油套管接头加工质量控制方法研究

白 鹤 1 , 呼延辉 2 , 李 超 3,4 , 何石磊 3,4 ,苑清英 3,4 ,周新义 3,4 ,刘换军 5

(1.宝鸡职业技术学院 机电信息学院,陕西 宝鸡721013;2.中国石油长庆油田分公司,西安710021;3.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院,陕西 宝鸡721008;4.国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西 宝鸡721008;5.宝鸡石油钢管有限责任公司 连续油管分公司,陕西 宝鸡721008)

摘 要: 为了提高油套管接头的加工质量,解决生产中容易出现的质量问题,根据目前油套管接头常见的加工质量问题,分别从加工精度控制和表面质量控制两方面对油套管接头的加工质量控制方法进行了详细阐述。分析指出,根据工件材质、结构、性能等,确定合适的吃刀量、车削速度等工艺参数,设计结构合理的装夹工具,使用易安装、定位好且性能稳定的刀具,可提升油套管接头的加工质量。

关键词: 油套管;接头;质量控制;精度

油套管柱是由成百上千根石油专用管通过螺纹连接在一起,长期承受拉伸、压缩、弯曲、内外压以及复合应力的钢管串。据调查,国外油套管柱失效事故64%都发生在螺纹连接处,而国内则更高,约为86% [1] 。油套管螺纹接头部位是整个管柱最为薄弱的环节,因此,油套管接头的加工质量直接影响了整个管柱的性能。目前,我国油套管接头主要有两种:API螺纹接头(圆螺纹、偏梯螺纹)和特殊螺纹接头。相对来说,特殊螺纹接头在连接强度和密封性能上更加优良,接头的加工质量是油套管生产厂家生产实力的体现 [2-3] 。本研究通过总结油套管螺纹接头生产过程中容易产生的质量问题,提出了相应的解决方案,为油套管生产厂家提高制造水平提供一些参考。

1 我国油套管接头生产水平概况

我国是世界上消耗油套管最多的国家之一,但过剩的产能和低端的产品使得我国低端油套管市场长期处于供大于求的态势,而高端油套管产品却依然依赖进口。油套管接头的生产质量参差不齐,大型油套管生产厂家,如宝山钢铁股份有限公司、天津钢管集团有限公司、宝鸡石油钢管有限责任公司等大型国有企业均采用高力耐、埃马克、森精机等国际顶尖的进口油套管接头车丝机,保证了接头的加工精度,同时,严格、规范的原料及产品加工检测检验标准,使得产品质量得到进一步保证。但是,一些小型的油套管生产企业依然保留着较为原始的加工方式,设备精度不高、产品原料得不到保证,油套管接头质量波动较大。

2 油套管接头加工中常见问题及控制方法

油套管接头的加工质量可从加工精度和表面质量两方面来分析。加工精度是加工后零件表面的实际尺寸、形状、位置3种几何参数与图纸要求的理想几何参数的符合程度;表面质量则是指机械零部件加工完成后,其表面层所表现出的状态 [4-5]

2.1 加工精度

2.1.1 镗孔或拔皮过程中尺寸超差

在油套管接头加工过程中,经常会遇到程序编写的成型尺寸与实际加工出来的尺寸存在偏差。例如进行接箍内镗孔时,精镗后的成型尺寸会比设计尺寸小,造成尺寸超差。在保证机床自身精度的情况下,这类情况通常是加工工艺不当或刀具磨损导致。金属在车削过程中,刀片和被车削金属之间存在巨大挤压力,当吃刀量过大时,金属与刀具接触而产生弹性变形,车削完成后金属发生回弹,造成加工精度降低,如图1所示。此外,刀片的磨损也会使得刀尖位置实际运动轨迹与设计轨迹不符,造成精度降低。因此,此类问题出现时,应首先检查刀片是否已经发生磨损,若发生磨损则需要立即更换刀片;若无明显磨损,则需重复上一步的加工步骤,让刀片空走一次,如果依然有金属被车削,则证明加工工艺不够合理,金属被车削时发生变形,需要适当减小吃刀量。

图1 车削金属与刀片接触产生弹性变形示意图

此外,如果加工设备为使用年限较长的车床,则首先需要对车床的主轴、刀架、轨道等重要部位进行精度测量。此类车床会因为服役时间较长,发生磨损或丝杠间隙变大,而导致精度下降;或是在服役过程中发生过碰撞,使得车床刀架或者主轴精度受损。

2.1.2 加工过程中椭圆度超差

油套管属于径厚比大、刚性差的薄壁管件,在进行螺纹接头加工时,需要用机床卡爪夹紧,然后进行车削,这使得加工完成的油套管接头经常会出现椭圆度超差的情况,特别是在特殊扣的加工上,由于其精度要求高,椭圆度超差直接导致产品成材率的下降。例如接箍内螺纹的加工过程,对完成加工的产品在夹紧状态下使用米字形方法(如图2所示)进行椭圆度测量,结果满足要求,但取下后再次进行测量,则发生椭圆度超差;或者是接箍A面加工完成后椭圆度满足要求,当翻面完成B面加工后再进A面椭圆度测量,就会出现A面椭圆度超差。经过分析发现,油套管接头椭圆度超差的主要原因是由于加工过程中车床卡爪结构设计不合理,造成管子受力不均,发生不均匀弹性变形导致的(如图3所示)。油套管接头加工变形过程如图4所示 [6] 。从以上分析可以看出,要解决这类问题就需要从夹具设计上着手,将卡爪设计为圆弧形软爪,并使其半径与加工的油套管外径保持一致。同时,增加卡爪在油套管表面的覆盖面积,这样在保证夹持力的情况下,避免了油套管的受力集中,使得夹持力均匀地分布在油套管表面,不易产生变形,从而解决椭圆度超差的问题。此外,圆弧软爪爪面刻有V形槽,可增加摩擦,降低管件加工过程的周向滑动,进一步提高了管件的加工质量。圆弧软爪结构如图5所示 [7-8]

图2 米字测量法示意图

图3 设计结构不合理的平口卡爪

图4 油套管接头加工变形过程

图5 带有V形槽的圆弧软爪

此外,通过降低夹紧压力也可以减小油套管的变形程度,改善加工椭圆度。但是,这种方法必须结合加工工件的大小和质量适当降低夹紧力,若夹紧压力过低则会导致加工过程中工件松脱而甩出的危险。

2.1.3 加工过程中螺纹形状、位置的变化

油套管接头加工过程中,经常会出现以下情况:螺纹接头车削完成后,测量中经、螺距等尺寸均满足设计要求,但投影放大后的螺纹牙型拓模却与设计牙型的结构不符,会向一个方向偏斜,这使得加工完成的螺纹在形状和位置均发生了变化,造成接头在上扣过程中容易发生粘扣,从而降低油套管的质量。经分析,发现造成该问题的主要原因是加工所使用的刀片没有正确安装,刀片实际安装位置与正确安装位置存在一定的角度。因此,出现该问题时,应当首先检查并调整刀片的安装位置(角度),或者使用带有定位结构的刀片。如山特维克生产的螺纹刀片,刀片背面带有3个定位槽,使用时可与刀垫的3个定位槽配合,实现刀片正确定位,从而消除刀片不正确安装而造成的油套管接头加工精度问题。

2.2 表面质量

2.2.1 加工表面有毛刺

油套管接头加工所使用的刀片一般为单齿或多齿梳刀,虽然梳刀成型速度快,但无论选择单齿还是多齿梳刀,螺纹最终的成型都需要多刀次加工。同时,油套管接头在加工完成后常出现表面毛刺现象,这些毛刺使得油套管上扣时扭矩增大,粘扣风险增加。造成这一表面质量问题的主要原因是接头的加工工艺不够优化。例如,特殊螺纹接头外螺纹加工时,通常选择的工艺都是先精车螺纹,随后进行密封面精车,这就会造成螺纹起始扣处产生毛刺,若后续修磨时未将毛刺处理干净,则很有可能在其上扣过程中造成粘扣。通常解决该问题的方法是对螺纹的加工工艺进行适当的调整。在加工特殊螺纹接头外螺纹时,可选择先进行螺纹精车,随后进行密封面精车,最后再重复一次螺纹精车的最后一刀,这样即使在密封面精车时产生了螺纹起始扣的毛刺,也可以通过后续工艺将毛刺去除,使油套管接头表面质量大大提高。

2.2.2 表面粗糙度不达标

油套管接头表面粗糙度不达标也是加工过程中经常遇到的问题。粗糙度不达标会使油套管质量和性能下降,特别是针对性能要求较高的特殊螺纹接头,可能直接使接头密封性能下降,造成油套管在使用过程中失效。解决该类问题,一般可从两个方面进行分析:①检查刀片的使用情况,看是否刀片已经磨损,刀片的轻微磨损会造成刀片切削刃处不平整,导致加工的接头表面粗糙度不高; ②检查加工工艺,当最后一刀的车削量太小时(0.01 mm左右),也会造成接头的加工表面粗糙度差,主要是由于加工工件表面不是理想的圆形,当车削量太小时,工件表面的微小椭圆度使得切削刃无法在任何时刻都可以切削到足够的金属,最终导致接头表面粗糙度不达标。

2.2.3 表面出现颤纹

颤纹是油套管接头加工过程中常见的加工缺陷,会直接影响到油套管的使用性能和产品质量。在整个油套管接头加工过程中,颤纹经常出现在螺纹车削阶段,对于特殊螺纹加工来说,螺纹成形面是经过连续加工获得的,理论上会保持较好的加工表面粗糙度,而不会像普通车削加工那样受进给量的影响 [9] 。但是若机床或刀具本身刚性不足,就会造成颤纹的产生。因此,进行油套管接头加工时,首先要保证机床和刀具具有足够的刚性,刀具应当根据管子的直径和壁厚进行对应尺寸的选择。此外,刀杆安装时,刀尖与车床主轴回转中心(车床中心高)距离相差大,会导致刀具在车削时,刀具角度和理想角度偏差太大,刀具受力不在最佳状态,造成工件加工过程中产生振动,出现颤纹。因此在确定刀具安装角度时,可用基准刀对拔外皮后的实心棒料进行平端面车削,找到棒料的圆心,并留下一个小圆锥台,随后将需要安装的刀具刀尖调整到小圆锥台轴线的高度上,即可最终确定刀具安装的角度,如图6所示。

图6 刀具规范安装示意图

刀尖与车床主轴回转中心是否共线,通常是通过目测完成的,因此会存在一定的误差。根据经验,刀尖与车床主轴回转中心线的距离相差±0.5 mm,可有效减少加工颤纹的产生 [7] 。据研究表明,过高和过低的车削速度都会导致颤纹的产生 [10] 。而在吃刀量的选择上,较大的吃刀量使得刀具受到的切削阻力大,随着螺纹深度的增加,刀片与工件接触面积增大,刀片承受非常大的切削载荷,从而使刀片出现轻微颤动或崩刀 [11] ,产生颤纹;吃刀量过小,转速较高时,被车削的工件无法紧压刀片,导致刀片在车削过程中产生颤动,引起颤纹。因此,在油套管接头加工时,应结合工件的钢级、尺寸以及结构情况,摸索出合理的车削速度和吃刀量,以避免颤纹的产生。

3 结 论

(1)油套管接头的加工质量直接决定了油套管的性能,其加工质量不仅是加工精度的控制,同时也包含了表面质量的控制。因此,在加工过程中应当选择合理的方法,严格控制油套管接头的加工质量。

(2)在加工精度控制方面,首先应选择合适的加工工艺,制定合理的吃刀量,避免金属弹性回弹造成的加工精度不达标。其次,要设计合理的装夹工具,尽可能的降低油套管接头在加工过程中的变形量,以确保椭圆度达标。最后,要优先选择好定位、易安装的刀片,确保刀具的正确安装,实现加工螺纹的齿形正确。

(3)表面质量控制方面,可对加工工艺进行优化,在完成接头加工后再进行螺纹精加工来去除表面毛刺。同时,合理分配吃刀量,避免吃刀量过小而引起接头表面粗糙度不达标。尽量选择刚性高的机床和刀具,在接头加工时,应结合材料的性能、尺寸、形状要求来确定车削工艺参数和刀具安装位置,尽可能减少颤纹的产生。

参考文献:

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BAI He 1 ,HU Yanhui 2 ,LI Chao 3,4 ,HE Shilei 3,4 ,YUAN Qingying 3,4 ,ZHOU Xinyi 3,4 ,LIU Huanjun 5
(1.College of Mechanical and Electronic Information,Baoji Vocational Technology College,Baoji 721013, Shaanxi,China;2.Petro China Changqing Qilfield Company,Xi’an710021,China;3.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;4.National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;5.Coiled tubing branch of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

Abstract: In order to improve the processing quality of oil casing joints and solve the quality problems that were easy to occur in production,according to the common processing quality problems of oil casing joints,the control methods of oil casing processing quality from machining precision and surface quality were respectively It is elaborated.The analysis pointed out that the control method of improving the processing quality of oil casing joints mainly includes determining the appropriate cutting parameters,turning speed and other process parameters according to the material,structure and performance of the workpiece,and designing a reasonable clamping tool for easy installation and positioning.

Key words: oil casing;joints;quality control;precision

Research on the Methods of Quality Control for Tubing and Casing Connection Processing

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2018.08.011

文献标识码: B

作者简介: 白 鹤(1983—),男,陕西宝鸡人,硕士,工程师,目前从事机械设计与制造的教学工作。

中图分类号: TG487

收稿日期: 2018-04-26

编辑:李 超