CN102172817A - 一种超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油天然气钻采用的钻杆的加工方法，特别是一种超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法。步骤是，a管体直锻接头，b整体热处理，c接头和螺纹加工。它主要解决现有API标准钻杆的管体和接头焊缝处强度较小、容易出现冶金缺陷等不足，它消除焊缝对钻杆性能的影响，既是抗硫钻杆的需要，也是提高钻杆质量促进钻井效率的需要。

Description

一种超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法

技术领域

本发明涉及一种石油天然气钻采用的钻杆的加工方法，特别是一种超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法。

背景技术

目前国内外石油天然气钻采作业中所使用的钻杆，基本都采用美国石油学会API标准，钻杆包括接头部分和管体部分，接头分公螺纹接头和母螺纹接头，管体与接头之间通过焊接连接为一体，其结构如图1所示：钻杆包括接头部分B1、B2和管体A部分，接头分公螺纹接头B1和母螺纹接头B2，管体1与接头B1、B2之间通过焊接C连接为一体。焊接式钻杆工艺步骤相对简单，但焊缝处的强度只有管体的80%左右，为了增大焊缝处的载荷能力，标准要求，焊接前必须对管体端部进行加厚，增加焊接面的截面积，以增加焊缝处的整体载荷能力。

随着钻井技术的不断发展，斜井，大位移井等复杂钻井作业所占比例越来越大。如：渤海油田，大位移井约占80% ，塔里木油田，大位移井约占30%，而且呈现逐年递增的趋势。另外，我国国民经济的持续快速发展对能源的强劲需求，以及国际油价的持续高位运行，使得含硫、高含硫等地质条件下的油气开采变得越来越多。国内比较典型有四川东北地区的油气田；国外的有加拿大、俄罗斯等国。国内外的钻具生产厂家针对含硫地区油气钻采特殊需求，研制开发出了具有抗硫性能的专用钻具，但由于目前国际上普遍采用的钻杆标准为美国API标准，该标准规定钻杆包括管体和接头，管体与接头通过焊接连为一体。焊接过程中的冶金融合产生了组织与性能较差的焊缝及焊缝两边的热影响区，进而影响了抗硫钻杆的抗硫性能，成为抗硫钻杆的质量短板，目前也是抗硫钻杆研究的难点。

此外，传统的钻杆制造中，管体和接头通过摩擦焊接连接为一体，为了提高焊缝处机械载荷，使管体与接头的机械性能保持匹配，通常的做法是：对管体端部进行加厚，增加焊接处的截面积，以保证在材料强度降低的情况下承载能力不变。因此，现有的加工工艺流程如图2所示，它包括先分别进行管体的管端加厚和热处理，以及接头加工和接头螺纹加工，然后将接头和管体进行摩擦焊接，最后对焊缝进行热处理形成产品。上述的钻杆管端加厚分为外加厚、内加厚和内外加厚。其中，内加厚会减小钻柱水眼、增大钻压；外加厚会减小环空，降低钻井效率，内外加厚既减小水眼，又减小环空。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，它主要解决现有API标准钻杆的管体和接头焊缝处强度较小、容易出现冶金缺陷等不足，它消除焊缝对钻杆性能的影响，既是抗硫钻杆的需要，也是提高钻杆质量促进钻井效率的需要。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是。

一种超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：步骤是，a管体直锻接头，b整体热处理，c接头和螺纹加工。

所述的超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：所述的步骤a进一步包括，a1使用液压锻造设备进行第一、第二加厚道次为内加厚过渡带成型加厚，a2对经过第一、第二加厚道次后形成的外加厚过渡段Meu和外加厚平行段Leu进行缩径，a3接头部位加厚，使接头部分的壁厚增加到要求厚度。

所述的超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：所述的步骤a1具体是，加热温度为1150±30℃，第一加厚道次外加厚锥面的锥度为1：15~1：13，加厚比为1.3~1.5，冲头与管体内壁的间隙为-0.5~1.0mm；第二加厚道次外加厚锥面锥度为1：12~1:9，加厚比为1.5~1.7；两道次加厚完成后，管体加厚部分壁厚增加到管体原始壁厚的1.95~2.55倍，所形成外锥面的锥度为1：12~1：9，外加厚过渡段Meu长度为130~160mm，外加厚平行段Leu的长度为160-190mm，外加厚平行段厚度增加倍数为1.95-2.30。

所述的超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：所述的步骤a2即通过缩径模具在径向的挤压，使管料外加厚过渡段Meu和外加厚平行段Leu的外径与内径同时缩小、壁厚保持不变的过程；经过缩径，缩径前外加厚过渡段向管端方向移动130~160mm，同时在管体内壁对应部位形成内加厚过渡段Miu与内加厚平行段Liu。

所述的超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：所述的步骤a3中通过第三加厚道次及以后各道次主要为接头部位加厚，接头外锥面的锥度逐渐加大，最小为1：11，最大为1：8，加厚比取值为1.55~1.65，加热温度为1150±30℃。

所述的超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：当进行接头螺纹部分加厚时，如果为母接头螺纹时，加厚冲头的根部形状为与螺纹锥面锥度、长度相一致的锥体；如果为公接头螺纹时，加厚冲头根部增加了与外螺纹锥面锥度、长度相一致的与冲头是一体的空心锥体。

本发明方法的有益效果是：（1）本发明与传统的钻杆加工方法相比，省去了管端加厚、摩擦焊接和焊缝热处理过程。（2）通过本发明方法加工的产品消除焊缝对钻杆性能的影响，既是抗硫钻杆的需要，也是提高钻杆质量促进钻井效率的需要。

附图说明

图1是现有API标准钻杆的结构示意图。

图2是现有API标准钻杆的加工流程图。

图3是本发明加工方法的流程示意图。

图4是本发明加工方法加工的钻杆结构示意图。

图5是本发明加工方法中的公螺纹接头外锥面成型模具（冲头）结构示意图，图中t1为加厚完公接头端部所需壁厚。

图6是本发明加工方法中的母螺纹接头内锥面成型模具（冲头）结构示意图。

具体实施方式

请参阅图3，本发明公开了一种超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法。如图所示：该方法步骤是，a管体直锻接头，b整体热处理，c接头和螺纹加工。

本发明方法所需的设备：500/1000吨液压锻造设备，水平方向压力500吨，垂直方向压力1000吨。75KW、150KW中高频感应加热电炉。

本发明的加工过程中，管体通过控制成型加厚技术，通过4-6个加厚道次和一个缩径过程完成。

本发明方法实施前，首先需要对管体有效加热长度的确定：根据钻杆加厚后所需的最终形状，以及钻杆原始管料的壁厚、外径，利用空心锥体、空心圆柱的体积计算公式，计算参与变形原始管料的长度。

第一、第二加厚道次为内加厚过渡带成型加厚。第一加厚道次的加厚方式为外加厚，第二加厚道次为内外加厚，加热温度为1150±30℃，加热时间视管体壁厚、加热道次而定，以不出现过热、过烧为原则。为了防止失稳，第一加厚道次外加厚锥面的锥度设计为1：15~1：13，加厚比为1.3~1.5，冲头与管体内壁的间隙为-0.5~1.0mm；第二加厚道次外加厚锥面锥度为1：12~1:9，加厚比为1.5~1.7。两道次加厚完成后，管体加厚部分壁厚增加到管体原始壁厚的1.95~2.55倍，所形成外锥面的锥度为1：12~1:9，外锥面长度Meu为130~160mm，外加厚平行段Leu的长度为160-190 mm，外加厚平行段厚度增加倍数为1.95-2.30。

对经过第一、第二加厚道次后形成的外加厚过渡段Meu和外加厚平行段Leu进行缩径。即通过缩径模具在径向的挤压，使管料外加厚过渡段Meu和外加厚平行段Leu的外径与内径同时缩小、壁厚保持不变的过程。经过缩径，缩径前外加厚过渡段向管端方向移动130~160mm，同时在管体内壁对应部位形成内加厚过渡段Miu与内加厚平行段Liu。

缩径后进行第三道次、第四道次加厚（根据不同钢级的厚度要求，可以选择四道次或五道次、六道次加厚成型）。第三道次及以后各道次主要为接头部位加厚，接头外锥面的锥度逐渐加大，最小为1：11，最大为1：8 ，加厚比取值为1.55~1.65，加热温度为1150±30℃。为了减小参与变形的管体长度，减小后续螺纹部分加工工作量，同时提高原料利用率，当加厚端为钻杆公接头时，第三至第五加厚道次的加厚模具（冲头部分）增加了公接头螺纹部位锥面形状控制部分（见图5），该模具部分锥面的锥度在第三、第四、第五道次（必要时采用五道次加厚）的锥度保持不变；当加厚端为母接头时，第三至第五加厚道次的加厚模具（冲头部分）增加了内锥面成型部分（见图6）。

管体端部经过四至六个道次的加热加厚与缩径转移后，形成带有内加厚过渡段的接头与管体一体化结构（其形状如图4），成为管体直锻接头钻杆毛坯。此后进行整体热处理与螺纹加工，就可完成整个加工过程。

实施例

以Φ127*9.19mm规格、S135钢级的管体为例来说明本发明方法的实施过程。选用500/100吨液压加厚机组和150KW的中频加热感应炉8台。加工前先对管体进行三级预热，三次预热温度分别为650-720℃，900-1050℃，1150-1200℃。

根据加厚前管料的壁厚（t）、需要加厚的厚度和成型后的尺寸形状要求，根据金属变形体积不变原理，计算参与变形的管体长度L，按照10mm≤L1-L≤50mm关系，确定有效加热长度L1。再按照1.40、1.50、1.62、1.62的加厚比设计加厚工艺参数。四个道次加厚完毕后，形成由管体直接锻造成型接头钻杆，所形成的接头部位厚度为50.65mm，其中加工余量为1.65mm。

第一道次加厚为外加厚，外加厚过渡段Meu长度选取100～130mm，锥度为1:11，外锥面、外平行段长度通过加厚模具控制，冲头与管壁的间隙为0.00mm。

第二加厚道次为内外加厚，外加厚过渡段Meu长度为130mm，外加厚锥面的锥度为1:10，外锥面、外平行段的长度和形状通过模具严格控制，内加厚过渡段内径最大减小值为3.0~5.0mm，内加厚过渡段起变点与第一道次外加厚起变点一致。由于第一道次只进行外加厚，第二道次进行内外加厚，没有内加厚过渡段的自由叠加，因此第二道次加厚以后，管料内壁形成的微量加厚部分，不会出现凹坑与突起，表面平滑光顺。

第二道次加厚进行完后，进行缩径转移。即通过缩径模具在径向的挤压，使管料外加厚过渡段Meu和外加厚平行段Leu的外径与内径同时缩小、壁厚保持不变。经过缩径，由模具严格控制成型的外过渡锥面，被反向转移到管体内壁，形成内加厚过渡锥面。外平行段处外径实际增加6-7mm，内平行段实际内径减小3-4mm。

两次加厚后，管端加厚平行段的壁厚为19.30mm。依据金属变形体积不变原理，和提前确定好的接头形状尺寸，计算接第三道次、第四道次的起变点与有效加热长度，第三加厚道次的外锥面锥度为1:11~1:9，加厚比为1.62；第四加厚道次的外锥面锥度为1:10~1:8，加厚比为1.62。第三、第四加厚道次只进行外加厚，加热温度为1150±30℃。

为了减小参与变形的管料长度，减小后续螺纹加工的工作量，第三加厚道次的冲头结构设计特点为：当加厚目标为钻杆母接头时，冲头根部为圆锥体（如图6），该锥面的锥度与接头螺纹的要求锥度保持一致；当加厚目标为钻杆公接头时，冲头根部增加了公接头螺纹部位锥面形状控制部分（如图5），该空心锥体的锥度与目标公接头螺纹锥度一致。

第三、第四道次（必要时有第五道次）外加厚，冲头（圆柱段）与管料内壁的间隙为0.00±2mm，由于冲头对管体内壁的变形的限制，金属变形只能沿着径向向外部模具行腔内流动，因此第三第四加厚道次可以使用超过常规做法的超高加厚比（加厚比大于1.6）。

第三、第四（必要时有第五道次）加厚完成后，控制成型管体直锻接头式钻杆的接头部位毛坯就锻造完毕。其特点是：接头式经过管体直接加厚锻造而成，没有焊缝，接头与管体的材料性能保持一致。

加厚完毕后的钻杆毛坯，需要进行整体热处理，使钻杆整体材料的组织变为回火索氏体。

热处理后在进行接头部位的螺纹加工。至此，整个加工过程结束。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (6)

1.一种超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：步骤是，a管体直锻接头，b整体热处理，c接头和螺纹加工。

2.根据权利要求1所述的超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：所述的步骤a进一步包括，a1使用液压锻造设备进行第一、第二加厚道次为内加厚过渡带成型加厚，a2对经过第一、第二加厚道次后形成的外加厚过渡段Meu和外加厚平行段Leu进行缩径，a3接头部位加厚，使接头部分的壁厚增加到要求厚度。

3.根据权利要求2所述的超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：所述的步骤a1具体是，加热温度为1150±30℃，第一加厚道次外加厚锥面的锥度为1：15~1：13，加厚比为1.3~1.5，冲头与管体内壁的间隙为-0.5~1.0mm；第二加厚道次外加厚锥面锥度为1：12~1:9，加厚比为1.5~1.7；两道次加厚完成后，管体加厚部分壁厚增加到管体原始壁厚的1.95~2.55倍，所形成外锥面的锥度为1：12~1：9，外加厚过渡段Meu长度为130~160mm，外加厚平行段Leu的长度为160-190mm，外加厚平行段厚度增加倍数为1.95-2.30。

4.根据权利要求2所述的超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：所述的步骤a2即通过缩径模具在径向的挤压，使管料外加厚过渡段Meu和外加厚平行段Leu的外径与内径同时缩小、壁厚保持不变的过程；经过缩径，缩径前外加厚过渡段向管端方向移动130~160mm，同时在管体内壁对应部位形成内加厚过渡段Miu与内加厚平行段Liu。

5.根据权利要求2所述的超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：所述的步骤a3中通过第三加厚道次及以后各道次主要为接头部位加厚，接头外锥面的锥度逐渐加大，最小为1：11，最大为1：8，加厚比取值为1.55~1.65，加热温度为1150±30℃。

6.根据权利要求2所述的超高加厚比控制成型管体直锻接头式钻杆的加工方法，其特征在于：当进行接头螺纹部分加厚时，如果为母接头螺纹时，加厚冲头的根部形状为与螺纹锥面锥度、长度相一致的锥体；如果为公接头螺纹时，加厚冲头根部增加了与外螺纹锥面锥度、长度相一致的与冲头是一体的空心锥体。

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