǎn)效率高的生產(chǎn)工藝,被廣泛應(yīng)用于外加厚油管的生產(chǎn)。

2 一次成形工藝分析

采用二次加熱一次成形的生產(chǎn)工藝如圖2所示,其中管端加熱和一次成形是關(guān)鍵工序。

圖2 1次成形工藝

2.1 管端加熱溫度確定

在鍛造生產(chǎn)中,金屬坯料鍛前加熱的目的是提高金屬塑性,降低變形抗力,從而使金屬易于流動成形,并使鍛件獲得良好的鍛后組織和力學性能。

2.1.1 鍛造溫度范圍

保證金屬在鍛造溫度范圍內(nèi)具有較高的塑性和較小的變形抗力。吐哈油田機械廠生產(chǎn)的N80外加厚油管管坯材料為35MnMo7或36Mn2V,其中36Mn2V應(yīng)用較多。這2種材料均屬于中碳低合金鋼,奧氏體化的溫度為810～1 250℃。

2.1.2 均溫溫度范圍

按照鐓鍛的要求,獲得較低的變形抗力,需控制加熱速率,確保晶粒度的均勻性,同時克服加熱過程中的應(yīng)力。

a) 根據(jù)金屬加熱過程中變形抗力計算

式中,τT為鋼在高溫下的變形抗力;τ0為鋼在常溫下的變形抗力;A值根據(jù)鋼種的不同而定;TK為鋼的加熱溫度。

通過經(jīng)驗計算,低合金鋼在810～1 250℃的變形抗力為80～350 MPa[5]。

b) 根據(jù)加熱速率要求確定 管坯的原材料為中碳低合金鋼,其居里溫度為720～750℃,所以第一道次加熱到居里溫度即可。由于材料鐵磁性能的影響,在居里溫度以下加熱時,應(yīng)該采用較低的加熱速率。第二道次加熱時,可以提高加熱速率,確保加熱的均溫性。根據(jù)管坯材料,可選擇第一道次加熱至750℃,第二道次加熱至1 150℃。

2.2 管端成形力確定

要確保一次成形,必須保證頂鍛力超過金屬的變形抗力。根據(jù)管坯原材料的要求確定出外加厚油管的變形抗力。

通過對加厚工藝的應(yīng)力-應(yīng)變近似求解,可以得出

式中,P為單位頂鍛力;μ為摩擦因數(shù);τT為材料的高溫變形抗力;k為系數(shù),與液壓頂鍛油缸面積和沖頭的頂鍛面積之比有關(guān),同時與摩擦狀態(tài)和加工模具設(shè)計及生產(chǎn)的中心線重合情況等有關(guān)。

實際加厚過程中,摩擦因數(shù)基本不變,故頂鍛力(鐓粗力)F可以表示為

式中,S為頂鍛面積;k值的理論計算很復雜,故根據(jù)經(jīng)驗確定為k=1.1～2.0。

根據(jù)以上經(jīng)驗公式,可以計算出吐哈油田常用外加厚油管頂鍛力值。

a) ?73 mm×5.51 mm外加厚油管頂鍛力一次加厚生產(chǎn)時,由于變形量增加,終鍛溫度為850℃,其變形抗力較大,故取τT=300 MPa(實際上采用中頻2次加熱,頂鍛在1 000 ℃以上,τT可以更小)。假設(shè)潤滑條件很差,故取k=2(實際上潤滑條件通過石墨改善k值小于2)。頂鍛面積S=2 019×10-6m2。由式(3)可得F=1 211.4 kN

b) ?88.9 mm×6.45 mm外加厚油管頂鍛力與?73 mm×5.51 mm外加厚油管一樣,取τT=300 MPa,k=2。頂鍛面積S=2 827.56×10-6m2。由式(3)可得F=1 696.5 kN。

通過計算可以確定出,外加厚油管一次成形時,頂鍛力達到2 500 kN(選用?88.9 mm油管所需頂鍛力的1.2倍以上)即可滿足?73 mm、?88.9 mm 2種規(guī)格外加厚油管的要求。

3 工藝的實現(xiàn)方式

3.1 加熱方式

a) 燃料加熱 是利用固體(煤、焦炭等)、液體(重油、柴油等)或氣體(煤氣、天然氣等)燃料燃燒時所產(chǎn)生的熱能對坯料進行加熱。燃料加熱爐的通用性強,投資少,建造比較容易,且燃料可因地制宜,較易解決,燃料費用比較低,所以廣為采用。燃料加熱的缺點是勞動條件差,爐內(nèi)氣氛、爐溫及加熱質(zhì)量較難控制等。

b) 電加熱 是將電能轉(zhuǎn)換為熱能而對金屬坯料進行加熱。按電能轉(zhuǎn)換為熱能的方式可分為電阻加熱和感應(yīng)加熱,大多數(shù)生產(chǎn)廠家選擇感應(yīng)加熱對管坯加熱。感應(yīng)加熱具有的性能與特點:

①具有精確的加熱深度和加熱區(qū)域,易于控制。

②易于實現(xiàn)高功率密集,加熱速度快,效率高,能耗小。

③加熱溫度高,加熱溫度易于控制。

④加熱溫度由工件表面向內(nèi)部傳導或滲透。

⑤采用非接觸式加熱方式,在加熱過程中不易摻入雜質(zhì)。

⑥工件材料燒損小,氧化皮生成少(燒損率一般＜0.5%)。

⑦作業(yè)環(huán)境符合環(huán)保要求。

⑧感應(yīng)加熱參數(shù)穩(wěn)定,易于實現(xiàn)加熱過程的自動化[6]。

3.2 中頻感應(yīng)加熱設(shè)備參數(shù)確定

一次成形管端加熱典型的加熱方式為,油管端部加熱采用感應(yīng)器移動的方式進行。常用油管參數(shù)如表1。

表1 吐哈油田常用外加厚油管加熱參數(shù)

a) 設(shè)備頻率選擇

最佳頻率范圍為

最佳頻率為

式中,ρ2為管坯平均電阻率,Ω m;D2p為管坯中徑,m;δ為管坯壁厚,m;K為感應(yīng)器電感修正系數(shù)。

將表1中相關(guān)數(shù)據(jù),按照式(4)～(5)進行計算。最小工件規(guī)格為 ?60.33 mm×4.83 mm,頻率下限為770 Hz,頻率上限為4 426 Hz,最佳頻率為3 829 Hz。按照標準頻率可選擇500 Hz或4 000 Hz。最大工件規(guī)格為?88.90 mm×6.45 mm,頻率下限為557 Hz,頻率上限為1 392 Hz,最佳頻率為1 204 Hz。按照標準頻率可選擇1 000 Hz。綜合考慮,并參照標準頻率,中頻電源額定頻率選擇1 000～2 500 Hz。

b) 加熱節(jié)拍與設(shè)備功率的確定

中頻電源功率按照經(jīng)驗公式進行計算,即

式中,P為電源功率,kW;t為加熱節(jié)拍,s;G為加熱節(jié)拍時加熱rfm量,kg;T2為加熱溫度,℃;T1初始溫度,℃;C為被加熱金屬平均比熱容,kJ/kg℃;η為感應(yīng)加熱效率。

采用中頻第一道次預熱時,最大加熱質(zhì)量為4.85 kg,加熱溫度為750 ℃,加熱節(jié)拍為40 s/件。根據(jù)式(6)可計算出所需加熱功率為124 kW,考慮到設(shè)備性能裕量,按標準功率,中頻電源額定功率選擇180 kW。

第二道次進行終熱時,最大加熱質(zhì)量為4.85 kg,加熱溫度為1 200℃,加熱節(jié)拍為40 s/件。根據(jù)式(6)可計算出所需加熱功率為198 kW,考慮到設(shè)備性能裕量,按標準功率,中頻電源額定功率選擇220 kW。

因此,中頻感應(yīng)設(shè)備選擇為第一道次加熱功率和頻率為180 kW/1 000 Hz;第二道次加熱功率和頻率為220 kW/2 500 Hz。

3.3 壓力機的選擇

目前,國內(nèi)外加厚機有2種方式,液壓加厚機和臥式鍛造機(平鍛機)。

液壓加厚機的特點:

a) 設(shè)備牢固,受力大,工作時運行平穩(wěn),沖擊力小,無噪聲污染。

b) 工作時運行速度低,管端鐓粗時金屬變形緩慢,有利于金屬的充分流動,工件成形好。

c) 設(shè)備自動化程度高,均為自動上下料,操作者勞動強度小。

平鍛機的特點:

a) 設(shè)備運行速度快,生產(chǎn)效率高。

b) 模型空間大,可以裝夾3～4個模腔,一次加熱,可2次鐓粗成形,生產(chǎn)成本低。

c) 設(shè)備牢固,受力大,工作時沖擊力大,環(huán)境噪聲較大。

d) 設(shè)備自動化程度低,鐓粗時多為人工操作,操作者勞動強度大。

國內(nèi)大多數(shù)廠家均采用液壓加厚的方式生產(chǎn)外加厚油管,例如,寶鋼鋼管公司、湖南衡陽鋼管(集團)公司、無錫西姆萊斯鋼管公司、武漢漢陽鋼管公司。其中寶鋼鋼管公司所采用的管端加厚機組是20世紀80年代從國外引進的,生產(chǎn)工藝一直采用投產(chǎn)時外方提供的技術(shù),在2008年進行過一次加厚成形工藝改造。

湖南衡陽鋼管公司在2006年對油管外加厚的成形次數(shù)進行了改進,由原來的二次加厚成形改成一次加厚成形加工。

從國內(nèi)液壓加厚設(shè)備生產(chǎn)線的配套情況分析,1998年,中國重型機械研究院(原西安重型機械研究所)研制出了第1臺管端加厚機,到現(xiàn)在已累計為用戶成套裝備20余臺設(shè)備[7]。在此過程中,多家民營企業(yè)已經(jīng)掌握了管端液壓加厚機的生產(chǎn)制造技術(shù)。目前,國內(nèi)液壓加厚機已經(jīng)比較成熟,可以選用。

根據(jù)2.2節(jié)中管端成形力的確定,液壓加厚機用于油管生產(chǎn)時,采用鐓粗力為2 500 kN,水平加持力為5 000 kN即可滿足生產(chǎn)要求。設(shè)備技術(shù)參數(shù)列于表2中。

表2 液壓加厚機參數(shù)

4 結(jié)論

1) 與其他2種加厚方式對比,采用管端外加厚是提高油管連接強度的可靠工藝,而且采用該工藝生產(chǎn)的油管內(nèi)徑不發(fā)生變化,不影響單井的正常生產(chǎn)。

2) 采用二道次加熱,一次成形,工藝簡單、易實現(xiàn)自動化、生產(chǎn)效率高,已經(jīng)成為國內(nèi)外加厚油管的典型生產(chǎn)工藝。

3) 采用移動式中頻感應(yīng)加熱、液壓加厚機可以實現(xiàn)二道次加熱,一次成形工藝。國內(nèi)設(shè)備的配套技術(shù)已經(jīng)成熟,近年來此生產(chǎn)工藝已廣泛用于鋼管管端加厚。

[1] 李鶴林.油井管發(fā)展動向及高性能油井管國產(chǎn)化(上)[J].鋼管,2007(12):36-38.

[2] 李鶴林.石油管工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,1999.

[3] 張永強,王新虎.油套管螺紋抗粘扣技術(shù)研究進展[J].石油礦場機械,2008,37(2):78-81.

[4] 呂拴錄,張 峰,吳富強,等.進口 P110 EU油管粘扣原因分析及試驗研究[J].石油礦場機械,2010,39(6):55-57.

[5] 周 君.鋼管加厚一次成型工藝的開發(fā)[J].軋鋼,2007(2):24-27.

[6] 潘天明.工頻和中頻感應(yīng)爐[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1983:6-20.

[7] 任明杰.加厚管生產(chǎn)的調(diào)試過程技術(shù)分析[J].重型機械,2008(1):30-34.

TE931.205

B

1001-3482(2010)11-0090-04

2010-07-07

崔 奮(1971-),男,河南鄧州人,高級工程師,2003年畢業(yè)于清華大學材料加工工程專業(yè),主要從事石油機械加工方面的研究和管理工作,E-mail:cuif@petrochina.com.cn。