CN101468377B - 一种反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，采用多道次内外加厚工艺。当某一加厚道次开始采用内外加厚，外加厚过渡段长度为130mm，内加厚以起始量出现，内加厚过渡段起变点与第一道次外加厚起变点一致；两道加厚后，先对管端加厚部分进行压扁，再使用缩径模具对压扁后的管端进行缩径，缩径后在内加厚过渡锥面直径最小处形成内加厚锥面控制圈，后续加厚道次加厚顶锻时，内加厚锥面控制圈与冲头外壁充分接触，保证成型后的内过渡锥面不受顶锻影响而产生变形。它能使内加厚锥面在严格控制条件下变得规整稳定，平滑光顺，钻杆管端加厚过渡部分应力分布更均匀，应力变化梯度更平缓，钻杆使用中发生应力集中引起刺穿的概率大幅度降低。

Description

一种反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法 

技术领域

本发明涉及石油天然气钻采用钻杆、油管、套管的管端加厚技术，特别是反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，。 

背景技术

钻杆是石油天然气钻采工具的主要组成部分，钻杆由管体和带有螺纹的接头组成。螺纹接头和管体的连接方式为摩擦焊接。为了提高焊径处的承载能力，一般都要在焊接前对管体两个端部进行加厚，这样可以改善钻杆焊接处在工作中的应力分布，实现平滑过渡，提高钻杆的工作和使用性能。目前我国钻杆生产主要根据美国API SPEC 5D标准，该标准对内外加厚钻杆的要求：管端加厚必须有内加厚过渡段(Miu)和内加厚段(Liu)，(见图1)，内加厚过渡段(Miu)的长度不小于76.2mm。我国依据实际情况及API标准，规定加厚端内过渡段长度不小于100mm。然而在实际生产中，由于深井、超深井、定向井、大位移井、水平井、多分枝井作业的增多和复杂钻井技术的推广使用，钻杆承受的拉、压、弯、扭等力增大，井下温度、压力增大，腐蚀环境复杂，导致钻杆在内加厚过渡段刺穿失效，轻则影响生产、造成损失，严重的造成生产事故。以塔里木油田为例，据不完全统计，2004年发生钻杆失效173起，155起为加厚过渡段刺穿；2005年发生钻杆失效128起，钻杆刺穿116起，2006年发生钻杆失效97起，钻 杆加厚过渡段刺穿33起。 

可见钻杆加厚过渡段的生产工艺与质量水平，是影响钻杆寿命和使用性能的重要因素。改进钻杆加厚工艺技术，提高加厚过渡段质量，始终是钻杆生产所面临的现实问题。中石油管材研究所与日本合作的研究表明，内加厚锥面越长、内加厚锥面消失处圆弧曲率半径(R)越大，应力集中系数越小。当内加厚锥面消失处圆弧曲率半径(R)大于300毫米，内加厚过渡段(Miu)延长到100毫米以上时应力集中系数可明显减少，钻杆寿命可显著提高。近年来全国油田从钻杆内加厚过渡段消失部位刺穿的钻杆过渡段长度大多数符合API Spec 5D规定，而且也符合管材研究所与日本合作的研究结果，但是钻杆仍然从内加厚过渡段消失处刺穿，这说明该部位仍然是钻杆的薄弱环节。分析原因，首先是井下环境及钻杆受力情况更加复杂。其次，内加厚过渡段(Miu)还不够长，内加厚锥面消失处圆弧曲率半径(R)还不够大；另外，最重要的原因是，目前国内的钻杆管端加厚方法、工艺，无法保证管端内加厚锥面的平滑光顺，即内加厚锥面的外形质量。 

API Spec 5D规定的加厚方式有三种：内加厚、外加厚、内外加厚，其中以内外加厚最为普遍。钻杆的加厚依据不同的规格、加厚比，可分为：两道次加热加厚、三道次加热加厚、四道次加热加厚。普遍采用的多道次内外加厚工艺的最大缺点为：内加厚过渡段由多道次(2-4次)加热加厚、各道次累积叠加自由成型。无论采用压力控制还是采用行程控制，加厚时管缩难以精确控制，管缩偏大，形成堆砌，甚至折叠；管缩偏小，形成凹坑。管缩偏大偏小都会造成内加厚过渡段不平滑光顺，使内加厚过渡段质量降低，甚至次品，进而在使用中因应力集中造成刺穿。 

发明内容

本发明的目的在于提供反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，主要解决现有的钻杆内外加厚法中，内加厚过渡段在自由成型方式中由于加厚道次叠加和管缩波动造成内加厚过渡段出现堆砌、凹坑的机理的技术问题，它能使内加厚锥面在严格控制条件下变得规整稳定，平滑光顺，内加厚锥面消失处圆弧曲率半径(R)增大，内加厚过渡段(Miu)的长度最小值增加到130mm，钻杆管端加厚过渡部分应力分布更均匀，应力变化梯度更平缓，钻杆使用中发生应力集中引起刺穿的概率大幅度降低。 

为解决上述问题，本发明是这样实现的： 

一种反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，采用多道次内外加厚工艺，其特征在于：某一道次采用内外加厚后，外加厚过渡段长度为130mm，内加厚以起始量出现，即内加厚过渡段出现时内加厚过渡段的锥面的锥度为1∶20-1∶10，内加厚过渡段的锥面内径最大减小值为3.0-5.0mm，内加厚过渡段起变点与第一道次外加厚起变点一致；然后，先对管端加厚部分进行压扁，使用缩径模具对压扁后的管端进行缩径，经过缩径，由模具严格控制成型的外加厚过渡段的锥面，反向转移到管内，形成光滑平顺的内加厚过渡段的锥面，并且在内加厚过渡段的锥面直径最小处形成内加厚锥面控制圈；后续加厚道次加厚顶锻时，内加厚锥面控制圈与冲头外壁充分接触，保证成型后的内加厚过渡段的锥面不受顶锻影响而产生变形。 

所述的反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，其特征在于：第一道次加厚为外加厚，外加厚过渡段长度Meu1选取100-130mm；第二道次为内 外加厚，外加厚过渡段长度Meu2为130mm，在第三道次进行加厚顶锻。 

所述的反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，其特征在于：经过反向成型、缩径转移加厚后，内加厚过渡段长度Miu最小控制在130mm，内加厚过渡段消失处圆弧曲率半径R大于300mm。 

所述的反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，其特征在于：实施加厚的工艺装备为：1000吨液压顶锻加厚机、中频感应加热炉；其中：加厚机纵向最大压力为500-1000吨，横向顶锻压力为200-500吨，中频感应加热器额定功率为500KW。 

所述的反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，其特征在于：各道次加厚前有效加热长度L1减去参与变形长度L的差为10-50mm。 

所述的反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，其特征在于：缩径前对应于外加厚过渡段的锥面处缩径模具锥面的锥度为1∶16.0-1∶10.0，小于缩径前外加厚过渡段的锥面锥度，外加厚过渡段的锥面中点处外径缩小量为2.0-6.0mm，外加厚平行段外径缩小量为3.0-6.0mm。 

附图说明

图1钻杆管端加厚结构示意图。 

图2是本发明方法中管缩示意图。 

图3是本发明方法中压扁示意图。 

图4是本发明方法中缩径示意图。 

具体实施方式

本发明中提供了一种反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法。它采用多道次内外加厚工艺，当某一加厚道次开始采用内外加厚，外加厚过渡段长度为130mm，内加厚以起始量出现，该起始量出现时锥度为1∶20-1∶10， 内加厚过渡段内径最大减小值为3.0-5.0mm，内加厚过渡段起变点与第一道次外加厚起变点一致；然后，先对管端加厚部分进行压扁，再使用缩径模具对压扁后的管端进行缩径，缩径后在内加厚过渡锥面直径最小处形成内加厚锥面控制圈，后续加厚道次加厚顶锻时，内加厚锥面控制圈与冲头外壁充分接触，保证成型后的内过渡锥面不受顶锻影响而产生变形。 

以实际生产中的Φ127*9.19钢管为实施例来进一步说明本发明方法： 

实施加厚的工艺装备条件为1000吨液压顶锻加厚机、中频感应加热炉。其中：加厚机纵向最大压力为500-1000吨，横向顶锻压力为200-500吨，中频感应加热器额定功率为500KW。 

在加厚前对管端进行三级预热，第一级预热温度为650℃-720℃，第二级预热温度为900℃-1050℃，第三级预热温度为1150℃-1250℃。 

根据加厚前管端壁厚(t)、需要加厚的厚度和成型后管端尺寸形状要求，管缩经过体积不变原理计算确定，管子缩短部分的体积应等于模具型腔内的空腔体积(图2)，通过计算机模拟，计算管体参与变形长度，(V＝FL，V为管端加厚部分体积，F为变形前管料截面积，L为参与变形的管料长度)，根据L确定有效加热长度L1，10mm≤L1-L≤50mm，再按照1.3、1.5、1.5的加厚比设计三个道次的加厚工艺。 

第一道次加厚为外加厚，外加厚过渡段长度(Meu1)选取100-130mm，本例的Meu1长度为120mm、锥度为1∶11.7。而传统加厚工艺Meu1长度为30mm时，锥度为1∶9.3。可见第一加厚道次外加厚过渡段锥度大幅降低。这样做大大减小了第一道次加厚在外加厚锥面段管子内壁出现凹坑和堆砌的可能性，从而保证了第一道次加厚的质量，也为最终获得高质量的 加厚产品奠定了基础。外锥面、外平行段形状和长度通过模具严格控制，冲头与管端内壁间隙为0.00mm。 

第二加厚道次为内外加厚，外加厚过渡段长度(Meu2)为130mm，外加厚锥面的锥度为1∶10.6，外锥面、外平行段形状和长度通过模具严格控制，内加厚以起始量出现(内加厚过渡段出现时锥度为1∶20-1∶10，内加厚过渡段内径最大减小值为3.0-5.0mm)，内加厚过渡段起变点与第一道次外加厚起变点一致，由于第一道次加厚无内加厚，第二道次加厚的内锥面不是以叠加的形式出现，第二道次加厚可形成比较光滑平顺的内锥面；冲头与管端内壁间隙由第二道次加厚比(1.5)及第二道次加厚后管端外径设计值确定为1.50-2.50mm，通过工艺计算确定管料在加厚模内的定位位置和第二道次加厚的管子缩短量(计算原理和方法与第一道次加厚相同)。经过两个道次加热加厚后，管端外加厚过渡段长度(Meu)为130mm，外加厚平行段长度(Leu)为175mm，外加厚平行段厚度为1.95t-2.25t，直径为D1；由于内加厚过渡锥面长度(Miu)长，锥度小(锥度为：1∶20-1∶10)，厚度增加值很小(内加厚过渡段中点加厚值仅为0.6-1.0mm)，内加厚过渡锥面表面质量基本与加厚前一样，平滑均匀，没有加厚缺陷。两道加厚后，对管端加厚部分进行压扁，压扁程度为1mm≤(D21-D22)≤5mm(图3)，然后使用缩径模具对压扁后的管端进行缩径，实现反向转移、内过渡锥面成型；对应于外加厚锥面处缩径模具锥面的锥度为1∶16.0-1∶10.0，小于缩径前外加厚锥面锥度，外加厚锥面中点处外径缩小量为2.00-6.00mm，外加厚平行段外径缩小量为3mm-6mm。经过缩径，由模具严格控制成型的外过渡锥面，反向转移到管内，形成光滑平顺的内 加厚过渡锥面，并且在内加厚锥面直径最小处(D3)形成内加厚锥面控制圈(见图4)。反向成型及缩径工艺可控性强，保证了内加厚过渡锥面的稳定、规整。缩径转移、反向成型后，进行第三道次顶锻，冲头进给时，内加厚锥面控制圈在顶锻压力下，与冲头外壁充分接触，保证成型后的内过渡锥面不受第三道次顶锻的影响而产生形变。至此，反向成型、缩径转移加厚过程完成。 

经过实际验证，本实施例中，加厚道次为三次加热加厚，经过反向成型、缩径转移加厚后，内加厚过渡段长度(Miu)最小可控制在130mm，内加厚过渡段消失处圆弧曲率半径(R)大于300mm，内加厚过渡锥面光滑平顺，没有凹坑、突起，质量稳定，成品率高，修磨工作量大大降低，生产效率明显提高。 

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。 

Claims (6)

1.一种反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，采用多道次内外加厚工艺，其特征在于：某一道次采用内外加厚后，外加厚过渡段长度为130mm，内加厚以起始量出现，即内加厚过渡段出现时内加厚过渡段的锥面的锥度为1∶20-1∶10，内加厚过渡段的锥面内径最大减小值为3.0-5.0mm，内加厚过渡段起变点与第一道次外加厚起变点一致；然后，先对管端加厚部分进行压扁，使用缩径模具对压扁后的管端进行缩径，经过缩径，由模具严格控制成型的外加厚过渡段的锥面，反向转移到管内，形成光滑平顺的内加厚过渡段的锥面，并且在内加厚过渡段的锥面直径最小处形成内加厚锥面控制圈；后续加厚道次加厚顶锻时，内加厚锥面控制圈与冲头外壁充分接触，保证成型后的内加厚过渡段的锥面不受顶锻影响而产生变形。

2.根据权利要求1所述的反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，其特征在于：第一道次加厚为外加厚，外加厚过渡段长度Meu1选取100-130mm；第二道次为内外加厚，外加厚过渡段长度Meu2为130mm，在第三道次进行加厚顶锻。

3.根据权利要求1或2所述的反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，其特征在于：经过反向成型、缩径转移加厚后，内加厚过渡段长度Miu最小控制在130mm，内加厚过渡段消失处圆弧曲率半径R大于300mm。

4.根据权利要求1或2所述的反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，其特征在于：实施加厚的工艺装备为：1000吨液压顶锻加厚机、中频感应加热炉；其中：加厚机纵向最大压力为500-1000吨，横向顶锻压力为200-500吨，中频感应加热器额定功率为500KW。

5.根据权利要求1或2所述的反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，其特征在于：各道次加厚前有效加热长度L1减去参与变形长度L的差为10-50mm。

6.根据权利要求1或2所述的反向成型缩径转移钻杆管端加厚方法，其特征在于：缩径前对应于外加厚过渡段的锥面处缩径模具锥面的锥度为1∶16.0-1∶10.0，小于缩径前外加厚过渡段的锥面锥度，外加厚过渡段的锥面中点处外径缩小量为2.0-6.0mm，外加厚平行段外径缩小量为3.0-6.0mm。

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