CN102773603B - V150钢级钻杆压接成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种V150钢级钻杆压接成型工艺，属于油田钻井设备加工技术领域，其中钻杆包括接头和管体，工艺包括一次摩擦阶段、二次摩擦阶段和顶锻阶段，三个阶段通过控制不同的轴向压力、转速及持续时间，使接头和管体接触面的温度达到所要求的温度，满足钻杆压接成型工艺。该工艺利用三次成型技术，二次摩擦缓冲代替一次摩擦缓冲，通过更精确的压力控制、更合理的压力分配、更稳定的摩擦过程，增强钻杆对焊部位的工艺性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻杆成型工艺，属于油田钻井设备加工技术领域，尤其是一种V150钢级钻杆压接成型工艺。
背景技术
石油钻杆是油田钻井的主要工具，结构中包括钻杆管体和钻杆管体两端的钻杆接头。在油气的开采和提炼过程中，要求钻杆管体必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。
随着石油行业的不断发展，越来越多的深井、超深井被开发，这对钻杆就提出了越来越高的要求。由于石油钻杆尺寸细长，且为中空结构，通过锻造成型和提高精度困难较多。钻杆毛坯的传统生产方式为采用高性能材料通过机械加工的方法成型，在通过热处理来保证产品的最终性能要求，该方法的优点是工序少，生产线投资少，但存在着材料浪费严重，产品质量不容易控制等缺陷。随着能源和材料的短缺，直接采用机械加工的方式难以满足当前节材降耗的行业需求。目前，钻杆主要采用胎膜锻和挤压成形，相对于机械加工，此成形方法虽然在产品的机械性能上有了较大的提高，但生产工艺落后，效率低。
另外，经检索，申请号为200610098616.2的专利公开了一种是有钻杆结构挤压成形工艺方法，其生产工序包括加热、镦粗、复合挤压和冲连皮，其中加热温度1100℃-1210℃，在挤压时限制了压力机的行程。该工艺方法为一次挤压成型，工艺步骤太少，对产品质量及加工精度很难控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种V150钢级钻杆压接成型工艺，该工艺通过三次摩擦成型及精确的压力和时间控制，使其焊接部位质量好、结合强度高，工艺简便，设备使用寿命长，生产效率高，从而增强了钻杆对焊部位的工艺性能。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：V150钢级钻杆压接成型工艺，钻杆包括接头和管体，其特征在于该工艺包括一次摩擦阶段、二次摩擦阶段和顶锻阶段，按如下步骤和工艺参数进行操作：
①一次摩擦阶段：把接头和管体置于压接机上，管体固定，接头固定于压接机卡爪，启动压接机，使接头和管体开始接触，然后调整压接机的轴向压力和转速，持续一段时间T1，监测摩擦面的温度升高到1200℃～1300℃，完成一次摩擦阶段；
②二次摩擦阶段：经过一次摩擦阶段后，再次施加轴向压力，使管体和接头的金属接触面完全接触，接触面之间的温度稳定在1300℃，并保持一段时间T2，观察接触面开始形成摩擦对焊毛刺，则完成二次摩擦阶段；
③顶锻阶段：经过二次摩擦阶段后，继续增大轴向压力，主轴在电机反向制动作用下停转，保持轴向压力一段时间T3，观察管体和接头的焊接响应区毛刺迅速扩大，同时接触面的杂质被完全挤出，则完成顶端阶段，整个钻杆压接成型工艺结束。
对上述工艺做进一步说明，所述压接机为三次成型的摩擦压接装置，压接机主轴转速为650转/分。
对上述工艺做进一步说明，所述一次摩擦阶段中，从接头和管体接触开始到轴向压力达到60KN～160KN值为止，并持续时间T1为10～15秒。在这一阶段，平滑纯净的金属面开始接触，摩擦面的温度可以升高到1200℃～1300℃左右，金属面之间的作用力由金属粘连作用逐步过度到分子作用力。
对上述工艺做进一步说明，所述二次摩擦阶段中，压接机的轴向压力达到130KN～460KN值为止，并持续时间T2为40～50秒。经过一次摩擦作用，纯净的金属接触面完全接触，分子间作用力增强为主要的扭矩力，温度稳定在1300℃左右，受热变形的金属层在轴向力的作用下，开始形成摩擦对焊毛刺。
对上述工艺做进一步说明，所述顶锻阶段中，从接头和管体接触开始到轴向压力达到350KN～1200KN值为止，并持续时间T3为10～15秒。由于高温变形和轴向挤压，焊接热响应区毛刺迅速扩大，同时接触面的杂质被完全挤出，从而保证良好稳定的焊接质量。
本发明中的压接机可选用英国汤普森公司的M250摩擦压接机。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：经本发明的压接工艺处理后的V150钢级钻杆有利于对焊区建立完整的摩擦塑性变形层及热导高温区，有利于产生显著的摩擦变形量和飞边，从而充分将对焊面内的杂质带出；三段焊接相对两段焊接更加平缓，接头温度分布宽，冷却速度慢，接头不易淬硬；有效避免了摩擦扭矩的峰值对设备的冲击；经过现场测定，工作噪音由原来的87分贝减少到70分贝，且本发明的压接操作步骤、工艺参数合理。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对发明作进一步详细的说明。
本发明要解决的技术问题是提供一种可靠的、便于操作的V150钢级钻杆压接成型工艺。钻杆包括接头和管体，该工艺包括一次摩擦阶段、二次摩擦阶段和顶锻阶段，在该工艺中采用英国汤普森公司的M250摩擦压接机，压接机主轴转速为650转/分。
实施例1
本发明中用于V150钢级钻杆压接成型工艺的钻杆以2-7/8″规格为例。
本发明的V150钢级钻杆压接成型工艺包括如下步骤：
一次摩擦阶段
从接头和管体接触开始到摩擦压力达到60KN为止；在这一阶段，平滑纯净的金属面开始接触，摩擦面的温度可以升高到1200℃～1300℃左右，金属面之间的作用力由金属粘连作用逐步过度到分子作用力；
二次摩擦阶段
摩擦压力增加到130KN，经过一次摩擦作用，纯净的金属接触面完全接触，分子间作用力增强为主要的扭矩力，温度稳定在1300℃左右，受热变形的金属层在轴向力的作用下，开始形成摩擦对焊毛刺；
③顶锻阶段
钻杆所受到的轴向力上升至350KN，主轴在电机反向制动作用下停转。由于高温变形和轴向挤压，焊接热响应区毛刺迅速扩大，同时接触面的杂质被完全挤出，从而保证良好稳定的焊接质量。
实施例2
本发明中用于V150钢级钻杆压接成型工艺的钻杆以4″规格为例。
本发明的V150钢级钻杆压接成型工艺包括如下步骤：
一次摩擦阶段
从接头和管体接触开始到摩擦压力达到87KN为止；在这一阶段，平滑纯净的金属面开始接触，摩擦面的温度可以升高到1200℃～1300℃左右，金属面之间的作用力由金属粘连作用逐步过度到分子作用力；
二次摩擦阶段
摩擦压力增加到249KN，经过一次摩擦作用，纯净的金属接触面完全接触，分子间作用力增强为主要的扭矩力，温度稳定在1300℃左右，受热变形的金属层在轴向力的作用下，开始形成摩擦对焊毛刺；
③顶锻阶段
钻杆所受到的轴向力上升至664KN，主轴在电机反向制动作用下停转。由于高温变形和轴向挤压，焊接热响应区毛刺迅速扩大，同时接触面的杂质被完全挤出，从而保证良好稳定的焊接质量。
实施例3
本发明中用于V150钢级钻杆压接成型工艺的钻杆以6-5/8″规格为例。
本发明的V150钢级钻杆压接成型工艺包括如下步骤：
一次摩擦阶段
从接头和管体接触开始到摩擦压力达到160KN为止；在这一阶段，平滑纯净的金属面开始接触，摩擦面的温度可以升高到1200℃～1300℃左右，金属面之间的作用力由金属粘连作用逐步过度到分子作用力；
二次摩擦阶段
摩擦压力增加到460KN，经过一次摩擦作用，纯净的金属接触面完全接触，分子间作用力增强为主要的扭矩力，温度稳定在1300℃左右，受热变形的金属层在轴向力的作用下，开始形成摩擦对焊毛刺；
③顶锻阶段
钻杆所受到的轴向力上升至1200KN，主轴在电机反向制动作用下停转。由于高温变形和轴向挤压，焊接热响应区毛刺迅速扩大，同时接触面的杂质被完全挤出，从而保证良好稳定的焊接质量。
经本发明的V150钢级钻杆压接成型工艺处理后的V150钢级钻杆有利于对焊区建立完整的摩擦塑性变形层及热导高温区，有利于产生显著的摩擦变形量和飞边，从而充分将对焊面内的杂质带出；二次缓冲代替一次缓冲，三段焊接相对两段焊接更加平缓，接头温度分布宽，冷却速度慢，接头不易淬硬；有效避免了摩擦扭矩的峰值对设备的冲击；经过现场测定，由于所采用压接机结构合理，与传统二次压接成型的压接机相比，工作噪音由原来的87分贝减少到70分贝，且本发明的压接操作步骤、工艺参数合理。本发明通过更精确的压力控制、更合理的压力分配、更稳定的摩擦过程，增强钻杆对焊部位的工艺性能。
另外，表1给出了另外两种钻杆的压接压力明细表，来增加本发明实用性。
表1 钻杆压接压力明细表
| 规格型号 | 一次摩擦压力（单位：KN） | 二次摩擦压力（单位：KN） | 顶锻压力（单位：KN） |
| 5" | 112 | 340 | 910 |
| 5-1/2" | 134 | 384 | 1024 |
以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。
Claims (1)
1.V150钢级钻杆压接成型工艺，钻杆包括接头和管体，其特征在于该工艺包括一次摩擦阶段、二次摩擦阶段和顶锻阶段，按如下步骤和工艺参数进行操作：
①一次摩擦阶段：把接头和管体置于压接机上，管体固定，接头固定于压接机卡爪，启动压接机，使接头和管体开始接触，然后调整压接机的轴向压力和转速，从接头和管体接触开始到轴向压力达到60KN～160KN值为止，并保持轴向压力持续时间为10～15秒，监测摩擦面的温度升高到1200℃～1300℃，完成一次摩擦阶段；
②二次摩擦阶段：经过一次摩擦阶段后，再次施加轴向压力，压接机的轴向压力达到130KN～460KN值为止，使管体和接头的金属接触面完全接触，接触面之间的温度稳定在1300℃，并保持轴向压力持续时间为40～50秒，观察接触面开始形成摩擦对焊毛刺，则完成二次摩擦阶段；
③顶锻阶段：经过二次摩擦阶段后，继续增大轴向压力，从接头和管体接触开始到轴向压力达到350KN～1200KN值为止，主轴在电机反向制动作用下停转，保持轴向压力10～15秒，观察管体和接头的焊接响应区毛刺迅速扩大，同时接触面的杂质被完全挤出，则完成顶端阶段，整个钻杆压接成型工艺结束；
所述压接机为三次成型的摩擦压接装置，压接机主轴转速为650转/分。
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