外加厚油管加厚端常見質(zhì)量缺陷及分析

曹 妍，張國祥，趙 強(qiáng)，馮 巖

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，市場對無縫鋼管的需求量越來越大，而需求的無縫鋼管品種、規(guī)格也在不斷增加［1-2］。我國每年油井管（油管、套管、鉆桿、鉆鋌）用量約為120 萬t，其中油管占總用量的17%～22%［3-4］。為了滿足國內(nèi)外無縫鋼管市場需求，擴(kuò)大無縫鋼管的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠從中國重型機(jī)械研究院有限公司購進(jìn)了一條油管管端加厚生產(chǎn)線，采用“二次加熱+一次成型”生產(chǎn)工藝［5］。目前該生產(chǎn)線已投入生產(chǎn)，主要生產(chǎn)Ф48.26 ～114.3 mm×3.68～7.01 mm外加厚油管，小時(shí)生產(chǎn)能力為55～110 支；其加厚模具壽命達(dá)到世界領(lǐng)先水平（每套使用頻次可達(dá)到8 000 次［6］）。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)和調(diào)整設(shè)備及工藝，該生產(chǎn)線已經(jīng)完全具備生產(chǎn)滿足API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求的外加厚油管的能力。

1 外加厚油管的結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)

外加厚油管是對管坯兩端進(jìn)行鐓粗，整體熱處理，使增厚端外徑大于管體外徑，而內(nèi)徑不變的油管；在鐓粗部分加工外螺紋，這種油管管端的強(qiáng)度與管體相同［7］。其原理就是將油管的端部經(jīng)過局部加熱后，通過擠壓使其長度縮短、壁厚增加，以提高油管連接處的強(qiáng)度。

外加厚油管的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，加厚端長度Leu、管端到加厚消失處長度Lb、加厚端外徑D4和距管端La處外徑Dc是保證管端外加厚油管尺寸精度的主要參數(shù)。

1 — 管體 2 — 接箍圖1 外加厚油管的基本結(jié)構(gòu)示意

2 幾何尺寸分析

2.1 尺寸控制

從加厚模具形狀和鐓鍛工作原理［8］可知，油管加厚端的幾何尺寸完全受模具形狀的限制，因而模具的設(shè)計(jì)精度很重要。以加厚Φ73.02 mm×5.51 mm油管為例，調(diào)整工藝參數(shù)使Leu為82.55～107.95 mm，距管端158.75 mm 處外徑Dc為72.23～75.40 mm，D4為78.59～80.18 mm。同時(shí)，為了確保Lb不超過260.36 mm，應(yīng)控制油管加熱長度，即控制油管伸進(jìn)爐腔的長度在260 mm 以內(nèi)。

2.2 測量數(shù)據(jù)

連續(xù)測量10 支Φ73.02 mm×5.51 mm 外加厚油管加厚端的尺寸，其測量結(jié)果見表1。

表1 Φ73.02 mm×5.51 mm 外加厚油管加厚端尺寸測量結(jié)果mm

從表1 可看出：只要工藝參數(shù)保持不變，外加厚油管加厚端的幾何尺寸就沒有太大變化；因此，控制外加厚油管加厚端的表面缺陷十分重要。

3 外加厚油管加厚端常見表面缺陷分析

3.1 外表面凸棱

由于加厚模具的限制，在合模過程中必然會在油管加厚端外圓周面產(chǎn)生一道軸向凸棱，一般叫做合模線。凸棱降低了油管外表面質(zhì)量，影響加厚端外觀尺寸。通過降低加厚模具的夾緊力，可減少外表面凸棱的厚度，但要保證加厚端外徑不能超差。加厚模（合模線處）磨損，也易產(chǎn)生外表面凸棱。外加厚油管外表面凸棱和飛邊缺陷如圖2 所示。

圖2 外加厚油管外表面凸棱和飛邊缺陷

3.2 端頭耳子、凹槽

端頭耳子（飛邊）是指外加厚油管加厚端頭延伸出端面，并沿圓周方向的突起（圖2）。更換產(chǎn)品規(guī)格時(shí)，金屬變形量發(fā)生變化，需要調(diào)整壓力繼電器發(fā)訊值以調(diào)整鐓粗力［9］。如果設(shè)定的鐓粗力偏小，金屬在沒有充滿模腔的情況下鐓粗力已達(dá)到設(shè)定值，沖頭返回，端頭會出現(xiàn)凹槽（圖3）；若設(shè)定的鐓粗力過大，金屬會從模腔與沖頭間的縫隙擠出而出現(xiàn)飛邊。實(shí)踐證明：調(diào)整加厚尺寸的4 個(gè)限位接近開關(guān)（即位移傳感器），增加沖頭的有效行程，可消除飛邊。由于金屬在變形過程中與模腔表面存在相對運(yùn)動(dòng)，會產(chǎn)生摩擦，所以模具的潤滑很重要。若潤滑不到位，摩擦力會阻礙金屬塑性流動(dòng)而產(chǎn)生飛邊。

圖3 外加厚油管端頭凹槽缺陷

3.3 內(nèi)表面環(huán)狀凹坑

在外加厚油管加厚區(qū)域，內(nèi)表面呈環(huán)狀凹面或凹槽，如圖4 所示。鋼材的變形抗力與加熱溫度有關(guān)，在變形速度一定的情況下，加熱溫度越低，其變形抗力越大。所以，如果油管鐓粗時(shí)溫度過低，勢必增加其變形抗力，設(shè)定的水平鐓粗力不能使金屬完全聚積變形，導(dǎo)致內(nèi)表面出現(xiàn)環(huán)狀凹坑。若加熱時(shí)間過短，油管加熱溫度不均，導(dǎo)致金屬流動(dòng)性差，進(jìn)入型腔時(shí)的溫度不足，因而產(chǎn)生環(huán)狀凹坑。若送料不到位，參與變形的金屬少，沖頭到達(dá)前限位時(shí)金屬并沒有充滿模腔，也會產(chǎn)生凹坑。除此之外，石墨（潤滑劑）質(zhì)量的好壞和冷卻水也是影響外加厚油管表面質(zhì)量的重要因素［10-11］。冷卻模具時(shí)，需要有充足的水量，并保證一定的水壓。水量充足，模具特別是沖頭的工作面溫度就會下降較快，一方面提高了沖頭的使用壽命，另一方面有利于石墨潤滑劑的黏附；加大水壓，有利于沖洗掉黏附在模具上的氧化鐵皮、污物等雜質(zhì)，減少雜物對鐓粗表面質(zhì)量的影響。

圖4 外加厚油管內(nèi)表面凹坑缺陷

3.4 外表面結(jié)疤

油管加厚端外表面有結(jié)疤狀凹坑或掉肉的現(xiàn)象稱為外表面結(jié)疤，如圖5 所示。結(jié)疤的形成有兩方面因素：①加熱溫度高，外表面氧化掉渣；②加厚模沒有充分潤滑好，脫模時(shí)將熱態(tài)的塊狀金屬粘連而脫落。適當(dāng)調(diào)整加熱溫度和加熱時(shí)間，可減少外表面金屬過燒或氧化過快；盡量使石墨和冷卻水噴灑均勻，以達(dá)到最佳潤滑、冷卻效果［12］。

4 結(jié) 論

（1） 通過降低夾緊力可減小外加厚油管加厚端的凸棱厚度，而選取合適的鐓粗力、調(diào)整加熱溫度和時(shí)間、改善潤滑冷卻效果，可減少端頭耳子、內(nèi)表面環(huán)狀凹坑和外表面結(jié)疤等缺陷的出現(xiàn)。

圖5 外加厚油管外表面結(jié)疤缺陷

（2） 外加厚油管加厚端表面缺陷的形成原因復(fù)雜，大部分缺陷是同時(shí)由多因素造成［13］；因此，對于外加厚油管加厚端質(zhì)量缺陷的預(yù)防和設(shè)備的調(diào)整，仍需要不斷地總結(jié)和改進(jìn)。

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