CN101033681A - 大口径石油套管的拧接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径石油套管的拧接工艺，该拧接工艺包括拧接机的预拧和拧接两个工位，其步骤有预拧工位：①接箍与管端的对接；②实时调整接箍旋转运动与轴向进给运动之间的匹配关系；③动态纠差式找准接箍中心线，实现中心线的重合；拧接工位：拧接工位通过两个压力传感器对夹具小车的高度进行实时检测，通过伺服阀对其高度进行实时调整，使管体中心线与拧接大盘中心线重合。有益效果是运用该技术后，大口径规格套管的拧接节奏可稳定在40支/小时，使一次拧接合格率在94％以上，解决了快速而准确地拧接大口径、新规格、高附加值的石油套管拧接问题，丰富了产品规格，开拓了新的市场，同时也满足了油田新的使用要求。

Description

大口径石油套管的拧接工艺

技术领域

本发明涉及一种石油套管的生产工艺，特别是一种大口径石油套管的拧接工艺。

背景技术

套管生产的过程中要对管子两端进行车丝扣，然后在每支套管的一端(仅一端)拧上接箍，将接箍的一半拧进套管，接箍的另一半留给油田连接另外一根套管，即没有拧上接箍套管的那一端。

在油田，石油套管一根接一根首尾相连下井，深度达到几千米，在几千米以下的地质岩层中经受恶劣地质条件的检验，必须具备抗扭曲、抗冲击、抗腐蚀等综合性能。所述两根管子之间的连接部分是油井最薄弱环节，同时也是油井中关键的控制点。而控制的两个技术指标是：一是扭矩，二是拧接后管体端部距离接箍端面的距离值J，如图1所示。

扭矩是一个非常重要的衡量检验指标，接箍与套管间连接的扭矩若小，就容易造成中间脱落的掉井事故，若一处脱节将导致价值成百上千万的油井整体报废；若扭矩太大，就容易造成将接箍拧坏和破坏丝扣的现象，密封不严，最终也是造成掉井。

所述J值的作用更为重要，如图1所示，首先，它是对套管出厂前“将接箍1的一半拧进套管管体2的一端”工作所提的可靠性要求。J值的最大值上限是避免了接箍1只拧进去一点就达到目标扭矩的情况，J值的最小值下限主要是防止一味地为获得目标扭矩而使劲拧进，结果没有给油田留出必要的接箍长度，而产生油田“一根接一根首尾相连下井”这个过程的扭矩得不到保障的现象。

需要解决的是生产过程中的拧接，就是套管出厂前“将接箍的一半拧进套管的一端”的工艺问题。

扭矩和J值是相互关联、相互制约的两个技术指标。由于管体2和接箍1上的螺纹拧接部分3均呈锥状分布，所以越是往里拧，扭矩则不断增大，但是J值却不断减小。验收标准对扭矩和J值都提出了严格的要求，如拧接口径为Φ339.72mm以上大口径石油套管的过程中，由于接箍1重等原因，使得这两个指标不能同时得到满足。

拧接Φ339.72mm以及更大口径石油套管时，最明显的现象是：接箍1刚拧进去一点，扭矩指标却已经达标。因而J值很大时，扭矩就叫停，倘若要得到满意的J值，扭矩就早已经严重超标，甚至将螺纹拧坏，严重破坏了产品质量。

Φ339.72mm及更大口径石油套管的拧接是石油套管全自动化控制、高效地批量化生产过程中的一个难题。正因如此，许多小规模的企业无法生产这种大口径的石油套管，也有个别企业拧接的过程检测与控制的自动化程度很低，甚至生产过程中不对扭矩和J值进行并行检测，难免出现所谓“牺牲扭矩获得J值”的情况。

小口径石油套管的拧接节奏能够达到70支/小时，拧接合格率在98％以上，而Φ339mm口径的套管，拧接节奏只有20支/小时，而且拧接合格率还不足40％，现有的拧接技术很难应对Φ339.72mm以及更大口径石油套管的批量拧接。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种大口径石油套管的拧接工艺，以利于解决大口径(如Φ339.72mm～Φ508mm)石油套管生产过程中的拧接问题，有效地提高拧接节奏及拧接合格率。

为实现上述目的，本发明采用的技术解决方案是提供一种大口径石油套管的拧接工艺，该拧接工艺包括拧接机的预拧和拧接两个工位，其步骤如下：

二、预拧工位

①接箍与管端的对接

接箍与管体对接前，预拧小车上的锁紧装置锁紧，保持接箍的中心线是水平方向；在预拧工位，管体通过管体夹具固定，预拧小车带着接箍边喂入，边旋转与管体拧接，预拧工位通过数字化定位、可变速控制接箍与管体的管端的对接质量，接箍的进给运动采用比例液压阀控制，预拧小车上的线性尺跟踪接箍的具体位置，调整接箍进给的速度；激光传感器对管体2的端部进行检测，结合预拧小车12上线性尺对接箍1进给运动位置的反馈，就可以巧妙地等接箍1和管体2咬合上第一个丝扣后再旋转起来，这样就进一步减小了对接过程中的冲击；

②实时调整接箍旋转运动与轴向进给运动之间的匹配关系

接箍一边旋转一边轴向主动进给，分别用两个比例液压阀对预拧小车上卡爪的旋转运动和轴向进给运动进行控制，分别改变比例阀的速度来达到这两个运动之间的相互匹配关系，并进一步将这一个匹配权限放到人机画面上，更为匹配提供了最大的便利。

③动态纠差式找准接箍中心线，实现中心线的重合

对接后允许卡爪自由浮动，使接箍能够在上下和左右方向上进行适应，保持接箍与管体中心线的重合；

二、拧接工位

拧接工位通过两个压力传感器对夹具小车的高度进行实时检测，通过伺服阀对其高度进行实时调整，开机时，首先利用预拧小车上的线性尺的反馈扫描管体夹具的高度，如果不在设定的范围内则会产生报警，则设备不进入自动拧接运行模式，须进行调整到设定的范围内；每拧一支管子，都要对两个压力传感器的数值进行处理，如果不在范围内则会产生报警，要求及时调整夹具小车的高度，经调整夹具小车的高度，使管体中心线与拧接大盘中心线重合。

本发明的效果是运用该拧接技术后，Φ339.72mm口径及更大口径规格套管的拧接节奏能够稳定在40支/小时，使一次拧接合格率在94％以上，全新的拧接技术使得拧接机每小时能够拧接出37支合格的套管。快速而准确地拧接大口径、新规格、高附加值的新规格石油套管，丰富了产品规格，开拓了新的市场，同时也满足了油田新的使用要求。

附图说明

图1为拧接工艺的J值示意图；

图2为本发明的预拧时的磨擦扭矩分析图；

图3为本发明的拧接工位示意图；

图4为本发明的预拧工位示意图。

图中：

1、接箍       2、管体        3、拧接部分    4、拧接大盘

5、夹具小车   6、管体夹具    7、自由辊      8、卡爪

9、轴         10、锁紧装置   11、液压马达   12、预拧小车

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的大口径石油套管的拧接工艺加以说明。

该拧接工艺包括拧接机的预拧和拧接两个工位，在拧接大口径石油套管时，造成节奏慢、合格率低下的直接原因是预拧工位的工作量小，拧接工位不堪重负。从机械加工的角度来说，预拧属于粗加工，拧接是精加工，绝大部分的工作应该在预拧完成。但是，实际遇到的问题却刚好相反，拧接大口径石油套管时，拧接工位分担了巨大部分的工作量。

本发明的大口径石油套管的拧接工艺，该拧接工艺包括拧接机的预拧和拧接两个工位，其步骤如下：

一、预拧工位

如附图4所示，在预拧工位，管体2通过管体夹具固定，使管体2固定不动。预拧小车12上的卡爪8带着接箍1往管体上拧接。Φ339.72mm石油套管的接箍1重达40kg，即卡爪8要水平地将重达40kg的接箍1往管体2上拧接。

Φ339.72mm石油套管管端的丝扣车有25个螺距，预拧工位只能完成对8～10个螺距的拧接，这样就把绝大部分的工作量留给了精加工的拧接工位。因此，我们要对两个工位工作量进行重新分配。

一般在拧螺母时，只要是将螺母拧歪，使丝扣没有对接好，即使是小螺母也拧得费劲。接箍1与管体2间是通过螺纹来连接的，而且，这个“螺母”是重达40kg的接箍1，要在预拧的全自动运动过程中，将接箍1拧到管体2上去，如何避免上述问题出现，问题的关键是如何解决运动中的接箍1与静止不动的管体2两者的中心线是否重合在一起的难题，必须从预拧工位开始就提高接箍1与管体2间的接触质量。

结合以上两个方面的技术要求，对预拧提出的总体方案是：在预拧工位完成76％(19个)以上螺距的工作量，同时，预拧的转矩约为拧接工位目标扭矩值的5％，即要在预拧工位用很小的扭矩完成大部分丝扣的对接，从而大大提高接箍1与管体2间的接触质量，基本实现无障碍旋转，达到既定目标。主要采取了以下步骤：

1、实现接箍1平稳地与管体2进行对接，提高初始接触质量，为后续工作打好基础。

接箍1与管体2对接前，预拧小车12上的锁紧装置10锁紧，保持接箍1的中心线是水平方向。这个过程中为了避免接箍1与管体2相遇时发生碰撞，防止将接箍1的中心线撞偏导致拧歪的现象，在预拧小车12上安装了线性尺，在水平方向上对接箍1的具体位置进行反馈，对预拧过程中接箍1的水平进给运动进行实时监控。利用线性尺的位置反馈，可以精确的计算出接箍1与管端的实时距离，根据具体位置，通过调整用来驱动预拧小车12前进比例液压阀的开口，达到调节预拧小车12前行速度的目的。让预拧小车12带着接箍1先快速前进，然后慢速接近管体2，紧接着接箍1在进给的水平轴向几乎是静止地与管体2管端对接。

另外，用一个激光传感器对管体2的端部进行检测，以便确定管体2上第一个丝扣的位置所在。结合预拧小车12上线性尺对接箍1进给运动位置的反馈，就可以巧妙地等接箍1和管体2咬合上第一个丝扣后再旋转起来，这样就进一步减小了对接过程中的冲击。

2、开放式的实时匹配旋转运动与轴向进给运动，保证在预拧工位用最小的动力矩拧进最大可能的螺距数。

接箍1完成了与管端的对接后，将锁紧装置10打开，接着即沿着丝扣逐圈拧进。一改常用的接箍1随动进给，而选用了预拧小车12带着接箍1主动进给的方式。卡爪8带着接箍1一边旋转一边主动进给，分别用两个比例液压阀对预拧小车12上卡爪8的旋转运动和轴向进给运动进行控制，使这两个运动之间相互进行匹配。如图2所示，假设接箍1旋转的速度是不变的情况下，如果接箍1轴向进给运动的速度偏大时，那么接箍1内丝扣的前表面与管体2的管端外丝扣的后表面之间就产生了相互的挤压和弹性形变。如果接箍1轴向进给运动的速度偏小，那么接箍1内丝扣的后表面与管端外丝扣的前表面之间就产生了相互的挤压和弹性形变。由：

摩擦力F＝uN                N为弹性挤压力

摩擦阻力矩M＝FD/2          D为管体直径

可知，接箍1进给速度偏差越大，挤压和形变就越厉害，摩擦阻力矩就越大。摩擦阻力矩增大的直接后果就是导致卡爪8的旋转中途运动停止，造成预拧提前结束。为了解决这个问题，首先利用一个溢流安全阀实现预拧工位的系统压力的上限要求。然后，分别用比例液压阀对卡爪8的旋转运动和轴向进给运动进行控制。

该措施主要体现在“走螺距”的全部过程之中。在这个过程中，卡爪8的旋转运动和轴向进给运动都预先分别设定一个各自的速度基数，然后用各自的基数乘上各自的因子，成为此过程中各自的运动速度。再把这两个速度因子放在人机界面上，用来方便操作人员根据具体情况实时地修改这两个因子，起到匹配卡爪8的旋转运动速度和轴向进给运动速度的作用，最终消除上述摩擦力矩偏大的情况，从而保证在预拧工位用最小的动力矩拧进去最大可能的螺距数。

同时，还在预拧小车12与卡爪8之间合理地安装了缓冲器件，用来实现上述两个速度的最佳匹配。当接箍1轴向进给运动的速度偏大时，缓冲器能够自动压缩，若接箍1轴向进给运动的速度偏小，则缓冲器能够被拉伸。

通过因子调速能够很好地匹配这两个运动之间的关系，通过缓冲器的缓解，又可以消除液压系统波动引起的不良影响。

3、动态纠差式找准和保持接箍中心线，实现中心线的重合。

尽管采用了安装在预拧小车上的线性尺对接箍1的具体位置进行反馈，实时控制实现接箍1平稳地与管体进行对接。但是，有些问题还是不可避免，如卡爪8抓接箍1时就有可能抓偏等一些偶然的因素，而造成第一个丝扣咬合质量不高，甚至使中心线发生偏离，如果不及时消除，所有这些问题都不利于上面提到的“走螺距”过程，导致卡爪8的旋转中途运动停止，预拧提前结束。

针对这个问题，如图4所示，液压马达11带动轴9将旋转运动传递给接箍1，充分利用接箍1的旋转运动这一动力源，在“走螺距”的过程中，就打开锁紧装置10，允许卡爪8自由浮动，使得接箍1可以在上下和左右方向上进行必要的顺从和适应。在图4中，原动力是马达11，马达11的旋转产生离心力，这个离心力通过轴9传递到接箍1上，某一确定的时刻，接箍1受到的离心力是一个确定的径向，同时由于马达11是做圆周运动。所以，在不同的时刻，接箍1受到的力是不同的径向，马达11旋转一周的过程中，不论接箍1的中心线向哪个方向偏离，离心力都是能兼顾到的。也就是说，任何一个径向总有一个时刻存在力的作用，从而在任何方向上，接箍1的中心线都能被找准。

二、拧接工位

拧接工位最主要的任务是将接箍1继续往管体2上拧，这是一个最终检测技术指标的工位，不但要完成扭矩的测量，达到目标扭矩后马上制动，而且还要确保J值合格。因此，数据的准确性就直接影响拧接的质量合产品的合格率。

如图3所示，在这个工位上拧接大盘4抓住接箍1做固定轨迹的圆周运动，管体2被四个自由辊7支撑着，同时，在拧接机与自由辊7之间安装一个管体2的夹具小车5。夹具小车5的主要作用除了对管体2进行径向定位外，更主要的就是夹紧(环抱)管体2后在液压缸的驱动下，带着管体2主动往前喂入，将管端的接箍1伸进拧接大盘4内。但是，当拧接大盘4抓住接箍做圆周运动时，驱动预拧小车12的液压缸卸荷，管体2的夹具小车5做随动进给喂入运动，拧接大盘4每转一圈，管体2的夹具小车5就带着管体2随动地往前进给一个螺距，自由辊7的作用是营造滚动摩擦，减小摩擦阻力。

通过预拧后的接箍1与管体2是紧紧连接在一起的，可以认为两者的中心线是一条直线。在这个拧接工位上需解决的主要问题仍然是中心线的问题，即管体中心线的水平问题以及管体中心线与拧接大盘4中心线的重合问题。

如图3所示，在拧接大盘4抓住接箍1之前，由于管体夹具6是环抱管体2的，所以无论管体夹具6的位置高低，一旦管体2被夹住，此处就是一个受力点，也就是决定管体2中心线的一个点，由两点确定一条直线的定理可知，决定管体2中心线的另外一个点是四个托辊7中的一个。如果管体2中心线不是水平的与拧接大盘4的中心线相重合的话，那么，在拧接大盘4抓住接箍1后，管体2将呈现出微小的折线状态，在管体夹具位置偏低的情况下，管体夹具6所处的位置就是两条直线的交点，也就是管体2的拐点。因此，接箍1与管体2间连接的丝扣又处于额外的暂时挤压力之下，造成扭矩值虚假偏高，致使采样到的扭矩数据失去应有的准确性。

为此，我们先假定四个托辊7的高度正好与拧接大盘4的高度相吻合，那么，只要控制管体2的夹具小车5的高度就可以。

利用一个伺服阀来进行调整管体2的夹具小车5的位置，首先，伺服阀本身带有一个线性尺对夹具小车5的高度进行检测，在管体夹具6的底部安装了压力传感器，对管体夹具6进行重量检测，如果压力大，则适当将夹具小车5往高处调整，若是压力小，则实时地将夹具小车5往低处调整。开机时，首先利用预拧小车上的线性尺的反馈扫描管体夹具的高度，如果不在设定的范围内则会产生报警，则设备不进入自动拧接运行模式，须进行调整到设定的范围内；每拧一支管子，都要对两个压力传感器的数值进行处理，如果不在范围内则会产生报警，要求及时调整夹具小车的高度，经调整夹具小车的高度，使管体中心线与拧接大盘中心线重合。通过对管体2的夹具小车5控制和调节，有效地保证了管体中心线水平性，从而解决了管体中心线与拧接大盘中心线的重合难题。

预拧工位是关键，通过对预拧采取多种措施，实现用“很小的扭矩完成大部分丝扣对接”的目标，有效地减小精加工拧接工位的负担，从而加快了拧接节奏。拧接工位是成型工位，该工位上要对扭矩合J值同时进行检测。既然，丝扣间的接触质量是在预拧工位完成的，而拧接这个工位就只能将剩下的工作做完整。需要改善所有数据的采集环境，减小和消除数据偏差，确保数据的准确性，提高产品的质量以及拧接的合格率。

本发明的拧接工艺是对上述两个工位工作量进行重新分配，通过多种方法和途径努力达到预期目标。以预拧为切入点，从预拧工位开始就提高接箍与管体间的接触质量，用预拧来保证拧接工位的顺利进行，并改善拧接工位扭矩采样的环境，确保拧接合格率。主要体现在以下几个方面：

①预拧工位数字化定位、可变速控制提高接箍与管端的对接质量。

②预拧工位实时调整接箍旋转运动与轴向进给运动之间的匹配关系。

③预拧工位动态纠差式使得接箍中心线与管体中心线重合。

④拧接工位通过两个压力传感器对管子小车的高度进行实时检测，通过伺服阀对其高度进行实时调整，从而解决了管体中心线的问题，保证了扭矩的准确性和可靠性。

运用全新拧接技术之后，Φ339.72mm口径及更大口径规格套管的拧接节奏能够稳定在40支/小时，更重要的是一次拧接合格率在94％以上，高效地适应了生产过程的需要。

Claims (1)

1、一种大口径石油套管的拧接工艺，该拧接工艺包括拧接机的预拧和拧接两个工位，其步骤如下：

一、预拧工位

①接箍与管端的对接

接箍(1)与管体(2)对接前，预拧小车(12)上的锁紧装置(10)锁紧，保持接箍(1)的中心线是水平方向；对接过程中，管体(2)通过管体夹具固定，接箍(1)的进给运动采用比例液压阀控制，根据预拧小车(12)上线性尺跟踪反馈回来的接箍(1)的具体位置，来调整接箍(1)进给的速度。通过对接箍和管端的精确数字化定位，准确进行进给运动的速度控制，从而确保了接箍(1)与管体(2)的管端的对接质量；

②实时调整接箍旋转运动与轴向进给运动之间的匹配关系

接箍(1)完成上述与管端的对接后，分别用比例液压阀对预拧小车(12)上卡爪(8)的旋转运动和轴向进给运动进行控制，通过这两个可连续变化的无级变速给旋转运动与轴向进给运动进行速度匹配；

③动态纠差式找准接箍中心线，实现中心线的重合

预拧小车(12)上的线性尺对接箍(1)的具体位置进行反馈，接箍(1)平稳地与管体完成对接后，允许卡爪(8)自由浮动，使接箍(1)能够在上下和左右方向上进行适应，保持接箍(1)与管体(2)中心线的重合；

二、拧接工位

拧接工位通过两个压力传感器对夹具小车(5)的高度进行实时检测，通过伺服阀对其高度进行实时调整，开机时，首先利用预拧小车(12)上的线性尺的反馈扫描管体夹具(6)的高度，如果不在设定的范围内则会产生报警，则设备不进入自动拧接运行模式，须进行调整到设定的范围内；每拧一支管子，都要对两个压力传感器的数值进行处理，如果不在范围内则会产生报警，要求及时调整夹具小车的高度，经调整夹具小车(5)的高度，使管体(2)中心线与拧接大盘(4)中心线重合。

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