CN101565772A - 石油钻具螺纹等离子淬火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石油钻具螺纹等离子淬火方法，采用美国钢铁学会AISI4145H钢经毛坯校直、车外圆、钻孔、调质、车螺纹工序后，分别进行外螺纹等离子束淬火和内螺纹台肩面等离子束淬火，其工序过程为：在机床上夹持工件，将淬火枪喷嘴调校好与钻具螺纹中心轴线平齐，保证淬火枪喷嘴与外螺纹牙顶或内螺纹台肩面距离，先后打开氩气瓶气压和等离子淬火发生器电源，保持一定气压和电流，根据工件大小调整机床主轴转速纵向或横向移动淬火枪保持扫描速度进行淬火。该发明处理后的外螺纹面和内螺纹台肩面硬度提高80％，耐磨性提高5倍，疲劳寿命提高10倍，表面保护层整体提升了螺纹承载面强度，更好地承受了钻井过程中“拉伸－压缩”交变载荷的影响，有效解决了钻具粘扣这一世界难题。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种石油钻具螺纹等离子淬火方法，应用于石油、天然气和煤层气等钻探工具的螺纹加工处理。
背景技术
目前，在石油钻采等行业中，石油钻具一般是采用美国钢铁学会AISI4145H钢制成，其生产工艺流程包括毛坯校直、车外圆、钻孔、调质、车螺纹、镀铜或磷化、涂漆和包装等。利用这种方法生产的石油钻具，在起钻过程中部分钻具螺纹常因粘结卸不开扣而失效，有时不得不采取气割割开的方法，不仅造成钻具报废，也严重影响钻井进度，造成一定的经济损失。分析钻具螺纹的破坏原因，发现是表面硬度层、耐磨性不足引起的。也就是说目前所采取在钻具接头的螺纹和密封台肩处进行镀铜和磷化处理，防粘扣效果不理想。采用激光淬火技术，但由于技术尚未成熟，处理后螺纹部分容易变形，零件处理前表面需预先黑化处理，且整套设备价格昂贵，这些问题限制了激光表面淬火技术在机械制造行业的推广应用。
石油钻具由于螺纹粘扣失效使全世界每年造成的经济损失高达十几亿，这个问题已经成为长期困扰石油钻采等行业的一大技术难题。
发明内容
本发明为了解决石油钻具螺纹防粘扣问题，提供了一种石油钻具螺纹等离子淬火方法，直接采用高能量、高密度的等离子束加热螺纹表面进行淬火，可整体提高螺纹表面硬度和耐磨性，有效防止石油钻具由于螺纹粘扣而失效。
本发明所采用的技术方案如下：
该石油钻具螺纹等离子淬火方法，原材料采用美国钢铁学会AISI 4145H钢经毛坯校直、车外圆、钻孔、调质、车圆锥面及螺纹工序之后，分别进行外螺纹等离子束淬火和内螺纹台肩面等离子束淬火，上述二者的工序过程分别为：
外螺纹等离子束淬火：
操作者戴上专用防护眼镜，在机床上先夹持工件一端，将淬火枪喷嘴调校好与钻具外螺纹中心轴线平齐，保证淬火枪喷嘴与外螺纹牙顶距离3～5mm；打开氩气流量计检查氩气瓶气压，使气压达到8～10Mpa；打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流110～130A；同时根据工件外径大小，调整机床主轴转速5.6、8或16转/分，纵向移动淬火枪保持扫描速度控制在50～70mm/s范围内，淬火结束后关闭电源；
内螺纹台肩面等离子束淬火：
操作者戴上专用防护眼镜，在机床上夹持工件另一端，将淬火枪喷嘴调校好与钻具内螺纹中心轴线平齐，保证淬火枪喷嘴与内螺纹台肩面的距离为6～8mm；打开氩气流量计检查氩气瓶气压，使气压达到6～8Mpa；打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流为80～90A；同时根据工件内径大小，调整机床主轴转速5.6或8转/分，横向移动淬火枪保持扫描速度控制在50～70mm/s范围内，淬火结束后关闭电源。
所述外螺纹等离子束淬火工序和内螺纹台肩面等离子束淬火工序，可在管螺纹车床或数控管螺纹车床上进行淬火。
为了提高生产效率，利用专用数控系统控制使螺纹加工、淬火处理在同一台数控管螺纹车床上连续完成，加工螺纹时输入数控编程程序后可车制螺纹，随即进行等离子束淬火，这样可节省时间，降低生产成本。
该发明的有益效果是：(1)外螺纹面和内螺纹台肩面处理后表面硬度、耐磨性显著增强，淬火后表面硬度达到50～63HRC，淬火深度0.06～0.25mm，硬度提高80％，耐磨性是普通螺纹的5倍以上，疲劳寿命提高10倍；在钻具组合过程中，外螺纹旋入内螺纹，首尾串联起来，淬火后的表面保护层整体提升了螺纹承载面的强度，未处理面保持了较好的韧性，特殊淬火处理方式可以更好地承受钻井过程中“拉伸-压缩”这种交变载荷的影响，防粘扣问题得到了有效解决；(2)加工范围广，可对所有石油钻具螺纹进行等离子淬火处理，包括方钻杆、钻杆、加重钻杆、钻铤、稳定器、钻柱转换接头等钻具接头的淬火处理，可满足使用要求；(3)还可利用专用数控系统控制使螺纹加工、淬火处理在同一台机床上完成，安装方便，效率提高，生产运行成本可大大降低。
石油钻具螺纹等离子淬火方法有效解决了钻具粘扣这一世界难题，具有技术可靠、结构布局合理、工作性能稳定、处理后钻具使用寿命长等优点，完全满足了钻具螺纹机床加工和淬火配套生产的需要。
具体实施方式
以下介绍本发明的实施例。
在以下实施例中，介绍利用数控管螺纹车床加工石油钻具的工艺，包括车内外圆锥面、数控车螺纹、等离子束淬火等连续加工工序。
实施例1：加工NC26-35螺纹，包括以下步骤：
(1)车外圆锥面
操作者在数控管螺纹车床上夹持石油钻具工件，在床头箱前后卡盘处测外圆跳动量≤0.3mm后夹紧，调整机床转速130转/分，平端面，车1:6外圆锥面及台肩面至图纸尺寸；
(2)数控车外螺纹
输入NC26外螺纹数控编程程序后车制外螺纹，用螺纹参数测量仪检测外螺纹参数，合格后车台肩倒角，保证尺寸Φ82.9±0.4，并修整扣头；
(3)等离子束淬火
操作者戴上专用防护眼镜，随后将淬火枪喷嘴调校好与钻具外螺纹中心轴线平齐，保证淬火枪喷嘴与外螺纹牙顶距离5mm，打开氩气流量计检查氩气瓶使气压达到8Mpa，打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流110A，同时调整机床主轴转速16转/分，纵向移动淬火枪保持扫描速度控制在50mm/s，接近外螺纹台肩面时迅速关闭电源。
(4)车内圆锥孔
工件调头，操作者在数控管螺纹车床上夹持石油钻具工件另一端，在床头箱前后卡盘处测外圆跳动量≤0.3mm后夹紧，调整机床转速130转/分，平端面，车1:6内圆锥孔及30°倒角至图纸尺寸；
(5)数控车内螺纹
输入NC26内螺纹数控编程程序后车制内螺纹，用螺纹参数测量仪检测内螺纹参数，合格后车台肩倒角，保证尺寸Φ82.9±0.4，并修整扣头；
(6)等离子束淬火
操作者戴上专用防护眼镜，随后将淬火枪喷嘴调校好与钻具内螺纹中心轴线平齐，淬火枪与内螺纹台肩面的距离8mm，打开氩气流量计检查氩气瓶使气压达到6Mpa，打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流80A，机床转速8转/分，横向移动淬火枪保持扫描速度控制在50mm/s，完成后迅速关闭电源。
实施例2：加工NC46-65螺纹，包括以下步骤：
(1)车外圆锥面
操作者在数控管螺纹车床上夹持石油钻具工件，在床头箱前后卡盘处测外圆跳动量≤0.3mm后夹紧，调整机床转速90转/分，平端面，精车1:6外圆锥面及台肩面至图纸尺寸；
(2)数控车外螺纹
输入NC46外螺纹数控编程程序后车制外螺纹，用螺纹参数测量仪检测外螺纹参数，合格后车台肩倒角，保证尺寸Φ154.8±0.4，并修整扣头；
(3)等离子束淬火
操作者戴上专用防护眼镜，随后将淬火枪喷嘴调校好与钻具外螺纹中心轴线平齐，保证淬火枪喷嘴与外螺纹牙顶距离4mm，打开氩气流量计检查氩气瓶使气压达到9Mpa，打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流120A，同时调整机床主轴转速8转/分，纵向移动淬火枪保持扫描速度控制在60mm/s，接近外螺纹台肩面时迅速关闭电源。
(4)车内圆锥孔
工件调头，操作者在数控管螺纹车床上夹持石油钻具工件另一端，在床头箱前后卡盘处测外圆跳动量≤0.3mm后夹紧，调整机床转速90转/分，平端面，车1:6内圆锥孔及30°倒角至图纸尺寸；
(5)数控车内螺纹
输入NC46内螺纹数控编程程序后车制内螺纹，用螺纹参数测量仪检测内螺纹参数，合格后车台肩倒角，保证尺寸Φ154.8±0.4，并修整扣头；
(6)等离子束淬火
操作者戴上专用防护眼镜，随后将淬火枪喷嘴调校好与钻具内螺纹中心轴线平齐，淬火枪与内螺纹台肩面的距离7mm，打开氩气流量计检查氩气瓶使气压达到7Mpa，打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流85A，机床转速8转/分，横向移动淬火枪保持扫描速度控制在60mm/s，完成后迅速关闭电源。
实施例3：加工85/8REG，包括以下步骤：
(1)车外圆锥面
操作者在数控管螺纹车床上夹持石油钻具工件，在床头箱前后卡盘处测外圆跳动量≤0.3mm后夹紧，调整机床转速90转/分，平端面，车1:4外圆锥面及台肩面至图纸尺寸；
(2)数控车外螺纹
输入85/8REG外螺纹数控编程程序后车制外螺纹，用螺纹参数测量仪检测外螺纹参数，合格后车台肩倒角，保证尺寸Φ266.7±0.4，并修整扣头；
(3)等离子束淬火
操作者戴上专用防护眼镜，随后将淬火枪喷嘴调校好与钻具外螺纹中心轴线平齐，保证淬火枪喷嘴与外螺纹牙顶距离3mm，打开氩气流量计检查氩气瓶使气压达到10Mpa，打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流130A，同时调整机床主轴转速5.6转/分，纵向移动淬火枪保持扫描速度控制在70mm/s，接近外螺纹台肩面时迅速关闭电源。
(4)车内圆锥孔
工件调头，操作者在数控管螺纹车床上夹持石油钻具工件另一端，在床头箱前后卡盘处测外圆跳动量≤0.3mm后夹紧，调整机床转速64转/分，平端面，车1:4内圆锥孔及30°倒角至图纸尺寸；
(5)数控车内螺纹
输入85/8REG内螺纹数控编程程序后车制内螺纹，用螺纹参数测量仪检测内螺纹参数，合格后车台肩倒角，保证尺寸Φ266.7±0.4，并修整扣头；
(6)等离子束淬火
操作者戴上专用防护眼镜，随后将淬火枪喷嘴调校好与钻具内螺纹中心轴线平齐，淬火枪与内螺纹台肩面的距离6mm，打开氩气流量计检查氩气瓶使气压达到8Mpa，打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流90A，机床转速5.6转/分，横向移动淬火枪保持扫描速度控制在70mm/s，完成后迅速关闭电源。
以上实施例所述加工工艺同样适用于一般管螺纹车床，但由于缺少数控编程能力，加工效率较低。
Claims (4)
1.一种石油钻具螺纹等离子淬火方法，原材料采用美国钢铁学会AISI4145H钢经毛坯校直、车外圆、钻孔、调质、车圆锥面及螺纹工序之后，分别进行外螺纹等离子束淬火和内螺纹台肩面等离子束淬火，上述二者的工序过程分别为：
外螺纹等离子束淬火：
操作者戴上专用防护眼镜，在机床上先夹持工件一端，将淬火枪喷嘴调校好与钻具外螺纹中心轴线平齐，保证淬火枪喷嘴与外螺纹牙顶距离3～5mm；打开氩气流量计检查氩气瓶气压，使气压达到8～10Mpa；打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流110～130A；同时根据工件外径大小，调整机床主轴转速5.6、8或16转/分，纵向移动淬火枪保持扫描速度控制在50～70mm/s范围内，淬火结束后关闭电源；
内螺纹台肩面等离子束淬火：
操作者戴上专用防护眼镜，在机床上夹持工件另一端，将淬火枪喷嘴调校好与钻具内螺纹中心轴线平齐，保证淬火枪喷嘴与内螺纹台肩面的距离为6～8mm；打开氩气流量计检查氩气瓶气压，使气压达到6～8Mpa；打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流为80～90A；同时根据工件内径大小，调整机床主轴转速5.6或8转/分，横向移动淬火枪保持扫描速度控制在50～70mm/s范围内，淬火结束后关闭电源。
2.根据权利要求1所述的石油钻具螺纹等离子淬火方法，其特征在于：所述外螺纹等离子束淬火工序和内螺纹台肩面等离子束淬火工序，是在管螺纹车床或数控管螺纹车床上进行淬火。
3.根据权利要求1所述的石油钻具螺纹等离子淬火方法，其特征在于：所述外螺纹等离子束淬火工序是操作者在数控管螺纹车床上夹持常用石油钻具工件一端并车外螺纹后，操作者戴上专用防护眼镜，将淬火枪喷嘴调校好与钻具外螺纹中心轴线平齐，保证淬火枪喷嘴与外螺纹牙顶距离4mm，打开氩气流量计检查氩气瓶使气压达到9Mpa，打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流120A，同时调整机床主轴转速8转/分，纵向移动淬火枪保持扫描速度控制在60mm/s，接近外螺纹台肩面时迅速关闭电源。
4.根据权利要求1所述的石油钻具螺纹等离子淬火方法，其特征在于：所述内螺纹台肩面等离子束淬火工序是操作者在数控管螺纹车床上夹持常用石油钻具工件另一端并车内螺纹后，操作者戴上专用防护眼镜，将淬火枪喷嘴调校好与钻具内螺纹中心轴线平齐，淬火枪与内螺纹台肩面的距离7mm，打开氩气流量计检查氩气瓶使气压达到7Mpa，打开专用等离子淬火发生器电源，调整等离子束的工作电流85A，机床转速8转/分，横向移动淬火枪保持扫描速度控制在60mm/s，完成后迅速关闭电源。
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