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

(北方華安工業集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

石油鉆桿接頭主要用于石油鉆井時連接上、下鉆桿，鉆桿長期工作在高壓、強磨損的環境中，承受了較大的工作扭矩。鉆桿接頭是其最薄弱的環節，是石油鉆探過程中的關鍵性部件。該產品需求量大，市場前景廣闊，質量要求嚴格，目前國內眾多廠家為其生產配套。在激烈的市場競爭中，利潤空間有限，因此深入研究鉆桿接頭模鍛成形工藝，提高鉆桿接頭質量，降低生產成本，延長使用壽命十分必要。

1 原材料的選取

石油鉆桿接頭需具有較高的強度和韌性，以滿足工作過程中能夠承受拉伸、彎曲、扭轉、沖擊、振動等多種復雜載荷的交替作用。選取37CrMnMoA作為生產石油鉆桿接頭用鋼的原材料，規格為φ(150±1.4)mm，其加工工藝性良好，價格相對便宜，力學性能完全滿足產品性能要求，具體見表1。

表1 石油鉆桿接頭力學性能要求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重要環節，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部狀態發生變化，改善塑性，還利于金屬內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，為進一步的熱處理創造有利條件。

采用感應加熱爐進行加熱，加熱速度快，爐溫易于控制，氧化和脫碳少，便于實現機械化和自動化生產[3]。加熱溫度為1160～1190℃，加熱節拍為150～200 s。

2.3 模鍛毛坯制定

模鍛件是加工機械產品零件的毛坯，加工余量要選擇適當，如余量過大，鍛件“肥頭大耳”，既浪費金屬材料又增加了機械加工工時，模鍛毛坯尺寸如圖1所示。

2.4 加工設備選擇

選用壓力機時必須滿足如下要求[4－6]。

1)壓力機公稱壓力必須大于模鍛力;

2)模具的閉合高度應在壓力機的最大閉合高度和最小閉合高度之間;

3)壓力機的滑塊行程必須滿足制件的成形要求。

模鍛力計算如下[7－8]:

圖1 模鍛毛坯Fig.1 Die forging blank

式中:F為模鍛力，N;ln為模鍛毛坯內部長度，mm;dcn為相應模鍛毛坯內部ln處的沖頭直徑，mm;σb為模鍛溫度下變形材料的抗拉強度，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，用石墨型潤滑劑時，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，計算得F=8480 kN。

根據計算結果選擇1000 t水壓機進行鍛造，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 模鍛模具設計

在現代化的大生產中，工具和模具對實現整個模鍛過程有著十分重要的意義。模具是保證產品，具有正確形狀、尺寸和精度的基本工具，模具結構的形狀與尺寸對金屬的流變、成形速度、應力與應變有很大的影響，模具結構如圖2 所示[9－10]。

2.6 模鍛后緩冷

圖2 模具結構Fig.2 The mold structure

鍛件的冷卻是模鍛生產中的重要環節之一。冷卻方式選擇不當，會使鍛件產生翹曲、表面過硬甚至產生裂紋而報廢。冷卻過程中鍛后殘余應力、溫度應力、組織應力影響鍛件質量。石油鉆桿接頭鍛后采用立放空冷的冷卻方式。

3 結語

通過生產試制，石油鉆桿接頭毛坯采用模鍛成形工藝，產品性能穩定，適合大批量生產，提高了加工質量，降低了生產成本，該工藝可行。

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