邵國棟　王社麗　杜學斌　李　琦　徐能惠

(1.金屬材料擠壓與鍛造國家重點實驗室，陜西710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西710032；3.慶安集團有限公司11廠，陜西710077；4.西安重型技術公司，陜西710077)

國內首臺套千噸級石油鉆桿生產設備的研發(fā)

邵國棟1，2王社麗3杜學斌1，2李琦4徐能惠1，2

(1.金屬材料擠壓與鍛造國家重點實驗室，陜西710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西710032；3.慶安集團有限公司11廠，陜西710077；4.西安重型技術公司，陜西710077)

摘要：介紹了千噸級石油鉆桿生產設備生產的產品范圍、主要設備組成、工藝過程和技術創(chuàng)新。

關鍵詞：石油鋼管；管端加厚；石油鉆桿；生產設備

1957年，鞍鋼無縫鋼管廠管加工車間的第二期工程完工，并于1958年正式投產，標志著我國鉆桿生產的開始。最初的鉆桿管端是在通用設備(平鍛機)上完成。

20世紀70年代，我國開始自主研發(fā)石油鉆桿生產設備，到目前為止，初步形成了一定的生產規(guī)模，但大多只能用于常用規(guī)格鉆桿的生產。隨著水平井、大位移井和深井、超深井等非常規(guī)鉆井技術的應用，鉆探過程中的成本和風險也在不斷增大，以前的鉆桿已經不能滿足這些特殊使用要求。現(xiàn)在的鉆桿不但要具有高強度、高韌性、防腐性的特點，還需要具有智能化、數(shù)字化且安全環(huán)保的特點。從而要求鉆桿的加厚直段長度更長，規(guī)格更大，甚至外徑達到219 mm。目前國內市場的設備已經難以滿足生產要求，中國重型機械研究院結合多年的研發(fā)經驗，研制出國內首臺套千噸級石油鉆桿加厚生產線，填補了國內的空白。[4]

1產品范圍

國內首臺套千噸級石油鉆桿生產設備，主要生產石油鉆桿和加厚油管，產品范圍為：

1.1石油鉆桿管

外徑：?60.3 mm～?168.3 mm

壁厚：6.45 mm～13 mm

長度：8.0 m～13.6 m

鋼級：E75、X95、G105、S135

加厚端的結構型式：內外加厚、外加厚、內加厚

1.2加厚油管

外徑：?60.3 mm～?178 mm

壁厚：4.8 mm～10.36 mm

長度：8.0 m～13.6 m

鋼級：J55、N80、C90、P110、Q125

典型產品：?178 mm×10.36 mm、N80

2主要設備組成

2.1機械設備

生產線的平面布置圖如圖1所示。

2.2液壓系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)是為執(zhí)行元件提供動力，同時也控制各執(zhí)行元件的動作，使其按設定的程序運行。

液壓系統(tǒng)主要參數(shù)如下：

主系統(tǒng)壓力：27 MPa

傳動型式：油泵直接傳動

傳動介質：YB-N46抗磨液壓油

液壓油清潔度：NSA9

2.3中頻感應加熱爐

由于加重鉆桿要求更長的加熱長度(最長達到1 m)和更大的加熱功率，因此設計專門的中頻感應加熱爐才能滿足需求。根據(jù)鋼管規(guī)格配置不同的加熱器，用于加熱鋼管的端部，加熱爐為可移動式的。加熱爐接收到加熱的信號時，將被加熱工件包在加熱器中加熱，工件在設定的加熱時間內達到預定的加熱溫度后，加熱器停止加熱。

1—上料臺架　2—上料翻板　3—對齊輥道

2.4電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由電氣控制柜、PLC柜、操作臺、上位機等組成，按照各自設定的程序工作。

電氣控制系統(tǒng)功能如下：

(1)生產數(shù)據(jù)的收集和管理

(2)設備工作方式選擇(手動、調整、半自動、自動)

(3)起停車和緊急停車控制

(4)生產順序和連鎖控制

(5)液壓系統(tǒng)等輔助設施控制

(6)系統(tǒng)故障及報警

(7)本地通訊接口(與機電成套設備連接)

(8)外部通訊接口(與二級計算機系統(tǒng)連接)

3工藝過程

國內首臺套千噸級石油鉆桿生產設備采用一種完整的鉆桿管端整體加厚裝備生產線的設計方法，優(yōu)化了鋼管的加厚工藝流程和生產線設備配置及控制方式。生產線由三臺加厚主機、三組感應加熱爐(有七個感應加熱爐膛，采用3+2+2配置)、料端定位裝置、具有軸向送料功能的可升降輥道、適合于運送管料長度為6 000 mm～13 600 mm的工位間管料步進運輸機構、加熱工位管料旋轉裝置、具有擋料機構的上料臺架、儲料機構、出料臺架等組成，配備了完善的液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)和潤滑控制系統(tǒng)。生產線具有調整、手動、半自動、全自動四種工作制度。

具體工藝流程為：上料臺架上料—管坯端部定位—加熱—送入模腔—加厚—拉出模腔—二次加熱—送入模腔—加厚—拉出模腔—三次加熱—送入模腔—加厚—拉出模腔—輸出到儲料筐。以上過程由電氣控制程序自動完成。

4技術創(chuàng)新

(1)建立了管端整體加厚鉆桿的加厚工藝模型。由于管端整體加厚鉆桿產品尚不定型，其結構和尺寸均不確定，我們選定典型產品，深入研究其鋼管的加厚工藝，并考慮設備應具有必要的生產能力余量，確定了生產線設備的規(guī)格。對典型產品的工藝過程進行分析計算可知，管端整體加厚鉆桿的變形程度大，材料的加厚工藝非常復雜，需要更多道次加厚，一般需要3道次以上的加厚才能完成。

(2)研制出10 MN “回”型整體框架的液壓機，具有足夠的剛度和強度，可以實現(xiàn)鉆桿的管端整體加厚，確保產品質量提高。

(3)管棒材軸向輸送距離檢測裝置可實現(xiàn)管棒材軸向往復運送的精確控制。

(4)可升降的送料及退料加厚輥道可實現(xiàn)鋼管在加厚工位的軸向往復輸送、垂直置入模內及脫模。

(5)鋼管端部在加熱過程中，由于爐內感應線圈纏繞不均勻，加熱爐中心與鋼管中心不可避免存在偏差，使得加熱過程中周向加熱不均勻，影響成型質量。通過爐前輥道的慢速旋轉，有效解決了鋼管端部加熱不均勻、彎曲變形的技術難題，既保證了組織性能，又保證了成型的質量。

(6)多工位、大行程、全自動步進運輸機完全適用于三臺主機并排布置的工藝流程。采用雙閥雙泵控制技術，不僅保證了鋼管的平穩(wěn)移動，而且排除了運輸過程中的掉管現(xiàn)象。

(7)可調節(jié)的軸向移動式中頻感應加熱爐可實現(xiàn)不同直徑規(guī)格、不同加熱長度的鋼管在加厚前進行加熱。

(8)采用針對本項目特殊設計的自動復位充液閥，其通徑按主機運動的需要確定，保證液流平

穩(wěn)。充液閥采用雙彈簧自動復位結構，動作可靠，并使油路控制得到簡化。

(9)液壓控制系統(tǒng)采用二通插裝閥，實現(xiàn)主機無沖擊快速動作。通過功能元件來調節(jié)主閥芯的開關時間、速度，以滿足大流量、快速、無沖擊的要求。系統(tǒng)工作壓力27 MPa，使主機結構緊湊。

5實施效果

千噸級石油鉆桿生產線工藝布局合理，操作環(huán)境舒適，產品覆蓋范圍廣，參數(shù)調整方便，設備運行可靠，自動化程度高，生產線各性能指標均達到或超過訂貨合同規(guī)定的指標。自2013年6月驗收投產以來，生產正常，運轉良好。共生產鋼管8萬噸，創(chuàng)造經濟效益1 300萬元。

6結論

普通鉆桿在國內已經具備了一定的生產規(guī)模，工藝也比較成熟。而生產特殊要求及大規(guī)格的鉆桿才剛剛起步，該條生產線的成功投產不僅能夠生產普通鉆桿及加厚油管，而且還可以生產出直連式加厚油管以及加厚直段要求更長、規(guī)格更大的特殊鉆桿。

參考文獻

[1]馮耀榮. 鉆桿生產技術的進展[J]. 石油專用管, 1995,3(3):37-41.

[2]李建強, 于麗松, 牛成杰, 等. 石油鉆桿的生產現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 焊管,2011, 34(11):35-38.

[3]王振志, 滿國祥, 李曉暉, 等. 鉆桿加厚鍛造生產線的研發(fā)[J]. 地質裝備,2008, 06(3):18-23.

[4]裴志強, 徐宇瑾. 水平鍛造油壓機[J]. 重型機械,2012 (3):25-28.

[5]裴志強, 權曉惠. 石油鉆桿管端加厚工藝研究[J]. 重型機械,2002(4):33-36.

[6]李俊輝, 杜學斌，等. 鋼管管端加厚工藝布置研究[J]. 重型機械,2002(4):22-25.

編輯李韋螢

Research and Development on Domestic First Sets of Production Equipment for Kiloton Grade of Petroleum Drill Pipe

Shao Guodong,Wang Sheli, Du Xuebin, Xu Nenghui

Abstract：This paper introduces the product scopes, main equipments, processes and technical innovation of the production equipment for kiloton grade of petroleum drill pipe.

Key words：petroleum steel pipe; pipe end upset; petroleum drill pipe; production equipment

收稿日期：2015—12—21

基金項目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2014KTCL01-01)；陜西省重點新產品(2014XCP-04)；中國重型機械研究院股份公司科研項目(K1305410)

作者簡介：邵國棟(1963—)，男，高級工程師，主要從事油氣輸送設備及工藝和鍛壓設備的研究。電話：029-86322249，E-mail:13679295583@163.com

中圖分類號：TE9

文獻標志碼：A