任明杰,馬輝,馬海寬,賈祥,謝凡
中國重型機械研究院股份公司 陜西西安 710018
隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展,能源、汽車、化工、醫(yī)藥、紡織及軍工等行業(yè)對石油、天然氣的需求與日俱增,油氣資源經(jīng)過100多年尤其是最近幾十年的開發(fā),淺層易開采油氣田已經(jīng)很少,因此只能往深井方向發(fā)展,4500m以上的深井已經(jīng)成為常態(tài)。由于深井作業(yè)難度較大,對鉆井器具的性能要求也特別高,而鉆桿是組成鉆具的主要構(gòu)件,鉆桿的品質(zhì)對降低油井事故率起著決定性的作用。在油氣鉆采過程中,鉆桿一根一根地首尾相連,總長可達(dá)幾千米。鉆桿常見的連接方式有公母扣聯(lián)接和接箍聯(lián)接,如圖1所示。鉆桿浸泡在鉆井液里,作業(yè)環(huán)境相當(dāng)惡劣,承受拉力、壓力、彎曲及扭轉(zhuǎn)等載荷,在大的復(fù)合應(yīng)力長期作用下,會使鉆桿產(chǎn)生疲勞破壞,特別在位移較大定向井和水平井中(見圖2),這種現(xiàn)象更加明顯。鉆桿上加工螺紋會使其壁厚減小,應(yīng)力集中,多數(shù)油井事故出現(xiàn)在鉆桿的螺紋聯(lián)接處。為了消除這種事故隱患,改善鉆桿應(yīng)力狀況,可通過平鍛機將鉆桿端部螺紋部分進(jìn)行鐓鍛,使其壁厚增大,材料晶粒細(xì)密,因此研究鋼管鐓鍛成形特性和規(guī)律,是管端鐓粗工藝研究的主要內(nèi)容[1]。
圖1 鉆桿的聯(lián)接方式
圖2 定向井和水平井
按所用工具及模具安裝情況的不同,鍛造可分為自由鍛和模鍛。自由鍛是將坯料放在上下砧鐵之間施加外力,使坯料產(chǎn)生變形而獲得所需幾何尺寸和內(nèi)部質(zhì)量鍛件的方法;模鍛是指在專用的模鍛設(shè)備上利用模具使坯料成形而獲得鍛件的方法。顯然,模鍛鍛件的尺寸更精確,加工余量更少[2]。管端鐓粗顯然屬于模鍛,其特點是有兩個相互垂直的分模面:一個是主分模面,在凹模和凸模之間;另一個分模面在可分的兩半凹模之間,具體的模鍛過程如圖3所示。
圖3 管端鐓粗過程示意
在綜合考慮鍛造溫度范圍、變形速率、鍛件材料及模具形態(tài)等因素的情況下,實踐中常用下列經(jīng)驗公式[3]來粗選設(shè)備噸位,即
式中P——鐓鍛力(kN);
F——鍛件的投影面積(cm2);
K——鋼種系數(shù),中碳鋼取1,高碳鋼及中碳合金鋼取1.15,高碳合金鋼取1.30。
例如,根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn),加厚鉆桿φ88.9mm×9.35m m加厚段的尺寸:外徑/內(nèi)徑為φ106m m/φ60mm,即φ10.6cm/φ6cm,普通鉆桿材料牌號包括27SiMn、40Cr、20Cr、35CrMo、12Cr1MoV、15CrMo、42CrMo、30CrMo、13CrMo44等,為中碳合金鋼,K取1.15,根據(jù)式(1),鐓粗力為
鋼管在鐓鍛過程中,如果變形程度過大,就會失穩(wěn),出現(xiàn)褶皺、凹坑、折疊等缺陷,因此設(shè)計合理的鐓鍛工步,是鋼管鐓粗工藝所要解決的重要問題。研究和實踐表明,影響鐓粗質(zhì)量主要是鐓粗比m和鐓粗方式系數(shù)μ。管料鐓鍛件如圖4所示。
圖4 管料鍛件
(1)鐓粗比m鐓粗比m是反映管料變形程度的重要參數(shù),它是管料的鐓粗長度lB與管料的計算直徑d0p的比值,它反應(yīng)了管料鐓粗的穩(wěn)定性,m值越大,鐓粗越不穩(wěn)定。
式中vA——鐓粗部分的體積(mm3);
δ——加熱時鋼管坯料的燒損率(%),其中,火焰加熱為3%,電感應(yīng)加熱為1%~1.5%;
d0p——管料的計算直徑,與管料坯料截面積相同的棒料直徑(mm);
D0——管料的外徑(mm);
d0——管料的內(nèi)徑(mm)。
(2)管料自由聚集的允許鐓粗比mg管料一次鐓粗不能太長,否則就會產(chǎn)生內(nèi)部凹陷、褶皺等缺陷。只有當(dāng)管料的鐓粗比m小于允許鐓粗比mg時,才能自由聚集,而不會產(chǎn)生缺陷。
管料自由聚集的允許鐓粗比mg取決于鐓粗方式(見圖5)和管料的尺寸。其計算公式為
圖5 鋼管的鐓粗方式
式中μ——鋼管的鐓粗方式系數(shù),見表1。
表1 管料的鐓粗方式系數(shù)[3]
(3)管料的鐓粗規(guī)則 管料的計算直徑增大系數(shù)εn只能等于或小于管料鐓粗限制線的值(見圖6),否則容易產(chǎn)生缺陷。
圖6 管料鐓粗限制線[3]
直徑增大系數(shù)εn的計算式為
式中d1p——管料一道次鐓粗后的計算直徑(mm);
dnp——管料n道次鐓粗后的計算直徑(mm)。
式中Dn——管料n道次鐓粗后的外徑(mm);
dn——管料n道次鐓粗后的內(nèi)徑(mm)。
還以φ88.9mm×9.35mm鉆桿為例,設(shè)計鐓粗工步,管料原始尺寸:外徑/內(nèi)徑=D0/d0=φ88.9/φ70.2mm;按照AP1標(biāo)準(zhǔn),其加厚段的尺寸:外徑/內(nèi)徑=Dn/dn=φ106/φ60mm,鐓粗長度ln=102mm,按目前實踐中管料鐓粗普遍采用中頻感應(yīng)加熱,燒損率δ取1.5%。
(1)確定鐓粗比m參照表1,外徑不變僅緊縮小內(nèi)徑的鐓粗方式穩(wěn)定性最好,因此第一工步宜采用這種方式。
鍛件鐓粗部分的體積vA為
根據(jù)式(4),管料的計算直徑為
根據(jù)式(3),管料的鐓粗長度為
根據(jù)式(2),管料的鐓粗比為
(2)確定允許鐓粗比mg
1)計算鐓粗段外徑內(nèi)徑之比為
2)確定鐓粗系數(shù)μ。根據(jù)表1,取鐓粗系數(shù)μ=3.4。
根據(jù)式(5),管料的允許鐓粗比為
(3)計算鍛件尺寸 由圖6 得出,第一工步計算直徑允許增大系數(shù)ε1=1.21。
由式(6)轉(zhuǎn)換得出第一工步的允許增大直徑為
由式(7)轉(zhuǎn)換得出第一工步的內(nèi)徑為
第一工步鐓粗后d1<dn=60mm,可以滿足理論要求。
計算總結(jié):第一工步完成后加厚段外徑D1=D0=88.9 mm,內(nèi)徑d1=60mm。
(1)確定鐓粗比m第二工步計算將第一工步的外徑D1和內(nèi)徑d1作為坯料,采取內(nèi)徑不變,增大外徑的方式。
根據(jù)式(4),管料的計算直徑為
根據(jù)式(3),管料的鐓粗長度為
根據(jù)式(2),管料的鐓粗比為
(2)確定允許鐓粗比
1)確定鐓粗系數(shù)μ:根據(jù)表1,取鐓粗系數(shù)μ=1.9。
2)計算鐓粗段外徑內(nèi)徑之比為
根據(jù)式(5),管料的允許鐓粗比為
(3)計算鍛件尺寸 由圖6 得出,第二工步的計算直徑允許增大系數(shù)ε2=1.28。
由式(6)轉(zhuǎn)換得出第二工步的允許增大直徑為
由式(7)轉(zhuǎn)換得出第二工步的外徑為
第二工步鐓粗后計算外徑D2(φ103.2mm)略小于產(chǎn)品要求外徑Dn(φ106mm),在生產(chǎn)實踐中,為了滿足產(chǎn)品規(guī)格的要求,將加厚模的模腔直徑修正到φ106mm,通過試驗,沒有產(chǎn)生缺陷。
計算總結(jié):第二工步完成后加厚段外徑D2=106mm,內(nèi)徑d2=60mm。
上述計算方法對設(shè)計模具、計算工步起到了很好的指導(dǎo)作用,具體到某個規(guī)格的鋼管,按照API標(biāo)準(zhǔn),適當(dāng)微調(diào)理論計算參數(shù),通過試驗,最終能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。
除了正確的工步計算以外,模具的工作溫度和潤滑條件也是影響鍛件質(zhì)量的重要因素,因此模具潤滑和冷卻是鐓粗工藝必不可少的環(huán)節(jié)。
在變形過程中,變形力使模具表面與工件之間產(chǎn)生比較大的正壓力,兩者之間發(fā)生相對滑動時會產(chǎn)生很大摩擦力,摩擦力會阻礙金屬塑性流動,并抵消一部分鐓鍛力,導(dǎo)致參與金屬變形的力減小,因此潤滑顯得非常重要。正確的潤滑,會減小摩擦力,增強金屬流動性。
對于鋼管鐓粗而言,理想的潤滑狀況是水劑石墨噴涂到170℃左右模具表面后,高溫使水分迅速氣化蒸發(fā),而在模腔和沖頭表面形成一層薄且均勻的石墨顆粒層,鐓粗過程中,石墨層間隔開了變形金屬和模腔,石墨的潤滑大幅降低了摩擦力,改善了金屬塑性流動的條件,鍛件表面飽滿圓滑且有光澤[4]。
由于管端鐓粗時金屬的始鍛溫度達(dá)到1150℃左右,模具的溫度也會很快升高,高溫狀態(tài)下,模具的機械強度變低,表面硬度減小,嚴(yán)重時不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量,還會出現(xiàn)凸模拉斷、凹模壓潰的生產(chǎn)事故,因此模具冷卻非常重要。
模如果具溫度冷卻太低,也會影響鍛件質(zhì)量,因為過低的溫度,導(dǎo)致水基石墨噴到模具上后不能迅速氣化,模具表面水比較多,熱的鍛件接觸到水和冷的模具后,表面溫度很快降低,導(dǎo)致金屬流動困難,變形抗力增大。對于鐓粗模具來說,通常在170℃左右工作比較好,在這個溫度段,模具表面水分能夠迅速氣化,鍛件金屬流動順利,模具的力學(xué)性能也不會降低。
鋼管管端鐓粗生產(chǎn)線設(shè)備的布置是按照產(chǎn)品的鐓粗工藝來進(jìn)行:如果一道次鐓粗即可成形,則設(shè)備采用兩臺鐓粗機對面布置的方式,鋼管一次通過生產(chǎn)線就可以完成兩端鐓粗;如果需要兩道次成形,則一般采用兩臺鐓粗機并列布置的方式,這樣可以利用第一道次的預(yù)熱,再次加熱后進(jìn)行第二道次的鐓粗;同理,如果需要三道次成形,就需要三臺設(shè)備并列布置。兩種生產(chǎn)線的布置方式如圖7所示。
圖7 鐓粗生產(chǎn)線的布置方式
生產(chǎn)實踐中,加厚油套管允許鐓粗比mg較大,通常一道次可鐓鍛成形,一般采用鐓粗機對面布置的方式,加厚鉆桿允許鐓粗比mg較小,需要兩道次甚至三道次鐓粗才能最終成形,大都采用鐓粗機并排布置的方式。
以并排布置的生產(chǎn)線為例,生產(chǎn)工藝路線:一次加熱→二次加熱→一次鐓粗→三次加熱→四次加熱→二次鐓粗,鋼管被運到臺架上后,單根翻料器將鋼管單層鋪開,輔機將單根鋼管運到對齊工位上,鋼管在一道次對齊工位上對齊后,由輔機運至一道次的1#加熱工位,中頻線圈將鋼管管端變形段加熱至(800±10)℃后,輔機再將管料運至一道次的2#加熱工位上,中頻線圈接著將鋼管變形段加熱至(1150±10)℃后,輔機再將管料運至一道次鐓粗工位,鐓粗機前輔機將鋼管軸向移動,鋼管紅熱部分伸進(jìn)模腔內(nèi),壓機動梁向下運動,安裝在動梁下方的上模與安裝在壓機工作臺上的下模完成合模,并壓緊鋼管非變形段,凸模前進(jìn),伸進(jìn)鋼管內(nèi)并與模腔形成封閉空間,凸模繼續(xù)前進(jìn)擠壓變形段金屬,使其充滿整個模腔,按照體積不變原則,鋼管變形區(qū)長度縮短,管壁加厚,保持幾秒鐘后,凸模后退返回,動梁帶動上模抬起,輔機將鐓粗后的鋼管從模腔退出,這樣一道次鐓粗過程結(jié)束。輔機接著再將鋼管運至二道次對齊工位,對齊后,在二道次1#加熱工位和二道次2#加熱工位,分兩次將鋼管加厚段加熱至(1150±10)℃,然后輔機再運至二道次鐓粗工位,二號鐓粗機再將鋼管進(jìn)行二次鐓粗,經(jīng)過兩次鐓粗,鋼管最終鐓粗成形[4]。
本文工藝設(shè)計和計算方法在生產(chǎn)實踐中得到充分驗證,并且不斷的發(fā)展修正和完善,圖8所示為天津某鋼管廠工藝調(diào)試完成后的產(chǎn)品實物。由圖8a可看出,加厚段品質(zhì)很好,外表面光滑、平整,無凹坑、褶皺及飛邊等缺陷,由圖8b可看出,從管體到加厚段壁厚過渡均勻平緩。
圖8 加厚鋼管實物
本文通過對鋼管管端鐓粗過程的分析和研究,得出以下結(jié)論。
1)設(shè)計、總結(jié)出了一套鋼管管端鐓粗工藝的計算方法,能夠針對不同規(guī)格的鋼管設(shè)計鐓粗工步,同時為模具的設(shè)計提供理論依據(jù)。
2)分析了模具冷卻和模具潤滑這兩個影響鐓粗工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素,并給出合理的數(shù)值范圍。
3)通過鋼管鐓粗力的計算,提出了相應(yīng)鐓粗設(shè)備噸位的計算方法。
4)通過鋼管鐓粗工步的計算,提出了管端鐓粗生產(chǎn)線設(shè)備的布置方法。