CN100506423C - 一种超长加厚端钻杆的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超长加厚端钻杆的制造方法，其包括先内加厚、再外加厚，最后内加厚三个步骤；其中，每一步骤至少进行一道次变形，每道次的壁厚锻造比控制为1.1～1.5，随着加厚道次的增加，每道次顶锻压力比上一道次减小20～30巴；每一道次中加厚端的加热温度控制为1150～1250℃；其中，先内加厚步骤在第一道次变形中，顶锻压力控制为150～180巴，加热长度为550～700mm；其他道次变形中，加热长度从加厚端变形起始点到管端。本发明在变形长度很大的条件下，消除原始壁厚不均对加厚端长度的影响，并避免发生管子拉断及内加厚过渡带处产生凹坑缺陷，制造出超长加厚端钻杆。

Description

一种超长加厚端钻杆的制造方法

技术领域

本发明涉及钻杆的制造方法，属钢管管端加厚领域，更具体的涉及一种超长加厚端钻杆的制造方法。

背景技术

按照API标准，用于石油钻探的钻杆需要在管体两端分别对焊一个外螺纹钻杆接头和一个内螺纹钻杆接头。为了提高管体端部与接头连接处的强度，需要对管体两端进行加厚。加厚时，外径增大，内径不变的变形方式称为外加厚，外径不变，内径减小方式的称为内加厚，外径增大，同时内径减小的方式称为内外加厚。

图1为一种现有钻杆，图中示出了其加厚端的各项参数，其中，D为钢管外径，d为钢管内径，Dou为加厚端外径，dou为加厚端内径，Leu为外加厚长度，Meu为外加厚过渡带长度，Liu为内加厚长度，Miu为内加厚过渡带长度。

API标准中要求石油钻杆加厚端外加厚长度Leu＝80-90mm，Liu＝90-130mm，大部分属于内外加厚形式且Liu>Leu，总的壁厚锻造比≤3，参与变形长度≤400mm，变形量不大，变形质量容易保证。

但是对于直连型的钻杆来说，由于不需要对焊工具接头，直接在其端部进行螺纹加工，因此其加厚端外加厚长度要求很长，往往是API标准石油钻杆加厚端外加厚长度要求的二倍以上，一般要求达到Leu≥180mm，Liu＝90-140mm，Liu<Leu，总的壁厚锻造比＝3～3.8，参与变形长度≥600mm，总的变形量很大，变形质量很难控制。

美国专利US 4,845,972提供了针对API石油钻杆管端内外加厚的制造方法。其方法是首先外加厚，然后采用不同的方法通过模具将外加厚部分挤压成内加厚。这种方法对于生产加厚端Leu≥180mm的钻杆，由于第一道次加厚时压力很大，冲头大小和钢管内径几乎一致，且变形的长度很长，钢管的加厚端容易抱紧冲头，当冲头退回时，容易在加厚变形起始点位置发生管子拉断现象。

另外一种API钻杆加厚端的制造方法(专利号200510027402.1)是每道次都同时进行内外加厚。这种方法通过每道次都内外加厚，能制造出内加厚过渡带较长的加厚端，其过渡带是通过多道次的衔接而成。但这种方法对于生产加厚端Leu≥180mm的大变形量钻杆，当内外同时加厚变形时，金属同时要向内部和外部流动，由于总变形长度很长，越远离管端的位置金属越难变形，即使在很大的压力下，往往在管子内表产生欠充满的凹坑缺陷，甚至达不到设计的内外径尺寸。

以上两种方法都不适合于加厚变形量大于API钻杆的产品，为了制造出加厚端Leu≥180mm的钻杆，同时避免发生管子拉断及内加厚过渡带处产生凹坑等缺陷，需要有一种新的钻杆加厚端制造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超长加厚端钻杆的制造方法，可以保证在变形长度很大的条件下，消除原始壁厚不均对加厚端长度的影响，避免发生管子拉断及内加厚过渡带处产生凹坑缺陷，制造出加厚端长度远大于API标准的超长加厚端钻杆。

为了达到上述目的，本发明提供一种超长加厚端钻杆的制造方法，一种超长加厚端钻杆的制造方法，其包括先内加厚、再外加厚，最后内加厚三个步骤；其中，每一步骤至少进行一道次变形，每道次的壁厚锻造比控制为1.1～1.5，随着加厚道次的增加，每道次顶锻压力比上一道次减小20～30巴；每一道次中加厚端的加热温度控制为1150～1250℃；其中，先内加厚步骤在第一道次变形中，顶锻压力控制为150～180巴，加热长度为550～700mm；其他道次变形中，加热长度从加厚端变形起始点到管端。

优选的，在上述内加厚步骤中，加热温度如此控制：加厚端过渡部分的加热温度较变形缩短部分低30～150℃。

较佳的，在上述先内加厚步骤的第一道次变形中，顶锻压力控制为170巴，壁厚锻造比控制为1.1～1.3。

最佳的，当上述先内加厚步骤要完成的壁厚锻造比在1.5以上时，该先内加厚步骤还包括第二道次变形，加热长度从加厚端变形起始点到管端，顶锻压力控制在140～160巴，壁厚锻造比控制在1.4～1.5。

又，上述再外加厚步骤的第一道次变形中，顶锻压力控制在120～140巴，壁厚锻造比控制在1.2～1.4。

进一步，当上述再外加厚步骤要完成的壁厚锻造比在1.5以上时，该再外加厚步骤还包括第二道次变形，加热长度从加厚端变形起始点到管端，顶锻压力控制在90～100巴，壁厚锻造比控制在1.1～1.5。

再进一步，上述最后内加厚步骤的第一道次变形中，顶锻压力控制在60～80巴，壁厚锻造比控制为1.2～1.5。

最佳的，上述方法通过与加厚步骤相应的加厚模和加厚冲头来实施。

以下是主要工序的关键点：

(一)设计总的变形方式是本发明的基础。本发明采用与现有的两种方法完全不同的变形方式，即第一步内加厚变形，第二步外加厚变形，第三步内加厚变形。通过前两步的变形，使加厚端外径先变形增大到成品尺寸，同时内径有部分内加厚变形，第三步仅仅是内加厚变形，使内径变形到成品尺寸。采用这种方法的原因在于该产品的尺寸特点是Liu<Leu，且变形量比较大(参与变形长度≥600mm)，这就要求最后一道变形过程中加热长度和顶锻压力都比较小，如果采用现有技术中内外加厚的方式进行这种变形，由于锻造过程金属先横向流动，即外加厚容易变形，当外加厚尺寸Leu达到后，内加厚Miu部分没有金属补充变形，就会在该部分内表产生凹坑缺陷，造成产品报废。

而在前两步的变形分配中采用先内加厚再外加厚的方式是基于以下原因：第一步采用内加厚的方式是为保证变形区域的金属能够充分变形，一方面，变形时金属仅向内流动，塑性变形阻力相对较小，易形成较长的内加厚长度；另一方面，由于加厚冲头设计比原始钢管内径要小得多，加厚后，不会发生抱紧冲头现象，避免管子拉断。在第一步内加厚完成后，管端的壁厚增加，同时也改善了原始管料的壁厚不均现象，这样就为后道次变形创造了良好的条件。

在上述的三步变形中，变形量分配的基本原则是每道次的壁厚锻造比控制在1.1～1.5，否则容易出现变形失稳现象。如果前文所述的三步变形中某一步壁厚锻造比超过1.5，则要将该步变形再分成两道次来完成。在这个原则基础上，对于第一步中第一道次的内加厚变形，壁厚锻造比最佳应控制在1.1～1.3之间，因为第一道次是整个变形的基础，通过第一道次加厚可使加厚端壁厚均匀，消除原始壁厚不均的影响，以控制后道次加厚长度。如果变形量过大，就很难达到这个目的，总的变形就比较困难。

(二)控制每道次的加热长度、加热温度、顶锻压力等工艺参数，保证加厚端的Miu锥面平滑过渡。具体方法如下：

加热长度控制：

在第一步内加厚变形中，第一道次的加热长度确定为加热长度为550～700mm。随后各道次的加热长度根据前道次的加厚变形点位置来确定，即L(i)＝Liu(i-1)+Miu(i-1)，式中i≥2，表示加厚道次。这样确定加热长度的目的在于第一道次是整个变形基础，需要足够长的加热长度来满足变形工艺要求，而后道次加热长度一方面要达到设计尺寸，同时要保证Miu平滑过渡，不能充填过满或波浪状的欠充满，就必须根据前道次的产品具体尺寸来确定。

加热温度控制方法：

加热温度与金属材质、变形程度有关系，一般钻杆为含Mn、Cr等元素的高合金钢，因此在加热时，要保证成型前管端缩短部分Lv的加热温度要高达1150～1250℃，以确保该部分金属的可塑性，使其容易变形流动到增厚部位，避免内表凹坑，加厚过渡带段的加热温度较其他部位(变形段)要低30～150℃，以减缓该部分的金属变形，避免内变形充填过满，以及加厚过渡带Miu过陡产生应力集中的现象。上述两者的温度差可以通过控制调节端部冷却来实现。

顶锻压力控制方法：

加厚变形是一个多道次成型的局部镦粗压力变形过程。在确定各道次压力时，根据变形条件确定金属变形抗力、变形面积后计算可得，同时在生产这种超长加厚端的钻杆时，还须遵循以下方法：第一道次要充分变形，尽量增大内加厚尺寸，因此顶锻压力要最大，一般在150～180巴，在随后道次变形时，要保证内加厚过渡带Miu过渡平缓，变形压力要逐步减小，否则后道次内加厚覆盖了前道次变形点，内加厚过渡带Miu就形成尺寸突变，容易产生应力集中，从而引起产品早期失效。一般每道次压力要逐步减小20～30巴。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明专利通过设计各道次的加厚变形方式，先内加厚，再外加厚，最后内加厚，且每道次仅进行内加厚或外加厚，避免发生管子拉断及内加厚过渡带处产生凹坑缺陷，使第一道次加厚后得到很长的加厚端，保证最终钻杆加厚端外加厚长度Leu≥180mm，制造出远大于API标准的超长加厚端钻杆。同时严格控制每道次加热长度、顶锻压力、加热温度，保证加厚时道次之间过渡带的衔接平缓，质量较好。

附图说明

图1为现有的加厚端钻杆管端示意图，其中示出了各项加厚端参数；

图2-图6为本发明优选实施例的超长加厚端钻杆的五道次加厚生产连续操作示意图。

图中1为钻杆，2为加厚模，3为加厚冲头。

具体实施方式

实施例1

下面以φ60.32×7.11mm内外加厚钻杆为例，说明本发明专利的实施过程。该钻杆外径为60.32mm，内径为46.11mm，要求加厚完成后最终加厚端外径为74mm，内径为22mm，外加厚长度Leu≥180mm，内加厚长度Liu＝90～130mm。每一道次的钻杆加厚端示意图见图2-6。

为清楚起见，该实施例1中的各项参数见表1-1，各项性能指标见表1-2。

表1-1

表1-2

 

项目	壁厚均匀性	表面质量	过渡带平滑性
				工艺要求	来料壁厚公差±12.5％	表面缺陷深度≤0.89mm	曲率半径R≥300mm
实际数据	壁厚公差改善为±5％	表面无缺陷	过渡带平滑，曲率半径R＝800mm

实施例2：

以φ60.32×8.53mm内外加厚非标修扣钻杆为例，其实施的各项参数见表2-1，各项性能指标见表2-2。

表2-1

表2-2

 

项目	壁厚均匀性	表面质量	过渡带平滑性
				工艺要求	来料壁厚公差±12.5％	表面缺陷深度≤1.07mm	曲率半径R≥300mm
实际数据	壁厚公差改善为±7％	表面无缺陷	平滑，曲率半径R＝680mm

实施例3：

以φ60.32×8.53mm内外加厚非标修扣钻杆为例，其实施的各项参数见表3-1，各项性能指标见表3-2。

表3-1

表3-2

 

项目	壁厚均匀性	表面质量	过渡带平滑性
				工艺要求	来料壁厚公差±12.5％	表面缺陷深度≤1.07mm	曲率半径R≥300mm
实际数据	壁厚公差改善为±6％	表面无缺陷	平滑，曲率半径R＝850mm

实施例4：

以φ73×5.51mm内外加厚非标修扣钻杆为例，其实施的各项参数见表4-1，各项性能指标见表4-2。

表4-1

表4-2

 

项目	壁厚均匀性	表面质量	过渡带平滑性
				工艺要求	来料壁厚公差±12.5％	表面缺陷深度≤1.07mm	曲率半径R≥300mm
实际数据	壁厚公差改善为±8％	表面无缺陷	平滑，曲率半径R＝600mm

Claims (8)

1.一种超长加厚端钻杆的制造方法，其包括先内加厚、再外加厚，最后内加厚三个步骤；其中，

每一步骤至少进行一道次变形，每道次的壁厚锻造比控制为1.1～1.5，随着加厚道次的增加，每道次顶锻压力比上一道次减小20～30巴；

每一道次中加厚端的加热温度控制为1150～1250℃；

其中，先内加厚步骤在第一道次变形中，顶锻压力控制为150～180巴，加热长度为550～700mm；其他道次变形中，加热长度从加厚端变形起始点到管端。

2.如权利要求1所述的超长加厚端钻杆的制造方法，其特征在于，所述所述两个内加厚步骤中加热温度如此控制：加厚端过渡部分的加热温度较变形缩短部分低30～150℃。

3.如权利要求1所述的超长加厚端钻杆的制造方法，其特征在于，所述先内加厚步骤的第一道次变形中，顶锻压力控制为170巴，壁厚锻造比控制为1.1～1.3。

4.如权利要求1或3所述的超长加厚端钻杆的制造方法，其特征在于，所述先内加厚步骤还包括第二道次变形，加热长度从加厚端变形起始点到管端，顶锻压力控制在140～160巴，壁厚锻造比控制在1.4～1.5。

5.如权利要求1所述的超长加厚端钻杆的制造方法，其特征在于，所述再外加厚步骤的第一道次变形中，顶锻压力控制在120～140巴，壁厚锻造比控制在1.2～1.4。

6.如权利要求1或5所述的超长加厚端钻杆的制造方法，其特征在于，所述再外加厚步骤还包括第二道次变形，加热长度从加厚端变形起始点到管端，顶锻压力控制在90～100巴，壁厚锻造比控制在1.1～1.5。

7.如权利要求1所述的超长加厚端钻杆的制造方法，其特征在于，所述最后内加厚步骤的第一道次变形中，顶锻压力控制在60～80巴，壁厚锻造比控制为1.2～1.5。

8.如权利要求1所述的超长加厚端钻杆的制造方法，其特征在于，所述方法通过与所述三个加厚步骤相应的加厚模和加厚冲头来实施。

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