石油鉆桿摩擦焊后內(nèi)沖技術(shù)的探討

牛成杰，張梅梅，戴樹潭，孔令楠

（1. 渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣 062658；2. 渤海石油裝備制造有限公司，河北 青縣 062658；3. 河北華新檢測技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 青縣 062658；4. 渤海裝備公司研究院，河北 青縣 062658）

石油鉆桿在鉆井過程中主要用途是傳遞動力及輸送鉆井液［1］。由于地層的多樣性、開采要求的復(fù)雜性，鉆桿在實際使用中承受拉、壓、彎、扭多種交變載荷作用［2］，并受到硫化物、氧化物、鹽類等多種腐蝕介質(zhì)侵蝕，作業(yè)環(huán)境極端惡劣。石油鉆桿經(jīng)摩擦對焊為一個整體［3-8］，接頭螺紋及摩擦對焊區(qū)是其薄弱環(huán)節(jié)［9］。為解決鉆桿螺紋失效后的修復(fù)問題，鉆桿接頭大鉗區(qū)長度被不斷增加［10］，機(jī)床刀桿加工位置不斷變深，但由于刀桿長徑比的限制，車削穩(wěn)定性難以保證，易出現(xiàn)打刀、振紋的現(xiàn)象，無論是加工質(zhì)量還是生產(chǎn)節(jié)拍，傳統(tǒng)機(jī)床車削已有明顯的局限性［11］，而使用鉆頭鉆削的質(zhì)量又難以控制［12-15］。石油鉆桿焊環(huán)內(nèi)沖裝置在金屬焊環(huán)溫度高、硬度低時，一次沖切成型，可以有效降低深孔加工難度，具有效率高、質(zhì)量好、易維護(hù)等特點，是現(xiàn)階段去除內(nèi)焊環(huán)的優(yōu)選方案［12］，但受內(nèi)表面加工難度所限，易出現(xiàn)啃肉、黏連、劃傷、卡死等問題。國內(nèi)某公司在內(nèi)沖技術(shù)應(yīng)用過程中，不斷總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化工藝，使沖切質(zhì)量得到了有效提高。

1 石油鉆桿內(nèi)沖系統(tǒng)的基本構(gòu)成

摩擦對焊時，石油鉆桿在軸向壓力作用下高速旋轉(zhuǎn)摩擦，焊區(qū)熔融態(tài)金屬受擠壓形成月牙狀焊環(huán)，石油鉆桿內(nèi)焊環(huán)位于接頭與管體交界處。石油鉆桿摩擦焊后內(nèi)焊環(huán)去除系統(tǒng)（簡稱內(nèi)沖系統(tǒng)）主要由動力及平衡、傳動、接頭及管體定位系統(tǒng)和沖切刃具等構(gòu)成。該系統(tǒng)利用金屬高溫狀態(tài)下硬度較低特點，在焊環(huán)形成之初，通過沖切刃具軸向位移剪切去除內(nèi)焊環(huán)，內(nèi)沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 內(nèi)沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 內(nèi)沖系統(tǒng)構(gòu)成介紹

2.1 動力及平衡系統(tǒng)

石油鉆桿內(nèi)沖工藝對剪切力的穩(wěn)定性有較高要求，以避免沖切時出現(xiàn)的劃傷、啃肉、刃具卡死等問題。動力及平衡系統(tǒng)主要由液壓缸與平衡缸構(gòu)成，液壓缸輸出壓力轉(zhuǎn)化為內(nèi)沖刃具剪切力。平衡缸內(nèi)對裝的導(dǎo)向平鍵（配合公差I(lǐng)T6），用于輸出壓力同軸度控制。焊環(huán)尺寸受鉆桿規(guī)格及摩擦壓接參數(shù)兩個因素影響，一般來說鉆桿直徑和壁厚越大，焊區(qū)熔融態(tài)金屬翻出量越多。

內(nèi)沖剪切力F 計算公式：

式中 k —— 材料因數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)，取1；

l —— 沖裁周長，m；

t —— 厚度，m；

液壓缸輸出壓力選擇不當(dāng)可能造成內(nèi)沖失敗或設(shè)備損傷，通過沖壓力計算，結(jié)合內(nèi)沖后管壁光潔度、焊環(huán)成型效果、沖切刃具損耗等因素進(jìn)行判斷，液壓缸壓力輸出在90～120 kN 時，可以取得良好的沖切效果。

2.2 傳動系統(tǒng)

2.2.1 傳動組件結(jié)構(gòu)

液壓缸壓力經(jīng)平衡缸穩(wěn)定后，由一根多段傳動桿向沖切刃具傳遞，傳動桿結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由于加工精度及重量偏心限制，傳動桿總長度一般控制在1 m 以內(nèi)，傳動桿螺紋端面同軸度不低于0.05 mm。沖切段向加粗段平滑過渡，使用40Cr 制作以提高其淬透性，減少應(yīng)力導(dǎo)致的形變。

圖2 傳動桿組成示意

2.2.2 傳動桿各部分功能

（1） 傳動桿定位段與平衡缸連接定位后，應(yīng)使用螺紋備帽緊固；

（2） 傳動桿加粗段主要保持傳動桿整體剛性；

（3） 傳動桿過渡段內(nèi)沖時可部分進(jìn)入鉆桿內(nèi)孔，設(shè)計時應(yīng)注意可能發(fā)生的尺寸干涉；

（4） 傳動桿沖切段推動沖切刃具進(jìn)入鉆桿內(nèi)孔。沖切段直徑、長度及螺紋型式根據(jù)石油鉆桿規(guī)格確定。

2.3 沖切刃具

2.3.1 分 類

沖切刃具根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可以分為直沖刃具、分體刃具兩類。直沖刃具為一個整體，如圖3所示；分體刃具如圖4 所示，一般為四等分結(jié)構(gòu)，摩擦焊前放置于內(nèi)孔變徑處。

圖3 直沖刃具工作示意

圖4 分體刃具工作示意

2.3.2 選擇依據(jù)

（1） 直沖刃具用于內(nèi)孔直徑一致的通徑鉆桿，圖5 所示為直沖刃具即將開始沖切的狀態(tài)；

（2） 變徑鉆桿接頭尾部變徑空間可以用于放置沖切刃具并進(jìn)行定位，應(yīng)選用分體沖頭。

圖5 直沖刃具沖切示意

2.4 定位系統(tǒng)

內(nèi)沖系統(tǒng)定位結(jié)構(gòu)如圖6 所示。石油鉆桿接頭在主軸通孔內(nèi)進(jìn)行定位，管體定心夾具位于鐓粗區(qū)域后。

圖6 內(nèi)沖系統(tǒng)定位結(jié)構(gòu)示意

2.4.1 接頭定位

為解決螺紋失效后修復(fù)的問題，鉆桿接頭大鉗區(qū)長度不斷增加，接頭最大可加長至L4 級。由于卡盤夾持能力及機(jī)械加工范圍的限制，鉆桿接頭懸伸長存在極限位置。由多種可選構(gòu)件組成的定位方案，可以根據(jù)接頭長度靈活調(diào)整定位位置，該方案包括定位盤調(diào)整組件、接頭定位盤、卡爪調(diào)整組件、接頭卡爪，采用“搭積木”的形式配裝，以滿足不同規(guī)格接頭的定位需要。

2.4.2 管體定位

管體定位由管端定心夾具完成。鉆桿管體在進(jìn)入工位前，完成軸向定位，通過橫移梁搬送并在工位中完成徑向定位。管體端面懸伸長度控制在40～50 mm，以減少同軸度誤差。

3 工藝要求

3.1 定位要求

摩擦對焊時，由于主軸高速旋轉(zhuǎn)并在摩擦對焊時產(chǎn)生機(jī)械振動，接頭與管體需要良好的夾持穩(wěn)定性。應(yīng)根據(jù)接頭長度選擇適用的定位工裝組合，將接頭懸伸長控制在一定范圍，以減少旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏心，提升對焊后接頭與管體的同軸度。在作業(yè)指導(dǎo)文件中應(yīng)明確液壓系統(tǒng)及夾具工裝等部件的檢查周期，定期維護(hù)以確保內(nèi)沖系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 內(nèi)沖前準(zhǔn)備

3.2.1 外觀檢查

（1） 對焊區(qū)外觀檢查。

接頭對焊區(qū)由內(nèi)削、外削工序加工完成，管體對焊區(qū)由端部車削加工完成。作業(yè)人員應(yīng)對作業(yè)面進(jìn)行外觀檢查，主要檢查要點見表1。

表1 摩擦對焊作業(yè)面外觀檢查要點

（2） 生產(chǎn)過程工藝裝備夾具外觀檢查。

作業(yè)人員根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格，提前準(zhǔn)備生產(chǎn)過程工藝裝備夾具并對其外觀進(jìn)行檢查，主要檢查要點見表2。

3.2.2 原管對焊區(qū)內(nèi)孔尺寸檢查

使用百分表對原管對焊區(qū)內(nèi)孔進(jìn)行點檢，管端內(nèi)孔直徑下極限偏差不低于內(nèi)沖刃具外徑上極限偏差。使用通徑規(guī)對焊區(qū)內(nèi)孔進(jìn)行連續(xù)檢查，無明顯卡澀現(xiàn)象，檢查深度不小于50 mm。內(nèi)沖前通徑規(guī)檢查如圖7 所示。

3.2.3 傳動裝置選擇

根據(jù)石油鉆桿內(nèi)徑型式，選擇適配的傳動桿。

（1） 直徑要求：沖切段外徑應(yīng)小于沖切刃具外徑，直徑差一般控制在10 mm 以內(nèi)，以保證受力均勻性。

（2） 長度要求：沖切段長度應(yīng)保證刃具刃口超過對焊線20～30 mm。合適的長度可以提高傳動桿穩(wěn)定性，同時避免沖切刃具探入過深，超過管體端部加工范圍發(fā)生卡死。

表2 生產(chǎn)過程工藝裝備夾具外觀檢查要點

圖7 內(nèi)沖前通徑規(guī)檢查

（3） 其他部分要求：根據(jù)裝配要求確定。

3.2.4 沖切刃具準(zhǔn)備

沖切刃具受摩擦對焊區(qū)高溫影響，不經(jīng)冷卻處理硬度會明顯降低。為滿足生產(chǎn)節(jié)拍需要，分體刃具備用數(shù)量通常不少于4 組，直沖刃具不少于2組，用于沖切后冷卻替換。

4 內(nèi)沖后檢查

（1） 內(nèi)沖結(jié)束后對鉆桿焊區(qū)進(jìn)行目視檢查，焊環(huán)殘留高度滿足要求，無明顯劃痕、啃肉、黏連等現(xiàn)象；

（2） 使用長鐵鉤對焊區(qū)內(nèi)表面進(jìn)行接觸鉤拉，過渡平滑，無明顯震動；

（3） 對脫落焊環(huán)外形進(jìn)行觀察，以判斷內(nèi)沖系統(tǒng)工作狀況；

（4） 傳動桿結(jié)構(gòu)完好，螺紋連接處無拉傷；

（5） 沖頭刃口無明顯變形、鈍化、龜裂等現(xiàn)象，表面無焊環(huán)黏連。直沖刃具使用壓縮空氣吹掃冷卻，分體刃具放入水槽冷卻。

5 結(jié) 語

內(nèi)沖技術(shù)的應(yīng)用提高了生產(chǎn)效率，有效減少了深孔加工難度。結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗，對內(nèi)沖系統(tǒng)工藝要求進(jìn)行了總結(jié)。針對不同型式的石油鉆桿，采用靈活多樣的內(nèi)沖方案，可以有效減少內(nèi)沖中易發(fā)生的黏連、啃肉、劃傷、卡死等問題，有效改善石油鉆桿對焊區(qū)質(zhì)量。