石油鉆桿接頭模鍛工藝研究

王連義，姜春茂，李守敬，高勃石，吳忠江，李榮智，趙同雨，徐振鵬，張立巖

(北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

石油鉆桿接頭主要用于石油鉆井時(shí)連接上、下鉆桿，鉆桿長(zhǎng)期工作在高壓、強(qiáng)磨損的環(huán)境中，承受了較大的工作扭矩。鉆桿接頭是其最薄弱的環(huán)節(jié)，是石油鉆探過(guò)程中的關(guān)鍵性部件。該產(chǎn)品需求量大，市場(chǎng)前景廣闊，質(zhì)量要求嚴(yán)格，目前國(guó)內(nèi)眾多廠家為其生產(chǎn)配套。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，利潤(rùn)空間有限，因此深入研究鉆桿接頭模鍛成形工藝，提高鉆桿接頭質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)使用壽命十分必要。

1 原材料的選取

石油鉆桿接頭需具有較高的強(qiáng)度和韌性，以滿足工作過(guò)程中能夠承受拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、振動(dòng)等多種復(fù)雜載荷的交替作用。選取37CrMnMoA作為生產(chǎn)石油鉆桿接頭用鋼的原材料，規(guī)格為φ(150±1.4)mm，其加工工藝性良好，價(jià)格相對(duì)便宜，力學(xué)性能完全滿足產(chǎn)品性能要求，具體見(jiàn)表1。

表1 石油鉆桿接頭力學(xué)性能要求Table1 Mechanical performance requirements of oil drill pipe joint

2 模鍛加工工藝

2.1 模鍛工藝流程

模鍛工藝流程為:材料驗(yàn)證→鋸切下料→上料→模鍛前鋼錠加熱→壓型→模鍛→緩冷→冷檢。

2.2 模鍛前鋼錠加熱

金屬材料的加熱是熱成形中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，溫度因素明顯地影響到金屬的塑性和變形抗力。金屬材料在常溫和高溫時(shí)的塑性及變形抗力，具有極大的差別[1－2]。加熱不僅可以使鋼材的內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化，改善塑性，還利于金屬內(nèi)部組織成分趨于均勻，使熱變形后的模鍛件具有良好的組織狀態(tài)，為進(jìn)一步的熱處理創(chuàng)造有利條件。

采用感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱，加熱速度快，爐溫易于控制，氧化和脫碳少，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)[3]。加熱溫度為1160～1190℃，加熱節(jié)拍為150～200 s。

2.3 模鍛毛坯制定

模鍛件是加工機(jī)械產(chǎn)品零件的毛坯，加工余量要選擇適當(dāng)，如余量過(guò)大，鍛件“肥頭大耳”，既浪費(fèi)金屬材料又增加了機(jī)械加工工時(shí)，模鍛毛坯尺寸如圖1所示。

2.4 加工設(shè)備選擇

選用壓力機(jī)時(shí)必須滿足如下要求[4－6]。

1)壓力機(jī)公稱壓力必須大于模鍛力;

2)模具的閉合高度應(yīng)在壓力機(jī)的最大閉合高度和最小閉合高度之間;

3)壓力機(jī)的滑塊行程必須滿足制件的成形要求。

模鍛力計(jì)算如下[7－8]:

圖1 模鍛毛坯Fig.1 Die forging blank

式中:F為模鍛力，N;ln為模鍛毛坯內(nèi)部長(zhǎng)度，mm;dcn為相應(yīng)模鍛毛坯內(nèi)部ln處的沖頭直徑，mm;σb為模鍛溫度下變形材料的抗拉強(qiáng)度，MPa;Dm為模鍛模子口部直徑，mm;t為模鍛毛坯厚度，mm;μ為摩擦系數(shù)，用石墨型潤(rùn)滑劑時(shí)，μ取0.29～0.30。

將 ln=386 mm，dcn=82 mm，σb=55 MPa，t=32.05 mm，Dm=176.6 mm，μ =0.30 代入公式，計(jì)算得F=8480 kN。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇1000 t水壓機(jī)進(jìn)行鍛造，為保證模鍛毛坯順利成形，并具有良好的壁厚差，在模鍛前增加壓型工序，并在壓型毛坯上沖出淺孔。

2.5 模鍛模具設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代化的大生產(chǎn)中，工具和模具對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)模鍛過(guò)程有著十分重要的意義。模具是保證產(chǎn)品，具有正確形狀、尺寸和精度的基本工具，模具結(jié)構(gòu)的形狀與尺寸對(duì)金屬的流變、成形速度、應(yīng)力與應(yīng)變有很大的影響，模具結(jié)構(gòu)如圖2 所示[9－10]。

2.6 模鍛后緩冷

圖2 模具結(jié)構(gòu)Fig.2 The mold structure

鍛件的冷卻是模鍛生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一。冷卻方式選擇不當(dāng)，會(huì)使鍛件產(chǎn)生翹曲、表面過(guò)硬甚至產(chǎn)生裂紋而報(bào)廢。冷卻過(guò)程中鍛后殘余應(yīng)力、溫度應(yīng)力、組織應(yīng)力影響鍛件質(zhì)量。石油鉆桿接頭鍛后采用立放空冷的冷卻方式。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)生產(chǎn)試制，石油鉆桿接頭毛坯采用模鍛成形工藝，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，適合大批量生產(chǎn)，提高了加工質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，該工藝可行。

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