加重鉆桿管端加厚設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用

程斯祥，王建國，谷瑞杰，杜學(xué)斌，張建軍，邵國棟，馬 輝

（1.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

加重鉆桿在鉆具組合中介于鉆桿與鉆鋌之間，其壁厚在鉆桿和鉆鋌之間，它的結(jié)構(gòu)形式基本與鉆桿相同。它能不但能承受拉伸載荷，也可以承受壓縮載荷。

以往鉆具組合中的加重鉆桿以焊接式和棒材加工式為主，但焊接式和棒材加工式都存在不同程度的缺陷，市場上才出現(xiàn)了整體式加重鉆桿，而之前的整體式加重鉆桿多以單件車削、鉆孔生產(chǎn)居多，不僅產(chǎn)量低，且整批量生產(chǎn)的質(zhì)量難以保證。

采用管端加厚方式生產(chǎn)加重鉆桿是近幾年提出的一種新工藝，可以滿足加重鉆桿大批量、規(guī)模生產(chǎn)的需求。與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的產(chǎn)品相比，具有金屬纖維分布合理，材料利用率高，成品強(qiáng)度高，生產(chǎn)成本低等明顯的優(yōu)勢。為此，本文中對管端加厚工藝和技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了加重鉆桿管端加厚設(shè)備。

1 加重鉆桿管端加厚技術(shù)研究

1.1 技術(shù)原理

管端加厚加重鉆桿的加厚過程為：先將鋼管端部局部加熱，然后采用水平鍛造工藝進(jìn)行端部聚料，最終實(shí)現(xiàn)端部壁厚增加。具體來講，就是將通過施加模具與沖頭的約束，壓機(jī)帶動沖頭的定徑端使得1區(qū)金屬合理分流到2區(qū)、3區(qū)，如圖1、圖2所示。

這種加工工藝既能保證加厚段的幾何形狀，同時又能夠保證金屬纖維組織連續(xù)、合理分布，提高了管體與連接頭的連接強(qiáng)度。這是焊接式和整體加工式兩種加工工藝都無法實(shí)現(xiàn)的，也就是說該加工工藝生產(chǎn)的加重鉆桿成本最低反而強(qiáng)度最高。

圖1 管端加厚示意圖

圖2 加厚時金屬流動分布圖

1.2 加重鉆桿管端加厚技術(shù)特點(diǎn)分析

以?60.32×7.11加重鉆桿與API 5CT規(guī)范規(guī)定的?60.32×6.45油管和API 5D規(guī)范規(guī)定的?88.9×11.4鉆桿的加厚部位局部比較如圖3所示。其加厚過程工藝數(shù)據(jù)如表1所示。

通過以上比較可見，加重鉆桿的加厚存在如下難點(diǎn)：

（1）加重鉆桿加厚段的壁厚增加遠(yuǎn)大于加厚油井管，約為1.64～2.35倍（見表1增厚比ε值）。

（2）加重鉆桿加厚段的長度大于加厚油井管，約為2.31～2.82倍（見表1加厚變形部分長度LB）。

（3）在加厚過程中，加重鉆桿參與塑性變形的金屬體積遠(yuǎn)大于相同或近似規(guī)格的加厚油井管，使得參與變形的原始管坯的長度很長（見表1加厚變形部分長度LB），變形程度很大（見表1加厚比m、增厚比ε），變形過程中容易失穩(wěn)，成型難度大，變形過程難以控制，需要更多道次的加厚才能完成。

圖3 加厚段尺寸

表1 工藝計(jì)算數(shù)據(jù)表

（4）要求加厚設(shè)備的加厚力、夾緊力更大，加厚工作行程更長。

（5）要求加熱設(shè)備能夠加熱鋼管壁厚范圍更大、長度更長，可移動車體的工作行程更長。

1.3 力能參數(shù)計(jì)算

加厚成形力的影響因素有：變形材料的屈服強(qiáng)度、管端垂直于成形力方向的投影面積、變形速度、變形方式、變形量、變形溫度、變形區(qū)相對尺寸、工件和模具接觸表面的摩擦條件等，其計(jì)算公式如下：

式中：P0——最大成形力；

q——投影面積上單位面積的平均成形力，即成形力強(qiáng)度：

k1——應(yīng)變速度系數(shù)，熱加工時，液壓機(jī)取1.1～1.5；

k2——變形方式和摩擦條件影響系數(shù)，對沒有毛邊的閉口模鍛，取6～8，對帶毛邊的開口模鍛，取3～4；

Rt——終鍛溫度下材料的靜載屈服強(qiáng)度；

A——成形件垂直于成形力方向的投影面積。

選擇成形設(shè)備，其額定加厚力P1應(yīng)比P0大，按下式計(jì)算：

表2 加厚機(jī)的力能計(jì)算

由于加重鉆桿加厚段長，內(nèi)外加厚變形量大，一次成型難以完成，必須采用多道次連續(xù)成型。我們以139.7×10.54計(jì)算，取超高強(qiáng)度鋼Rt=90MPa，第三道投影面積為最大計(jì)算如下：

考慮到以后生產(chǎn)更大規(guī)格留有設(shè)備余量，故選用 5000kN，即 500t。

夾緊力按照通用的選取法，即2：1關(guān)系，為2×500t=1000t。

2 加重鉆桿管端加厚設(shè)備研發(fā)

在前文技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合以下幾方面設(shè)備研發(fā)中的關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）研究加重鉆桿的加厚工藝過程，制定合理的加厚工藝規(guī)范。

（2）按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝需要確定設(shè)備的組成、功能結(jié)構(gòu)及布局。

（3）管坯的鍛前加熱，必須能夠滿足加重鉆桿加厚前加熱工序的需要。

（4）確定主機(jī)結(jié)構(gòu)型式及噸位，主機(jī)具有合理的結(jié)構(gòu)和足夠的強(qiáng)度剛度。

本文確定了加重鉆桿管端加厚設(shè)備的工藝流程為：上料臺架上料-管坯端部定位-加熱-送入模腔-加厚-拉出模腔-（后續(xù)道次的重復(fù)加厚）-輸出到儲料筐。根據(jù)此工藝流程，確定了加重鉆桿管端加厚設(shè)備的平面布置，如圖4所示。

結(jié)合工藝流程，對加重鉆桿管端加厚設(shè)備各部分的技術(shù)特點(diǎn)介紹如下。

（1）上料

將成捆鋼管坯料放置在上料臺架的料倉內(nèi)，通過散捆裝置將鋼管定位在上料臺架上。通過散捆裝置、擋料器等裝置將鋼管分開，平鋪在上料臺架上。

（2）管端定位

上料翻板將鋼管輸送到對齊工位——對齊輥道。對齊輥道全部采用電機(jī)減速機(jī)組傳動，以確保定位過程能可靠進(jìn)行。當(dāng)受料開關(guān)發(fā)訊時，對齊輥道使鋼管直線運(yùn)動直至碰到定位機(jī)構(gòu)并延時停轉(zhuǎn)。

圖4 加重鉆桿管端加厚設(shè)備的平面布置圖

（3）步進(jìn)運(yùn)輸

步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)采用四連桿機(jī)構(gòu)。其工作過程為鋼管對齊（或其他工位）后，垂直缸驅(qū)動工字梁上升，托起對齊輥道上的鋼管 ，接著水平缸使工字梁前進(jìn)一個步距，到位后步進(jìn)梁下降將鋼管放置在下一工位的料架上，然后后退一個步距，完成一次循環(huán)。在步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)的垂直缸和水平缸上設(shè)有接近開關(guān)，使系統(tǒng)獲得信號以便調(diào)整油缸的運(yùn)行速度，做到快速運(yùn)行，慢速接近和停止。

（4）加熱

鋼管端部的加熱采用了中頻感應(yīng)加熱。對于加重鉆桿管端加厚管端的加熱是關(guān)鍵，參加變形的鋼管長度超過了一米，彎曲變形及加熱的不均勻性對后續(xù)加厚影響非常大，為了解決這一技術(shù)難題，中頻感應(yīng)加熱爐的結(jié)構(gòu)上采取了均勻纏繞加熱線圈、爐膛可進(jìn)行上下、左右調(diào)整；另外，爐前鋼管的支撐具備旋轉(zhuǎn)功能，從工藝上克服了鋼管加熱彎曲變形、加熱不均勻的技術(shù)難題。

（5）送入模腔

當(dāng)鋼管由步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)輸送到加厚工位后，隨動力升降輥道在油缸的驅(qū)動下升起，壓輪壓緊鋼管，采用變頻電機(jī)驅(qū)動管料沿模具中心線方向送進(jìn)。

管坯的送進(jìn)和返回采用伺服電機(jī)和光電開關(guān)組合控制方式。在壓機(jī)前端面裝有光電開關(guān)，當(dāng)管坯送進(jìn)或返回光電開關(guān)發(fā)訊后，PLC控制伺服電機(jī)的運(yùn)行距離，保證加厚工序和后續(xù)加熱工序?qū)芘鞫瞬康木_位置。

（6）加厚

在將鋼管送入加厚機(jī)模腔內(nèi)后，動力升降輥道下降，壓機(jī)夾緊模落下夾緊鋼管，然后水平缸帶動沖頭前進(jìn)進(jìn)行水平加厚；待水平加厚完成后，水平缸和回程缸先后分別回程，完成一次加厚。

（7）拉出模腔

完成加厚的管坯，隨動力升降輥道升起、壓輪下降壓緊鋼管，再迅速將鋼管拉出到適當(dāng)位置，動力升降輥道下降、壓輪松開，等待下一次工作。同樣動作，完成后續(xù)的加厚。

結(jié)合以上關(guān)鍵技術(shù)的研究，對設(shè)備各部件進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成了加重鉆桿管端加厚設(shè)備的研發(fā)，如圖5所示為設(shè)備的三維效果圖。

圖5 加重鉆桿管端加厚設(shè)備的三維效果圖

3 設(shè)備應(yīng)用

加重鉆桿管端加厚設(shè)備的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)某公司新建的鉆桿管端加厚生產(chǎn)線中，該生產(chǎn)線可對外徑?60.3mm～?168.3mm的鉆桿按工藝規(guī)定進(jìn)行管端加厚，產(chǎn)品涵蓋API規(guī)范規(guī)定的所有油管、鉆桿、加重鉆桿等目前所有的鋼管管端加厚產(chǎn)品。如圖6、圖7為設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場和管端加厚后的加重鉆桿產(chǎn)品。

圖6 設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場

圖7 加重鉆桿管端加厚產(chǎn)品

4 總結(jié)

本文在研究典型的加重鉆桿加厚技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備研發(fā)中的關(guān)鍵點(diǎn)，以滿足加重鉆桿加厚工藝需要為基本要求，設(shè)計(jì)完成了加重鉆桿管端加厚設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)研發(fā)成果的工業(yè)應(yīng)用，取得了良好效果。