CN103658842A - 钛基管加工筛管矩形或梯形缝的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钛基管加工筛管矩形或梯形缝的方法，该方法包括以下步骤：刀具材料的选用；切削条件的改善；刀片几何参数的确定；进刀量的选择；管支撑座的调整；机床参数的调整和筛管精整，完成了把钛基管加工为筛管矩形或梯形缝。本发明的效果是采用以刀片加工的钛基筛管，不仅提高了油/水井的出油/水率，在钛基合金套管上加工梯形缝，使割缝内表面大于割缝外表面，降低了开采液体穿过割缝的压力，使外表面的砂粒不会堵住切割缝从而确保渗透，在加工过程中，设备的调整和运转的稳定性，转速和进刀量的合理搭配，刀片的材料和几何尺寸都是加工的必备条件，从而确保割缝筛管产品质量符合要求。

Description

钛基管加工筛管矩形或梯形缝的方法

技术领域

本发明涉及一种钢管筛管加工方法，特别是一种钛基管加工筛管矩形或梯形缝的方法。

背景技术

自从1791年英国人格列高尔发现了钛，就引起了世界金属材料的关注，特别是20世纪50年代，因其钛具有“六高一低”（高强度、高耐热、高耐蚀、高韧性、高化学活性和低密度）特点，而广泛应用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继进行研究开发，并取得实际应用；我国在上个世纪60年代开始研究开发，70年代颁布了标准（YB）进入了钛合金研究开发的时代。

所谓钛基筛管（亦称钛合金筛管），安装于油井的油、套管最下端，以钛基管为母体，在母体上采用铣、钻和冲等加工成方、圆、长方形等缝型的产品，用以将开采的液体与地层中的砂石等固体杂质分离的一种特殊管型。这种筛管不仅强度硬度高，塑性韧性好，而且防腐性能也非常好，是一种新兴割缝管产品。

随着海上石油、天然气的钻探开发的步伐加快，钛合金无缝油/套管也随着巨大市场潜力需求量在日益飙升，由于钛具有的高强度、高耐热、高耐腐、高韧性、高化学活性和低密度“六高一低”的特点，进而能达到高耐腐蚀的作用。正是鉴于钛的“六高一低”特点，激光切割对它毫无办法。在试验过程中曾设想采用激光加工钛基管加工筛管，因钛合金高化学活性而不适宜，加工过程中缝的边缘连续烧宽，无法满足技术要求。因此，从机械加工方面急于开发一种技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛基管加工筛管矩形或梯形缝的方法，以达到防砂和抗腐蚀的作用，主要针对深海采油中氯离子对筛管的腐蚀。对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种钛基管加工筛管矩形或梯形缝的方法，该方法包括以下步骤：

1）加工筛管矩形或梯形缝刀片参数的确定

刀片外径尺寸：φ70—φ82㎜；

刀片内孔直径：φ25.4㎜

刀片材质：含有钴、镍、鉻成分的高速合金钢；

刀片厚度：0.5㎜—10㎜；

刀片齿数：24—48齿；

依据钛合金的特性刀片参数还有：

刀片片体的点前角为6°—12°；

刀片片体后角为6°—9°；

刀片片体螺旋角为35°—45°；

片体螺旋角前段为3°—6°；

刀片刀尖圆弧半径为0.3-0.8mm；

2）套管支撑座V字型铁的调整

所述V字型铁是钛基管在加工过程中支撑的V字型铁块，在钛基管加工过程中使用数控专用组合铣床来进行加工，因管径变化必定引起V字型铁支撑体的变化；V字型铁支撑体是可摆动的，V字型铁支撑体下面是两个半径为540㎜的弧形导轨，以钢管支撑座旋转空间零点沿着摆动滑道做左右各3°的摆动,在加工不同规格矩形或梯形缝以空间零点为圆心基点加以调校设备垫铁的位置，再计算出底垫量，方可满足切缝为梯形缝，计算公式如下：

底垫量DS的计算为：

OE=OA-AE；

HE=OH=OE*sin45°或OE*cos45°；

BH=BE-HE且=OS；

DS=DO-BH；

式中：

DO=OA为基准管半径，BE=AE为被加工管半径，OE为基管与被加工管的半径差，△EHO为等腰三角形故HE=OH

3）机床参数的调整

空运行所选择的数控专用组合铣床，将数控专用组合铣床横梁上的限位挡块调整到刀片距套管2㎜处时，刚好接触到减速限位开关，然后缓速进给15㎜后，挡块接触到返回限位开关，将挡块紧固，数控专用组合铣床还需调整如下参数：

冷却刀片的冷却水压：不低于0.1Mpa；

压紧套管的汽缸所需的压缩空气：120-140psi；

安装了铣刀片的主轴转速：120-135rpm；

铣刀加工筛管的进刀速度：4-6.3㎜/min；

4）切割加工

上述准备和调整完毕后，将刀片安装在机床的主轴上卡紧；将被加工的管放在管支撑座上，在控制台上操作汽缸将被管压紧；在控制台上开启主轴电机使主轴旋转，在控制台上操纵主轴箱下降开始的加工，当刀片下降到距套管2㎜处，机床下降挡块碰到第一个减速限位开关，机床进给速度减慢到进刀速度：4-6.3㎜/min；然后进刀15㎜后挡块碰到第二个返回限位开关，机床丝杠反转，进给主轴箱上升，这样就完成一次矩形缝的切割；若加工梯形缝，要将V字型铁支撑体以钢管支撑座旋转空间零点沿着摆动滑道做左右各3°的摆动，在加工一次，就可以加工出梯形缝；然后抬起汽缸压杆抬起，根据用户要求的每周缝数进行分度将钢管旋转一定角度，压下压杆，进行下一刀的切割，如此反复就能够加工成钛基合金割缝筛管。

本发明的效果是主要针对深海采油中氯离子对筛管的腐蚀。因为钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。因此，钛基筛管用于海洋石油的开采有着广阔的发挥空间。特别是当油田用户需要梯形缝筛管时，就是采用刀片加工的外窄内宽缝隙，用来减少油/水透过割缝的阻力，避免了沙砾将切缝堵住，进一步提高了油/水井的出油/水率。所以采用以刀片接触钢管的切割点为圆心的旋转支撑座和刀片加工以满足石油筛管的切梯形缝布置功能要求。采用以刀片加工的钛基筛管，不仅提高了油/水井的出油/水率，在钛基合金套管上加工梯形缝，使割缝内表面大于割缝外表面，降低了开采液体穿过割缝的压力，使外表面的砂粒不会堵住切割缝从而确保渗透，但由于梯形缝加工较复杂，因此费用约是矩形缝的2.5倍。在加工过程中，设备应具有较好的稳定性、刚度和较高的自动化程度是加工的必备条件，从而确保梯形缝筛管产品质量符合标准要求。

附图说明

图1为本发明的钛基合金筛管的加工的底垫量计算示意图；

图2为本发明采用的钛基合金筛管的加工设备主视图；

图3为本发明采用的钛基合金筛管的加工设备侧视图；

图4为本发明的钛基合金筛管的加工矩形缝的示意图；

图5为本发明的钛基合金筛管的加工梯形缝的示意图；

图6为本发明的钛基合金筛管的加工方法流程图。

图中：

1、压下汽缸2、升降丝杠3、主轴4、主轴箱5、返回限位开关

6、减速限位开关7、V型支撑座8、控制台9、机床支撑柱

10、床身11、刀片12、摆动滑道13、摆动汽缸14、主轴电机

具体实施方式

结合附图对本发明的钛基管加工筛管矩形或梯形缝的方法加以说明。

一种钛基管加工筛管矩形或梯形缝的方法，该方法包括以下步骤：

1）加工筛管矩形或梯形缝刀片参数的确定

刀片外径尺寸：φ70—φ82㎜；

刀片内孔直径：φ25.4㎜

刀片材质：含有钴、镍、鉻成分的高速合金钢；

刀片厚度：0.5㎜—10㎜；

刀片齿数：24—48齿；

依据钛合金的特性刀片参数还有：

刀片片体的点前角为6°—12°；

刀片片体后角为6°—9°；

刀片片体螺旋角为35°—45°；

片体螺旋角前段为3°—6°（在刀片的刀尖至圆心的1-1.2mm处）；

刀片刀尖圆弧半径为0.3-0.8mm；

2）套管支撑座V字型铁的调整

所述V字型铁是钛基管在加工过程中支撑的V字型铁块，在钛基管加工过程中使用数控专用组合铣床来进行加工，因管径变化必定引起V字型铁支撑体的变化；V字型铁支撑体是可摆动的，V字型铁支撑体下面是两个半径为540㎜的弧形导轨，以钢管支撑座旋转空间零点A沿着摆动滑道12做左右各3°的摆动,在加工不同规格矩形或梯形缝以空间零点A为圆心基点加以调校设备垫铁的位置，再计算出底垫量，方可满足切缝为梯形缝，计算公式如下：

底垫量DS的计算为：

OE=OA-AE；

HE=OH=OE*sin45°或OE*cos45°；

BH=BE-HE且=OS；

DS=DO-BH；

式中：

OD=OA为基准管半径，BE=AE为被加工管半径，OE为基管与被加工管的半径差，△EHO为等腰三角形故HE=OH。

3）机床参数的调整

空运行所选择的数控专用组合铣床，将数控专用组合铣床横梁上的限位挡块调整到刀片距套管2㎜处时，刚好接触到减速限位开关，然后缓速进给15㎜后，挡块接触到返回限位开关，将挡块紧固，数控专用组合铣床还需调整如下参数：

冷却刀片的冷却水压：不低于0.1Mpa；

压紧套管的汽缸所需的压缩空气：120-140psi；

安装了铣刀片的主轴转速：120-135rpm；

铣刀加工筛管的进刀速度：4-6.3㎜/min；

4）切割加工

上述准备和调整完毕后，将刀片11安装在机床的主轴3上卡紧；将被加工的管放在管支撑座7上，在控制台8上操作汽缸1将被管压紧；在控制台8上开启主轴电机14使主轴旋转，在控制台8上操纵主轴箱4下降开始的加工，当刀片11下降到距套管2㎜处，机床下降挡块碰到第一个减速限位开关6，机床进给速度减慢到进刀速度：4-6.3㎜/min；然后进刀15㎜后挡块碰到第二个返回限位开关5，机床丝杠2反转，进给主轴箱4上升，这样就完成一次矩形缝的切割。若加工梯形缝，要将V字型铁支撑体7以钢管支撑座旋转空间零点A沿着摆动滑道12做左右各3°的摆动，在加工一次，就可以加工出梯形缝。然后抬起汽缸1压杆抬起，根据用户要求的每周缝数进行分度将钢管旋转一定角度，压下压杆，进行下一刀的切割，如此反复就能够加工成钛基合金割缝筛管。

本发明的在钛基合金套管上加工成割缝筛管的方法包括以下步骤：

（1）、刀片的参数确定

片体的设计不仅要根据不同管的管体直径，还要考虑钛合金的诸多特性，确定不同规格的刀片尺寸：

刀片外径尺寸：φ70—φ82㎜；

刀片内孔直径：φ25.4㎜

刀片材质：含有钴、镍、鉻成分的高速合金钢；

刀片厚度：0.5㎜—10㎜；

刀片齿数：24—48齿；

依据钛合金的特性片体参数还有：

片体的点前角为6°—12°；

片体后角为6°—9°；

片体螺旋角为35°—45°；

片体螺旋角前段为3°—6°，在刀片的刀尖至圆心的1-1.2mm处；

刀尖圆弧半径为0.3-0.8mm；

（2）、管支撑座的调整，底垫量的计算；

对于加工不同规格的割缝筛管必需以空间圆点为圆心基点加以调校设备垫铁的位置，该位置是以管支撑座的旋转空间圆点，也是刀片与管接触点为圆心的基点，再计算出垫铁的厚度，即底垫量，这样可以保证在管体圆弧的最高点进行加工。由于机床最初设计是加工直径为177.8㎜的石油套管，也成为基准管，所以底垫量要在此基础上计算得来，其计算公式如下：

底垫量DS的计算为：

OE=OA-AE；

HE=OE*sin45°；

BH=BE-HE且=OS；

其中：DO=OA为基准管半径，BE=AE为被加工管半径，OE为基管与被加工管的半径差，△EHO为等腰三角形故HE=OH

（3）、机床参数的调整

空运行机床，将机床上的减速限位挡块调整到刀片距套管2㎜处时，刚好接触到减速限位开关，然后慢速进给15㎜后返回挡块接触到返回限位开关，将两个挡块紧固好。机床的其他调整为：

冷却水压：不低于0.1Mpa；

压缩空气：120-140psi；

主轴转速：120-135rpm；

进刀速度：4-6.3㎜/min；

（4）、切割加工

如图2、3所示，上述准备和调整完毕后，将刀片11安装在机床的主轴3上卡紧；将被加工的套管放在V字型铁支撑体7上，用汽缸1将被套管压紧；开启主轴电机14使主轴旋转，操纵主轴箱4下降开始的加工，当刀片下降到距套管2㎜处，机床下降挡块碰到第一个减速限位开关6，机床进给速度减慢到进刀速度：4-6.3㎜/min；然后进刀15㎜后挡块碰到第二个返回限位开关5，机床丝杠2反转，进给主轴箱4上升，这样就完成了一次切割，如需要加工梯形缝，要将V字型铁支撑体7以钢管支撑座旋转空间零点，即图1中的A点，沿着摆动滑道12做左右各3°的摆动，在加工一次，就可以加工出梯形缝了。然后抬起汽缸1压杆抬起，将钢管旋转一定角度，根据用户要求的每周缝数进行分度，压下压杆，进行下一刀的切割，如此反复就可以加工成钛基合金割缝筛管。

如图6流程所示，首先选择钛基合金的套管，以φ139.7为外径的钛基套管加工成筛管为例，具体操作如下：

1、刀片参数的确定：

片体的设计不仅要根据不同套管的管体直径，还要考虑钛合金的诸多特性，确定不同规格的刀片尺寸：

刀片外径尺寸：φ70—φ82㎜；

刀片内孔直径：φ25.4㎜

刀片材质：含有钴、镍、鉻成分的高速合金钢；

刀片厚度：0.5㎜—10㎜；

刀片齿数：24—48齿；

片体的设计还要考虑钛合金的诸多特性，即：

片体的点前角为6°—12°；

片体后角为6°—9°；

片体螺旋角为35°—45°；

片体螺旋角前段为3°—6°，在刀片的刀尖至圆心的1-1.2mm处；

刀尖圆弧半径为0.3-0.8mm。

2、管支撑座的调整，即计算垫铁厚度DS。从图1可知：

OE=OA-AE；则OE=88.9-69.85（139.7/2）=19.05㎜；

HE=OE*sin45°；HE=19.05*0.707=13.47㎜；

BH=BE-HE且=OS；BH=69.85-13.47=56.38㎜；

OD=OA为基准管半径88.9㎜，BE=AE为被加工套管半径，因而：

DS=OD-BH；DS=88.9-56.38=32.52㎜；

所以在管支撑座上加32.52㎜厚的垫铁，就为加工φ139.7的割缝筛管做好了准备。

3、机床参数的调整

空运行机床，将机床上的限位挡块调整到刀片距套管2㎜处时，刚好接触到减速限位开关，然后慢速进给15㎜后挡块接触到返回限位开关，将挡块紧固好。机床的其他调整为：

冷却水压：不低于0.1Mpa；

压缩空气：120-140psi；

主轴转速：120-135rpm；

进刀速度：4-6.3㎜/min；

4、切割加工

上述准备和调整完毕后，将刀片11安装在机床的主轴3上卡紧；将被加工的套管放在V字型铁支撑体7上，用汽缸1将被套管压紧；开启主轴电机14使主轴旋转，操纵主轴箱4下降开始的加工，当刀片下降到距套管2㎜处，机床下降挡块碰到第一个减速限位开关6，机床进给速度减慢到进刀速度：4-6.3㎜/min；然后进刀15㎜后挡块碰到第二个返回限位开关5，机床丝杠2反转，进给主轴箱4上升，这样就完成了一次矩形缝切割，如图4所示。如需要加工梯形缝，要将V字型铁支撑体7以管支撑座旋转空间零点，如图1中的A点，沿着摆动滑道12做左右各3°的摆动，在加工一次，就可以加工出梯形缝了，如图5所示。然后抬起汽缸1压杆抬起，将管旋转一定角度。根据用户要求的每周缝数进行分度，压下压杆，进行下一刀的切割，如此反复就可以加工成钛基合金割缝筛管。经检验合格的筛管，挂标牌，包装入库。

Claims (1)

1.一种钛基管加工筛管矩形或梯形缝的方法，该方法包括以下步骤：

1）加工筛管矩形或梯形缝刀片参数的确定

刀片外径尺寸：φ70—φ82㎜；

刀片内孔直径：φ25.4㎜

刀片材质：含有钴、镍、鉻成分的高速合金钢；

刀片厚度：0.5㎜—10㎜；

刀片齿数：24—48齿；

依据钛合金的特性刀片参数还有：

刀片片体的点前角为6°—12°；

刀片片体后角为6°—9°；

刀片片体螺旋角为35°—45°；

片体螺旋角前段为3°—6°；

刀片刀尖圆弧半径为0.3-0.8mm；

2）套管支撑座V字型铁的调整

所述V字型铁是钛基管在加工过程中支撑的V字型铁块，在钛基管加工过程中使用数控专用组合铣床来进行加工，因管径变化必定引起V字型铁支撑体的变化；V字型铁支撑体是可摆动的，V字型铁支撑体下面是两个半径为540㎜的弧形导轨，以钢管支撑座旋转空间零点（A）沿着摆动滑道（12）做左右各3°的摆动,在加工不同规格矩形或梯形缝以空间零点（A）为圆心基点加以调校设备垫铁的位置，再计算出底垫量，方可满足切缝为矩形或梯形缝，计算公式如下：

底垫量DS的计算为：

OE=OA-AE；

HE=OH=OE*sin45°或OE*cos45°；

BH=BE-HE且=OS；

DS=DO-BH；

式中：

DO=OA为基准管半径，BE=AE为被加工管半径，OE为基管与被加工管的半径差，△EHO为等腰三角形故HE=OH

3）机床参数的调整

空运行所选择的数控专用组合铣床，将数控专用组合铣床横梁上的限位挡块调整到刀片距套管2㎜处时，刚好接触到减速限位开关，然后缓速进给15㎜后，挡块接触到返回限位开关，将挡块紧固，数控专用组合铣床还需调整如下参数：

冷却刀片的冷却水压：不低于0.1Mpa；

压紧套管的汽缸所需的压缩空气：120-140psi；

安装了铣刀片的主轴转速：120-135rpm；

铣刀加工筛管的进刀速度：4-6.3㎜/min；

4）切割加工

上述准备和调整完毕后，将刀片（11）安装在机床的主轴（3）上卡紧；将被加工的管放在管支撑座（7）上，在控制台（8）上操作汽缸（1）将被管压紧；在控制台（8）上开启主轴电机（14）使主轴旋转，在控制台（8）上操纵主轴箱（4）下降开始的加工，当刀片（11）下降到距套管2㎜处，机床下降挡块碰到第一个减速限位开关（6），机床进给速度减慢到进刀速度：4-6.3㎜/min；然后进刀15㎜后挡块碰到第二个返回限位开关（5），机床丝杠（2）反转，进给主轴箱（4）上升，这样就完成一次矩形缝的切割；若加工梯形缝，要将V字型铁支撑体（7）以钢管支撑座旋转空间零点（A）沿着摆动滑道（12）做左右各3°的摆动，在加工一次，就可以加工出梯形缝；然后抬起汽缸（1）压杆抬起，根据用户要求的每周缝数进行分度将钢管旋转一定角度，压下压杆，进行下一刀的切割，如此反复就能够加工成钛基合金割缝筛管。

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