大规格油套管管端加厚机的研发_马辉.pdf
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1、设计与开发大规格油套管管端加厚机的研发马辉,高国杰,秦伟超,王建国,任明杰(中 国重型机械研究院股份公司?金属成形技术与重型装备全国重点实验室,陕西西安)摘要:简述了油套管的发展趋势和局 限性,总结了预应力双工位大规格油套管管端加厚设备的研发经验,以及管端加厚技术的创新点;分析了影响 钢管加厚镦粗时产品质量的主要工艺参数;基于软件建立了管端加厚成形过程的有限元模型,分析了管坯加热温度、模具与 钢管间摩擦因数、冲头镦粗速度对加厚设备载荷的影响。关键词:油套管;管端;加厚;大规格;预应力;双工位:开放科学(资源服务)标识码(),(,):,?,?,:;油套管主要用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑以保
2、证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行。油套管是油气钻采的重要设备,是石油钻采工程中要求高、用量大的深度加工产品。随着世界石油开采业的发展及油井深度的不断增加,水平井、深井和超深井、大位移井等钻井技术的应用,钻井成本和钻井风险也在不断增加,油套管正向着髙强度、高韧性、资源节约型、安全环保等方面发展,油套管的质量问题日益受到关注。油套管的寿陕西省科学技术研究发展计划科技成果转移与推广计划获奖成果转化项目()马辉(),男,硕士,高级工程师,主要从事冶金重型设备和钢管热处理装备的设计和研发工作。命决定了油气井的寿命,油套管在井下的失效形式主要有螺纹滑脱、拉断、挤毁、爆破、泄漏、腐蚀破坏和射孔开裂
3、等,我国 因油套管损坏而造成油气井破坏或报废的经济损失就达数十亿元,油套管的质量可靠性至关重要。以往国内多采用厚壁管进行油套管管端的螺纹加工或者在油套管端部焊接厚壁管进行螺纹加工,以满足油套管的等强度要求。采用厚壁管加工造成油套管质量增加,尤其是深井和超深井,造成钻井的成本陡增且对整个井壁的负担变大。采用油套管端部焊接厚壁管进行螺纹加工,由于焊接部分的应力集中,容易造成拉断。不加厚油套管容易螺纹滑脱,焊接加厚油套管容易拉 断,厚壁管深加工更不可取。,钢管年月第卷第期设计与开发根据试验获得的材料数据及真应力真应变曲线的特征,在研究了应变、应变速率及温度等与应力对应关系后,确定该材料的本构方程(该
4、热塑性本构方程考虑了主要的工程参数,不涉及微观组织结构参数,简单明 了,比较适合于工程应用()()式中占真应变;应变速率;,与材料有关的常数。温度对流变应力的影响随着温度的提髙,一般金属的塑性增加,变形抗力降低。级钢的抗拉强度 随温度变 化曲线如图所示,可以看出加热到时,级钢的抗拉强度从 降低到左右,降幅达,所以锻前加热是锻造生产必不可少的重要工序之一。为了不产生或少产生氧化、脱碳、过烧、过热等缺陷,每种材料都有其合理的锻造温度 范围,一般始 锻温度 应 低于熔点冗,一般材质的油套管始锻温度为丈。温度图级钢 在不同温度下的抗拉强度应变速率对流变应力的影响应变速率是指单位时间内变形程度的变化量,
5、即相对变形对时间的导数:()?()()式中压机站子的瞬时工作速度,;变形钢管的瞬时高度,。大量的研究和实践表明,随着应变速率的增加,变形抗力显著增 加。这是由于变 形速率增 加时,要驱使数目更多的位错同时运动,从而使金属的真实流动应力提尚。钢管镦锻力的计算钢管的镦锻成形是外力作用下产生的,因此正确计算 变形力是选择设备、设计模具的重要依据。变形力的计算公式为:()中国重型机械研究院股份公司(简称中 国重型院)研发并推广的钢管管 端加厚机主要应 用于)()以下的油套管和钻杆的一体镦粗成型,改善了加厚管“脖颈”处的应力集中问题。根据市场的需求和钻井的发展,大规格油套管的发展也将会向轻质量、等强度、
6、一体成型发展。大规格油套 管 管端加厚机为了适应油套管的发展应运而生,也可以广泛应用于油缸管的端部加厚。中 国重型院设计研发了一条管端加厚生产线,其可以对¥()大规格油套管进行端部镦锻成型,实际可对()钢管进行端部镦锻成型。现介绍大规格油套管管端加厚机的研发经验,以供后续研发参考。基本理论研究热塑性本构方程的确定热模锻的关键是锻件热态的流变 应力它表征材料在特定条件下的抗塑性变形能力,取决于材料的成分、组织、变形温度、变形速率、变形程度等。本文针对级钢进行研究,取为各变形条件下的稳态应力值,分别绘制出不同变形温度下的关系及不同应 变速率下关系,采用最小二乘法分别对这些数据进行线性回归,然后绘制
7、出相应的直线,如图所示。图不同变形温度下稳态应力 与应变速率的关系图不同应变速率下温度与应力的关系 ,设计与开发式中尺应力状态系数,异号应力状态时尺,三向正应力状态时尺;工件与模具的接触面积在主作用力方向上的投影,。就管端加厚来说,材料内部应力 为三向正应力状态,所以应力状态系数尺为定值;工件与模具的接 触面积在主作用力方向上的投影与产品相关,也无法改 变,能改变的 只有计算中的变形温度、变形速率。在工艺规程设计中,应分别计算出每一工步成形力的上限值、下限值,选择适当 的加厚设备。选择设备的原则是设备的实际能力应不小于计算成形力的下限值、接近或略大于上限值。由于最终成形时 材料变形 部分垂直于
8、管坯中心线的投影面积最大,所需的实际变形力也最大。成形力 与变形材料的屈服强度、成形件垂直于成形力方向的投影面积、变形速度、变形方式、变形量、变形温度、变形区相对尺寸、工件和模具接触表面的摩擦条件等诸多因素有关,实际设计时最大成形力计算公式为:()式中。最大成形力,;一投影面积上单位面积的平均成形力,;应变速度系数,热加工时,液压机取;人变形方式和摩擦条件影响系数,对没有毛边的 闭口模锻,取,对带毛边的开口模锻,取;终锻温度 下材 料的静载屈服强度,;成形件垂直于成形力方向的投影 面积,。选择 成形设备时,其 额定压力应比巧大些,为户。芥。以缴锻规格油套 管端部为例,取,考虑到以后镦锻更大规格
9、油套管留有设备余量,故镦锻力选用;夹紧力按照通用的选取法,即:关系,为。预 应力双工位加厚机管端加厚主机是完 成钢管端部镦粗的核心设备,加厚主机在垂直方向受夹持钢管的夹紧力,在马辉等:大规格油套管管端加厚机的研发水平方向受加厚钢管的镦粗力,通过理论计算和模拟分析,研发了适用于多道次镦粗的预应力双工位加厚机。夹紧模和加厚模分为上下两部分分别安装在上下模座,平移模座进行镦粗工位的模具更换;冲头设计安装在水平镦粗油缸的 冲头换模夹具中,带位移传感器的换模推缸进行左右冲头工位的选择,并由插销油缸进行锁定。镦粗工位和水平镦粗油缸同心,夹紧模、加厚模和冲头通过调整至镦粗工位,进行钢管管端镦粗。预应力双工位
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