石油套管特殊螺紋接頭加工效率研究

閆凱，武志勇，白強(qiáng)，巨翔

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077;2.中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司，北京100006;3.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，西安710077）

0 引 言

隨著各大油田深井、高溫高壓氣井及含腐蝕氣體等高難度井逐漸增多，對石油套管螺紋接頭的密封性能、連接強(qiáng)度及抗腐蝕能力都有了更高的要求，而API標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭已經(jīng)不能滿足這些高難度井用套管的要求[1-3]。特殊螺紋接頭采用全新密封形式、強(qiáng)度結(jié)構(gòu)及螺紋牙形，以其良好的密封性和較強(qiáng)的連接性得到了油田客戶的青睞，國內(nèi)外很多鋼管公司已經(jīng)開始大批量生產(chǎn)[4-6]。特殊螺紋接頭典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

但是由于特殊螺紋接頭的結(jié)構(gòu)形狀、鋼管材料等均異于常規(guī)，如何選擇合理的工具和加工工藝，是提高特殊螺紋接頭加工效率的關(guān)鍵，也影響著特殊螺紋接頭石油套管的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[7-8]。本文基于QC知識，從石油套管螺紋接頭加工的人員、車床及刀具、光管材料、加工工藝等方面進(jìn)行分析研究，旨在提高石油套管特殊螺紋接頭的加工效率。

圖1 特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)

1 現(xiàn)狀調(diào)查

對某工廠車間15個工作班次某型石油套管XG特殊螺紋接頭接箍生產(chǎn)進(jìn)行了全程跟蹤和加工統(tǒng)計。XG特殊螺紋接頭接箍結(jié)構(gòu)如圖2所示。接箍主要由螺紋部分、密封面部分、退刀槽部分、抗過轉(zhuǎn)矩臺肩等組成。

該接箍的車削加工工序主要包括坯料裝載、平端面、粗車鏜孔、精車密封面、車螺紋，半成品掉頭裝載車削另一端，成品卸載。車削加工過程如圖3所示。

圖2 某型石油套管特殊螺紋接頭接箍結(jié)構(gòu)

圖3 接箍的車削加工工序

XG接箍加工工況如表1所示。

表1 加工工況表

XG接箍兩端加工情況相同，以單端加工為研究對象進(jìn)行統(tǒng)計分析，加工情況統(tǒng)計如表2所示。根據(jù)統(tǒng)計情況分析得出，XG接箍單端加工的總用時為574 s，其中粗車鏜孔、精車密封面和車螺紋用時最長。分析接箍輪廓結(jié)構(gòu)，粗車切削量最大，其次為車螺紋，再次為精車密封面。4個加工工序分別使用不同的刀具，需要換刀4次。

2 原因分析

針對XG特殊螺紋接頭接箍的整個加工環(huán)節(jié)，從“人、機(jī)、料、法、具、環(huán)”等6個方面出發(fā)，分析影響XG特殊螺紋接頭接箍加工效率的各個環(huán)節(jié)因素，運用“頭腦風(fēng)暴法”發(fā)表意見，得出可能影響XG特殊螺紋接頭接箍加工效率的原因，整理形成導(dǎo)致XG特殊螺紋接頭接箍加工效率低下的原因分析圖，如圖4所示。

圖4 原因分析圖

由原因分析圖，得出XG特殊螺紋接頭接箍加工效率低下的可能原因如下：1）人員技能水平低，工作責(zé)任心差；2）機(jī)床性能差，加工不穩(wěn)定；3）鋼管材料強(qiáng)度高，可車削性能差；4）工藝設(shè)計不合理，車削路線有冗余；5）刀具選擇不合理，車削效率低；6）加工環(huán)境惡劣，加工過程受干擾。

3 確定主要原因

1）對XG接箍加工用刀具進(jìn)行查看，并分析研究各加工工序的運行情況。

結(jié)果表明：XG接箍加工中，平端面工序采用方刀片，粗車鏜孔工序采用80°合金菱形刀，精車密封面工序采用45°合金菱形刀，車螺紋工序采用單齒成型合金螺紋刀片。采用4種刀片，需要4次換刀。粗車鏜孔工序切削量很大，費時也最長。80°合金菱形刀每次背吃刀量需控制在4 mm以內(nèi)，否則切削力大，刀片磨損過快，對刀桿性能也有影響。如能減少換刀，并優(yōu)化粗車鏜孔加工，可顯著提高加工效率。

2）對XG接箍加工工藝及各加工步驟時間進(jìn)行查看和統(tǒng)計。該接箍的車削加工工序主要包括坯料裝載、平端面、粗車鏜孔、精車密封面、車螺紋，半成品掉頭裝載車削另一端，成品卸載。以單端加工為對象進(jìn)行統(tǒng)計分析和研究。

結(jié)果表明：XG接箍單獨加工的總用時為574 s，其中粗車鏜孔、精車密封面和車螺紋用時最長，分別為246 s、84 s、220 s。分析接箍輪廓結(jié)構(gòu)和每個工序走刀路線，發(fā)現(xiàn)該接頭加工輪廓曲線是特殊形狀，而上述3個加工工序均采用機(jī)床自帶的循環(huán)程序，導(dǎo)致車削走刀路線空程大大增加，加工用時較長。如能優(yōu)化車削走刀路線，減少車削空程，則能顯著提高加工效率。

4 制定對策并實施檢查

針對上述確定的2個主因，經(jīng)過討論研究，制定出相應(yīng)的對策，如表3所示。

表3 對策計劃表

在設(shè)定對策全部實施后，期間進(jìn)行了10個批次XG特殊螺紋接頭接箍的加工，經(jīng)過對加工的接箍進(jìn)行參數(shù)檢測和加工用時統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：1）采用優(yōu)選刀具和優(yōu)化工藝加工出的接箍各項參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，加工質(zhì)量良好；2）采用優(yōu)選刀具和優(yōu)化工藝使得接箍加工中換刀次數(shù)由4次降為3次，車削走刀路線冗余和空程減少50%以上。

對10個批次XG特殊螺紋接頭接箍單端平均加工用時進(jìn)行統(tǒng)計。XG特殊螺紋接頭接箍單端平均加工用時由過去的574.5 s降低到488.6 s，平均加工效率提高了14.8%。

圖5 改進(jìn)前后的加工時間對比圖

5 結(jié) 論

通過QC知識對特殊螺紋接頭加工效率低下的問題進(jìn)行了研究，從“人、機(jī)、料、法、具、環(huán)”等6個方面出發(fā)，分析了影響XG特殊螺紋接頭接箍加工效率的各個環(huán)節(jié)因素，針對刀具選擇不合理、工藝設(shè)計不合理、車削路線有冗余等主因，研究對策并實施。檢驗對比表明，優(yōu)化方法將接箍加工效率大大提升，有助于降低生產(chǎn)成本。