葉 軍，呂寶元，陳文泗，羅銘強，龍奇敏，劉靜安

（1.西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401326；2.西安飛機工業(yè)鋁業(yè)航材有限公司，西安 710000；3.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 528231；4.廣東華昌鋁廠有限公司，廣東 528231）

鋁合金鉆探管的特點、分類及擠壓生產技術

葉 軍1，呂寶元2，陳文泗3，羅銘強3，龍奇敏4，劉靜安1

（1.西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401326；2.西安飛機工業(yè)鋁業(yè)航材有限公司，西安 710000；3.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 528231；4.廣東華昌鋁廠有限公司，廣東 528231）

與傳統(tǒng)的鋼鉆探管相比，鋁合金鉆探管具有一系列無可比擬的優(yōu)異特性，因此研發(fā)鋁合金鉆探管已成為高速發(fā)展我國石油和天然氣產業(yè)的當務之急和關鍵技術。本文簡略地介紹了鋁合金鉆探管的特點與分類，重點論述了鋁合金鉆探管的擠壓生產技術，供同行參考。

鋁合金鉆探管；特點與分類；擠壓工藝；生產技術

1 鋁合金鉆探管的特點、分類及品種

1.1 鋁合金鉆探管的特點及主要用途

鋁合金鉆探管具有密度小、質量輕、比強度和比剛度高、易搬運、節(jié)能、容易制造和維修、無磁性、耐低溫、可鉆探深井和異形井、利于回收等一系列優(yōu)良特性，因此在工業(yè)發(fā)達國家應用十分廣泛。主要用于鉆探3000～7000m以上的石油及天然氣等深井和異形井，俄羅斯鉆到12000m以上。鉆井深度主要取決于鉆探管的生產工藝技術與質量水平。因此，鋁合金鉆探管的生產仍屬于高新技術范疇，目前世界上只有美國、俄國、日本、法國等少數國家能批量生產。我國尚屬起步階段，就是鋼鉆探管也大部分依靠進口[1、3]。

1.2 鋁合金鉆探管的分類

鋁合金鉆探管可以按照管材截面形狀、產品結構和材料強度三種方法進行分類[2]：

按管材截面形狀可分為：（1）兩端內部有加厚部分的變斷面管，見圖1；（2）兩端內部有加厚部分和保護性加厚部分的變斷面管，見圖2。

圖1 兩端內部有加厚部分的變斷面管

圖2 兩端內部有加厚部分和保護性加厚部分的變斷面管

按產品結構可分為：（1）無車削螺紋的鉆探管，見圖1和圖2；（2）有車削螺紋和擰上的鋼接頭的鉆探管，見圖3。

圖3 有車削螺紋和擰上的鋼接頭的鉆探管

按材料強度類型可分為：（1）標準強度鉆探管；（2）高強度鉆探管。

2 鋁合金鉆探管的工藝及特點分析

2.1 生產方法

鋁合金鉆探管是一種內（外）有加厚部分的變斷面管材（見圖1～圖3），端頭加厚是為了切螺紋時不致使端頭部分的截面減弱。一般來說，一端由外接頭螺紋連接，另一端由內接頭螺紋連接，而在個別情況下也可不用接頭連接。

為了生產這種特殊的斷面變化的鋁合金鉆探管，對其合理的生產方法進行了大量的試驗研究。結果表明，采用在臥式擠壓機上用隨動針或固定針進行正向穿孔擠壓的方法是可行的，并已形成了先進的流水作業(yè)線，其主要的專用設備包括：鑄錠熔鑄爐組、均勻化爐、40～60MN的臥式液壓擠壓機、臥式連續(xù)淬火裝置、拉伸矯直機、管材輥矯機、切削車床、在線檢測系統(tǒng)和螺紋切削機等，整個生產線借助冷卻系統(tǒng)、儲運系統(tǒng)和輥道聯(lián)成流水作業(yè)，一道工序即可生產出用于鉆探裝置上，內部擰有鋼制接頭的鋁合金鉆探管。

2.2 生產工藝流程及主要工藝參數

以д16T（2024 T4） ?147mm×11mm鋁合金鉆探管為例的生產工藝流程及主要工藝參數，如表1所示[2、4]。

表1 2024 T4?147mm×11mm鋁合金鉆探管生產工藝

3 鋁合金鉆探管的擠壓生產技術

3.1 擠壓鋁合金鉆探管的工藝特點

鋼鉆探管的生產方法是先軋制，隨后將兩端預熱，用臥式鐓鍛機鐓粗，以便在鐓粗加厚部分刻制螺紋。而鋁合金鉆探管的生產方法與鋼的完全不同，是用臥式液壓擠壓機正向穿孔擠壓法直接擠壓出兩端帶內（外）加厚部分的變斷面管材，并形成了一道工序生產出帶有接頭的鉆探用管材的流水作業(yè)線。鋁合金鉆探管及其生產方法的技術難度都比較大，屬高新技術范疇，其生產工藝具有以下特點：

（1）因鉆探管壁厚偏差及同心度要求極高，且采用固定墊擠壓，因此對擠壓機穿孔系統(tǒng)同心度要求較高，要求同心度＜0.5mm，最好達到0.2～0.4mm。

（2）鋁合金鉆探管擠壓采用固定墊全潤滑（擠壓筒、擠壓針、擠壓墊都潤滑）無殘料隨動針擠壓。通過特殊設計的模子和針尖一步自動實現(xiàn)管材兩端內外變斷面成形和尺寸控制，其模具（針尖）設計與生產工藝構思巧妙，技術難度大，但操作簡便，生產效率高。

3.2 鋁合金鉆探管生產的關鍵技術

（1）優(yōu)質錠坯的制造與加工。鋁鉆探管一般采用2024T4和7075T6等高強度鋁合金制造。首先，應優(yōu)化合金成分和熔鑄工藝，采用嚴格的純化凈化和均勻化工藝措施，確定鑄錠的化學成分合理均勻、組織均勻、細密純凈、力學性能均勻、塑性較高、而且內外表面光滑、尺寸均勻、同心度好的鑄錠。

（2）固定擠壓墊的設計與制造。固定擠壓墊在工作過程中必須滿足在擠壓加載時產生一定量的彈性變形、凹面張開、直徑有一定增量，以密封住擠壓筒內金屬不倒流，卸載后彈變消失，外形復原，能靈活退出擠壓筒，固定擠壓墊的形狀、結構尺寸以及與擠壓筒的配合等是十分重要的。

（3）模子的設計與制造。主要是模子錐角，工作帶角度及圓弧，模子空刀尺寸的設計和模子制造精度等。

（4）擠壓針的設計與制造。主要是針尖圓弧處的弧度及長度尺寸等設計參數的確定及制造的精度。

（5）擠壓潤滑劑的配比。要求潤滑效果良好，擠壓管材不產生氣泡等缺陷。

（6）擠壓工藝優(yōu)化與熱處理工藝優(yōu)化，確保擠壓出的變斷面管形狀合格、尺寸均勻、組織均勻細密、力學性能高，綜合性能良好。

3.3 優(yōu)質錠坯的制備

鋁合金鉆探管的原始坯料是使用半連續(xù)鑄造法生產的圓柱形空心鑄錠。生產鉆探管主要規(guī)格所用鑄錠的尺寸列于表2。

表2 鋁合金空心鑄錠的尺寸

為了消除鑄造缺陷（表面損傷和偏析瘤），鑄錠外徑車皮10～14mm，內徑車皮10mm。

為了清除鑄錠組織的不均勻，需進行均勻化處理。均勻化處理時鑄錠加熱到金屬間化合物相完全或最大限度溶解的溫度，均勻化處理的時間應保證完成擴散過程，擴散時金屬間化合物相溶解。均勻化處理時先將鑄錠預熱到460℃，在感應爐內預熱，預熱后裝入筒式爐，在4h內將溫度升到490±10℃，保溫12h。均勻化處理結束后將鑄錠冷卻到擠壓溫度，等外徑管材的擠壓溫度為380～420℃，變外徑管材的擠壓溫度為400～420℃。

3.4 擠壓工模具的準備

3.4.1 擠壓工模具的設計

由于鋁合金鉆探管是一種兩端加厚的變斷面管材，一般采用半連續(xù)潤滑擠壓方式、正向穿孔擠壓法生產。因此，其擠壓工模具比較特殊，設計與制造難度較大。主要工模具包括擠壓筒、擠壓軸、穿孔系統(tǒng)、模子和針尖以及擠壓墊和模具墊等。擠壓筒、擠壓軸、模座、模墊等工具與一般擠壓用的相似，但同心度要求高得多。穿孔系統(tǒng)、擠壓墊、模子等的設計，根據變斷面管材半連續(xù)潤滑工藝的特點有很多獨特之處。

（1）穿孔系統(tǒng)分隨動針系統(tǒng)和固定針系統(tǒng)。隨動針把針后端和針前端設計成一個整體，在擠壓過程中與擠壓軸同步移動，自動實現(xiàn)內外變斷面成形和長度尺寸控制，見圖4。隨動針設計的要點是確定中間R部分的大小和位置。固定針分針前端和針后端，針前端用螺紋固定在針后端上，在擠壓過程中固定針固定在模子中不動，依靠更換模子和移動針尖來實現(xiàn)斷面的變化，見圖5。

（2）模子為基準模型，見圖6，主要應注意模角和入口圓角R的設計。

（3）擠壓墊可分為固定墊和活動墊?；顒訅|擠壓的移動與一般擠壓相似，但同心度要求高。固定墊的設計比較難，除要求高度對中外，還應保證擠壓過程的密封性和半連續(xù)性，見圖7。

圖4 鋁合金鉆探管用隨動針設計圖例

圖5 鋁合金鉆探管用固定針設計圖例

圖6 模子設計方案圖

圖7 固定擠壓墊片設計方案圖

3.4.2 擠壓工模具制造

鋁合金鉆探管用工模具的制造與一般擠壓用的大致相同，材料可用4Cr5MoSiV1或3Cr2W 8V1鋼，淬火后兩次回火后的硬度為HRC=48～51。但是比一般擠壓工模具要有較高的同心度和高的精度和表面光潔度。

3.5 鋁合金鉆探管的擠壓操作工藝與裝備

3.5.1 擠壓工藝與裝備

鋁合金鉆探管一般在40～60MN或雙動（有獨立穿孔系統(tǒng)）的液壓擠壓機上生產。規(guī)格為?73mm～?102mm的用40MN擠壓機，?114mm～?170mm的用60MN擠壓機生產。這些擠壓機擠壓筒內的單位壓力（P比）為450～800MPa；擠壓筒和模具溫度420～450℃；擠壓溫度420～470℃；擠壓速度1.5～3m/min；擠壓系數可為25～50。

3.5.2 擠壓工藝操作過程

將已加熱到工藝規(guī)定的擠壓溫度的鑄錠（空心坯料）用輥道和專門的加料裝置送到擠壓機上。將坯料裝入擠壓筒，然后開始擠壓作業(yè)。擠壓端頭內部加厚管材的方法：利用階梯狀擠壓針，該擠壓針的尺寸由它所加工的那部分管子的內徑決定，將擠壓針放到外徑較小的那部分?？變?。擠壓針在這種狀況下擠壓管子加厚的前端，然后（擠壓過程不停）擠壓針前行，并由模孔內的較大直徑定位。擠壓針處于這種狀況下擠管子的主體部分，然后穿孔系統(tǒng)和擠壓針返回初始位置，在返回過程中擠壓管子的后端增厚部分。

端部內外兩側都有增厚部分的鋁合金鉆探管按圖8所示操作流程擠壓。

圖8 內外兩側均有加厚的鋁鉆探管的擠壓操作流程

擠壓這類管子的擠壓針好像一個按一定比例設定生產的管子外形的程序裝置。將擠壓針的前部分固定在擠壓模內便開始擠壓（見圖8（a））。在這種狀態(tài)下擠壓管子前端的內部加厚部分。擠壓針前行，管壁變厚，因為?？缀蛿D壓針之間的間隙減少，擠壓管子前端的主體部分見（圖8（b））。擠壓針前移時（見圖8（c）），模孔與擠壓針之間的間隙增加，由于這部分管子的內徑減小而使其壁厚增加。在擠壓針不動的情況下擠壓過程繼續(xù)進行，使管子的金屬繞擠壓模外的擠壓針頭部經過，這樣會使管子的內徑恢復到正常尺寸，由于其外徑增加這部分管子的壁厚增大。管子外部增厚部分達到規(guī)定長度后擠壓針繼續(xù)前移（圖8（d）），擠壓壁厚尺寸正常的后一部分管子，擠壓針后退到其收縮部分（針頭前面的部分）對著模孔的位置（圖8（e）），是管子后端的內部加厚。如果由于結構的要求必須使外部增厚部分急劇過渡到管子的主體部分（例如，無接頭的輕合金鉆探管的錐形口部分），則擠壓針要后退幾次（圖8（f））。在這種情況下頸部的前錐體壓在外加厚部分的后邊，這一加厚部分壓在模子出口端成形。

利用上述工藝過程可以生產出給定幾何尺寸十分穩(wěn)定的鋁合金鉆探管。

成批生產鋁合金鉆探管時用專門設計的框式結構的40MN和60MN噸擠壓機進行生產，這種擠壓機配有穿孔系統(tǒng)。這種擠壓機裝備有能使一系列工藝過程機械化的專門機構。

3.6 熱處理與矯直工藝及裝備

將擠壓出來的變斷面管材，切掉前后變形端，然后通過輥道送入臥式淬火機組的加熱爐內加熱，準備淬火。淬火過程由兩部分組成，先將管材加熱到嚴格規(guī)定的溫度，然后快速冷卻。這時合金內形成具有強化元素（銅、鎂、硅、鋅）濃度最大的固溶體。

鋁合金淬火時由于其物理化學性能特殊，應嚴格控制加熱溫度，要求加熱高度均勻。Д16T（2024T4）合金鉆探管的淬火加熱溫度為495℃，同時要保證±2℃的溫度精確度。每根管材在加熱爐內的時間約70min。加熱爐同時可放置20根管材。經過加熱的管材每隔3.5min送一根到空的水平槽內，水從管材的對面流經整個槽子，使管材迅速冷卻。把水波浪的高度調好，使水浪的前沿垂直于管材，管子內外側同時被水覆蓋住。為了提高管材表面的耐腐蝕能力，在淬火中添加0.02%～0.04%重鉻酸鹽（重鉻酸氫鹽或鉻酸鉀、鉻酸鈉）。這種稱之為“流動水波淬火”法的熱處理方法可以提供建立鋁合金鉆探管的流水作業(yè)生產線的可能性。在某些情況下，淬火也可在立式淬火爐中進行。

淬火后的管材可能產生很大的溫度變形（翹曲），因此管材淬火后要馬上進行有效的拉伸矯直。管材淬火和矯直之間的間隔時間不應超過12h。

鉆探管材用6MN以下的軸向力進行拉伸矯直，使端頭內部加厚管材產生的殘余變形為1%～2%，外部加厚管材的殘余變形為2%～3%。

拉伸矯直的主要缺點是：管材在拉伸機的夾具內變形，造成金屬殘料量太多。為了減少殘料量，在矯直前在管材的兩端放入直徑比管材內徑小1～1.5mm的芯棒。

拉伸矯直這道工序不僅能消除管材的縱向彎曲，還能明顯提高制品的力學性能。拉伸矯直能完全消除管材主體部分的彎曲。鋁合金鉆探管加厚部分的矯直是用彎曲機的底模來進行。進行矯直時要十分小心，因為現(xiàn)行技術條件對于要刻制螺紋的管材加厚部分的直度有嚴格要求。

最終矯直結束后將管材按標準尺寸鋸切成段，對于有些合金管材，還要進行人工時效。然后在水平檢查臺上進行技術檢查，檢查后送到螺紋加工工段刻制螺紋，裝上鉆探接頭。

4 小結

（1）與傳統(tǒng)的鋼鉆探管和普通的鋁合金管材相比，鋁合金鉆探管具有一系列的特點，屬特殊的變斷面管材，品種多、技術要求嚴、技術含量高、生產難度較大。

（2）鋁合金鉆探管一般采用2024T4和7075T6等高強合金制造。要求配有40MN到80MN的大中型雙動臥式擠壓、高比壓的擠壓筒與特殊的固定擠壓墊和穿孔系統(tǒng)及模具等設備、工模具與工藝裝備才能生產。

（3）已研發(fā)出一套完整的特殊擠壓－熱處理生產技術，可大批量擠壓合格的鋁合金鉆探管材。

[1]謝建新，劉靜安.金屬擠壓理論與技術[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012

[2]李建湘，劉靜安，楊志兵.鋁合金特種管、型材生產技術[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008

[3]謝水生，劉靜安，王國軍.鋁及鋁合金產品生產技術與裝備[M].長沙：中南大學出版社，2016

寧波材料所利用石墨烯研制出千瓦級鋁空氣電池

中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰電池工程實驗室部署了金屬空氣電池研究，研究團隊在眾多工藝方面取得了一系列進展，其中采用石墨烯復合錳基氧化物催化劑以及新型石墨烯基高效空氣陰極將單體電池功率密度提高了25%，大幅度提升金屬空氣電池綜合性能。研究團隊于近日，又成功研制出基于石墨烯空氣陰極的千瓦級鋁空氣電池發(fā)電系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)能量密度高達510Wh/kg、容量20 kWh、輸出功率1000W。據悉，研究團隊正在積極設計開發(fā)用于通訊基站備用電源和電動汽車增程器的5kW級大功率鋁空氣電池系統(tǒng)。并準備在近期推動金屬空氣電池產業(yè)化。

西南鋁順利通過英國勞氏船級社、法國船級社換證審核

6月26 日至28日，英國勞氏船級社、法國船級社分別對西南鋁進行了換證審核工作。西南鋁順利通過審核。在此次換證審核中，驗船師對西南鋁進行了熔鑄工藝審核、軋制工藝審核及試驗室資質的評估工作，對西南鋁的質量管理體系、現(xiàn)場記錄、文件的執(zhí)行進行了嚴格的評審。驗船師通過評審后認為，西南鋁的船用產品質量能得到有效控制，同意通過復審。

西南鋁成功獲得Nadcap無損檢測項目最高獎勵

日前，西南鋁在無損檢測審核員的現(xiàn)場檢查中獲得PRINadcap部門工程師和工作組的認可。Nadcap于2017年7月5日向西南鋁頒發(fā)了新證書，同時授予西南鋁認證周期延長為2年的獎勵，這是該認證項目的最高獎勵。這是繼西南鋁此前連續(xù)2次獲得認證周期延長為18個月資格后，再一次晉升為最高獎勵。此項獎勵，為西南鋁進一步拓展民用航空市場領域，走向更為廣闊的國際民用航空市場奠定堅實基石。

Characteristics,Classification and Extrusion Production Technology of A lum inum A lloy Drilling Pipe

YE Jun1,LV Bao-yuan2,CHENW en-si3,LUO M ing-qiang3,LONG Qi-m in4,LIU Jing-an1
(1.Southwest Alum inum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 4013264；2.Xi'an Aircraft Industry Alum inum Aerospace MaterialCo., Ltd.,Xi'an 710000；3.Guangdong Xingfa Alum inum Co.,Ltd.,Guangdong 528231；4.Guangdong Huachang Aluminum Plant Co.,Ltd.,Guangdong 528231,China)

The characteristicsand classification ofalum inum alloy are introduced simply,and extrusion production technology of drill?ing pipeofaluminum alloy isemphasized in the paper,for reference for peer.

drilling pipe ofalum inum alloy;characteristicsand classification;extrusion process;production technology

TG146.21

：A

：1005-4898(2017)04-0022-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.04.05

葉軍（1971-），男，重慶榮昌人，助工。

2016－12－28