鋼管管端鐓粗工藝設(shè)計計算與應(yīng)用

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

1 序言

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

2 管端鐓粗工藝

2.1 鐓粗過程

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

2.2 鐓粗力的計算

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

2.3 鐓粗工步的設(shè)計

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）。

3 鐓粗工步設(shè)計實例

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%。

3.1 第一工步設(shè)計

（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。

3.2 第二工步設(shè)計

（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。

4 影響鋼管鐓粗質(zhì)量的其他因素

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)。

4.1 模具的潤滑

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]。

4.2 模具的冷卻

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。

5 鐓粗工藝在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用

5.1 鐓粗工藝對生產(chǎn)線布置的指導(dǎo)作用

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。

5.2 鋼管鐓粗的生產(chǎn)過程

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]。

5.3 產(chǎn)品實列

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

6 結(jié)束語

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。