□ 高福萬(wàn) □ 陳 靜 □ 楊賀來(lái)

天津中杰科技發(fā)展有限公司 天津 300011

1 技術(shù)要求

割縫篩管是油氣田完井防砂用的一種工具,在一根12 m長(zhǎng)的石油套管上需加工出數(shù)千條濾油用的窄縫。為了保持縫隙的自潔性,防止出現(xiàn)砂粒堵塞縫隙,篩管斷面外開(kāi)口窄,內(nèi)開(kāi)口寬,形狀呈擴(kuò)散狀等腰梯形,錐角一般為12°左右[1]。

利比亞某油田提出13°梯形縫篩管需求,N80石油套管幾何尺寸為φ127 mm×7.52 mm,外縫寬為0.30 mm±0.05 mm,縫長(zhǎng)為60 mm±1.0 mm,縱向縫間距為15 mm±1.0 mm,交錯(cuò)布縫。

新疆某油田提出12°梯形縫篩管需求,TP110H-HP13Cr石油套管幾何尺寸為φ127.00 mm×9.19 mm,外縫寬為0.30 mm±0.05 mm,縫長(zhǎng)為100 mm±3.0 mm ,縱向縫間距為30 mm±3.0 mm。

2 加工方法

割縫篩管加工方法有很多,包括立方氮化硼超薄陶瓷刀具加工[2]、銑刀加工[3]、電解加工[4]、電火花加工[5-6]等。如果需要高效率、大批量加工梯形縫,特別是錐角不小于12°的梯形縫,則只能采用激光加工。

激光加工需要頻繁更換焦點(diǎn)位置,還需要激光束頻繁往復(fù)擺動(dòng)。

若采用傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)對(duì)焦模式,驅(qū)動(dòng)聚焦鏡往復(fù)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦,則效率低,有摩擦損耗。筆者所在單位采用電液伺服控制反射鏡曲率變化,沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置的快速更換[8]。

激光束正反往復(fù)擺動(dòng),先后兩次切割出梯形縫的斜面,可以得到兩個(gè)斜面對(duì)稱的等腰梯形。

若采用傳統(tǒng)的皮帶傳動(dòng)、齒輪齒圈傳動(dòng)、蝸桿蝸輪傳動(dòng)等機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)擺動(dòng),則效率低,有摩擦損耗。筆者所在單位采用直驅(qū)電機(jī)實(shí)現(xiàn)切割頭正反向往復(fù)擺動(dòng),可以滿足激光切割梯形縫,特別是大錐角梯形縫篩管的要求[8]。

對(duì)于外縫寬為0.10mm±0.03 mm的12°梯形縫篩管,在激光切割出12°錐角后,還需要隨動(dòng)成形加工機(jī)床[9]對(duì)梯形縫篩管進(jìn)行二次塑性成形加工。

3 大錐角梯形縫切割運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

大錐角梯形縫切割系統(tǒng)主要由擺動(dòng)式可調(diào)焦激光切割頭、可變曲率反射鏡、電液伺服閥等組成。

梯形縫切割分兩步進(jìn)行,第一步為激光打孔,第二步為激光切割。激光切割過(guò)程分為去程和回程。去程時(shí),激光切割頭擺動(dòng),切出半個(gè)梯形縫?；爻虝r(shí),激光切割頭反向擺動(dòng),切出整個(gè)梯形縫。激光切割與激光打孔的焦點(diǎn)位置不同,通過(guò)電液伺服閥控制可變曲率反射鏡鏡面的凹凸變形,來(lái)實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置的變化。去程時(shí)激光束調(diào)焦如圖1所示。

▲圖1 去程時(shí)激光束調(diào)焦

▲圖2 可變曲率反射鏡鏡面產(chǎn)生凹陷變形

激光切割頭用脈沖激光打孔后,調(diào)整電液伺服閥控制電壓在0至10 V負(fù)方向變化,使可變曲率反射鏡鏡面產(chǎn)生凸起變形,如圖3所示。焦點(diǎn)F的位置移至管最高點(diǎn)O的下方,激光切割頭沿管軸線方向移動(dòng)預(yù)定縫長(zhǎng)距離,用連續(xù)激光切割出前半條梯形縫,如圖4所示。

▲圖3 可變曲率反射鏡鏡面產(chǎn)生凸起變形▲圖4 切割前半條梯形縫

圖1中,O1為擺動(dòng)式激光切割頭在豎直位置時(shí)的回轉(zhuǎn)中心,O′1為擺動(dòng)式激光切割頭擺動(dòng)梯形縫錐度的一半角度α后的回轉(zhuǎn)中心,點(diǎn)M為擺動(dòng)式激光切割頭在豎直位置時(shí)割嘴輸出點(diǎn)位置,點(diǎn)M′為擺動(dòng)式激光切割頭擺動(dòng)梯形縫錐度的一半角度α后割嘴輸出點(diǎn)位置,Vr為點(diǎn)M對(duì)激光切割頭回轉(zhuǎn)中心O1的相對(duì)速度;ω為激光切割頭回轉(zhuǎn)角速度,點(diǎn)F為激光焦點(diǎn)位置。

點(diǎn)M′的絕對(duì)速度Va矢量圖如圖5所示。

割嘴上點(diǎn)M′的絕對(duì)速度Va是相對(duì)速度Vr和牽連速度Ve的矢量和,即:

Va=Vr+Ve

(1)

▲圖5 Va矢量圖▲圖6 回程時(shí)激光束調(diào)焦

激光切割頭沿管軸線反向移動(dòng)預(yù)定縫長(zhǎng)距離,用連續(xù)激光切割出后半條梯形縫,形成形狀對(duì)稱的、完整的梯形縫,如圖7所示。

▲圖7 完整梯形縫

V′a=V′r+V′e

(2)

▲圖8 V′a矢量圖

激光切割頭擺動(dòng)和變焦同時(shí)進(jìn)行,增加直線位移軸的輔助運(yùn)動(dòng),加工出梯形縫篩管。

4 質(zhì)量控制

影響大錐角梯形縫篩管激光切割質(zhì)量的因素較多,主要控制五方面因素。

4.1 激光輸出功率

13°梯形縫篩管的激光切割比一般相同壁厚和材質(zhì)的套管切割難度大。

因?yàn)閷?duì)于壁厚為h的石油套管而言,激光切割的實(shí)際壁厚h1大于h,即:

h1>h/cosβ

(3)

式中:β為梯形縫斜角,為梯形縫錐角α的一半。

梯形縫錐角α越大,實(shí)際切割壁厚h1就越大。

因此,切割13°梯形縫篩管的激光輸出功率比切割同樣壁厚、同樣材質(zhì)的矩形縫篩管要大,否則切口在切割后會(huì)產(chǎn)生熔渣,使切口的表面粗糙度值增大,降低表面質(zhì)量。

4.2 引弧孔

激光切割首先在割縫段的起點(diǎn)擊穿一個(gè)小孔,稱為引弧孔。引弧孔的直徑必須不大于割縫寬度,否則會(huì)超出圖紙技術(shù)要求。若引弧孔的直徑大于外縫寬度,則會(huì)形成俗稱的火柴頭形狀。

二氧化碳激光束聚焦后的光斑直徑一般為0.15～0.3 mm。利比亞某油田需要的13°梯形縫篩管外縫寬度為0.30±0.05 mm。

切割大錐角梯形縫篩管的激光起始光束方向與切割矩形縫篩管不同。切割矩形縫篩管時(shí),激光束處于豎直方向,對(duì)準(zhǔn)石油套管橫斷面圓心。而切割大錐角梯形縫篩管時(shí),激光起始光束為相對(duì)于該豎直方向傾斜角β。

提高激光脈沖輸出的頻率,減小占空比,可以縮短激光束對(duì)套管打孔區(qū)域的預(yù)熱時(shí)間,減小打孔點(diǎn)的熱影響區(qū)域,使引弧孔的直徑不大于割縫寬度,避免出現(xiàn)火柴頭。

4.3 切割速度

由于13°梯形縫篩管的實(shí)際切割厚度增大,因此激光切割的速度相比切割同樣壁厚、同樣材質(zhì)的矩形縫篩管有所降低,這樣可以避免切割速度過(guò)高造成斷面粗糙,套管內(nèi)部表面出現(xiàn)熔渣。

激光束去程時(shí),偏擺斜角β,切割出半個(gè)梯形縫。激光束回程時(shí),反方向偏擺梯形縫錐角α。去程切割速度應(yīng)低于回程切割速度。

4.4 輔助氣體壓力

輔助氣體與激光束同軸,由噴嘴噴出。

相比切割相同壁厚、相同材質(zhì)的矩形縫篩管,切割13°梯形縫篩管時(shí),需適當(dāng)增大輔助氣體的壓力。增大進(jìn)入切口的氣流量,使切口區(qū)盡快發(fā)生鐵氧反應(yīng),從而加快切割進(jìn)程。當(dāng)然,輔助氣體壓力不宜過(guò)大,因?yàn)閴毫^(guò)大,氣流過(guò)大,會(huì)引起氣流密度梯度場(chǎng)變化,加寬切縫,影響切口寬度,即外縫寬度。

4.5 焦點(diǎn)位置

焦點(diǎn)位置對(duì)激光外縫寬度影響較大。切割13°梯形縫篩管時(shí),因?yàn)閷?shí)際切割厚度增大,受氣流密度梯度場(chǎng)的影響,焦點(diǎn)位置會(huì)上移。對(duì)此,適當(dāng)下移焦點(diǎn)位置,有利于減小氣流密度梯度場(chǎng)的影響,達(dá)到減小外縫寬度的目的。

筆者所在單位批量生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的13°梯形縫篩管產(chǎn)品,已實(shí)際應(yīng)用于利比亞某油田的完井生產(chǎn)中。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了13°梯形縫篩管的加工技術(shù)。應(yīng)用擺動(dòng)式可調(diào)焦激光切割頭,切割出13°梯形縫篩管,在利比亞某油田完井生產(chǎn)中得到應(yīng)用。擺動(dòng)式可調(diào)焦激光切割頭項(xiàng)目于2013年10月通過(guò)天津市科委組織的科技成果鑒定會(huì),獲得國(guó)際先進(jìn)水平的高度評(píng)價(jià)。

在加工中,實(shí)現(xiàn)切割頭的擺動(dòng)和變焦,增加直線位移軸輔助運(yùn)動(dòng),切割出13°梯形縫篩管。

激光輸出功率、切割速度、輔助氣體壓力等對(duì)加工質(zhì)量有重要影響,合理配置加工參數(shù),可以高速度切割出均勻一致、表面光滑、無(wú)破損、無(wú)粘渣的大錐角梯形縫篩管。