鋼管管端加厚工藝布置研究

李俊輝，杜學(xué)斌，徐能惠，邵國棟

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

全球經(jīng)濟(jì)的騰飛帶動了石油產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，進(jìn)而對加厚油管、鉆桿管的需求量及綜合性能要求不斷增加，對鋼管管端加厚生產(chǎn)線的整體性能要求也就越來越高。管端加厚工藝布置方式不僅影響設(shè)備的運(yùn)營成本，而且影響設(shè)備的生產(chǎn)率，因而有必要對加厚設(shè)備工藝布置進(jìn)行研究，有助于管端加厚生產(chǎn)線的選型。

鋼管管端加厚的基本工藝流程為:上料→管端對齊→中頻加熱→送料→管端加厚→退料→出料→收集。

1 加厚機(jī)理

鋼管管端加厚就是將鋼管端部局部加熱后，通過鐓擠工序使鋼管長度縮短、端部壁厚增加的一種加工工藝，其目的是提高鋼管連接處的強(qiáng)度，一般用作石油油管、鉆桿管和地質(zhì)管等。根據(jù)鋼管連接方式的不同來確定加厚端內(nèi)外徑的變化情況，主要可分為三種，即:內(nèi)加厚、外加厚和內(nèi)外加厚。內(nèi)加厚，即只減小內(nèi)徑，而外徑保持不變;外加厚，即只增大外徑，而內(nèi)徑保持不變;內(nèi)外加厚，即同時減小內(nèi)徑并增大外徑。其中API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加厚方式為外加厚和內(nèi)外加厚兩種。具體規(guī)律如表1所示。

表1 加厚方式的對比Tab.1 Comparison of upsetting system

從表1可以看出，其中API要求的兩種方式加厚工藝都比較難控制。由于加厚部分與管體相比比較短，鉆桿管端參與加厚的管體長度為600 mm左右，管體長度為9.5m左右，只能采用水平鐓擠的方式加工。如圖1所示。

圖1 管端加厚機(jī)主機(jī)Fig.1 Main machine of upsetter

鐓粗時，端部加熱的鋼管送到?jīng)_頭前部放入下模具，回程缸帶動上模具下降到下極限位，主缸、回程缸保壓夾緊鋼管，這時水平缸前進(jìn)對鋼管端部進(jìn)行鐓粗，鐓粗完成后水平缸返回拔模，回程缸上升，隨后鋼管出模，完成鋼管管端的一次加厚。

中國重型機(jī)械研究院股份公司結(jié)合多年來鍛壓行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)針對不同規(guī)格的油管、鉆桿管開發(fā)了全系列框架式鋼管管端加厚機(jī)。

2 管端加厚工藝布置型式

2.1 兩臺主機(jī)對面布置

XPS-500t/250t管端加厚生產(chǎn)線的典型工藝布置就是采用兩臺主機(jī)對面方式，該生產(chǎn)線采用液壓泵直接驅(qū)動，運(yùn)用了插裝閥技術(shù)。通過更換模具、調(diào)整中頻感應(yīng)加熱爐及縱向送料輥道來進(jìn)行調(diào)整管徑，以適應(yīng)鋼管直徑的變化，鋼管長度可根據(jù)用戶要求進(jìn)行調(diào)整。主機(jī)的結(jié)構(gòu)形式為垂直夾緊、水平加厚。產(chǎn)品適用于石油油管、石油套管和特殊螺紋油套管的管端加厚，產(chǎn)品執(zhí)行API SPEC 5CT-2005、API SPEC 5B-2008標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品也可用于非開挖鉆桿的管端加厚。

XPS-500t/250t管端加厚生產(chǎn)線的設(shè)備工藝如下。

2.1.1 適用鋼管規(guī)格

鋼管直徑 φ60.3～φ114.3 mm

鋼管長度 6 000～12 500 mm

鋼管壁厚 4.83～9.52 mm

鋼管最大單重 245 kg

2.1.2 生產(chǎn)線組成

包括加厚主機(jī)、上料系統(tǒng)、對齊裝置、步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)、中頻感應(yīng)加熱爐及大車、模具、模具自動潤滑冷卻系統(tǒng)、模具冷卻水收集系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等。

2.1.3 性能參數(shù)

夾緊力 5 MN

鐓粗力 2.5 MN

一道次加厚的最大生產(chǎn)率 110根/h

主系統(tǒng)工作壓力 27 MPa

輔助系統(tǒng)工作壓力 16 MPa

總裝機(jī)功率約1 800 kW(兩臺主機(jī))

2.1.4 工藝流程

兩臺加厚主機(jī)分別布置在被加厚油管的兩側(cè)，一端經(jīng)1次(或2次)加厚至成品尺寸，即天車上料→一端對齊→1#液壓步進(jìn)運(yùn)輸→中頻爐加熱鋼管端部→加厚成型→1#輸出檢驗(yàn)→上料→另一端對齊→2#液壓步進(jìn)運(yùn)輸→中頻爐加熱鋼管端部→加厚成型→2#輸出檢驗(yàn)→完成鋼管兩端的加厚→收集。

2.1.5 兩臺主機(jī)對面布置簡圖

兩臺主機(jī)對面布置的典型工藝設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 XPS-500t/250t管端加厚生產(chǎn)線Fig.2 XPS-500t/250t upsetter

2.2 兩臺主機(jī)同側(cè)平行布置

XPS-800t/400t管端加厚生產(chǎn)線的典型工藝布置就是采用雙臺主機(jī)同側(cè)平行布置方式，該生產(chǎn)線的主機(jī)與XPS-500t/250t管端加厚主機(jī)結(jié)構(gòu)相同，產(chǎn)品適用于石油油管、石油套管、特殊螺紋油套管和鉆桿的管端加厚，產(chǎn)品執(zhí)行API SPEC 5CT、API SPEC 5B、API SPEC 5D及 API SPEC 5DP標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品也可用于非開挖鉆桿的管端加厚。

2.2.1 適用鋼管規(guī)格

鋼管直徑 φ60.3～φ139.7 mm

鋼管長度 6 000～12 500 mm

鋼管壁厚 4.83～12.7 mm

鋼管最大單重 497 kg

2.2.2 生產(chǎn)線組成

生產(chǎn)線組成與XPS-500t/250t管端加厚生產(chǎn)線基本一致。不同的是兩臺主機(jī)間取消了過渡臺架，兩臺主機(jī)共用一組液壓站。

2.2.3 性能參數(shù)

夾緊力8 MN

鐓粗力4 MN

一端加厚50根/h的最大生產(chǎn)率(1～2道次)

主系統(tǒng)工作壓力27 MPa

輔助系統(tǒng)工作壓力16 MPa

總裝機(jī)功率約2 300 kW(加厚主機(jī))

2.2.4 工藝流程

雙臺主機(jī)同側(cè)平行布置在被加厚鋼管的一端，經(jīng)2次(或3次)加厚至成品尺寸，即天車上料→一端對齊→液壓步進(jìn)運(yùn)輸→中頻爐加熱鋼管端部→第一道次加厚成型→(中頻爐加熱鋼管端部→第2道次加厚成型)→輸出檢驗(yàn)→收集。經(jīng)過與上述相同的工藝過程，完成鋼管的另一端加厚。

2.2.5 兩臺主機(jī)同側(cè)平行布置簡圖

雙臺主機(jī)同側(cè)平行布置的典型工藝設(shè)備布置如圖3所示。

2.3 三臺主機(jī)同側(cè)平行布置

XPS-1000t/500t管端加厚生產(chǎn)線的典型工藝布置就是采用三臺主機(jī)同側(cè)平行布置方式，該生產(chǎn)線的主機(jī)是XPS-800t/400t管端加厚主機(jī)及XPS-800t/400t管端加厚主機(jī)的更新?lián)Q代，產(chǎn)品適用于石油油管、石油套管、特殊螺紋油套管和鉆桿的管端加厚，產(chǎn)品執(zhí)行API SPEC 5CT、API SPEC 5B、API SPEC 5D及API SPEC 5DP標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品也可用于非開挖鉆桿的管端加厚。

圖3 XPS-800t/400t管端加厚生產(chǎn)線Fig.3 XPS-800t/400t upsetter

2.3.1 適用鋼管規(guī)格

鋼管直徑 φ60.3～φ178 mm

鋼管長度 6 000～12 500 mm

鋼管壁厚 4.83～13.6 mm

鋼管最大單重 535 kg

2.3.2 生產(chǎn)線組成

生產(chǎn)線基本組成與XPS-800t/400t管端加厚生產(chǎn)線基本一致。不同的是增加了三臺中頻爐，三臺主機(jī)共用一組液壓站。

2.3.3 性能參數(shù)

夾緊力 10 MN

鐓粗力 5 MN

一端加厚的最大生產(chǎn)率 40根/h(1～3道次)

主系統(tǒng)工作壓力 27 MPa

輔助系統(tǒng)工作壓力 16 MPa

總裝機(jī)功率 約3 600 kW(三臺主機(jī))

2.3.4 工藝流程

三臺主機(jī)同側(cè)平行布置在被加厚鋼管的一端，經(jīng)1～3次加厚至成品尺寸，即天車上料→一端對齊→液壓步進(jìn)運(yùn)輸→中頻爐加熱鋼管端部→第1道次加厚成型→(中頻爐加熱鋼管端部→第2道次加厚成型→中頻爐加熱鋼管端部→第3道次加厚成型)→輸出檢驗(yàn)→收集。經(jīng)過與上述相同的工藝過程，完成鋼管的另一端加厚。

2.3.5 三臺主機(jī)同側(cè)平行布置簡圖

三臺主機(jī)同側(cè)平行布置的典型工藝設(shè)備布置如圖4所示。

圖4 XPS-1000t/500t管端加厚生產(chǎn)線Fig.4 XPS-1000t/500t upsetter

3 布置型式的特點(diǎn)比較

三種典型工藝布置的特點(diǎn)如表2所示。

表2 三種典型工藝布置特點(diǎn)比較Tab.2 Characteristic comparison of three typical process layout

從表2可以看出，三種工藝布置各有特點(diǎn)，根據(jù)產(chǎn)品大綱及年產(chǎn)量可選擇不同的布置型式。中國重型機(jī)械研究院股份公司采用先進(jìn)技術(shù)針對不同規(guī)格的油管、鉆桿開發(fā)了系列框架式鋼管管端加厚機(jī)。在以上系列的基礎(chǔ)上根據(jù)不同用戶的要求衍生設(shè)計(jì)出XPS-600t/300t、XPS-800t/300t以及XPS-1250t/600t系列管端加厚生產(chǎn)線。中國重型機(jī)械研究院股份公司研制了30多條生產(chǎn)線，使用情況良好，產(chǎn)品的合格率達(dá)到98%以上，促進(jìn)了我國鋼管管端加厚行業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)束語

三種典型的鋼管管端加厚工藝布置各有特點(diǎn)，選擇時應(yīng)考慮以下因素:

(1)產(chǎn)品大綱。產(chǎn)品規(guī)格決定了加厚機(jī)的設(shè)備的設(shè)計(jì)噸位，在選擇布置前必須確定產(chǎn)品大綱;

(2)設(shè)備的年產(chǎn)量。年產(chǎn)量是確定鋼管管端加厚工藝布置的關(guān)鍵因素，是選擇主機(jī)設(shè)備數(shù)量的決定因素;

(3)鋼管的物流。物流是設(shè)備輔機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)，物流方向?qū)⒂绊懺O(shè)備的總體布局;

(4)自動化程度。設(shè)備自動化程度的高低將直接影響設(shè)備的產(chǎn)量及工人的勞動強(qiáng)度。

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會鍛壓分會編.鍛壓手冊(一卷)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［2］王祖唐著.鍛壓工藝學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［3］裴志強(qiáng)，權(quán)曉惠.石油鉆桿管端加厚工藝研究［J］.重型機(jī)械，2002(4):22－25.

［4］黃早文，黃偉軍，潘洪國.石油鉆桿管端鐓鍛工藝及數(shù)值模擬［J］.鍛壓技術(shù)，2007(5):82－85.

［5］裴志強(qiáng)，徐宇瑾.水平鍛造油壓機(jī)［J］.重型機(jī)械，2012(3):33－36.

［6］雷剛，徐能惠，鄭文達(dá)等.油管加厚生產(chǎn)線常見運(yùn)行故障分析及解決方案［J］.重型機(jī)械，2012(3):171－174.

［7］張建偉.油管管端加厚工藝改進(jìn)研究［J］.寶鋼技術(shù)，2008(5):54－56.