CN111872385B - 一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法 - Google Patents

一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，所述螺纹接头包括螺纹、密封面、扭矩台肩以及螺纹与密封面之间的过渡柱面；从密封面连续至扭矩台肩，结束至内管，加工至设计尺寸之后，继续车削加工，去除设定的加工量，作为增材制造的覆盖层厚度；采用激光定向能量沉积方法，在密封面和扭矩台肩逐层堆积耐蚀合金层至设计尺寸；外管与接箍连接旋紧后，接箍与密封面和扭矩台肩面耐蚀合金层形成干涉配合；所述耐蚀合金层的屈服强度与外管材料屈服强度相同；采用增材制造技术加工密封结构，保证管内腐蚀介质不接触外管，同时保证螺纹接头的结构和密封完整性，达到足够的加工精度和材料强度，不涉及后续机械加工和热处理工序。

Description

一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法
技术领域
本发明属于油钻采装备领域，具体涉及一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法。
背景技术
高压气田储层介质中普遍含有硫化氢、二氧化碳、氯离子等腐蚀性介质，广泛采用的酸化压裂增产作业过程中又需要向产出地层注入氢氟酸、盐酸等强腐蚀介质，气井生产及作业管柱中涉及大量螺纹接头需要在管内腐蚀环境下保持高压气体和液体密封性。典型的密封性特殊螺纹接头由螺纹、密封面和扭矩台肩三部分组成；其中：螺纹干涉配合实现接头旋入上扣和结构完整性，金属-金属密封面干涉配合实现接头气/液密封性，扭矩台肩干涉配合实现接头上扣定位和抗压缩载荷作用。目前含腐蚀介质气井工况条件应用的油井管一般选用马氏体型不锈钢、双相不锈钢、镍基合金等管材保证耐腐蚀性，并容易保证螺纹接头部位的耐蚀连续性、结构完整性和气液密封性的统一，但是管材价格高、用量大，制约天然气勘探开发的经济性。
为解决耐蚀合金纯材投入费用较高的问题，双金属复合管开始研制并应用。双金属复合管的外管一般为低价的低碳微合金化钢材，采用大壁厚满足强度要求；内管一般为高价的不锈钢、镍基合金材料，采用小壁厚满足耐腐蚀要求。目前，虽然双金属复合管在油气地面集输、压力容器等领域有大量成功应用案例，但是在井下油井管几乎没有应用，关键制约因素是如何保证油井管管内耐蚀层在螺纹接头(尤其是气密封特殊螺纹接头)部位连续性的技术难题未很好解决，其困难性主要体现为如何在螺纹接头部位同时实现满足耐蚀、保证强度与密封、加工可靠等技术条件。
激光增材制造(laser additive manufacturing,LAM)技术是一种兼顾精确成形和高性能成性需求的一体化制造技术，也是目前金属增材制造技术中最可靠和可行的方法。激光选区熔化技术(SLM)是目前发展最成熟、应用最广泛的技术，但是其制造成形的尺寸较小，目前德国 Hofmann集团的双激光系统的最大成形范围仅仅为800mm×400mm×500mm。激光定向能量沉积技术按照预定的加工路径，将同步送进的粉末或丝材逐层熔化堆积，从而实现金属零件的直接制造与修复，构件性能可达到同成分锻件水平，零部件致密度近100％。运用该技术解决双金属复合油井管螺纹接头耐腐蚀密封性问题具备优势。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，对于典型的带扭矩台肩和径向金属对金属密封结构的特殊螺纹接头，采用增材制造技术加工密封结构，既保证管内腐蚀介质不接触外管，又保证螺纹接头的结构和密封完整性，加工控制过程可靠性高，达到足够的加工精度和材料强度，保证既定加工区域材料激光定向能量沉积全覆盖，不涉及后续机械加工和热处理工序。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，双金属复合油井管包括内管和外管，外管设置在内管外侧，外管端头为螺纹接头，所述螺纹接头包括螺纹、密封面、扭矩台肩以及螺纹与密封面之间的过渡柱面；从密封面连续至扭矩台肩，结束至内管，加工至设计尺寸之后，继续车削加工，去除设定的加工量，作为增材制造的覆盖层厚度；
采用激光定向能量沉积方法，在密封面和扭矩台肩逐层堆积耐蚀合金层，使密封面和扭矩台肩再次达到设计尺寸；
外管与接箍连接旋紧后，接箍的密封面和扭矩台肩面分别与密封面和扭矩台肩耐蚀合金层形成干涉配合；
所述耐蚀合金层的屈服强度与外管材料屈服强度相同。
耐蚀合金层所用金属粉末的粒度为75～120μm的镍基球形粉末。
激光定向能量沉积过程在氩气保护下进行，保证含氧量小于50ppm。
激光定向能量沉积过程中，激光功率在1.0kW～1.5kW，扫描速度为5mm/s～10mm/s，激光光斑直径为2mm，同步送粉速度为0.4g/min-0.7g/min。
激光定向能量沉积过程中，逐层多道次搭接堆积耐蚀合金层，多道次搭接率为40％；单道次堆积材料厚度小于0.2mm。
所述设定的加工量为0.5-2mm。
采用激光定向能量沉积方法，密封面的直径尺寸公差控制在±0.1mm，扭矩台肩面的轴向尺寸公差控制在±0.5mm以内。
螺纹采用常规设计和加工方式，螺纹牙顶直径偏差保持在±0.1mm以内。
内管采用复合工艺置于外管内部，外管采用低碳微合金化钢材制成，内管采用耐蚀合金材料制成，接箍采用耐蚀合金材料制成。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
激光定向能量沉积方法，在密封面和扭矩台肩逐层堆积耐蚀合金层至设计尺寸，保证打印耐蚀材料层与内管的连续性，保证腐蚀介质不接触扭矩台肩及密封面部位的外管材料，保证打印耐蚀材料层与外管材料的结合力，保证打印耐蚀材料层的材料强度，保证打印耐蚀材料层的厚度均匀性，保证增材制造后的螺纹扭矩台肩与密封面的尺寸精度和材料力学性能，不需要后续机械加工及热处理工序，本发明不影响内衬管复合工艺，在双金属复合管螺纹加工之后进行，不需要后续螺纹接头机械加工工序，不需要后续整管及局部热处理工艺，可以按照常规特殊螺纹油井管上扣及下井工艺操作，避免螺纹接头密封结构发生先腐蚀和后泄漏的问题，实现双金属复合油井管在管内腐蚀环境下的螺纹接头结构完整性和高压气体密封性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的双金属复合油井管螺纹接头的一个实施例的结构示意图；
图2是根据本发明的双金属复合油井管螺纹接头局部增材制造的一个实施例的结构示意图。
附图中，10-内管，20-外管，30-扭矩台肩，40-接箍扭矩台肩面，50-密封面，60-接箍密封面，70-过渡柱面，80-接箍螺纹，90-螺纹，100-接箍，110-密封面耐蚀合金层，120-扭矩台肩面耐蚀合金层。
具体实施方式
参考附图并结合实施例，详细说明本发明。
参考图1和图2，一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，双金属复合油井管包括内管10和外管20，外管20设置在内管10外侧，外管20端头为螺纹接头，所述螺纹接头包括螺纹90、密封面50、扭矩台肩30以及螺纹与密封面之间的过渡柱面70；从密封面50连续至扭矩台肩30，结束至内管10，加工至设计尺寸之后，继续车削加工，去除设定的加工量，作为增材制造的覆盖层厚度；采用激光定向能量沉积方法，在密封面50和扭矩台肩30逐层堆积耐蚀合金层至设计尺寸，扭矩台肩面30的轴向尺寸公差控制在±0.5mm以内。
外管20与接箍100连接旋紧后，接箍100的密封面和扭矩台肩面分别与密封面50和扭矩台肩30耐蚀合金层形成干涉配合；
所述耐蚀合金层的屈服强度与外管材料屈服强度相同。
如图1和图2所示，一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，根据本发明的双金属复合油井管接头，包括内管10和外管20，内管10采用镍基合金材料制成，外管20采用低碳微合金化钢材制成，外管材料屈服强度为758MPa。
内管10采用复合工艺置于外管20内部，并保持相当的复合力。
外管20加工气密封螺纹接头，接头包括螺纹90、螺纹与密封过渡柱面70、密封面50和扭矩台肩30；螺纹90采用常规油管螺纹设计和加工方式，螺纹90牙顶直径偏差保持在±0.1mm 以内，从外螺纹加工过渡柱面70和密封面50的结合处开始，从密封面50连续至扭矩台肩30，结束至内管10，在常规设计尺寸的基础上采用机械加工方式沿密封面50和扭矩台肩面30的法向，车削去除0.5-2.0mm，加工精度控制在±0.08mm以内，预留出后续增材制造过程覆盖耐蚀合金层的加工余量。
采用激光定向能量沉积技术，选用镍基合金粉末，镍基合金粉末需要粒度为75～120μm的镍基球形粉末，增材制造全过程在氩气保护下进行，保证含氧量小于50ppm。激光功率在 1.0kW～1.5kW，扫描速度为5mm/s～10mm/s，激光光斑直径为2mm，同步送粉速度为0.2g/min- 0.5g/min，多道次搭接率为40％；增材制造过程根据密封面50和扭矩台肩面30形貌设置扫描路径，逐层堆积耐蚀合金层，单道次堆积材料厚度小于0.1mm，通过多道次加工过程完成总堆积厚度0.5-2.0mm，在密封面50和扭矩台肩面30的预加工部位实现密封面耐蚀合金层110和扭矩台肩面耐蚀合金层120的厚度为0.5-2.0mm。加工后密封面50的直径尺寸公差控制在±0.1mm以内，扭矩台肩面30的轴向尺寸公差控制在±0.2mm以内，增材制造完成的密封面 50和扭矩台肩面30的密封面耐蚀合金层110和扭矩台肩面耐蚀合金层120的屈服强度达到 758MPa。
实施例1：选用镍基合金粉末，镍基合金粉末粒度约为75～100μm的镍基球形粉末，氩气保护，保证含氧量小于50ppm。激光功率在1.0kW～1.2kW，扫描速度为5mm/s，激光光斑直径为2mm，同步送粉速度为0.4g/min-0.7g/min，多道次搭接率40％；增材制造过程根据密封面50 和扭矩台肩面30形貌设置扫描路径，逐层堆积耐蚀合金层。第一道次采用的送粉速率约为 0.7/min,单道次堆积厚度约为0.2mm，降低稀释率。其余道次采用的送粉速率约为0.4g/min，单道次堆积材料厚度小于0.1mm，通过多道次加工过程完成总堆积厚度平均0.5mm。
实施例2：选用镍基合金粉末，镍基合金粉末粒度为75～100μm的镍基球形粉末，氩气保护，保证含氧量小于50ppm。激光功率在1.0kW～1.2kW，扫描速度为5mm/s，激光光斑直径为 2mm，同步送粉速度为0.4g/min-0.7g/min，多道次搭接率40％；增材制造过程根据密封面50和扭矩台肩面30形貌设置扫描路径，逐层堆积耐蚀合金层；第一道次采用的送粉速率为0.7/min, 单道次堆积厚度为0.2mm，降低稀释率。其余道次采用的送粉速率为0.4g/min，单道次堆积材料厚度小于0.5mm，通过多道次加工过程完成总堆积厚度平均为1.5mm。
实施例3：选用镍基合金粉末，镍基合金粉末粒度为75～100μm的镍基球形粉末，氩气保护，保证含氧量小于50ppm。激光功率在1.0kW～1.2kW，扫描速度为5mm/s，激光光斑直径为 2mm，同步送粉速度为0.4g/min-0.7g/min，多道次搭接率40％；增材制造过程根据密封面50和扭矩台肩面30形貌设置扫描路径，逐层堆积耐蚀合金层；第一道次采用的送粉速率为0.7/min, 单道次堆积厚度为0.2mm，降低稀释率。其余道次采用的送粉速率为0.5g/min，单道次堆积材料厚度0.08mm，通过多道次加工过程完成总堆积厚度平均为2.0mm。
接箍100采用镍基合金材质整体加工制造而成，与管体外螺纹的啮合部位包含螺纹、密封面及扭矩台肩。螺纹上扣到位后，接箍密封面60和接箍扭矩台肩面40与外螺纹的密封面50 上的密封面耐蚀合金层110和扭矩台肩面30处的扭矩台肩面耐蚀合金层120之间形成干涉配合。当油井管柱在井下承受拉伸复合载荷时，接箍100的扭矩台肩面40和管体上的扭矩台肩面30之间形成微小间隙130。管内腐蚀介质沿间隙130与接箍和管体的扭矩台肩面40、密封面50、密封面耐蚀合金层110和接箍100上的扭矩台肩面30处的扭矩台肩面耐蚀合金层120 发生接触直至外管上的密封面50和接箍100上的密封面60的啮合部位接触，扭矩台肩面40、密封面50、密封面耐蚀合金层110和扭矩台肩面耐蚀合金层120表面均为耐蚀合金，管内腐蚀介质在油井管柱实际服役条件下与内管10完全不发生接触，从而实现了双金属复合管在螺纹连接部位的连续性，同时保证了螺纹接头的耐蚀性、结构与密封完整性。局部增材加工过程不影响基管轧制及热处理、双金属复合、螺纹加工等工序的正常开展，不增加额外的机械加工和二次热处理工序，保证加工后螺纹关键部位的材料强度和尺寸精度，提供了全新、可靠的双金属复合油井管耐蚀密封螺纹接头制造方法。

Claims (6)

1.一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，其特征在于，双金属复合油井管包括内管(10)和外管(20)，外管(20)设置在内管(10)外侧，外管(20)端头为螺纹接头，所述螺纹接头包括螺纹(90)、密封面(50)、扭矩台肩(30)以及螺纹与密封面之间的过渡柱面(70)；从密封面(50)连续至扭矩台肩(30)，结束至内管(10)，加工至设计尺寸之后，继续车削加工，去除设定的加工量，所述加工量作为增材制造的覆盖层厚度；
采用激光定向能量沉积方法，在密封面(50)和扭矩台肩(30)逐层堆积耐蚀合金层，使密封面(50)和扭矩台肩(30)再次达到设计尺寸；
外管(20)与接箍(100)连接旋紧后，接箍(100)的密封面和扭矩台肩面分别与密封面(50)和扭矩台肩(30)耐蚀合金层形成干涉配合；
所述耐蚀合金层的屈服强度与外管材料屈服强度相同；耐蚀合金层所用金属粉末的粒度为75～120μm的镍基球形粉末；激光定向能量沉积过程中，激光功率在1.0kW～1.5kW，扫描速度为5mm/s～10mm/s，激光光斑直径为2mm，同步送粉速度为0.4g/min-0.7g/min；激光定向能量沉积过程中，逐层多道次搭接堆积耐蚀合金层，多道次搭接率为40％；单道次堆积材料厚度小于0.2mm。
2.根据权利要求1所述的双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，其特征在于，激光定向能量沉积过程在氩气保护下进行，保证含氧量小于50ppm。
3.根据权利要求1所述的双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，其特征在于，所述设定的加工量为0.5-2mm。
4.根据权利要求1所述的双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，其特征在于，采用激光定向能量沉积方法，密封面(50)的直径尺寸公差控制在±0.1mm，扭矩台肩面的轴向尺寸公差控制在±0.5mm以内。
5.根据权利要求1所述的双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，其特征在于，螺纹(90)采用常规设计和加工方式，螺纹牙顶直径偏差保持在±0.1mm以内。
6.根据权利要求1所述的双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法，其特征在于，内管(10)采用复合工艺置于外管(20)内部，外管(20)采用低碳微合金化钢材制成，内管(10)采用耐蚀合金材料制成，接箍采用耐蚀合金材料制成。
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