石油鉆桿接頭錐管螺紋數(shù)控加工修復(fù)技術(shù)研究

摘"要：石油鉆桿在使用過(guò)程中與巖壁和泥漿摩擦?xí)l(fā)生磨損，鉆桿接頭比鉆桿要粗，因此鉆桿接頭臺(tái)肩面更容易磨損。在鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)接單根來(lái)延長(zhǎng)鉆桿，鉆桿螺紋不停地?cái)Q緊卸下，也易磨損或局部損壞。通過(guò)對(duì)鉆桿的維修可以延長(zhǎng)使用壽命提高重復(fù)利用率，節(jié)約成本。本文提出一種鉆桿接頭螺紋的數(shù)控加工修復(fù)方法及修復(fù)過(guò)程中的對(duì)刀方法，通過(guò)對(duì)127mm鉆桿NC50接頭螺紋進(jìn)行編程，然后利用數(shù)控機(jī)床加工完成了鉆桿接頭螺紋的修復(fù)。

關(guān)鍵詞：石油鉆桿；鉆桿螺紋；鉆桿修復(fù)；數(shù)控加工

Abstract：Drill"pipe"will"wear"and"tear"against"the"rock"wall"and"mud.The"drill"pipe"joint"is"thicker"than"the"drill"pipe，so"the"shoulder"surface"of"the"drill"pipe"joint"is"more"prone"to"wear"and"tear.During"the"drilling"process，the"drill"pipe"is"extended"by"connecting"a"single"piece，and"the"threads"of"the"drill"pipe"are"constantly"tightened"and"removed，which"can"also"cause"wear"or"local"damage.By"repairing"drill"pipes，the"service"life"can"be"extended，the"reuse"rate"can"be"improved，and"costs"can"be"saved.This"article"proposes"a"CNC"machining"repair"method"for"drill"pipe"joint"threads"and"a"tool"alignment"method"during"the"repair"process.By"programming"the"127mm"drill"pipe"NC50"joint"thread"and"using"a"CNC"machine"tool，the"repair"of"the"drill"pipe"joint"thread"is"completed.

Keywords：Drill"pipe；Drill"pipe"threads；Drill"pipe"repair；CNC"machining

鉆桿是一種兩端帶有螺紋的鋼管，用于連接鉆機(jī)地表設(shè)備和鉆井底端鉆頭，還可以將鉆井液運(yùn)送到鉆頭。在鉆井時(shí)鉆桿內(nèi)部需要承受鉆井液的高壓、泥漿的沖刷摩擦，還需要承受轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的扭矩、在定向鉆中還有鉆桿彎曲，鉆井過(guò)程中的振動(dòng)等各種極端環(huán)境。鉆井的深度越來(lái)越深，對(duì)于鉆桿要求也越來(lái)越高，而鉆桿的接頭就成了關(guān)鍵部位，鉆桿接頭由于比鉆桿要粗，因此鉆桿臺(tái)肩面更容易磨損，由于在鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)接單根來(lái)延長(zhǎng)鉆桿，鉆桿螺紋也很容易磨損或局部損壞，因而需要對(duì)破壞的鉆桿臺(tái)肩和螺紋修復(fù)，避免整根鉆桿報(bào)廢［12］。

我國(guó)石油鉆桿大多采用的API系列規(guī)范的石油管具專用螺紋，這種管具螺紋和常規(guī)的螺紋不同，是一種特殊行業(yè)、特殊要求的管螺紋。石油鉆桿的加工一般是通過(guò)管螺紋車床來(lái)完成，管螺紋車床屬于傳統(tǒng)機(jī)械式機(jī)床，需要熟練的操作工人進(jìn)行操作，且加工過(guò)程中的勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量還不穩(wěn)定。通過(guò)數(shù)控加工修復(fù)鉆桿接頭及螺紋可以提高修復(fù)的效率，保證修復(fù)質(zhì)量的穩(wěn)定性，利用數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，加工修復(fù)這種特殊管螺紋，正好突顯了數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)［34］。

1"石油鉆桿接頭螺紋修復(fù)過(guò)程

通過(guò)數(shù)控加工修復(fù)管螺紋主要有以下五個(gè)步驟［5］：

（1）鉆桿的裝夾，通過(guò)車床加工鉆桿螺紋及端面，首先要對(duì)鉆桿進(jìn)行裝夾，由于待維修的鉆桿可能彎曲變形，彎曲變形的鉆桿的螺紋軸線中心不能與車床主軸軸線對(duì)中，必須通過(guò)四爪卡盤各爪的調(diào)整使軸線對(duì)中后才能夾緊。調(diào)整鉆桿的螺紋軸線中心與車床主軸軸線對(duì)中是鉆桿修復(fù)過(guò)程中一個(gè)重要的操作步驟。

（2）平圓柱端面，根據(jù)大量待修復(fù)鉆桿的測(cè)量統(tǒng)計(jì)，得到鉆桿端部螺紋最大縱向損傷長(zhǎng)度，利用數(shù)控機(jī)床去平圓柱端面，長(zhǎng)度為這個(gè)最大縱向損傷長(zhǎng)度Z1。

（3）數(shù)控加工前的對(duì)刀，對(duì)刀是數(shù)控加工前必須完成的一個(gè)步驟，更換螺紋車刀，然后搖動(dòng)數(shù)控車床的手輪將螺紋車的刀尖對(duì)準(zhǔn)靠近端部的一個(gè)螺紋牙底，然后將對(duì)刀參數(shù)輸入數(shù)控機(jī)床參數(shù)面板完成對(duì)刀。

（4）螺紋加工，利用數(shù)控車螺紋指令，通過(guò)加工程序控制車刀沿著螺紋延長(zhǎng)線車屑，車床主軸與車刀刀尖運(yùn)動(dòng)要保持匹配的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，經(jīng)過(guò)多次進(jìn)給，完成受損螺紋修復(fù)。

（5）最后平螺紋端面，按照步驟（2）長(zhǎng)度平螺紋的右端面，完成鉆桿接頭螺紋的修復(fù)。

2"石油鉆桿接頭螺紋修復(fù)時(shí)的對(duì)刀

圖2展示的是將螺紋切屑加工過(guò)程。從圖中可以看出，車刀刀尖必須沿著螺紋的螺旋線運(yùn)動(dòng)，才能加工出螺紋。車床主軸與車刀刀尖運(yùn)動(dòng)要保持匹配的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，即待加工螺紋的圓柱或圓錐每轉(zhuǎn)一圈，刀具也要均勻地移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程（單頭螺紋即一個(gè)螺距）的距離。加工新螺紋時(shí)，毛坯是一個(gè)圓柱體，上面是沒(méi)有螺紋的，多次分層走刀，程序會(huì)控制刀具回到第一次加工的起點(diǎn)位置。螺紋加工起點(diǎn)的位置每次都是相同的［67］。

但在修復(fù)螺紋時(shí)候，修復(fù)前的螺紋已經(jīng)存在，要保證修復(fù)時(shí)加工的螺紋和原始螺紋不亂扣，就必須保證它們螺距一致且初始進(jìn)刀位置一致，螺距一致通過(guò)車床程序保證，確定初始進(jìn)刀位置就成了螺紋修復(fù)的關(guān)鍵。

要確定初始進(jìn)刀位置有兩種方法，第一種手動(dòng)對(duì)刀，手動(dòng)對(duì)刀是手動(dòng)將刀尖搖動(dòng)刀螺紋牙底將刀補(bǔ)手動(dòng)賦值給機(jī)床刀補(bǔ)。由于將鉆桿夾緊后在主軸上的位置已經(jīng)固定，只需要知道主軸旋轉(zhuǎn)編碼器的零點(diǎn)位置。主軸準(zhǔn)停是由主軸后端的編碼器控制的，找到編碼器零點(diǎn)位置控制線，外接一個(gè)發(fā)光二極管，發(fā)光二極管發(fā)光的位置就是主軸零點(diǎn)位置。

手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，待外接發(fā)光二極管亮?xí)r，將車刀刀尖通過(guò)手搖對(duì)準(zhǔn)螺紋某一螺紋溝槽的底部，然后徑向退出，在軸向移動(dòng)整數(shù)倍的螺距到零件外部即找到初始進(jìn)刀位置。如圖3螺紋修復(fù)對(duì)刀說(shuō)明中：A為螺紋修復(fù)起始點(diǎn)；B為螺紋測(cè)量點(diǎn)。

第二種是自動(dòng)對(duì)刀，自動(dòng)對(duì)刀是利用機(jī)器視覺(jué)測(cè)量刀尖與最近的一個(gè)螺紋牙底的距離，將測(cè)量出的數(shù)值賦值給刀具補(bǔ)償?shù)姆椒āＪ紫龋肎92指令在大于螺紋大徑且靠近的螺紋位置，空加工第一刀，不要車到螺紋。在加工螺紋第一刀運(yùn)行過(guò)程中，利用高速相機(jī)拍照，利用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)刀尖與其最接近的螺牙底部之間的距離ΔZ（見(jiàn)圖4）待機(jī)床完成第一次螺紋加工循環(huán)，利用M02結(jié)束本次加工。其次，將ΔZ自動(dòng)附加到車床該刀z軸刀補(bǔ)，從而完成自動(dòng)對(duì)刀，對(duì)刀完成后即可正常運(yùn)行螺紋加工程序完成螺紋加工。

3"石油鉆桿接頭螺紋修復(fù)編程方法

3.1"石油鉆桿接頭螺紋基本尺寸

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《石油鉆桿接頭螺紋》［89］，鉆桿常用轉(zhuǎn)換接頭螺紋有NC40、NC44、NC46、NC50、NC56、NC61等系列。通過(guò)對(duì)127mm鉆桿NC50接頭為例，其他螺紋可以參照NC50同樣方法，就可以點(diǎn)帶面地對(duì)其他螺紋進(jìn)行理論應(yīng)用（見(jiàn)圖5）。

查石油鉆桿接頭螺紋標(biāo)準(zhǔn)表格并轉(zhuǎn)換為公制，如下表所示。

3.2"石油鉆桿接頭螺紋修復(fù)編程

在數(shù)控車床指令中螺紋通常有三種指令：分別是G32螺紋加工、G92單一螺紋加工循環(huán)和G76螺紋切削復(fù)合循環(huán)。G32一般是自動(dòng)編程軟件自動(dòng)輸出，手動(dòng)編程很少使用，G92語(yǔ)句為單一螺紋循環(huán)切削，一條語(yǔ)句相當(dāng)于G32四條語(yǔ)句，語(yǔ)句簡(jiǎn)單，提高了編程效率。G92XZRF功能加工螺紋，每次循環(huán)加工完都會(huì)回到固定點(diǎn)，下一次加工都能夠讓刀尖從固定點(diǎn)開(kāi)始。而G76的設(shè)定值較多，在修復(fù)過(guò)程中沒(méi)有必要。因?yàn)樵诼菁y修復(fù)中，只需要走幾次刀，并不是特別煩瑣，因此使用G92手動(dòng)編程就能滿足加工要求。螺紋加工檢測(cè)指標(biāo)一般為螺紋規(guī)，螺紋規(guī)有通規(guī)和止規(guī)，如果螺紋加工后通規(guī)和止規(guī)檢測(cè)不合格，就要調(diào)試程序，將X值逐次改大或者改小，直到螺紋規(guī)檢測(cè)合格。

G92中各參數(shù)的確定，根據(jù)螺紋參數(shù)外螺紋大端大徑DL=133.35mm，查表螺紋牙型代號(hào)V-0.038R，牙高h(yuǎn)=3038mm，所以大端小徑Dl=DL-2h=127.274mm。

查表螺紋錐部長(zhǎng)度LPC=114.3mm，切屑長(zhǎng)度要小于錐部長(zhǎng)度，取切屑長(zhǎng)度為16個(gè)螺距即為101.6mm，對(duì)刀時(shí)盡量靠近端面，并右移4個(gè)螺距即25.4mm，加工時(shí)Z方向移動(dòng)量為L(zhǎng)=127mm，錐度為1∶6，R=-（D-d）/2由于（D-d）/L=1/6，所以R=-L/12=10.58，因此石油鉆桿接頭螺紋修復(fù)程序如下：

O0001

T0101

……（平圓柱端面程序省略）

T0202；（換螺紋加工刀具對(duì)刀）

G00"U10；

G00W25.4

U-4.23（對(duì)刀時(shí)盡量靠近端面，右移4個(gè)螺距）

M03"S200；

G92"X131.35"Z-101.6"R-10.58"F6.35；（車螺紋，達(dá)到指定長(zhǎng)度）

X129.35；

X128；

X127.274；

G00X200Z100；

T0101

……（平螺紋端面程序省略）

M30

在以上程序含義如下：

換1號(hào)端面車刀，通過(guò)G94程序車圓柱端面，車屑長(zhǎng)度為鉆桿端部螺紋最大縱向損傷長(zhǎng)度Z1。

換2號(hào)螺紋刀，對(duì)刀。手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，待外接發(fā)光二極管亮?xí)r，將車刀刀尖對(duì)準(zhǔn)錐螺紋某一螺紋溝槽的底部或使用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)刀尖與其最接近的螺牙底部之間的距離ΔZ，手動(dòng)將ΔZ附加到該刀z軸刀補(bǔ)完成對(duì)刀。先x向移動(dòng)10mm退出螺紋溝槽，然后向右移動(dòng)螺距的整數(shù)倍，由于是錐螺紋x軸也需要同步移動(dòng)，根據(jù)右移的距離與螺紋錐度1∶6，可以計(jì)算出需要在x軸移動(dòng)的距離。G92車螺紋主軸帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)一圈，刀具應(yīng)均勻地移動(dòng)一個(gè)螺距的距離，G92設(shè)定了第一次終點(diǎn)坐標(biāo)（131.35，-101.6），并依次遞減進(jìn)行深度進(jìn)給，最終切削到指定深度127.274。

換1號(hào)端面車刀，平螺紋端面，車屑長(zhǎng)度依然為鉆桿端部螺紋最大縱向損傷長(zhǎng)度Z1。

圖6"螺紋修復(fù)前后對(duì)比

結(jié)語(yǔ)

本文分析了石油鉆桿接頭螺紋的修復(fù)過(guò)程，提出了錐螺紋修復(fù)過(guò)程中的對(duì)刀方法及對(duì)127mm鉆桿NC50接頭螺紋進(jìn)行尺寸計(jì)算并編程，通過(guò)編程與加工完成了鉆桿接頭螺紋的修復(fù)，通過(guò)數(shù)控加工修復(fù)鉆桿接頭及螺紋可以提高修復(fù)的效率，保證修復(fù)質(zhì)量的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)鉆桿的維修可以延長(zhǎng)使用壽命，從而提高鉆桿的重復(fù)利用率。

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基金項(xiàng)目：克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目“石油鉆桿維修自動(dòng)定心夾緊裝置設(shè)計(jì)與分析”（編號(hào)：KZY"20231）

作者簡(jiǎn)介：李凡（1984—"），男，漢族，湖北襄陽(yáng)人，碩士研究生，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械CAD/CAM。