1、设计与开发大规格油套管管端加厚机的研发马辉,高国杰,秦伟超,王建国,任明杰(中 国重型机械研究院股份公司?金属成形技术与重型装备全国重点实验室,陕西西安)摘要:简述了油套管的发展趋势和局 限性,总结了预应力双工位大规格油套管管端加厚设备的研发经验,以及管端加厚技术的创新点;分析了影响 钢管加厚镦粗时产品质量的主要工艺参数;基于软件建立了管端加厚成形过程的有限元模型,分析了管坯加热温度、模具与 钢管间摩擦因数、冲头镦粗速度对加厚设备载荷的影响。关键词:油套管;管端;加厚;大规格;预应力;双工位:开放科学(资源服务)标识码(),(,):,?,?,:;油套管主要用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑以保
2、证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行。油套管是油气钻采的重要设备,是石油钻采工程中要求高、用量大的深度加工产品。随着世界石油开采业的发展及油井深度的不断增加,水平井、深井和超深井、大位移井等钻井技术的应用,钻井成本和钻井风险也在不断增加,油套管正向着髙强度、高韧性、资源节约型、安全环保等方面发展,油套管的质量问题日益受到关注。油套管的寿陕西省科学技术研究发展计划科技成果转移与推广计划获奖成果转化项目()马辉(),男,硕士,高级工程师,主要从事冶金重型设备和钢管热处理装备的设计和研发工作。命决定了油气井的寿命,油套管在井下的失效形式主要有螺纹滑脱、拉断、挤毁、爆破、泄漏、腐蚀破坏和射孔开裂
3、等,我国 因油套管损坏而造成油气井破坏或报废的经济损失就达数十亿元,油套管的质量可靠性至关重要。以往国内多采用厚壁管进行油套管管端的螺纹加工或者在油套管端部焊接厚壁管进行螺纹加工,以满足油套管的等强度要求。采用厚壁管加工造成油套管质量增加,尤其是深井和超深井,造成钻井的成本陡增且对整个井壁的负担变大。采用油套管端部焊接厚壁管进行螺纹加工,由于焊接部分的应力集中,容易造成拉断。不加厚油套管容易螺纹滑脱,焊接加厚油套管容易拉 断,厚壁管深加工更不可取。,钢管年月第卷第期设计与开发根据试验获得的材料数据及真应力真应变曲线的特征,在研究了应变、应变速率及温度等与应力对应关系后,确定该材料的本构方程(该
4、热塑性本构方程考虑了主要的工程参数,不涉及微观组织结构参数,简单明 了,比较适合于工程应用()()式中占真应变;应变速率;,与材料有关的常数。温度对流变应力的影响随着温度的提髙,一般金属的塑性增加,变形抗力降低。级钢的抗拉强度 随温度变 化曲线如图所示,可以看出加热到时,级钢的抗拉强度从 降低到左右,降幅达,所以锻前加热是锻造生产必不可少的重要工序之一。为了不产生或少产生氧化、脱碳、过烧、过热等缺陷,每种材料都有其合理的锻造温度 范围,一般始 锻温度 应 低于熔点冗,一般材质的油套管始锻温度为丈。温度图级钢 在不同温度下的抗拉强度应变速率对流变应力的影响应变速率是指单位时间内变形程度的变化量,
5、即相对变形对时间的导数:()?()()式中压机站子的瞬时工作速度,;变形钢管的瞬时高度,。大量的研究和实践表明,随着应变速率的增加,变形抗力显著增 加。这是由于变 形速率增 加时,要驱使数目更多的位错同时运动,从而使金属的真实流动应力提尚。钢管镦锻力的计算钢管的镦锻成形是外力作用下产生的,因此正确计算 变形力是选择设备、设计模具的重要依据。变形力的计算公式为:()中国重型机械研究院股份公司(简称中 国重型院)研发并推广的钢管管 端加厚机主要应 用于)()以下的油套管和钻杆的一体镦粗成型,改善了加厚管“脖颈”处的应力集中问题。根据市场的需求和钻井的发展,大规格油套管的发展也将会向轻质量、等强度、
6、一体成型发展。大规格油套 管 管端加厚机为了适应油套管的发展应运而生,也可以广泛应用于油缸管的端部加厚。中 国重型院设计研发了一条管端加厚生产线,其可以对¥()大规格油套管进行端部镦锻成型,实际可对()钢管进行端部镦锻成型。现介绍大规格油套管管端加厚机的研发经验,以供后续研发参考。基本理论研究热塑性本构方程的确定热模锻的关键是锻件热态的流变 应力它表征材料在特定条件下的抗塑性变形能力,取决于材料的成分、组织、变形温度、变形速率、变形程度等。本文针对级钢进行研究,取为各变形条件下的稳态应力值,分别绘制出不同变形温度下的关系及不同应 变速率下关系,采用最小二乘法分别对这些数据进行线性回归,然后绘制
7、出相应的直线,如图所示。图不同变形温度下稳态应力 与应变速率的关系图不同应变速率下温度与应力的关系 ,设计与开发式中尺应力状态系数,异号应力状态时尺,三向正应力状态时尺;工件与模具的接触面积在主作用力方向上的投影,。就管端加厚来说,材料内部应力 为三向正应力状态,所以应力状态系数尺为定值;工件与模具的接 触面积在主作用力方向上的投影与产品相关,也无法改 变,能改变的 只有计算中的变形温度、变形速率。在工艺规程设计中,应分别计算出每一工步成形力的上限值、下限值,选择适当 的加厚设备。选择设备的原则是设备的实际能力应不小于计算成形力的下限值、接近或略大于上限值。由于最终成形时 材料变形 部分垂直于
8、管坯中心线的投影面积最大,所需的实际变形力也最大。成形力 与变形材料的屈服强度、成形件垂直于成形力方向的投影面积、变形速度、变形方式、变形量、变形温度、变形区相对尺寸、工件和模具接触表面的摩擦条件等诸多因素有关,实际设计时最大成形力计算公式为:()式中。最大成形力,;一投影面积上单位面积的平均成形力,;应变速度系数,热加工时,液压机取;人变形方式和摩擦条件影响系数,对没有毛边的 闭口模锻,取,对带毛边的开口模锻,取;终锻温度 下材 料的静载屈服强度,;成形件垂直于成形力方向的投影 面积,。选择 成形设备时,其 额定压力应比巧大些,为户。芥。以缴锻规格油套 管端部为例,取,考虑到以后镦锻更大规格
9、油套管留有设备余量,故镦锻力选用;夹紧力按照通用的选取法,即:关系,为。预 应力双工位加厚机管端加厚主机是完 成钢管端部镦粗的核心设备,加厚主机在垂直方向受夹持钢管的夹紧力,在马辉等:大规格油套管管端加厚机的研发水平方向受加厚钢管的镦粗力,通过理论计算和模拟分析,研发了适用于多道次镦粗的预应力双工位加厚机。夹紧模和加厚模分为上下两部分分别安装在上下模座,平移模座进行镦粗工位的模具更换;冲头设计安装在水平镦粗油缸的 冲头换模夹具中,带位移传感器的换模推缸进行左右冲头工位的选择,并由插销油缸进行锁定。镦粗工位和水平镦粗油缸同心,夹紧模、加厚模和冲头通过调整至镦粗工位,进行钢管管端镦粗。预应力双工位
10、加厚机结构如图所示。影响产品质量的关键工艺参数钢管加厚镦粗时影响产品质量工艺参数众多,结合上述理论分析可知,变形温度以及应变速率直接影响产品的成型过程和最终质量,而与之相关的以下种工艺参数最为关键:加热长度、加 热温度、镦粗速度、镦粗压力、送料长度和压缩量、模具的冷却和润滑。()加热长度。加 热长度是影响参与变形体积的关键参数。由于钢管的加厚是在中频加热的热状态下进行的,所以计算加厚尺寸时首先要考虑到金属由于温度改变而产生的热膨胀以及氧化烧损。钢管从室温加热到镦锻温度时,考虑热膨胀系数和金属烧损系数,以求得管端加厚实际的总变形长度。()加热温度。一般钢 管的始锻温度在左右,钢管的热变形抗力随着
11、温度的提高而降低,提高了金属的流动性且降低了设备的镦粗吨位。()镦粗速度。通过本构方程和实 际生产可知,钢管端头在镦粗的过程中温度 降低随着温度降低变形抗力提高,所以钢管在加 热完成后需要快速地完成镦粗。但是钢管镦粗随着应变速率的增加,流动应力增大,一般取镦粗速度为。钢管年月第卷第期 设计与开发 镦 粗距离 一摩擦因数 摩 檫因数 摩擦因数图不同摩擦因数下管端加厚 成形模拟结 果冲头镦粗速度影响分析不同冲头速度下管端加厚成形模拟结果如图所,是冲头速度分别为,时设备载荷随冲头行程增加 而变化的曲线。当冲头速度为,钢管的最高温度由变 形前的丈升至:;而当冲头速度为、时,钢管的最高温度分别为 丈、丈
12、。可见,冲头速度越大,加厚成形时冲头与 钢管之间因摩擦而引起的发热也越严重。如果冲头速度太小,成形 镦粗距离 一图不同加热温度下管端加 厚成形模拟结 果摩擦因数影响分析模拟摩擦因数分别 为、时加厚设备的载荷变化情况,不同摩擦因数下管端加厚成形模拟结果如图所示。当摩擦因数由增加到,加厚结束时,钢管的最髙温度由升高至丈;而当摩擦因数为,钢管的最高温度达到了丈。这说明在加厚过程中,随着摩擦因数的上升,钢管与模具之间因为剧烈摩擦会产生大量的热量,使得钢管温度上升幅度 加大。此外,随着摩擦因数的上升,材料在模具中的流动也发生了 明显变化。由图可知,随着摩擦因数的增 大,设备载荷也随之增长;当摩擦因数超过
13、某一临界值,设备载荷会显著增大。综上所述,实际生产中应尽可能采取各种措施,降低模具与钢管间的摩擦因数,这对于降低设备载荷,提升产品质量具有重要的意义。通过液压伺服系统的反馈优化镦粗速度。()镦粗压力。不同的管径需要的镦粗成型力不同,镦粗压力过大容易产生飞边和 毛刺,镦粗压力过小易出现凹坑等缺陷。根据理论计算和实际经验设置合理的镦粗压力能保证合格的加厚产品。()送料长度和压缩量。钢管的送料长度和压缩量指 钢管送人模腔的定位尺寸和镦粗压缩尺寸。加热后的钢管的送料长度和压缩量是实 际参与热变形的体积。过大的送料长度和压缩量都会引起镦粗压力过高产生飞边和毛刺,过小的送料长度和压缩量都会引起出现凹坑和外
14、形尺寸不达标等缺陷。()模具的冷却和润滑。管端加厚的核心工具是模具,分为夹紧模、加厚模和冲头,其中夹紧模用于夹持钢管,加厚模和冲头用于成型。在热成型的过程中,为了减小加厚模和钢管、冲头和钢管之间的相对运动产生的摩擦力,一般采用石墨进行润滑。石墨润滑不仅增加了金属的流动性还减小了设备的镦粗力。加厚模和冲头镦粗时通过热传导升温,容易 和钢管发生粘连产生局部凹坑,且高温加厚模和冲头影响石墨润滑效果从而影响产品质量。工艺参数数值模拟基于软件,建立了管端加 厚成形过程的有限元模型,对部分工艺参数进行了数值模拟,对不同工艺参数的变化引起的最终成形质量和设备载荷的变化进行了分析。通过分析对实际设计生产起到指
15、导作用,选取适中的冲头进给速度和管述加 热 长度可有效提高加厚成形的最终产品 的质量,降低设备载荷。加热温度影响分析随着加热温度的上升,在冲头镦粗距离相同的情况下,钢管的初始温度越高,冲头与钢管接触的越充分,这是因为随着温度的升高,材料的流动应力随之降 低,变形过程中材料的流动情况也越充分。模拟分析钢管温度为丈、丈时加厚设备的载荷情况,不同加热温度下管端加厚成形模拟结果如图所示。由图可知,在其他工艺条件相同的情况下,随着钢管温度的升高,设备的载荷会出现明显的下降,但是过高的加热温度会导致钢管出现过烧现象,影响成品质量。因此,最佳的加热温度应该是根据材料的特性,在不出现过烧的前提下,尽可能地高,
16、既可以降 低设备载荷,又能保证钢管充分成形。,琚设计与开发时间过长,会导致钢管 降温明显,变形抗力增加,使得钢管内部与冲头未能完全接触;反之,冲头速度过大,会导致材料来不及充分流动,端头处出现明显的飞边毛刺。由图可知,冲头速度变化对设备载荷的影响并不明显。镦粗距离速度速 度速度 图不同冲头速度 下管端加厚成形模 拟结 果结语针对大规格油套管管端加厚存在的技术难题,在研究过程中,中 国重型院经过反复设计分析及优化,研发的大规格油套管管端加厚技术创新如下:()研发了预应力双工位加厚机,解决了主机加工复杂的 问题,实现了短流程加厚的生产工艺;()研发了钢管旋转加热技术,通过控制旋转速度和方向,解决了
17、钢管端部的加 热不均勻易弯曲变形的 问题;()自主研发适用于大规格油套管管端加厚的模具;()采用多道次连续镦粗的加厚工艺,实现对大规格油套管管端的加厚要求。参考文献毁石油套管研制钢管,():田相元,闫安庆,姚勇,等石油套管表 面缺陷产生原因分析及改进钢管,():潘志勇,韩礼红,王建军,等长圆螺纹套管接头工厂端滑脱失效原因分析钢管,():许才斌,汪勇,郑臻,等高温高压射孔枪管的开发钢管,():王建东,李玉飞,汪传磊,等油套管用特殊螺纹连接密封完整性探讨钢管,:杜晓杰,杨阳,杨中娜,等某注水井油管腐蚀失效原因分析钢管,():李斐,路飞飞,王军,等井口套管失效原因分析钢管,():董晓明,张忠铧,卢小
18、庆,等 超高强度 高 軔性射孔枪管的研制 及其微观组织分析钢管,():江勇,李鹏冲,谢芸霞射孔枪与射孔枪管钢 管,():李俊辉,杜学斌,徐能惠,等钢管管 端加厚工艺布置研究重型机械,():裴志强,徐宇瑾水平锻造液压机重型机械,():雷刚,徐能惠,郑文达,等油管 加厚生产线常见运行故障分析及解决方案重型机械,():卫凌云,张营杰,杜学斌,等液压机预应力框架预紧方式探讨重型机械,():任明杰,徐能 惠钢管加厚机送料装置的改进中国重型装备,():(收稿曰期:;修定日態:)孙晶,梁红星,马继顺,等钢级高强度高抗挤鲁专利信息油井 管用马氏体系不锈钢无缝钢管及制造方法提供了一种具有 以上屈服应力且耐硫化物应力腐蚀开裂性能优异的油井管用马氏体系不镑钢无缝钢管及其制造方法。该油井管用马氏体系不镑钢无缝钢管的化学成分(质量分数)为:以上,以下,?,以下,以下,以下,?,以下,?,并且、满足规定的关系式,剩余部分由和不可避 免的杂质构成。(专利申请号:公开号:申请日:公开日:申请人:杰富意钢铁株式会社)(王元荪)马辉等:大规格油套管管端加厚机的研发钢管年月第卷第期墀鵪