鋁合金石油鉆探管的生產(chǎn)工藝方案選擇

戴有濤

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著油氣資源的減少，其勘探和鉆取已日趨向深井、超深井，深海、復(fù)雜地質(zhì)、地理?xiàng)l件下作業(yè)，傳統(tǒng)鋼質(zhì)鉆探管件暴露出諸多不利因素。鋁合金管材與傳統(tǒng)鋼質(zhì)管材相比，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度大、塑性高、耐蝕性強(qiáng)的明顯優(yōu)勢(shì)，且適用于大區(qū)率定向井和水平井，并可顯著提高鉆探能力。鋁合金鉆探管的密度大約是鋼質(zhì)鉆探管的1/3，其強(qiáng)度與質(zhì)量之比是鋼質(zhì)鉆探管的1.5～2.0倍，在鉆機(jī)能力相同的情況下，應(yīng)用鋁合金鉆探管能夠達(dá)到鋼質(zhì)鉆探管無法達(dá)到的井深，如5000m井深的鋼質(zhì)鉆井系統(tǒng)，若采用鋁合金鉆桿可實(shí)現(xiàn)7000m以上的鉆井深度；其次，鋁合金表面會(huì)形成穩(wěn)定且致密的氧化膜，可有效防止硫化氫和二氧化碳腐蝕；另外，鋁合金鉆探管彈性模量比鋼小，具有較好的抗彎曲性能，更適合曲率大的定向井和水平井。同時(shí)由于鋁合金管材摩擦阻力小，可有效降低鉆井過程中的電能消耗，所以鋁合金鉆探管也具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。目前，鋁合金石油鉆探管在國(guó)內(nèi)具有較大市場(chǎng)空間，且行業(yè)需求將在未來較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)處于快速增長(zhǎng)期。

1 鋁合金鉆探管用鋁合金材料及其力學(xué)性能要求

國(guó)外生產(chǎn)的鉆探管用鋁合金材料分為高輕度鋁合金(D16T)、高強(qiáng)度、耐腐蝕合金(1953T1)和特殊耐熱合金( AK4-1T1) 3大材料體系。其中，D16T為鋁-銅-鎂系鋁合金，熱處理時(shí)效后，該系列合金擠壓材室溫下的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)538MPa；AK4-1T1為鋁-銅-鎂-鐵-鎳系耐熱鋁合金，該系列合金主要耐熱相為S(CuMgAl2) 、FeNiAl9相，鐵和鎳加入量不當(dāng)，會(huì)降低合金的耐熱性。國(guó)外常用鋁合金石油鉆探管化學(xué)成分如表1所示，要求鋁合金中各單個(gè)雜質(zhì)元素含量小于0.05%，雜質(zhì)元素總量小于0.15%。

表1 常用鋁合金鉆探管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

在我國(guó)GB/T20659-2006石油天然氣工業(yè)鋁合金鉆桿的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，將常用的鋁合金材料分成了4組，其中第I組為Al-Cu-Mg系列合金，如2A12，2A14等；第II組為Al-Zn-Mg系列合金，如7A09等；第III組為Al-Cu-Mg-Si-Fe系列合金，如2A70等；第IV組為經(jīng)過特殊改良的耐蝕Al-Zn-Mg系列合金，目前我國(guó)尚無其專用牌號(hào)，成分與俄羅斯1953相當(dāng)。國(guó)標(biāo)中對(duì)這4組材料的力學(xué)性能要求如表2所示。

表2 鋁合金鉆探管材料的力學(xué)性能要求

2 研究對(duì)象

本文以牌號(hào)為2A12 T6，管體外徑尺寸為147mm，壁厚為11mm的帶內(nèi)加厚的石油鉆探管為例，計(jì)算確定生產(chǎn)該變斷面管材所需的最佳擠壓機(jī)噸位、擠壓筒和穿孔針規(guī)格，以及穿孔針的受力計(jì)算，為工藝方案選擇和工藝參數(shù)確定提供依據(jù)。2A12 T6石油鉆探管的最小屈服強(qiáng)度(0.2%殘余變形法)為325MPa，最小抗拉強(qiáng)度為460MPa，最小伸長(zhǎng)率為12%；該規(guī)格石油鉆探管主要尺寸參數(shù)見表3。

表3 該規(guī)格石油鉆探管的主要尺寸參數(shù)

3 主要生產(chǎn)工藝選擇

上述鋁合金鉆探管結(jié)構(gòu)為變截面管結(jié)構(gòu)，變截面管材兩端壁厚34mm，中間壁厚11mm。在生產(chǎn)時(shí)不能像鋼鉆探管那樣簡(jiǎn)單地采用對(duì)恒斷面管坯進(jìn)行鐓鍛的工藝來實(shí)現(xiàn)管端的加厚。鋁合金鉆探管生產(chǎn)采用熱擠壓生產(chǎn)工藝，熱擠壓技術(shù)是整個(gè)工藝的核心與關(guān)鍵，其熱擠壓工藝按穿孔針和模具的相互關(guān)系可分為“固定穿孔針法”、“移動(dòng)穿孔針法”和“固定和移動(dòng)穿孔針結(jié)合法”。

3.1 固定穿孔針法

這種方法在擠壓過程中，由于穿孔針是固定不動(dòng)的，因此為了加工出管材的前端、管身和后端，必須用人工來調(diào)整穿孔針相對(duì)于擠壓軸的位置，這不僅會(huì)影響管材內(nèi)表面質(zhì)量，而且還會(huì)造成管材的長(zhǎng)度和過渡區(qū)的尺寸公差超限。另外由于固定穿孔針的存在，限制了擠壓速度，同時(shí)，移動(dòng)穿孔針、分離擠壓墊和擠壓殘料需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，因此擠壓機(jī)的產(chǎn)能較低，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)不使用該法生產(chǎn)石油鉆探管。

3.2 移動(dòng)穿孔針法

該方法采用的穿孔針帶有兩個(gè)頸或三個(gè)頸，圖1是該方法生產(chǎn)外壁端面加厚的鋁合金鉆探管的示意圖。生產(chǎn)過程中為了減少斷面加厚部分的壁厚不均和過渡區(qū)的彎曲度，在開始擠壓時(shí)，穿孔針的圓柱部分正好處在?？字?，當(dāng)穿孔針的頸部快進(jìn)入?？讜r(shí)，擠壓過程已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在穿孔針頸部經(jīng)過?？椎倪^程中，位于頸部的金屬流向穿孔針的凸緣(即擴(kuò)徑)，并重新分配。穿孔針凸緣的直徑?jīng)Q定著這段管材的內(nèi)徑，而模孔和穿孔針頸部的直徑?jīng)Q定著這段管材的外徑。當(dāng)穿孔針和擠壓軸一起繼續(xù)向前移動(dòng)時(shí)就形成了管材前端的錐形過渡區(qū)，接著是管材的管身，最后是管材后端的錐形過渡區(qū)和管材的后端加厚部分。此法由于穿孔針凸緣的存在，只適用于生產(chǎn)外壁端面加厚的管材。

a-擠壓筒；b-擠壓軸；c-穿孔針；d-模具；e-鋁合金圖1 用“移動(dòng)穿孔針法”生產(chǎn)兩端外加厚的石油鉆探管示意圖Fig.1 Application of “moving piercing pin method” in production of oil drilling pipe with external thickness at both ends

3.3 固定和移動(dòng)穿孔針結(jié)合法

圖2是用固定和移動(dòng)穿孔針結(jié)合法擠壓內(nèi)部端面加厚鋁合金鉆探管的示意圖。該方法采用的穿孔針有一個(gè)細(xì)端，當(dāng)穿孔針細(xì)端穿過?？讜r(shí)，穿孔針固定不動(dòng)，便開始形成管材的前端加厚部分；在擠管身部分時(shí)，穿孔針前伸和擠壓軸一起向前移動(dòng)，形成過渡區(qū)和管身。當(dāng)管身形成以后，撤去擠壓力，穿孔針后退至初始位置，再次擠壓，形成后端加厚部分。此法可以擠出內(nèi)壁端部有加厚層的內(nèi)變徑鋁合金鉆探管。采用該方法生產(chǎn)時(shí)，需要擠壓機(jī)穿孔針精確的前伸或后退，因此對(duì)穿孔針的穿孔力、回拉力以及定位精度都有非?？量痰囊?穿孔針定位精度需≤±0.1mm)。

1-穿孔針細(xì)端進(jìn)入?？讛D制前端加厚；2-穿孔針前伸擠制管身；3-穿孔針后退擠制后端加厚;a-擠壓筒；b-擠壓軸；c-穿孔針；d-模具；e-鋁合金圖2 用“固定和移動(dòng)穿孔針結(jié)合法”生產(chǎn)兩端內(nèi)加厚鋁合金鉆探管示意圖Fig.2 Application of "combination of fixed and moving piercing needles" in production of thick aluminum alloy drilling tubes at both ends

經(jīng)上述比較分析可知，本文所研究的帶內(nèi)加厚的石油鉆探管應(yīng)采用有細(xì)端的穿孔針用“固定和移動(dòng)穿孔針結(jié)合法”進(jìn)行生產(chǎn)。

4 主要工藝參數(shù)確定

4.1 擠壓力、擠壓筒規(guī)格確定

正向或反向雙動(dòng)擠壓機(jī)均可以實(shí)現(xiàn)該石油鉆探管的生產(chǎn)，然而該石油鉆探管為2xxx硬合金管材，采用反向擠壓更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榕c正向擠壓相比，反向擠壓時(shí)，鑄錠表面與擠壓筒壁之間不存在摩擦。因此，反向擠壓時(shí)金屬變形區(qū)小，變形比較均勻，金屬變形的溫升小，變形區(qū)的金屬溫度較容易控制，擠壓制品的組織和性能均勻，尺寸精度高。由于擠壓筒與鑄錠之間沒有摩擦力存在，可大大降低擠壓力，提高擠壓速度。

影響擠壓機(jī)擠壓力、擠壓筒和穿孔針規(guī)格的主要因素有擠壓筒比壓、擠壓比和軸壓。生產(chǎn)硬合金管材時(shí)由于穿孔針的存在增加了其表面摩擦力，所以擠壓硬合金管材時(shí)需要的單位壓力較型材、棒材大，一般擠壓筒擠壓比應(yīng)≥45kg/mm2；其次，擠壓過程中制品的變形量影響制品的最終力學(xué)性能，一般擠壓比不應(yīng)小于8，以大于10為佳；再次，穿孔針規(guī)格相對(duì)較大時(shí)，空心擠壓軸的截面積會(huì)減小，軸端會(huì)承受較大的單位壓力，為了保證擠壓軸的強(qiáng)度，軸壓宜控制在80kg/mm2以內(nèi)。圖3為該變斷面管材生產(chǎn)使用不同噸位擠壓機(jī)、不同規(guī)格擠壓筒時(shí)的工藝計(jì)算。

圖3 該變斷面管材的工藝計(jì)算表Tab.3 Process calculation table of variable section pipe

該制品擠壓需要使用移動(dòng)穿孔針擠壓，其穿孔針直徑為125mm(即變斷面管材管身內(nèi)徑)。通過計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)應(yīng)25MN、36MN擠壓機(jī)而言，其擠出長(zhǎng)度或擠壓比不能滿足該制品的生產(chǎn)需要；45MN擠壓機(jī)選用360mm和390mm擠壓筒時(shí)，擠壓比和比壓分別不能滿足生產(chǎn)需要；75MN擠壓機(jī)選用460mm擠壓筒時(shí)各項(xiàng)參數(shù)均合格，但由于變斷面管材不能倍尺生產(chǎn)，每次擠出一根，所需鑄錠短，不能完全發(fā)揮出其設(shè)備產(chǎn)能，亦不是最佳選擇。因此生產(chǎn)該變斷面管材選擇采用60MN雙動(dòng)反向擠壓機(jī)，使用直徑420mm的擠壓筒和直徑125mm的穿孔針為佳。

4.2 穿孔針受力計(jì)算

與用于生產(chǎn)恒斷面管材的常規(guī)雙動(dòng)擠壓機(jī)不同，用于生產(chǎn)變斷面管材的擠壓機(jī)在生產(chǎn)過程中需要穿孔針精確的前伸或后退，因此對(duì)穿孔針的穿孔力和回拉力(俗稱“把持力”)都有特殊要求。下面通過對(duì)上述石油鉆探管生產(chǎn)過程中穿孔針的受力進(jìn)行計(jì)算，為生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)備訂貨時(shí)確定回拉力提供依據(jù)。

在穿孔階段穿孔針受壓力，在擠壓階段穿孔針受拉力。石油鉆探管生產(chǎn)一般使用空心鑄錠，則不存在穿孔階段，在這種情況下，若穿孔針、錠坯、擠壓筒和擠壓模四者的中心線重合,其受力情況如圖4所示。

穿孔針?biāo)艿幕乩梢杂霉絈=T1+T2cosα+T3-N2sinα表示；式中，T為金屬流動(dòng)時(shí)作用在針上的摩擦力，N為正壓力。它們都是總力，等于平均單位正壓力p 或平均單位摩擦力乘以各自作用的面積S, 可由長(zhǎng)度l1、l2和l3，直徑D 和d，以及斜角α計(jì)算得出。按庫(kù)侖摩擦定律，摩擦力與正壓力關(guān)系為，T=μN(yùn)=μpS；式中，μ為工具與工件接觸表面的摩擦系數(shù)，可取μ=0.25～0.35。隨著擠壓的進(jìn)行, l3逐漸減小, 故對(duì)針的拉力也逐漸減小。所以最危險(xiǎn)的時(shí)刻是鐓粗階段結(jié)束擠壓階段開始之時(shí), 要核算的正是此刻的拉力。此刻的l3可按錠、筒及針的尺寸計(jì)算。

1-穿孔針；2-擠壓墊；3-鋁合金鑄錠；4-擠壓筒；5-模具；6-管材圖4 穿孔針受力圖Fig.4 Perforated needle force diagram

確定作用在工具表面的平均單位壓力p 是件麻煩事情。本文采用金屬單向受力的σ0.2替代。針對(duì)該石油鉆探管，取μ=0.25，p=100MPa(2A12合金450℃時(shí)的σ0.2為100MPa)，α=30°，l1=100mm，l3=1100mm，D=125mm，d=79mm，計(jì)算得出穿孔針?biāo)艿幕乩镼=10.52MN，因此穿孔針的回拉力不宜小于10.52MN。

5 結(jié)論

(1)牌號(hào)為2A12T6，管體外徑尺寸為147mm，壁厚為11mm的帶內(nèi)加厚(t1=34)的石油鉆探管采用“固定和移動(dòng)穿孔針結(jié)合法”生產(chǎn)；

(2)經(jīng)計(jì)算，上述石油鉆探管生產(chǎn)宜采用60MN雙動(dòng)反向擠壓機(jī)，使用直徑420mm的擠壓筒和直徑125mm的穿孔針為最佳選擇，且擠壓機(jī)穿孔針的回拉力不應(yīng)小于10.52MN。