CN102019303B - 铝合金钻杆管体的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金钻杆管体的制备装置及方法，即制作沿轴向间隔设有两个工作带、径缩带的挤压针和沿轴向间隔设有两个定径带、环空带的挤压模，挤压模设于挤压筒一端，挤压针穿入挤压轴位于挤压筒内；将预热好的铝合金铸锭装入挤压筒内，通过挤压轴对铝合金铸锭的挤压和挤压针在挤压模内的位移，利用挤压针的两个工作带和径缩带与挤压模的两个定径带和环空带的配合，分别挤压形成铝合金钻杆管体两端的加厚端、过渡段和管体标称段；利用本装置和方法可生产符合要求的铝合金钻杆管体，克服了传统采用多套分瓣模挤压管材的缺陷，其加工的铝合金钻杆管体尺寸精度高，表面质量优良，极大提高了铝合金钻杆管体的生产效率，降低了生产成本。

Description

铝合金钻杆管体的制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金钻杆管体的制备装置及方法。

背景技术

如何对有限的石油、天然气资源进行充分开发是全球面临的挑战。常规的钢钻具由于其自身的特性，如抗腐蚀性差、密度大等，使得在一些复杂钻井上如超深井，海洋钻井，高腐蚀性井，极地永冻带等的使用受到了一定程度的限制，非钢钻杆的开发及应用成为必要。

与常规钢钻杆相比，铝合金钻杆密度小，可以降低钻机负荷，提高深井钻杆的过载拉伸能力，加快钻井速度。其次，铝合金弹性模量约相当于钢材的33％，具有良好的抗弯曲载荷性能，从而提高钻柱的抗弯曲疲劳能力。此外，铝合金钻杆还具有抗腐蚀能力强、无磁特性等优点。在国外，铝合金钻杆已经应用于超深井钻井，定向钻井和大陆架海洋钻井等各种复杂钻井。

如图1所示，通常铝合金钻杆管体1的标称管体11为等径薄壁，标称管体11两端延伸过渡段12和14，过渡段12和14外端为加厚端13和15。当然钻杆管体也可以有多种变形，如管体两端外加厚、内加厚、内外加厚等形式的一种变断面管；通常钢钻杆其制备是通过对等截面无缝管两端镦粗的方法来实现。同样铝合金钻杆管体是管体两端为外加厚、内加厚、内外加厚，两端为外加厚和中间外增厚，两端为内加厚和中间外增厚的复杂形式的变断面管。由于钻井条件的苛刻及对铝合金钻杆的要求，铝合金钻杆管体内螺纹加厚端的长度较长，采用镦粗的方法存在着加厚长度太长，变形质量难以控制的问题。中间有外增厚的带增厚保护器的铝合金钻杆采用镦粗的方法根本不能实现。

目前，国内外挤压变断面管材最常用的方法是采用多套分瓣模分步挤压基本管材部分和变断面部分。这就需要在挤压过程中停机，以便更换模具和调整机构，经常因模瓣组合不佳、模瓣组合的间隙大，使管材部分的金属实体尺寸超标。由于是采用分段挤压法生产，手工换模，易在近过渡区处发生模具碰伤管材表面，影响表面质量；对于一些尺寸精度和表面质量要求较高的产品，往往需要进行后续的机械加工，使挤压的特点不能充分发挥。特别是这些方法只能挤压断面由小到大一次变化的变断面管材，无法挤压断面由大到小、再由小到大重复变化的连续变断面管材或异形零件，因而不能充分发挥变断面型材的优越性，限制了变断面挤压件的品种和应用范围。因此，开发新型的变断面挤压方法，以适应各工业领域对变断面挤压件的需求，是一项值得重视的工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铝合金钻杆管体的制备装置及方法，利用本装置和方法可生产符合要求的铝合金钻杆管体，克服了传统采用多套分瓣模挤压管材的缺陷，其加工的铝合金钻杆管体尺寸精度高，表面质量优良，极大提高了铝合金钻杆管体的生产效率，降低了生产成本。

为解决上述技术问题，本发明铝合金钻杆管体的制备装置包括挤压机和挤压工模具，所述挤压机是双动挤压机，所述挤压工模具包括挤压筒、挤压轴、挤压针和挤压模，所述挤压轴位于所述挤压筒内，所述挤压针位于所述挤压轴的中心通孔内，所述挤压模设于所述挤压筒头端，所述挤压机对所述挤压针独立控制，所述挤压针在所述挤压机的控制下在所述挤压模内移动，所述挤压针前端向后沿轴向依次间隔设有异径第二工作带和第一工作带，所述第一工作带向后沿轴向间隔设有径缩带，所述第一工作带控制铝合金钻杆标称管体内径，第一工作带外径由铝合金钻杆标称管体内径决定，所述第二工作带控制铝合金钻杆管体加厚端内径，所述第二工作带外径由铝合金钻杆管体加厚端内径决定，所述第一工作带、第二工作带和径缩带之间斜面连接，所述径缩带直径由铝合金钻杆管体壁厚决定，第一工作带的外径大于第二工作带的外径，第二工作带的外径大于径缩带的外径；所述挤压模是一个模孔的整体挤压模，所述挤压模模孔沿轴向依次间隔设有异径的第一定径带、环空带和第二定径带，所述环空带直径大于所述第二定径带直径，所述第一定径带直径由铝合金钻杆标称管体外径决定，所述第二定径带直径由铝合金钻杆管体加厚端外径决定，所述第一定径带、环空带和第二定径带之间斜面连接。

为保证铝合金钻杆管体的挤压尺寸，上述挤压模环空带横断面与挤压针第一工作带横断面面积之差大于挤压模第二定径带横断面与挤压针第二工作带横断面面积之差。

采用上述制备装置制作铝合金钻杆管体的方法包括如下步骤：

步骤一：首先将预热好的铝合金铸锭装入挤压筒内，移动挤压轴入挤压筒，将挤压针穿过挤压轴中心通孔挤压入铝合金铸锭内，并由挤压针控制系统控制挤压针前移使挤压针的第二工作带移入挤压模模孔位于挤压模第二定径带，利用挤压轴控制系统开始挤压，在此位置铝合金铸锭在挤压力作用下通过挤压针第二工作带控制铝合金钻杆管体加厚端内径，挤压模第二定径带控制铝合金钻杆管体加厚端外径，最终挤压成铝合金钻杆管体加厚端；挤压针的径缩带和挤压模的环空带在挤压步骤中为挤压铝合金加厚端提供了充足的铝合金挤压料；

步骤二：当铝合金钻杆加厚端的长度达到设计要求长度后，挤压轴控制系统控制挤压铝合金铸锭，挤压针控制系统将挤压针后移，这时，挤压模第一定径带和挤压模环空带两者之间的过渡斜面与挤压针第一工作带和径缩带两者之间的过渡斜面的间隙形成了铝合金挤压料通过的最狭小通道，利用这一间隙的减小并准确控制挤压轴的位移及控制铝合金铸锭的挤压量，最终挤压铝合金钻杆管体过渡段；

步骤三：挤压轴控制系统继续挤压铝合金铸锭，挤压针控制系统将挤压针后移使挤压针第一工作带位于挤压模第一定径带位置，通过挤压针第一工作带控制铝合金钻杆标称管体的内径，用挤压模第一定径带控制铝合金钻杆标称管体的外径；这时挤压针第一工作带与挤压模第一定径带之间的环形空间是铝合金挤压时通过的最小空间，这样挤压控制成形为铝合金钻杆管体标称管体的薄壁部分；

步骤四：挤压轴控制系统控制挤压铝合金铸锭，当铝合金钻杆标称管体的长度达到设计要求后，挤压针控制系统将挤压针向前移动，挤压模第一定径带和挤压模环空带两者之间的过渡斜面与挤压针第一工作带和径缩带两者之间的过渡斜面的间隙再次形成了铝合金挤压料通过的最狭小通道，利用这一间隙的减小并准确控制挤压轴的位移及控制铝合金铸锭的挤压量，最终挤压铝合金钻杆管体另一端过渡段；

步骤五：挤压轴控制系统继续挤压铝合金铸锭，挤压针控制系统将挤压针向前移动使挤压针的第二工作带位于挤压模第二定径带，通过挤压针第二工作带控制铝合金钻杆另一加厚端内径，挤压模第二定径带控制铝合金钻杆管体另一加厚端外径，这样挤压成铝合金钻杆管体另一加厚端。

步骤六：铝合金钻杆管体另一加厚端长度尺寸达到设计要求时，切割机将成形的铝合金钻杆管体切下，完成整根铝合金钻杆管体的挤压作业。

由于本发明铝合金钻杆管体的制备装置及方法采用了上述技术方案，即制作沿轴向间隔设有两个工作带、径缩带的挤压针和沿轴向间隔设有两个定径带、环空带的挤压模，通过挤压轴对铝合金铸锭的挤压和挤压针在挤压模模孔内的位移，利用挤压针的两个工作带和径缩带与挤压模的两个定径带和环空带的配合，分别挤压形成铝合金钻杆管体两端的加厚端、过渡段和管体中段；利用本装置和方法可生产符合要求的铝合金钻杆管体，克服了传统采用多套分瓣模挤压管材的缺陷，其加工的铝合金钻杆管体尺寸精度高，表面质量优良，极大提高了铝合金钻杆管体的生产效率，降低了生产成本。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为铝合金钻杆管体的结构示意图，

图2为本发明铝合金钻杆管体的制备装置的结构示意图，

图3为挤压铝合金钻杆管体加厚端时挤压示意图，

图4为挤压铝合金钻杆管体过渡段时挤压示意图，

图5为挤压铝合金钻杆管体标称管体时挤压示意图，

图6为挤压铝合金钻杆管体另一过渡段时挤压示意图，

图7为挤压铝合金钻杆管体另一加厚端时挤压示意图，

图8为挤压铝合金钻杆管体挤压成形的示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明铝合金钻杆管体的制备装置包括挤压机和挤压工模具，所述挤压机是双动挤压机，所述挤压工模具包括挤压筒4、挤压轴5、挤压针2和挤压模3，所述挤压轴5位于所述挤压筒4内，所述挤压针2位于所述挤压轴5的中心通孔内，所述挤压模3设于所述挤压筒4头端，所述挤压机对所述挤压针2独立控制，所述挤压针2在所述挤压机的控制下在所述挤压模3内移动，所述挤压针2前端向后沿轴向依次间隔设有异径第二工作带23和第一工作带22，所述第一工作带22向后沿轴向间隔设有径缩带21，所述第一工作带22控制铝合金钻杆标称管体内径，第一工作带22外径由铝合金钻杆标称管体内径决定，所述第二工作带23控制铝合金钻杆管体加厚端内径，所述第二工作带23外径由铝合金钻杆管体加厚端内径决定，所述第一工作带22、第二工作带23和径缩带21之间斜面连接，所述径缩带21直径由铝合金钻杆管体壁厚决定，第一工作带22的外径大于第二工作带23的外径，第二工作带23的外径大于径缩带21的外径；所述挤压模3是一个模孔的整体挤压模，所述挤压模3模孔沿轴向依次间隔设有异径的第一定径带31、环空带32和第二定径带33，所述环空带32直径大于所述第二定径带33直径，所述第一定径带31直径由铝合金钻杆标称管体外径决定，所述第二定径带33直径由铝合金钻杆管体加厚端外径决定，所述第一定径带31、环空带32和第二定径带33之间斜面连接。

为保证铝合金钻杆管体的挤压尺寸，上述挤压模3环空带32横断面与挤压针2第一工作带22横断面面积之差大于挤压模3第二定径带33横断面与挤压针2第二工作带23横断面面积之差。

采用上述制备装置制作铝合金钻杆管体的方法包括如下步骤：

挤压前预先将铝合金铸锭切割成需要长度的铝合金铸锭，再将铝合金铸锭预热至380-460℃，经机加工剥皮；挤压前工具的温度为：挤压筒440～450℃，挤压垫350～400℃，挤压模450～470℃，开始挤压过程如下：

步骤一：如图3所示，首先将预热好的铝合金铸锭7装入挤压筒4内，移动挤压轴5入挤压筒4，将挤压针2穿过挤压轴5中心通孔挤压入铝合金铸锭7内，并由挤压针控制系统控制挤压针2前移使挤压针2的第二工作带23移入挤压模3模孔位于挤压模3第二定径带33，利用挤压轴控制系统开始挤压，在此位置铝合金铸锭7在挤压力作用下通过挤压针2第二工作带23控制铝合金钻杆管体加厚端13内径，挤压模3第二定径带33控制铝合金钻杆管体加厚端13外径，最终挤压成铝合金钻杆管体加厚端13；挤压针2的径缩带21和挤压模3的环空带32在挤压步骤中为挤压铝合金加厚端13提供了充足的铝合金挤压料；

步骤二：如图4所示，当铝合金钻杆加厚端13的长度达到设计要求长度后，挤压轴控制系统控制挤压铝合金铸锭7，挤压针控制系统将挤压针2后移，这时，挤压模3第一定径带31和挤压模3环空带32两者之间的过渡斜面与挤压针2第一工作带22和径缩带21两者之间的过渡斜面的间隙形成了铝合金挤压料通过的最狭小通道，利用这一间隙的减小并准确控制挤压轴5的位移和控制铝合金铸锭7的挤压量，最终挤压铝合金钻杆管体过渡段12；本步骤中准确控制挤压针2和挤压轴5的位置、移动速度及两者的精确协调配合控制成形是挤压铝合金钻杆管体过渡段12的关键。

步骤三：如图5所示，挤压轴控制系统继续挤压铝合金铸锭7，挤压针控制系统将挤压针2后移使挤压针2第一工作带22位于挤压模3第一定径带31位置，通过挤压针2第一工作带22控制铝合金钻杆标称管体11的内径，用挤压模3第一定径带31控制铝合金钻杆标称管体11的外径；这时挤压针2第一工作带22与挤压模3第一定径带31之间的环形空间是铝合金挤压时通过的最小空间，这样挤压控制成形为铝合金钻杆管体标称管体11的薄壁部分；

步骤四：如图6所示，挤压轴控制系统控制挤压铝合金铸锭7，当铝合金钻杆标称管体11的长度达到设计要求后，挤压针控制系统将挤压针2向前移动，挤压模3第一定径带31和挤压模3环空带32两者之间的过渡斜面与挤压针2第一工作带22和径缩带21两者之间的过渡斜面的间隙再次形成了铝合金挤压料通过的最狭小通道，利用这一间隙的减小并准确控制挤压轴5的位移及控制铝合金铸锭7的挤压量，最终挤压铝合金钻杆管体另一端过渡段14；本步骤中准确控制挤压针2和挤压轴5的位置、移动速度及两者的精确协调配合控制成形是挤压铝合金钻杆管体另一端过渡段14的关键。

步骤五：如图7所示，挤压轴控制系统继续挤压铝合金铸锭7，挤压针控制系统将挤压针2向前移动使挤压针2的第二工作带23位于挤压模3第二定径带33，通过挤压针2第二工作带23控制铝合金钻杆另一加厚端15内径，挤压模3第二定径带33控制铝合金钻杆管体另一加厚端15外径，这样挤压成铝合金钻杆管体另一加厚端15。

步骤六：如图8所示，铝合金钻杆管体另一加厚端15长度尺寸达到设计要求时，切割机将成形的铝合金钻杆管体1切下，完成整根铝合金钻杆管体1的挤压作业。

上述挤压工序完成后，经过热处理，矫直，切定尺后，就形成了符合标准的铝合金钻杆管体。

Claims (3)

1.一种铝合金钻杆管体的制备装置，包括挤压机和挤压工模具，所述挤压机是双动挤压机，所述挤压工模具包括挤压筒、挤压轴、挤压针和挤压模，所述挤压轴位于所述挤压筒内，所述挤压针位于所述挤压轴的中心通孔内，所述挤压模设于所述挤压筒头端，所述挤压机对所述挤压针独立控制，其特征在于：所述挤压针在所述挤压机的控制下在所述挤压模内移动，所述挤压针前端向后沿轴向依次间隔设有异径的第二工作带和第一工作带，所述第一工作带向后沿轴向间隔设有径缩带，所述第一工作带控制铝合金钻杆标称管体内径，第一工作带外径由铝合金钻杆标称管体内径决定，所述第二工作带控制铝合金钻杆管体加厚端内径，所述第二工作带外径由铝合金钻杆管体加厚端内径决定，所述第一工作带、第二工作带和径缩带之间斜面连接，所述径缩带直径由铝合金钻杆管体壁厚决定，第一工作带的外径大于第二工作带的外径，第二工作带的外径大于径缩带的外径；所述挤压模是一个模孔的整体挤压模，所述挤压模模孔沿轴向依次间隔设有异径的第一定径带、环空带和第二定径带，所述环空带直径大于所述第二定径带直径，所述第一定径带直径由铝合金钻杆标称管体外径决定，所述第二定径带直径由铝合金钻杆管体加厚端外径决定，所述第一定径带、环空带和第二定径带之间斜面连接。

2.根据权利要求1所述的铝合金钻杆管体的制备装置，其特征在于：所述挤压模环空带横断面与挤压针第一工作带横断面面积之差大于挤压模第二定径带横断面与挤压针第二工作带横断面面积之差。

3.根据权利要求1制备装置制作铝合金钻杆管体的方法，其特征在于：本方法包括如下步骤：

步骤一：首先将预热好的铝合金铸锭装入挤压筒内，移动挤压轴入挤压筒，将挤压针穿过挤压轴中心通孔挤压入铝合金铸锭内，并由挤压针控制系统控制挤压针前移使挤压针的第二工作带移入挤压模模孔位于挤压模第二定径带，利用挤压轴控制系统开始挤压，在此位置铝合金铸锭在挤压力作用下通过挤压针第二工作带控制铝合金钻杆管体加厚端内径，挤压模第二定径带控制铝合金钻杆管体加厚端外径，最终挤压成铝合金钻杆管体加厚端；挤压针的径缩带和挤压模的环空带在挤压步骤中为挤压铝合金加厚端提供了充足的铝合金挤压料；

步骤二：当铝合金钻杆加厚端的长度达到设计要求长度后，挤压轴控制系统控制挤压铝合金铸锭，挤压针控制系统将挤压针后移，这时，挤压模第一定径带和挤压模环空带两者之间的过渡斜面与挤压针第一工作带和径缩带两者之间的过渡斜面的间隙形成了铝合金挤压料通过的最狭小通道，利用这一间隙的减小并准确控制挤压轴的位移及控制铝合金铸锭的挤压量，最终挤压铝合金钻杆管体过渡段；

步骤三：挤压轴控制系统继续挤压铝合金铸锭，挤压针控制系统将挤压针后移使挤压针第一工作带位于挤压模第一定径带位置，通过挤压针第一工作带控制铝合金钻杆标称管体的内径，用挤压模第一定径带控制铝合金钻杆标称管体的外径；这时挤压针第一工作带与挤压模第一定径带之间的环形空间是铝合金挤压时通过的最小空间，这样挤压控制成形为铝合金钻杆管体标称管体的薄壁部分；

步骤四：挤压轴控制系统控制挤压铝合金铸锭，当铝合金钻杆标称管体的长度达到设计要求后，挤压针控制系统将挤压针向前移动，挤压模第一定径带和挤压模环空带两者之间的过渡斜面与挤压针第一工作带和径缩带两者之间的过渡斜面的间隙再次形成了铝合金挤压料通过的最狭小通道，利用这一间隙的减小并准确控制挤压轴的位移及控制铝合金铸锭的挤压量，最终挤压铝合金钻杆管体另一端过渡段；

步骤五：挤压轴控制系统继续挤压铝合金铸锭，挤压针控制系统将挤压针向前移动使挤压针的第二工作带位于挤压模第二定径带，通过挤压针第二工作带控制铝合金钻杆另一加厚端内径，挤压模第二定径带控制铝合金钻杆管体另一加厚端外径，这样挤压成铝合金钻杆管体另一加厚端；

步骤六：铝合金钻杆管体另一加厚端长度尺寸达到设计要求时，切割机将成形的铝合金钻杆管体切下，完成整根铝合金钻杆管体的挤压作业。

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