石油鉆桿摩擦焊內(nèi)毛刺去除刃具的選擇

牛成杰，張梅梅，王顯林

（1.渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣 062658；2.渤海石油裝備制造有限公司，河北 青縣 062658）

在石油勘探和開(kāi)采過(guò)程中，石油鉆桿都是重要的鉆探工具，其接頭與管體經(jīng)摩擦焊接成為一體，由于高速旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的高溫對(duì)焊區(qū)在軸向頂鍛力的作用下，黏塑態(tài)金屬向外擴(kuò)散形成毛刺［1-9］。石油鉆桿毛刺以對(duì)焊線(xiàn)為中心呈近似對(duì)稱(chēng)分布，受深孔加工技術(shù)限制，內(nèi)毛刺通過(guò)專(zhuān)用內(nèi)沖刃具沖切去除效果較好，一般內(nèi)沖后毛刺殘留高度越低，后續(xù)加工質(zhì)量越好，但同時(shí)對(duì)內(nèi)沖刃具沖切性能要求越高。

石油鉆桿經(jīng)過(guò)多年研究開(kāi)發(fā)越發(fā)呈現(xiàn)多樣性［10］，材料特性、內(nèi)孔結(jié)構(gòu)、毛刺體積等對(duì)內(nèi)沖合格率均有影響。由于沖切刃具特殊的工作環(huán)境，對(duì)其熱穩(wěn)定性、刃口形式、公差配合等都有嚴(yán)格要求［11］，為減少毛刺黏連、劃傷、卡死等問(wèn)題出現(xiàn)，沖切刃具應(yīng)具備更好的適用性。根據(jù)石油鉆桿不同的內(nèi)孔形式，在綜合考慮刃具毛刺成型、刃口保持、鈍化修復(fù)等方面能力的基礎(chǔ)上，選擇適宜的刃具形式，可以有效提高內(nèi)毛刺沖切成功率，提升石油鉆桿內(nèi)孔質(zhì)量，改善泥漿流體力學(xué)性能［12-15］。本文探討石油鉆桿摩擦焊內(nèi)毛刺沖切刃具主要特點(diǎn)，以期為更好應(yīng)用內(nèi)毛刺沖切技術(shù)提供參考。

1 內(nèi)沖刃具結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)分類(lèi)

為了滿(mǎn)足接頭螺紋區(qū)抗扭強(qiáng)度需要，同時(shí)保證石油鉆桿與套管間的環(huán)空間隙，石油鉆桿接頭內(nèi)孔直徑受到一定限制。由于石油鉆桿加厚形式的不同，對(duì)比接頭與管體內(nèi)徑尺寸，在內(nèi)沖工藝中，可以將石油鉆桿分為兩類(lèi)：內(nèi)徑不發(fā)生變化的通徑鉆桿和內(nèi)徑前小后大的變徑鉆桿。對(duì)應(yīng)不同的鉆桿內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)沖刃具從形式上被分為直沖刃具和分體刃具。通徑鉆桿直沖和變徑鉆桿分體沖應(yīng)用如圖1所示。

圖1 通徑鉆桿直沖和變徑鉆桿分體沖應(yīng)用示意

接頭螺紋屬于石油鉆桿的薄弱環(huán)節(jié)，內(nèi)加厚鉆桿接頭內(nèi)徑在焊徑部分通過(guò)錐面形成擴(kuò)徑，并與管體配合連接。從圖1可以看出，變徑鉆桿內(nèi)孔前小后大，其擴(kuò)徑區(qū)域?yàn)榉煮w刃具提供了定位及存放空間；通徑鉆桿內(nèi)孔結(jié)構(gòu)缺少定位條件，直沖刃具可以直接從接頭側(cè)進(jìn)入鉆桿內(nèi)孔完成沖切。直沖刃具和分體刃具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直沖刃具和分體刃具結(jié)構(gòu)示意

（1）直沖刃具為一個(gè)整體，通過(guò)尾部的螺紋與內(nèi)沖桿連接，隨內(nèi)沖桿軸向移動(dòng)進(jìn)入鉆桿內(nèi)孔完成沖切。

（2）分體刃具為四等分結(jié)構(gòu)，內(nèi)沖前用皮筋束為一體，進(jìn)入接頭擴(kuò)徑區(qū)域后，經(jīng)內(nèi)沖桿推動(dòng)完成沖切。

1.2 刃具結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

（1）直沖刃具適用于通徑鉆桿內(nèi)毛刺的去除，受內(nèi)沖系統(tǒng)同軸度累積誤差影響，其外徑與石油鉆桿內(nèi)徑配合間隙較大；使用螺紋連接，用壓縮空氣吹掃冷卻；單個(gè)沖切效率高，不需要頻繁更換刃具，備用量少，一般為2個(gè)以上；內(nèi)沖系統(tǒng)同軸度累積誤差易導(dǎo)致沖切刃具偏心，刃具外徑與鉆桿內(nèi)徑間隙偏大；長(zhǎng)度調(diào)整余量較大，能夠獲得更大毛刺成型空間及刃口形位差，可以采用大多數(shù)刃口結(jié)構(gòu)，沖切成功率高；刃具沖切能力強(qiáng)，刃具損耗對(duì)內(nèi)沖效果影響?。粵_切后毛刺殘留多，后續(xù)精加工難度大；刃具卡死時(shí)無(wú)法退回，導(dǎo)致內(nèi)沖系統(tǒng)拉傷，同時(shí)造成鉆桿二次焊接或報(bào)廢。

（2）分體刃具適用于變徑鉆桿內(nèi)毛刺的去除，不直接與內(nèi)沖系統(tǒng)連接，在自身導(dǎo)向通徑作用下完成沖切，其外徑與石油鉆桿內(nèi)徑配合緊密；沖切完成后，從鉆桿內(nèi)孔退出，置于水中冷卻；沖切后要水冷，影響了單個(gè)沖切效率，備用量一般為4個(gè)以上；受內(nèi)沖系統(tǒng)同軸度影響較小，移動(dòng)距離短，刃具外徑與鉆桿內(nèi)徑間隙?。皇芙宇^擴(kuò)徑區(qū)域尺寸限制，刃具長(zhǎng)度一般較短，對(duì)刃口形式、成型空間均有較高要求，同時(shí)受毛刺尺寸及材料影響，沖切難度大；刃具損耗易導(dǎo)致沖切失敗，修磨頻次高；沖切后毛刺殘留少，便于后續(xù)精加工；卡死會(huì)導(dǎo)致刃具報(bào)廢，同時(shí)造成鉆桿二次焊接或報(bào)廢。

2 內(nèi)沖刃口型式

刃口是刃具的重要組成部分，內(nèi)沖刃具的刃口一般具備切割與成型能力，不同的刃口型式?jīng)_切效果不同。根據(jù)毛刺脫落后的狀態(tài)，可以將刃口型式概括為兩種：包含型刃口和分割型刃口。包含型刃口和分割型刃口如圖3所示。

圖3 包含型刃口和分割型刃口示意

2.1 包含型刃口

包含型刃口，其沖切軌跡為連續(xù)曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)刃口對(duì)高溫狀態(tài)的毛刺進(jìn)行切割，沖切后毛刺進(jìn)入刃具成型空間，塑化成型為一個(gè)整體。使用包含型刃口的優(yōu)點(diǎn)是：分體刃具和直沖刃具均適用，對(duì)于中等尺寸鉆桿沖切效果最好；刃口鋒利，毛刺脫離徹底。使用包含型刃口的缺點(diǎn)是：毛刺變形量較小，不易取出；受力不均勻，易劃傷鉆桿內(nèi)壁；對(duì)刃口鋒利度依賴(lài)性高。

包含型刃口通過(guò)成型空間對(duì)高溫狀態(tài)下的毛刺進(jìn)行二次塑形，沖切效果取決于成型結(jié)構(gòu)、刃口鋒利度。刃口寬度推薦5～10 mm，過(guò)小時(shí)耐用性差，過(guò)大時(shí)切割能力不足。鉆桿毛刺量較大或內(nèi)徑較小時(shí)，脫落毛刺往往難以取出。刃口偏磨或成型結(jié)構(gòu)不合理時(shí)，可能造成受力不均勻或毛刺外流，導(dǎo)致毛刺黏連、劃傷、卡死或脫落后無(wú)法取出等問(wèn)題。包含型刃口沖切刃具毛刺成型如圖4所示，灰色部分為毛刺成型體。

圖4 包含型刃口沖切刃具毛刺成型示意

2.2 分割型刃口

大規(guī)格鉆桿（如Φ139.7 mm、Φ168.3 mm規(guī)格鉆桿）毛刺體積大，小規(guī)格鉆桿（如Φ60.3 mm、Φ73 mm）內(nèi)孔尺寸小，沖切刃具使用包含型刃口時(shí)，脫落毛刺取出難度大（特別是采用內(nèi)加厚形式的接頭），極易出現(xiàn)毛刺脫落后無(wú)法取出的問(wèn)題。分割型刃口通過(guò)對(duì)毛刺進(jìn)行分割沖切，以實(shí)現(xiàn)降低取出難度的目的。使用分割型刃口的優(yōu)點(diǎn)是：沖切后，毛刺被分割為若干部分，便于取出，對(duì)于偏大及偏小規(guī)格鉆桿適用性更好。使用分割型刃口的缺點(diǎn)是：刃口較鈍，主要依靠擠壓去除毛刺，可能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；成型能力差，對(duì)鉆桿材質(zhì)有一定要求，容易發(fā)生毛刺黏連情況。分割型刃口沖切刃具毛刺成型如圖5所示，灰色部分為毛刺成型體。

圖5 分割型刃口沖切刃具毛刺成型示意

分割型刃口的沖切效果主要取決于形位差尺寸，充足的分離度是保證內(nèi)毛刺被有效分割的關(guān)鍵，同時(shí)鉆桿材質(zhì)、沖切時(shí)機(jī)對(duì)毛刺分割效果有一定影響，如內(nèi)毛刺黏度偏高，則有可能導(dǎo)致分割不徹底。

2.3 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，包含型刃口與分割型刃口已基本滿(mǎn)足石油鉆桿內(nèi)沖需要，但二者都存在一定的局限性及質(zhì)量隱患。將包含型刃口與分割型刃口的特點(diǎn)相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種復(fù)合型刃口，既具備一定的成型能力，又便于沖切后毛刺的取出，并通用于多種規(guī)格鉆桿，將能夠有效減少刃具備貨量及制作成本，同時(shí)提升內(nèi)沖質(zhì)量。

3 內(nèi)沖刃具的應(yīng)用

3.1 刃具材質(zhì)的選擇

石油鉆桿摩擦對(duì)焊時(shí)，接頭與管體接觸面高速旋轉(zhuǎn)摩擦，其溫度峰值在1 200～1300℃，對(duì)焊區(qū)黏塑態(tài)金屬在頂鍛力作用下向外流出形成毛刺，毛刺外形如圖6所示。高溫金屬毛刺處于黏塑態(tài)，去除難度低，沖切刃具對(duì)其進(jìn)行剪切并重新塑形，需要一定的熱穩(wěn)定性，推薦使用熱作模具鋼、高速鋼等紅硬性金屬制作。

圖6 毛刺外形示意（Φ127 mm規(guī)格鉆桿）

（1）熱作模具鋼（H13）內(nèi)沖刃具。熱作模具鋼（H13）內(nèi)沖刃具的耐熱性一般，刃口鈍化現(xiàn)象明顯，反復(fù)接觸高溫造成刃口退火，常溫硬度從50～56 HRC逐漸降低到30 HRC以下，長(zhǎng)期使用易發(fā)生變形；需要頻繁打磨、整形，直至尺寸超過(guò)工藝要求，正常壽命一般在600次左右；制作成本較低。

（2）高速鋼（W6Mo5Cr4V2）內(nèi)沖刃具。高速鋼（W6Mo5Cr4V2）內(nèi)沖刃具的紅硬性及耐磨性好，長(zhǎng)時(shí)間使用后硬度下降不明顯，正常壽命一般在1 000次左右，但制作成本較高。

因此，從批量生產(chǎn)考慮，內(nèi)沖刃具的材質(zhì)選熱作模具鋼，其整體經(jīng)濟(jì)成本低，但由于刃具損耗導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題偏多，磨損及退火易造成刃具鈍化、變形，需要根據(jù)工況進(jìn)行修磨。

3.2 刃具結(jié)構(gòu)與刃口型式的對(duì)應(yīng)關(guān)系

一般應(yīng)優(yōu)先根據(jù)石油鉆桿規(guī)格、內(nèi)孔尺寸、毛刺體積選擇刃口，刃口型式與刃具結(jié)構(gòu)無(wú)強(qiáng)制對(duì)應(yīng)要求。直沖刃具的設(shè)計(jì)更為靈活，允許制作出更大的成型空間，對(duì)黏塑性毛刺成型效果好，刃具尺寸具有較大的調(diào)整空間，內(nèi)沖質(zhì)量更穩(wěn)定，推薦使用包含型刃口。分體刃具受石油鉆桿接頭變徑空間限制，在大規(guī)格及小規(guī)格鉆桿內(nèi)沖時(shí)，推薦選擇分割型刃口。

4 技術(shù)要求

4.1 內(nèi)沖時(shí)機(jī)選擇

石油鉆桿摩擦焊進(jìn)入頂鍛階段后壓接機(jī)主軸停轉(zhuǎn)，軸向壓力升高，黏塑性金屬流出明顯增加，毛刺逐漸凝結(jié)成型。頂鍛結(jié)束后6 s左右，毛刺形態(tài)基本穩(wěn)定，同時(shí)受高溫影響，其硬度較低，此時(shí)沖切可以有效發(fā)揮內(nèi)沖刃具毛刺成型及分割能力，減少黏連、卡死等現(xiàn)象出現(xiàn)。石油鉆桿摩擦焊過(guò)程如圖7所示，箭頭標(biāo)志位置為推薦內(nèi)沖時(shí)間點(diǎn)。

圖7 石油鉆桿摩擦焊過(guò)程示意

4.2 技術(shù)要求

4.2.1 直沖刃具

（1）直沖刃具直接與內(nèi)沖桿相連，行程較長(zhǎng)，受同軸度誤差及撓度影響，其外徑與鉆桿內(nèi)徑間隙應(yīng)適當(dāng)放大，一般在1.5～2.0 mm。

（2）直沖刃具推薦長(zhǎng)度為100～150 mm，具體視成型空間要求確定，過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加內(nèi)沖系統(tǒng)偏心，影響沖切效果。

4.2.2 分體刃具

分體刃具尺寸根據(jù)鉆桿接頭擴(kuò)徑區(qū)域大小確定，分體刃具定位如圖8所示。

圖8 分體刃具定位示意

（1）分體刃具尺寸受存放空間限制，其軸向長(zhǎng)度應(yīng)減去毛刺覆蓋范圍及接頭摩擦縮短量，避免沖切前刃口與高溫毛刺長(zhǎng)時(shí)間接觸，分體刃具導(dǎo)向通徑長(zhǎng)度=存放空間長(zhǎng)度-接頭摩擦縮短量-毛刺單邊寬度，刃具刃口與石油鉆桿接頭后端面間距一般在20 mm左右。

（2）分體刃具最大成型空間由導(dǎo)向通徑長(zhǎng)度決定，視毛刺體積進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，成型空間不足會(huì)導(dǎo)致毛刺成型效果不良。

（3）分體刃具的行程短，受內(nèi)沖系統(tǒng)偏心誤差的影響小，刃具外徑與鉆桿內(nèi)徑的間隙一般為1.0～1.5 mm。

（4）分體刃具尾部錐臺(tái)與接頭內(nèi)孔變徑錐面配合定位，角度放大1°。

5 常見(jiàn)內(nèi)沖失效分析

統(tǒng)計(jì)常見(jiàn)內(nèi)沖失效形式，并分析其原因，具體見(jiàn)表1。

6 結(jié) 語(yǔ)

石油鉆桿摩擦焊內(nèi)毛刺位于接頭與管體之間，傳統(tǒng)機(jī)床車(chē)削刀桿需要穿過(guò)接頭才能抵達(dá)加工位置，對(duì)于采用內(nèi)加厚接頭的鉆桿，刀頭的懸伸更長(zhǎng)，特別是刀桿長(zhǎng)徑比達(dá)到9∶1時(shí)，容易出現(xiàn)振紋、打刀現(xiàn)象。內(nèi)沖技術(shù)的應(yīng)用可以有效降低石油鉆桿內(nèi)毛刺去除難度，但由于內(nèi)沖刃具作業(yè)環(huán)境惡劣，產(chǎn)品質(zhì)量受諸多因素影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于刃具問(wèn)題造成的內(nèi)沖失效占內(nèi)沖失效總數(shù)的95%左右。筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，從分析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、沖切原理、成型能力等環(huán)節(jié)出發(fā)，對(duì)不同形式內(nèi)沖刃具的適用性進(jìn)行了探討，并以此為基礎(chǔ)總結(jié)了設(shè)計(jì)、制造及使用環(huán)節(jié)的部分技術(shù)要點(diǎn)；此外，針對(duì)不同規(guī)格及結(jié)構(gòu)石油鉆桿內(nèi)沖需要，為更合理地選擇刃具形式，提高內(nèi)沖效果提供了參考意見(jiàn)。通過(guò)分析可以看出，內(nèi)沖刃具形式多樣，且各有其優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用前提，因此增加了作業(yè)難度及備件成本；隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展和成熟，希望新形式的內(nèi)沖刃具具有更好的普遍適用性及毛刺去除效果。

表1 常見(jiàn)內(nèi)沖失效形式、原因及處理建議