CN101569915A - 一种控制石油钻杆内加厚过渡带自由面形状的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制石油钻杆内加厚过渡带自由面形状的方法，采用外模(2)和冲头(3)对钻杆(1)进行内外加厚，所述的外模(2)的模具型腔具有二次曲线特性的模具型腔内轮廓曲线AB，所述的模具型腔曲面轮廓线AB的曲率控制在1.52－8.52m－1，所述的模具型腔曲面轮廓线AB与所述的外模(2)的模具夹持段BF在相交处相切，在进行内外加厚时所述的钻杆(1)加热温度为1150℃～1250℃，加热长度为570～700mm。该发明提出通过模具型腔曲面来引导、影响及控制钻杆内加厚过渡段金属流动方向。此发明能够很好地保证内加厚过渡段光滑、连续，成形质量好。
Description
技术领域
本发明涉及钻杆管端内外加厚的方法，特别是涉及一种控制石油钻杆内加厚过渡带自由面形状的方法。
背景技术
石油被称为“工业的血液”，它是现代工业、现代农业和现代国防上广泛采用的原料，也是目前世界能源中最主要的一种。钻杆是石油钻采工业中大量使用的重要零件，其性能的好坏直接关系到钻井作业的成功与否。钻杆的主要作用是传递扭矩，使钻头向下钻进，加深井眼。除了承受扭矩之外，它还受由管柱本身重量而产生的拉应力，并且拉应力随着钻井深度的增加而增加。同时，钻杆工作中其内壁通入高压泥浆以冲洗钻头所粉碎的岩石屑，把岩屑排出井口。所以工作中的钻杆承受很高的弯、扭、拉等力的联合作用，受力复杂，工况恶劣，常常过早失效。由于钻杆服役条件极其恶劣，一般钻杆端部丝扣部分需要加厚，以提高钻杆之间的连接强度，弥补钻杆管体与接头对焊后焊缝区性能的影响(尤其是韧性降低)，增加钻杆的使用寿命。
根据钻杆加厚端内外径的变化情况，加厚钻杆可分为：外加厚、内加厚、内外加厚3种，其中内外加厚形式最为常见。如图1所示，对于内外加厚钻杆，D是管坯外径，d是管坯内径，Dou是加厚端外径，dou是加厚端内径，Leu是外加厚段长度，Meu是外加厚段与管体过渡的外圆锥段长度。Liu是内加厚段长度，Miu是内加厚段与管体过渡的内圆锥段长度。R是内圆锥段Miu与管体内壁之间的过渡圆角。
有统计结果显示，钻杆内加厚过渡部位刺穿或断裂引发的事故占整个钻杆失效事故的70％以上。经过研究分析，证实了钻杆在使用过程中内加厚过渡区存在一个高应力区(见图2)，表面容易形成裂纹源，最终导致刺穿甚至断裂事故的发生。并且足够的证据已经表明，钻杆内加厚过渡区与管体交界处的应力集中主要受参数Miu、圆角半径R及过渡带平滑程度的影响，且随着Miu长度的增加、R的增大和过渡带光滑程度提高，内加厚过渡区的应力集中程度逐渐降低，从而提高了钻杆的使用寿命，避免管体刺穿事故的发生。
钻杆管端加厚是一项技术难度较高的工艺过程，目前只有个别国家完全掌握。
美国专利5184495、5517843、4845972分别提出了在一定条件下对石油钻管管端进行内外加厚的制造方法。但其制造核心思路是一致的，即：在进行内加厚前，沿径向向外挤出足够多的外加厚金属；然后使用模具对管端进行径向内挤压，以实现内加厚。
美国专利5184495提出在进行内加厚前，沿径向向外挤出足够多的外加厚金属十分必要。专利中提出了分四次加厚的工艺方案：前两步保持钻杆内径不变，仅对其端部进行外加厚挤压，如图3、图4，图中，1-钻杆，2-外模，3-冲头；然后使用模具对管端进行径向内挤压，实现内加厚，如图5；最后对增厚部分进行尺寸修正整形从而得到最终产品，如图6。
美国专利5517843提出的加厚方案为：前两次增厚仍为外加厚挤压，图7为前两次挤压后的示意图，图中，1-钻杆，2-外模，3-冲头；最后一步使用模具沿径向向内挤压外加厚部分，最终形成内外加厚效果，如图8所示。
美国专利5184495、5517843、4845972所提出的加厚方法，其在形成内增厚部分时，均是靠使用模具将已经形成的外增厚部分向内挤压减径形成内增厚。在该挤压过程中，钻杆内加厚过渡处金属是在模具向内压迫收缩作用下沿径向向内流动，从而形成内加厚效果。此过程中钻杆内加厚过渡处形状完全是通过模具向内收缩压下量不同控制的，而内加厚过渡带在形成过程中是一个自由面，美国专利中提到的加厚方法对管端加热温度高低、加热均匀程度、管体加热长度及挤压速度等工艺参数有较严格要求，生产中某工艺参数的不当极易造成钻杆内加厚过渡处连接平滑性不高，甚至明显出现沟槽，产品质量不稳定。
在国内，专利200510027402.1提出的钻杆管端加厚制造方法为根据加厚端壁厚与管体壁厚之比的不同，可以分为三次加热，三次加厚或四次加热，四次加厚，所述的每次加厚均为内外加厚。但由于该方法每道次都采用内外加厚，其过渡段是通过多道次衔接而成，导致该方案在保证钻杆内加厚过渡带光滑、连续可靠度上不高，容易在实际生产中由于某工艺参数的不稳定而造成在过渡处形成凹坑，褶皱等缺陷。
综上所述，石油钻杆管端加厚，内加厚过渡处的质量至关重要；由于钻杆内加厚过渡带无法用模具来准确控制金属流动，其在高温挤压形成过程中是一个自由面，国内外目前的方法通常是完全依靠温度，挤压速度等概念性因素来控制内加厚过渡带自由面形状，这对工艺参数的要求过于苛刻。为了有效控制内加厚过渡处自由面形状、保证生产出优质的，内加厚过渡处连接平滑，Miu及R足够大的钻杆，需要一种新的设计理念。
当前钻杆生产实践中，往往由于模具结构或工艺设计不当而造成加厚端，尤其是加厚端内过渡处出现局部内凹、沟槽、折叠、缺肉以及内过渡段长度短(Miu)、内过渡处圆角半径R小等缺陷，产品质量不稳定，在后期使用中安全隐患大。
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发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效控制钻杆内增厚过渡段自由面形状，从而使石油钻杆内加厚过渡段部分光滑、连续，以提高疲劳寿命的控制石油钻杆内加厚过渡带自由面形状的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的控制石油钻杆内加厚过渡带自由面形状的方法，采用外模和冲头对钻杆进行内外加厚，其特征是：所述的外模的模具型腔具有二次曲线特性的模具型腔内轮廓曲线AB，所述的模具型腔曲面轮廓线AB的曲率控制在1.52-8.52m-1，所述的模具型腔曲面轮廓线AB与所述的外模的模具夹持段BF在相交处相切，在进行内外加厚时所述的钻杆加热温度为1150℃～1250℃，加热长度为570～700mm。
采用上述技术方案的控制石油钻杆内加厚过渡带自由面形状的方法，根据高温下金属流动特性、模具型腔曲面对钻杆管内加厚过渡带金属流动方向的影响关系、及钻杆端部内外加厚相关尺寸要求，设计出具有二次曲线特性的模具型腔内轮廓曲线(AB)，模具型腔曲面轮廓线AB的曲率要控制，模具型腔曲面轮廓线AB与模具夹持段BF在相交处应相切，使得在挤压中钻杆内表面金属(CD)能够在该内轮廓曲面引导下流动，从而最终形成高质量的内加厚过渡段形状，使生产出的钻杆在内加厚过渡带连续、光滑、成形质量好。根据加厚端壁厚与管体壁厚之比的不同，钻杆增厚过程可以分为三次加热、三次加厚或四次加热、四次加厚。
与现有技术相比，该发明提出通过模具型腔曲面来引导、影响及控制钻杆内加厚过渡段金属流动方向。此发明能够很好地保证内加厚过渡段光滑、连续，成形质量好。
附图说明
图1是钻杆管端内外加厚示意图；
图2是钻杆内加厚过渡处高应力区示意图；
图3是美国专利5184495第一次加厚后的钻杆示意图；
图4是美国专利5184495第二次加厚后的钻杆示意图；
图5是美国专利5184495第三次加厚后的钻杆示意图；
图6是美国专利5184495第四次加厚后的钻杆示意图；
图7是美国专利5517843前两次加厚后的钻杆示意图；
图8是美国专利5517843第三次加厚后的钻杆示意图；
图9是本发明钻杆加厚示意图；
图10是挤压中钻杆内加厚过渡处金属在模具型腔曲面影响下的流动示意图；
图11是外模的二次曲线特性的模具型腔内轮廓曲线结构示意图；
图12是钻杆的金属在模具型腔曲面影响下的流动示意图；
图13是本发明钻杆加厚示意图；
图14是模具型腔曲面相关尺寸。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
结合图9，下文讲述本发明所提出的控制钻杆内加厚过渡带自由面形状的方法。模具、冲头、钻杆都是轴对称结构，所以内表面特性可以用曲线来表征。如图9所示，曲线CD代表钻杆内加厚过渡处曲面轮廓线；AB代表模具型腔过渡处曲面轮廓线。
本发明方法的依据为：高温钻杆管端在冲头挤压下，钻杆端部金属沿模具型腔流动，其外表面轮廓，即管端外增厚部分最终形状由模具型腔曲面控制，内表面金属流动则受模具型腔曲面AB影响，且在一定的工艺参数下(钻杆温度、钻杆加热长度等)，钻杆内表面的金属流动方向主要受模具型腔曲面曲率影响。钻杆内表面不同部位的金属流动方向是各对应点的切向，内轮廓线CD切向主要受模具型腔内轮廓线AB各位置的曲率影响，如图10、图11和图12所示。基于此，本发明采用外模2和冲头3对钻杆1进行内外加厚，外模2的模具型腔具有二次曲线特性的模具型腔内轮廓曲线AB，模具型腔曲面轮廓线AB的曲率控制在1.52-8.52m-1，模具型腔曲面轮廓线AB与外模2的模具夹持段BF在相交处相切，在进行内外加厚时所述的钻杆1加热温度为1150℃～1250℃，加热长度为570～700mm，使得钻杆1管内过渡带成形质量好，Miu足够长。
为保证钻杆内加厚过渡带成形质量好，参照图13和图14，模具型腔曲面的设计有以下准则：
模具型腔曲面轮廓线AB与模具夹持段BF在相交处应相切，这不仅可以保证外加厚部分与管本体平滑过渡，更重要的是其可以确保内加厚过渡带成形连续，且光滑；
A1B1，A2B2分别为第一次，第二次挤压模具型腔曲面轮廓线。根据模具型腔曲面对钻杆管内加厚过渡带金属流动方向的影响关系、及钻杆端部内外加厚相关尺寸要求，应设计出合适的具有二次曲线特性的模具型腔曲线A1B1，A2B2，使得在挤压增厚过程中钻杆内表面金属能够在该内轮廓曲面引导下流动。若有后续增厚步，按照同样思路继续增厚，从而最终保证内加厚过渡段形状平滑、连续、成形质量好；
A2B2作为第二次挤压模具型腔曲面轮廓线，设计时应保证内过渡带在遗传第一次成形的基础上，按照成形趋势进一步成形，而不破坏已形成过渡带的平滑性。若有后续增厚步，思路相同；
最后一步挤压模具的型腔尺寸为钻杆最终产品的外增厚尺寸；
合理分配每次挤压增厚比，一般不超过1.5。挤压过程中，在钻杆不发生失稳及挤压机能满足吨位的条件下，保证AB在挤压中具有恰当的金属阻力。曲面轮廓线AB的径向尺寸n及轴向尺寸m会影响AB的曲率大小，进而影响钻杆内过渡带成形。要求在设计模具型腔曲面时，兼顾尺寸m和n，以保证AB对金属的引导作用。
下面以规格为Φ127×9.19mm内外加厚，强度级别为G-105钻杆为例，说明本发明的具体实施过程。
Φ127×9.19mm钻杆外径为127mm，内径为108.62mm，壁厚为9.19mm。
第一步对管端600mm长度进行加热。加热温度为1150℃～1250℃。之后使用第一套外模、冲头对管端进行第一次内外加厚。第一次加厚后钻杆增厚部分外径为131.7mm，内径为104.2mm，增厚比为1.496。第二次加厚仍为内外加厚。第二次加厚前对管端进行第二次加热，使用第二套外模、冲头。加热温度为1150℃～1250℃。第二次加厚后管端外径为133mm，内径为94mm，增厚比为1.418。第三次加厚仍为内外加厚。第三次加厚前对管端进行第三次加热，使用第三套外模、冲头。加热温度为1150℃～1250℃。第三次加厚后管端外径为137mm，内径为90mm，增厚比为1.205mm。最终形成的钻杆在内过渡处过渡光滑，成形质量好。其内过渡处长度Miu可达到200mm，大大提高钻杆的疲劳寿命。
Claims (1)
1.一种控制石油钻杆内加厚过渡带自由面形状的方法，采用外模(2)和冲头(3)对钻杆(1)进行内外加厚，其特征是：所述的外模(2)的模具型腔具有二次曲线特性的模具型腔内轮廓曲线AB，所述的模具型腔曲面轮廓线AB的曲率控制在1.52-8.52m-1，所述的模具型腔曲面轮廓线AB与所述的外模(2)的模具夹持段BF在相交处相切，在进行内外加厚时所述的钻杆(1)加热温度为1150℃～1250℃，加热长度为570～700mm。
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