CN102059511B - 一种整体方钻杆的生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种整体方钻杆的生产工艺,按工序包括如下五个工艺:冶炼工序、锻造工序、机加工序、调质热处理工序和精加工序,精加工序后即可铣印记槽、打印记、成品检验、喷漆、包装后交货。本发明生产工艺更加经济、科学,生产成本低,生产的整体方钻杆产品质量好,满足环境使用要求;本发明的方钻杆整体制造,产品结构简单、不需要焊接,产品内部不存在焊接应力、质量好,使用寿命长,广泛适用于石油钻井作业领域。
Description
技术领域
本发明属于炼钢、锻造、机加、热处理技术领域,具体涉及了一种整体方钻杆的生产工艺。
背景技术
方钻杆是石油钻井作业用的重要钻柱构件之一,它在钻井过程中主要起传递动力、连接井底钻具的作用。根据服役条件,方钻杆应采用强度高、刚性好的材料制作。机械性能应满足石油部标准SY/T6509-2000或API SPEC7-1标准(两标准基本相同)。方钻杆的类型分四方和六方两种,产品特点一是上、下加厚端为圆形、尺寸大(上加厚端直径Φ196.9mm、其端部有65/8REG左旋内螺纹或41/2REG左旋内螺纹,下加厚端随规格不同直径也有所不同,但端部均为不同规格的右旋外螺纹);二是方钻杆中间部位为驱动部分,尺寸比两端小且细长、长度约11280~15540mm、且形状为正四方形或正六方形;三是方钻杆中心有贯穿全长的中心通孔,孔径在Φ31.8~88.9 mm,全长12190~16460mm。
中国专利CN201068741[专]采用一种石油钻井作业用的一种新型六方钻杆由插接密封圈、外管下接头、内管下接头、内管本体、外管驱动体、内管固定短节、接头密封圈、内管上接头、外管上接头组成:内管本体分别与内管下接头、内管固定短节丝扣连接,内管固定短节上端与外管上接头丝扣连接用接头密封圈密封,内管上接头、外管上接头均与内管固定短节丝扣连接,将插接密封圈套在内管下接头下端,外管上接头与内管下接头丝扣连接,将六方滚子补心套在外管驱动体上。该钻杆存在结构复杂,组装精度高、使用寿命短、适用范围窄等缺陷。
国内一些厂家生产的方钻杆,产品结构属于焊接式结构,是由圆形的上加厚端、方形的中间驱动部分、圆形的下加厚端,分三部分焊接而成,材料为轧制用钢。它存在的问题是:产品存在焊接应力、质量差、使用寿命短等缺陷。现有的方钻杆生产工艺不能解决上述现有方钻杆存在的问题。
发明内容
为弥补现有方钻杆生产工艺的不足,本发明的目的在于提供一种整体方钻杆的生产工艺,以解决现有方钻杆存在的产品结构复杂,产品分段焊接导致焊接应力、质量差、使用寿命短、适用范围窄等缺陷。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:一种整体方钻杆的生产工艺,当方钻杆方形部分的对边宽≥133.4mm时,所述生产工艺按下述的工艺路线(1)进行:冶炼工序:将石油钻具用钢4145H电炉冶炼加真空精炼、然后进行真空脱气、浇注成钢锭,脱模后将钢锭热送至锻造工序;锻造工序:将钢锭加热、拔长,锻造成形,然后进行锻后热处理正火加回火,锯切锭尾、冒口料头后进行黑皮超声波探伤,合格后下转机加工序;机加工序:机加上先车架位并车平端面,然后钻通中心孔,接着进行车台阶圆、磁粉探伤、检验合格后下转调质热处理工序;调质热处理工序:中频炉空心调质热处理,超声波探伤合格后切片、性能检测,合格后下转精加工序;精加工序:精加时先车上、下加厚端及中部驱动部分的过渡处然后再铣驱动部分及两端螺纹加工,螺纹无损探伤、半成品检验,合格后螺纹表面磷化;当方钻杆方形部分的对边宽<133.4mm时,所述生产工艺按下述的工艺路线(2)进行:冶炼工序:将石油钻具用钢4145H电炉冶炼加真空精炼、然后进行真空脱气、浇注成钢锭,脱模后将钢锭热送至锻造工序;锻造工序:将钢锭加热、拔长,锻造成形,然后进行锻后热处理正火加回火,锯切锭尾、冒口料头后进行黑皮超声波探,合格后下转机加工序;机加工序:机加上先车台阶圆、磁粉探伤、检验合格后下转调质热处理工序;调质热处理工序:卧式炉实心调质热处理,超声波探伤合格后切片、性能检测合格后下转精加工序;精加工序:精加时先车架位,然后钻通中心孔、车上、下加厚端及中部驱动部分的过渡处及铣驱动部分及两端螺纹加工,螺纹无损探伤、半成品检验,合格后螺纹表面磷化。
工艺路线(1)和工艺路线(2)中,螺纹表面磷化后,铣印记槽、打印记、成品检验、喷漆、包装后交货。
工艺路线(1)的中频炉空心调质热处理工序参数为:淬火:加热温度840~920℃,水温30~45℃,水压0.2~0.8Mpa,实际走速0.12-0.24m/min ,功率600~740kw;回火:加热温度620~700℃,水温30~45℃,水压0.2~0.8Mpa,实际走速0.12-0.24m/min,功率230~360kw;工艺路线(2)的卧式炉实心调质热处理工序参数为:淬火:装炉温度820~870℃,加热温度830~880℃,均温时间2~3h,保温时间2h,空冷100~200s或水基淬火液冷却20~40min,开始液温30~45℃,体积浓度为10±2%;回火:第一次回火:装炉温度350~470℃,加热温度560~640℃,均温时间4h~5h,保温时间3 h ~4h,空冷;第二次回火:装炉温度350~470℃,加热温度540~620℃,均温时间4 h~5h,保温时间3 h ~4h,空冷。
工艺路线(1)和工艺路线(2)的冶炼工序中,精炼包烘烤温度≥900℃,精炼期保持还原气氛。
工艺路线(1)和工艺路线(2)的锻造工序中,按III组钢进行加热,始锻温度为1200~980℃之间,终锻温度为830℃~930℃;锻造时采用油压机在上平砧、下V砧上拔长,高温时采用的送进量≥300mm、压下量≥150mm,精锻机一火次整体锻造成形,避免返炉加热;精锻机成形锻造时拉打速度控制在5m/min以上,从而保证锻件的进一步压实。
工艺路线(1)和工艺路线(2)中,钻通中心孔切削参数为:主轴转数26~60 r/min,钻杆转数100~257 r/min,进给量30~50mm/r;车台阶外圆参数为:主轴转数20~35r/min,走刀量0.3~0.5mm/r。
所述方钻杆为四方钻杆或六方钻杆。
本发明相对于现有技术,有以下优点:本发明生产工艺更加经济、科学,生产成本低,生产的整体方钻杆,产品质量好,满足环境使用要求;本发明的方钻杆整体制造,产品结构简单、不需要焊接,产品内部不存在焊接应力、质量好,使用寿命长,广泛适用于石油钻井作业领域。
附图说明
图1是本发明的生产工艺所生产的六方钻杆的结构示意图;
图2是图1的A-A剖视图;
图3是本发明的生产工艺所生产的四方钻杆的结构示意图;
图4是图3的B-B剖视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图1-4对本发明的技术方案作进一步地详细介绍,但本发明的保护并不局限于此。
实施例1~5是对边宽为133.4mm整体方钻杆(四方钻杆或六方钻杆)的生产工艺,实施例6~10是对边宽为88.9mm整体方钻杆(四方钻杆或六方钻杆)的生产工艺。参见图1至图4,本发明按工序包括如下五个工艺:
(1)、冶炼工序:
将石油钻具用钢4145H电炉冶炼加真空精炼、然后进行真空脱气、浇注成钢锭,脱模后将钢锭热送至锻造工序。其中,精炼包烘烤温度≥900℃,精炼期保持还原气氛,控制好氩气流量,从而脱氧良好,脱气充分。出钢温度、浇注温度控制在中下限,并组织好钢锭的热送。
(2)、锻造工序:
将钢锭加热、拔长,锻造成形,然后进行锻后热处理正火加回火,锯切锭尾、冒口料头后进行黑皮超声波探伤,合格后下转机加工序。
其中,加热时按III组钢进行加热。始锻温度为1200~980℃之间,终锻温度为830℃~930℃。锻造时采用2200吨油压机在上平砧、下V砧上拔长,高温时采用的送进量≥300mm、压下量≥150mm,从而保证有效锻合钢锭内部缺陷。精锻机将整体方钻杆的毛坯一火次整体锻造成形,避免返炉加热,以获得较低的终锻温度,确保最终热处理后获得较细的晶粒组织,保证产品在全长方向上各部分性能均匀一致;精锻机成形锻造时拉打速度控制在5m/min以上,从而保证锻件的进一步压实,锻造毛坯全长可达13米至15米,满足整体方钻杆的全长要求。
本锻造工序可将整体方钻杆的毛坯锻造成两种,一种是将整体方钻杆的毛坯直接锻成方形(即锻件的上加厚端1和下加厚端2为八方,中间驱动部分为四方或六方),另一种是将毛坯锻成一头粗一头细的整体台阶轴。本锻造工序的关键点在于对整体方钻杆的毛坯进行整体锻造,整体锻造的核心在于将整体方钻杆的毛坯一火次锻造成形。
实施例1~10整体锻造方钻杆尺寸合格,黑皮超声波探伤合格。
表1:实施例1~10整体锻造方钻杆毛坯尺寸(表中尺寸的单位皆为毫米)
(以上为表一)
(3)、机加工序:
机加工序路线:有两种,一种适用于对边宽≥133.4mm规格的整体方钻杆,机加上先车架位并车平端面,然后钻通中心孔4,接着进行车台阶圆、磁粉探伤、检验合格后下转调质热处理工序。另一种机加工序路线适用于对边宽小于133.4规格的整体方钻杆,先车台阶圆、磁粉探伤、检验合格后下转调质热处理工序。
方钻杆整体机加工的难点有三,一是超长件中心孔4的加工,不仅要保证中心孔4尺寸合格还要标准通径规全长通过,壁厚均匀;二是方钻杆中间驱动部分的铣削;三是超长件左旋内螺纹和右旋外螺纹在数控管螺纹上的加工。
为解决上述难点问题,采用如下的技术方案:
1.钻孔工艺中一次装夹一次钻通全长中心孔4,可以避免整体方钻杆中心孔4在加工中产生接台、在使用中产生应力集中,从而延长使用寿命。
2.选用的深孔切削参数:主轴转数26~60r/Min(转/分钟),钻杆转数100~257 r/Min,进给量30~50mm/r(毫米/转)。车外圆参数:主轴转数20~35r/Min,走刀量0.5mm/r。
3. 在车床上先车管体至方形的外接圆尺寸再上铣床上加工管体的正四方或六方形的铣削加工,以保证上、下加厚端与中部驱动部分的连接部分尺寸与方形的棱角尺寸。
4.在普通管螺纹车床上先粗车整体方钻杆的上加厚端内螺纹和下加厚端的外螺纹,留1-2mm余量。再上数控管螺纹上的加工左旋内螺纹和右旋外螺纹成形。
其中,整体方钻杆机械加工中的关键技术有:
1.超长、异形件深孔一次钻通的深孔加工技术;
2.在铣床上加工管体的正四方和六方的铣削加工;
3.整体方钻杆上加厚端的左旋内螺纹和下加厚端的右旋外螺纹加工技术。
表2、表3中,实施例1~5是对边宽为133.4mm整体方钻杆,实施例6~10是对边宽为88.9mm整体方钻杆。
表2:实施例1~5(对边宽为133.4mm的整体方钻杆成品)检测数据(表中尺寸的单位皆为毫米)
(以上为表2)
表3:实施例6~10(对边宽为88.9mm的整体方钻杆成品)检测数据(表中尺寸的单位皆为毫米)
从上表的检测数据可看出133.4mm整体方钻杆的实施例1~5机加工尺寸及形位公差全部合格,88.9mm整体方钻杆的实施例6~10也全部合格。
(4)、调质热处理工序:
方钻杆的力学性能应符合SY/T6509-2000标准,如表4要求,标准规定拉伸和冲击试样取自下加厚端2,并沿纵向切取。试样中心应距管体外表面25.4mm或在壁厚的二分之一处。拉伸试验采用圆柱形试样,试验方法按GB/T228的规定进行。冲击试验采用夏比V型缺口试样,试验方法按GB/T229规定进行。硬度试验在上加厚端1外表面进行,试验方法按GB/T231的规定进行。
表4:力学性能
整体方钻杆的粗加工毛坯为变截面,上、下加厚端1、2直径与中间驱动部分3的尺寸相差大,热处理后不仅吊装较困难,且力学性能不易保证。我们对方钻杆整体热处理工艺进行了研究,确定了整体方钻杆两种方式热处理,一是当方钻杆方形部分的对边宽≥133.4mm时,在中频炉空心调质热处理,具体工艺参数参见表5;二是当方钻杆方形部分的对边宽<133.4mm时,在20米钟罩式淬、回火两用卧式炉实心调质热处理,具体工艺参数参见表7。
调质热处理工序的技术关键在于对方钻杆进行整体热处理,以确保产品全长度上的性能均匀一致。
表5:中频炉空心热处理工艺
根据标准要求对实施例1~5的钻杆分别在两端取样进行了理化检测,检测结果见表6:
表6 实施例1-5的力学性能:
实施例1~5均在其上、下加厚端1、2取样进行了理化检测(标准要求是拉伸和冲击试样在下加厚端2取样分析),从实施例的检测结果看,抗拉强度均在1030Mpa以上,冲击功均在70J以上,综合性能十分良好,强度和冲击功等各项指标均符合SY/T6509-2000标准要求,热处理工艺稳定、可靠。
表7:钟罩式淬、回火两用卧式炉实心热处理工艺
对实施例6~10的整体方钻杆分别在两端取样进行了理化检测,检测结果见表8:
表8:实施例6-10的力学性能(根据标准要求在下端取样分析性能指标)
从实施例6~10的检测结果看,抗拉强度均在965Mpa以上,冲击功均在61J以上,综合性能良好,强度和冲击功等各项指标均符合SY/T6509-2000标准要求。
(5)、精加工序:
分两种,当整体方钻杆的对边宽≥133.4mm时,精加工序是先车上、下加厚端1、2及中部驱动部分3的过渡处3A,铣驱动部分及两端螺纹加工,螺纹无损探伤、半成品检验,合格后螺纹表面磷化;当整体方钻杆的对边宽<133.4mm时,精加时先车架位,然后钻通中心孔4、车下加厚端2及中部驱动部分3的过渡处3A及铣驱动部分及两端螺纹加工,螺纹无损探伤、半成品检验,合格后螺纹表面磷化。
完成以上五大工艺后,铣印记槽、打印记、成品检验、喷漆、包装后即可交货。
实施例部分的实验数据表明,本发明通过控制钢的化学成份,合理设计冶炼、锻造、机加、热处理工艺,保证了整体方钻杆力学性能良好、获得了优良产品。较现有技术有较大改进,方钻杆整体制造具有产品结构简单,生产成本低,产品质量好、产品内部不存在焊接应力、使用寿命长等储多优点,本发明整体方钻杆制造工艺适用于制造石油钻井过程中使用的其它规格的方钻杆(包括四方钻杆和六方钻杆)。
Claims (7)
1.一种整体方钻杆的生产工艺,其特征在于:
当方钻杆方形部分的对边宽≥133.4mm时,所述生产工艺按下述的第一工艺路线进行:
冶炼工序:将石油钻具用钢4145H电炉冶炼加真空精炼、然后进行真空脱气、浇注成钢锭,脱模后将钢锭热送至锻造工序;
锻造工序:将钢锭加热、拔长,锻造成形,然后进行锻后热处理正火加回火,锯切锭尾、冒口料头后进行黑皮超声波探伤,合格后下转机加工序;
机加工序:机加上先车架位并车平端面,然后钻通中心孔,接着进行车台阶圆、磁粉探伤、检验合格后下转调质热处理工序;
调质热处理工序:中频炉空心调质热处理,超声波探伤合格后切片、性能检测,合格后下转精加工序;
精加工序:精加时先车上、下加厚端及中部驱动部分的过渡处然后再铣驱动部分及两端螺纹加工,螺纹无损探伤、半成品检验,合格后螺纹表面磷化;
当方钻杆方形部分的对边宽<133.4mm时,所述生产工艺按下述的第二工艺路线进行:
冶炼工序:将石油钻具用钢4145H电炉冶炼加真空精炼、然后进行真空脱气、浇注成钢锭,脱模后将钢锭热送至锻造工序;
锻造工序:将钢锭加热、拔长,锻造成形,然后进行锻后热处理正火加回火,锯切锭尾、冒口料头后进行黑皮超声波探伤,合格后下转机加工序;
机加工序:机加上先车台阶圆、磁粉探伤、检验合格后下转调质热处理工序;
调质热处理工序:卧式炉实心调质热处理,超声波探伤合格后切片、性能检测合格后下转精加工序;
精加工序:精加时先车架位,然后钻通中心孔、车上、下加厚端及中部驱动部分的过渡处及铣驱动部分及两端螺纹加工,螺纹无损探伤、半成品检验,合格后螺纹表面磷化。
2.如权利要求1所述的整体方钻杆的生产工艺,其特征在于:第一工艺路线和第二工艺路线中,螺纹表面磷化后,铣印记槽、打印记、成品检验、喷漆、包装后交货。
3.如权利要求1或2所述的整体方钻杆的生产工艺,其特征在于:
第一工艺路线的中频炉空心调质热处理工序参数为:
淬火:加热温度840~920℃,水温30~45℃,水压0.2~0.8Mpa,实际走速0.12-0.24m/min ,功率600~740kw;
回火:加热温度620~700℃,水温30~45℃,水压0.2~0.8Mpa,实际走速0.12-0.24m/min,功率230~360kw;
第二工艺路线的卧式炉实心调质热处理工序参数为:
淬火:装炉温度820~870℃,加热温度830~880℃,均温时间2~3h,保温时间2h,空冷100~200s或水基淬火液冷却20~40min,开始液温30~45℃,体积浓度为10±2%;
回火:第一次回火:装炉温度350~470℃,加热温度560~640℃,均温时间4h~5h,保温时间3 h ~4h,空冷;第二次回火:装炉温度350~470℃,加热温度540~620℃,均温时间4 h~5h,保温时间3 h ~4h,空冷。
4.如权利要求3所述的整体方钻杆的生产工艺,其特征在于第一工艺路线和第二工艺路线的冶炼工序中,精炼包烘烤温度≥900℃,精炼期保持还原气氛。
5.如权利要求3所述的整体方钻杆的生产工艺,其特征在于第一工艺路线和第二工艺路线的锻造工序中,按III组钢进行加热,始锻温度为1200~980℃之间,终锻温度为830℃~930℃;锻造时采用油压机在上平砧、下V砧上拔长,高温时采用的送进量≥300mm、压下量≥150mm,精锻机一火次整体锻造成形,避免返炉加热;精锻机成形锻造时拉打速度控制在5m/min以上,从而保证锻件的进一步压实。
6.如权利要求4所述的整体方钻杆的生产工艺,其特征在于第一工艺路线和第二工艺路线中,钻通中心孔切削参数为:主轴转数26~60 r/min,钻杆转数100~257 r/min,进给量30~50mm/r;车台阶外圆参数为:主轴转数20~35r/min,走刀量0.3~0.5mm/r。
7. 如权利要求4所述的整体方钻杆的生产工艺,其特征在于:所述方钻杆为四方钻杆或六方钻杆。
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