崔 奮,張德松,王國(guó)正,張朋舉,劉延成,賈美玲

(1.西安交通大學(xué),西安 710049;2.吐哈油田公司機(jī)械廠,新疆哈密 839009)

外加厚油管一次成形技術(shù)應(yīng)用分析

崔 奮1,2,張德松2,王國(guó)正1,2,張朋舉2,劉延成2,賈美玲2

(1.西安交通大學(xué),西安 710049;2.吐哈油田公司機(jī)械廠,新疆哈密 839009)

為了提高外加厚油管的生產(chǎn)效率,根據(jù)相關(guān)理論對(duì)外加厚油管一次成形的關(guān)鍵工藝進(jìn)行分析、計(jì)算,確定出加熱溫度、頂鍛力等工藝參數(shù)。通過(guò)研究國(guó)內(nèi)的外加厚油管生產(chǎn)線的裝備情況,選擇出外加厚油管一次成形生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備。從理論及實(shí)踐上驗(yàn)證了外加厚油管可以采用一次成形的工藝實(shí)施生產(chǎn)。

外加厚油管;液壓加厚機(jī);感應(yīng)加熱;一次成形

據(jù)美國(guó)能源部對(duì)國(guó)際上的井深趨勢(shì)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì),近30 a來(lái),全球石油天然氣井深平均增加了1倍以上[1],并且繼續(xù)呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。隨著井深的增加,對(duì)油管的連接性能提出了更高的要求。油管在井下,通常要承受幾十甚至上百兆帕的內(nèi)壓或外壓,上千千牛的拉伸載荷,同時(shí)還要經(jīng)受溫度及嚴(yán)酷的腐蝕介質(zhì)的作用。油管螺紋連接部位是最薄弱的環(huán)節(jié),不加厚油管螺紋連接部位只能承受相當(dāng)于管體強(qiáng)度60%～80%的拉伸載荷,油管的失效事故80%左右發(fā)生在螺紋連接處[2-4]。經(jīng)過(guò)管端加厚后,其螺紋部分的連接強(qiáng)度與管體本身的強(qiáng)度相一致,滿(mǎn)足了深井的要求。

1 油管加厚工藝現(xiàn)狀

根據(jù)油管加厚方式的不同,可以分為3種形式,如圖1所示。

圖1 油管的3種加厚方式

1.1 內(nèi)加厚

內(nèi)加厚油管的管坯在鐓鍛階段模具芯軸和型腔接觸溫差大,拔模困難。因此工藝性較差。另外,油管內(nèi)徑縮小,導(dǎo)致過(guò)流面積變小,影響油井產(chǎn)量及井下投撈作業(yè)。

1.2 內(nèi)外加厚

內(nèi)外加厚油管的管坯在鐓鍛開(kāi)始階段就處于自由行程,因此其穩(wěn)定性較差。批量生產(chǎn)時(shí),產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定。

1.3 外加厚

從工藝上分析,外加厚是一個(gè)鐓粗過(guò)程,所需變形抗力小,而且芯軸與管坯之間摩擦力也較小。油管的過(guò)流面積不發(fā)生變化,不會(huì)影響單井產(chǎn)量及井下作業(yè)。因此,目前油管使用最多、技術(shù)最為成熟的是管端外加厚工藝。

近年來(lái),外加厚油管的工藝變化主要體現(xiàn)在加熱次數(shù)和成形次數(shù)上。根據(jù)傳統(tǒng)鍛造要求,進(jìn)行一次加熱多次成形工藝,多次成形主要為二次成形與三次成形,大多數(shù)生產(chǎn)廠家執(zhí)行的是二次成形工藝。

隨著外加厚油管生產(chǎn)量的不斷增加,為了提高生產(chǎn)效率,國(guó)內(nèi)部分廠家采用二次加熱、一次成形的生產(chǎn)工藝,并且生產(chǎn)出了符合API Spec 5CT要求的外加厚油管。

從20世紀(jì)50年代至今,外加厚油管生產(chǎn)工藝從加熱方式到最終的成形方式都發(fā)生了比較大的變化,經(jīng)過(guò)試踐檢驗(yàn),二次加熱、一次成形成為成熟、可靠、生產(chǎn)效率高的生產(chǎn)工藝,被廣泛應(yīng)用于外加厚油管的生產(chǎn)。

2 一次成形工藝分析

采用二次加熱一次成形的生產(chǎn)工藝如圖2所示,其中管端加熱和一次成形是關(guān)鍵工序。

圖2 1次成形工藝

2.1 管端加熱溫度確定

在鍛造生產(chǎn)中,金屬坯料鍛前加熱的目的是提高金屬塑性,降低變形抗力,從而使金屬易于流動(dòng)成形,并使鍛件獲得良好的鍛后組織和力學(xué)性能。

2.1.1 鍛造溫度范圍

保證金屬在鍛造溫度范圍內(nèi)具有較高的塑性和較小的變形抗力。吐哈油田機(jī)械廠生產(chǎn)的N80外加厚油管管坯材料為35MnMo7或36Mn2V,其中36Mn2V應(yīng)用較多。這2種材料均屬于中碳低合金鋼,奧氏體化的溫度為810～1 250℃。

2.1.2 均溫溫度范圍

按照鐓鍛的要求,獲得較低的變形抗力,需控制加熱速率,確保晶粒度的均勻性,同時(shí)克服加熱過(guò)程中的應(yīng)力。

a) 根據(jù)金屬加熱過(guò)程中變形抗力計(jì)算

式中,τT為鋼在高溫下的變形抗力;τ0為鋼在常溫下的變形抗力;A值根據(jù)鋼種的不同而定;TK為鋼的加熱溫度。

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算,低合金鋼在810～1 250℃的變形抗力為80～350 MPa[5]。

b) 根據(jù)加熱速率要求確定 管坯的原材料為中碳低合金鋼,其居里溫度為720～750℃,所以第一道次加熱到居里溫度即可。由于材料鐵磁性能的影響,在居里溫度以下加熱時(shí),應(yīng)該采用較低的加熱速率。第二道次加熱時(shí),可以提高加熱速率,確保加熱的均溫性。根據(jù)管坯材料,可選擇第一道次加熱至750℃,第二道次加熱至1 150℃。

2.2 管端成形力確定

要確保一次成形,必須保證頂鍛力超過(guò)金屬的變形抗力。根據(jù)管坯原材料的要求確定出外加厚油管的變形抗力。

通過(guò)對(duì)加厚工藝的應(yīng)力-應(yīng)變近似求解,可以得出

式中,P為單位頂鍛力;μ為摩擦因數(shù);τT為材料的高溫變形抗力;k為系數(shù),與液壓頂鍛油缸面積和沖頭的頂鍛面積之比有關(guān),同時(shí)與摩擦狀態(tài)和加工模具設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的中心線重合情況等有關(guān)。

實(shí)際加厚過(guò)程中,摩擦因數(shù)基本不變,故頂鍛力(鐓粗力)F可以表示為

式中,S為頂鍛面積;k值的理論計(jì)算很復(fù)雜,故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定為k=1.1～2.0。

根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)公式,可以計(jì)算出吐哈油田常用外加厚油管頂鍛力值。

a) ?73 mm×5.51 mm外加厚油管頂鍛力一次加厚生產(chǎn)時(shí),由于變形量增加,終鍛溫度為850℃,其變形抗力較大,故取τT=300 MPa(實(shí)際上采用中頻2次加熱,頂鍛在1 000 ℃以上,τT可以更小)。假設(shè)潤(rùn)滑條件很差,故取k=2(實(shí)際上潤(rùn)滑條件通過(guò)石墨改善k值小于2)。頂鍛面積S=2 019×10-6m2。由式(3)可得F=1 211.4 kN

b) ?88.9 mm×6.45 mm外加厚油管頂鍛力與?73 mm×5.51 mm外加厚油管一樣,取τT=300 MPa,k=2。頂鍛面積S=2 827.56×10-6m2。由式(3)可得F=1 696.5 kN。

通過(guò)計(jì)算可以確定出,外加厚油管一次成形時(shí),頂鍛力達(dá)到2 500 kN(選用?88.9 mm油管所需頂鍛力的1.2倍以上)即可滿(mǎn)足?73 mm、?88.9 mm 2種規(guī)格外加厚油管的要求。

3 工藝的實(shí)現(xiàn)方式

3.1 加熱方式

a) 燃料加熱 是利用固體(煤、焦炭等)、液體(重油、柴油等)或氣體(煤氣、天然氣等)燃料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱能對(duì)坯料進(jìn)行加熱。燃料加熱爐的通用性強(qiáng),投資少,建造比較容易,且燃料可因地制宜,較易解決,燃料費(fèi)用比較低,所以廣為采用。燃料加熱的缺點(diǎn)是勞動(dòng)條件差,爐內(nèi)氣氛、爐溫及加熱質(zhì)量較難控制等。

b) 電加熱 是將電能轉(zhuǎn)換為熱能而對(duì)金屬坯料進(jìn)行加熱。按電能轉(zhuǎn)換為熱能的方式可分為電阻加熱和感應(yīng)加熱,大多數(shù)生產(chǎn)廠家選擇感應(yīng)加熱對(duì)管坯加熱。感應(yīng)加熱具有的性能與特點(diǎn):

①具有精確的加熱深度和加熱區(qū)域,易于控制。

②易于實(shí)現(xiàn)高功率密集,加熱速度快,效率高,能耗小。

③加熱溫度高,加熱溫度易于控制。

④加熱溫度由工件表面向內(nèi)部傳導(dǎo)或滲透。

⑤采用非接觸式加熱方式,在加熱過(guò)程中不易摻入雜質(zhì)。

⑥工件材料燒損小,氧化皮生成少(燒損率一般＜0.5%)。

⑦作業(yè)環(huán)境符合環(huán)保要求。

⑧感應(yīng)加熱參數(shù)穩(wěn)定,易于實(shí)現(xiàn)加熱過(guò)程的自動(dòng)化[6]。

3.2 中頻感應(yīng)加熱設(shè)備參數(shù)確定

一次成形管端加熱典型的加熱方式為,油管端部加熱采用感應(yīng)器移動(dòng)的方式進(jìn)行。常用油管參數(shù)如表1。

表1 吐哈油田常用外加厚油管加熱參數(shù)

a) 設(shè)備頻率選擇

最佳頻率范圍為

最佳頻率為

式中,ρ2為管坯平均電阻率,Ω m;D2p為管坯中徑,m;δ為管坯壁厚,m;K為感應(yīng)器電感修正系數(shù)。

將表1中相關(guān)數(shù)據(jù),按照式(4)～(5)進(jìn)行計(jì)算。最小工件規(guī)格為 ?60.33 mm×4.83 mm,頻率下限為770 Hz,頻率上限為4 426 Hz,最佳頻率為3 829 Hz。按照標(biāo)準(zhǔn)頻率可選擇500 Hz或4 000 Hz。最大工件規(guī)格為?88.90 mm×6.45 mm,頻率下限為557 Hz,頻率上限為1 392 Hz,最佳頻率為1 204 Hz。按照標(biāo)準(zhǔn)頻率可選擇1 000 Hz。綜合考慮,并參照標(biāo)準(zhǔn)頻率,中頻電源額定頻率選擇1 000～2 500 Hz。

b) 加熱節(jié)拍與設(shè)備功率的確定

中頻電源功率按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算,即

式中,P為電源功率,kW;t為加熱節(jié)拍,s;G為加熱節(jié)拍時(shí)加熱rfm量,kg;T2為加熱溫度,℃;T1初始溫度,℃;C為被加熱金屬平均比熱容,kJ/kg℃;η為感應(yīng)加熱效率。

采用中頻第一道次預(yù)熱時(shí),最大加熱質(zhì)量為4.85 kg,加熱溫度為750 ℃,加熱節(jié)拍為40 s/件。根據(jù)式(6)可計(jì)算出所需加熱功率為124 kW,考慮到設(shè)備性能裕量,按標(biāo)準(zhǔn)功率,中頻電源額定功率選擇180 kW。

第二道次進(jìn)行終熱時(shí),最大加熱質(zhì)量為4.85 kg,加熱溫度為1 200℃,加熱節(jié)拍為40 s/件。根據(jù)式(6)可計(jì)算出所需加熱功率為198 kW,考慮到設(shè)備性能裕量,按標(biāo)準(zhǔn)功率,中頻電源額定功率選擇220 kW。

因此,中頻感應(yīng)設(shè)備選擇為第一道次加熱功率和頻率為180 kW/1 000 Hz;第二道次加熱功率和頻率為220 kW/2 500 Hz。

3.3 壓力機(jī)的選擇

目前,國(guó)內(nèi)外加厚機(jī)有2種方式,液壓加厚機(jī)和臥式鍛造機(jī)(平鍛機(jī))。

液壓加厚機(jī)的特點(diǎn):

a) 設(shè)備牢固,受力大,工作時(shí)運(yùn)行平穩(wěn),沖擊力小,無(wú)噪聲污染。

b) 工作時(shí)運(yùn)行速度低,管端鐓粗時(shí)金屬變形緩慢,有利于金屬的充分流動(dòng),工件成形好。

c) 設(shè)備自動(dòng)化程度高,均為自動(dòng)上下料,操作者勞動(dòng)強(qiáng)度小。

平鍛機(jī)的特點(diǎn):

a) 設(shè)備運(yùn)行速度快,生產(chǎn)效率高。

b) 模型空間大,可以裝夾3～4個(gè)模腔,一次加熱,可2次鐓粗成形,生產(chǎn)成本低。

c) 設(shè)備牢固,受力大,工作時(shí)沖擊力大,環(huán)境噪聲較大。

d) 設(shè)備自動(dòng)化程度低,鐓粗時(shí)多為人工操作,操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大。

國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家均采用液壓加厚的方式生產(chǎn)外加厚油管,例如,寶鋼鋼管公司、湖南衡陽(yáng)鋼管(集團(tuán))公司、無(wú)錫西姆萊斯鋼管公司、武漢漢陽(yáng)鋼管公司。其中寶鋼鋼管公司所采用的管端加厚機(jī)組是20世紀(jì)80年代從國(guó)外引進(jìn)的,生產(chǎn)工藝一直采用投產(chǎn)時(shí)外方提供的技術(shù),在2008年進(jìn)行過(guò)一次加厚成形工藝改造。

湖南衡陽(yáng)鋼管公司在2006年對(duì)油管外加厚的成形次數(shù)進(jìn)行了改進(jìn),由原來(lái)的二次加厚成形改成一次加厚成形加工。

從國(guó)內(nèi)液壓加厚設(shè)備生產(chǎn)線的配套情況分析,1998年,中國(guó)重型機(jī)械研究院(原西安重型機(jī)械研究所)研制出了第1臺(tái)管端加厚機(jī),到現(xiàn)在已累計(jì)為用戶(hù)成套裝備20余臺(tái)設(shè)備[7]。在此過(guò)程中,多家民營(yíng)企業(yè)已經(jīng)掌握了管端液壓加厚機(jī)的生產(chǎn)制造技術(shù)。目前,國(guó)內(nèi)液壓加厚機(jī)已經(jīng)比較成熟,可以選用。

根據(jù)2.2節(jié)中管端成形力的確定,液壓加厚機(jī)用于油管生產(chǎn)時(shí),采用鐓粗力為2 500 kN,水平加持力為5 000 kN即可滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。設(shè)備技術(shù)參數(shù)列于表2中。

表2 液壓加厚機(jī)參數(shù)

4 結(jié)論

1) 與其他2種加厚方式對(duì)比,采用管端外加厚是提高油管連接強(qiáng)度的可靠工藝,而且采用該工藝生產(chǎn)的油管內(nèi)徑不發(fā)生變化,不影響單井的正常生產(chǎn)。

2) 采用二道次加熱,一次成形,工藝簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、生產(chǎn)效率高,已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外加厚油管的典型生產(chǎn)工藝。

3) 采用移動(dòng)式中頻感應(yīng)加熱、液壓加厚機(jī)可以實(shí)現(xiàn)二道次加熱,一次成形工藝。國(guó)內(nèi)設(shè)備的配套技術(shù)已經(jīng)成熟,近年來(lái)此生產(chǎn)工藝已廣泛用于鋼管管端加厚。

[1] 李鶴林.油井管發(fā)展動(dòng)向及高性能油井管?chē)?guó)產(chǎn)化(上)[J].鋼管,2007(12):36-38.

[2] 李鶴林.石油管工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,1999.

[3] 張永強(qiáng),王新虎.油套管螺紋抗粘扣技術(shù)研究進(jìn)展[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(2):78-81.

[4] 呂拴錄,張 峰,吳富強(qiáng),等.進(jìn)口 P110 EU油管粘扣原因分析及試驗(yàn)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(6):55-57.

[5] 周 君.鋼管加厚一次成型工藝的開(kāi)發(fā)[J].軋鋼,2007(2):24-27.

[6] 潘天明.工頻和中頻感應(yīng)爐[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1983:6-20.

[7] 任明杰.加厚管生產(chǎn)的調(diào)試過(guò)程技術(shù)分析[J].重型機(jī)械,2008(1):30-34.

TE931.205

B

1001-3482(2010)11-0090-04

2010-07-07

崔 奮(1971-),男,河南鄧州人,高級(jí)工程師,2003年畢業(yè)于清華大學(xué)材料加工工程專(zhuān)業(yè),主要從事石油機(jī)械加工方面的研究和管理工作,E-mail:cuif@petrochina.com.cn。