石油钻杆摩擦焊后内冲技术的探讨

牛成杰，张梅梅，戴树潭，孔令楠

（1. 渤海能克钻杆有限公司，河北 青县 062658；2. 渤海石油装备制造有限公司，河北 青县 062658；3. 河北华新检测技术服务有限公司，河北 青县 062658；4. 渤海装备公司研究院，河北 青县 062658）

石油钻杆在钻井过程中主要用途是传递动力及输送钻井液［1］。由于地层的多样性、开采要求的复杂性，钻杆在实际使用中承受拉、压、弯、扭多种交变载荷作用［2］，并受到硫化物、氧化物、盐类等多种腐蚀介质侵蚀，作业环境极端恶劣。石油钻杆经摩擦对焊为一个整体［3-8］，接头螺纹及摩擦对焊区是其薄弱环节［9］。为解决钻杆螺纹失效后的修复问题，钻杆接头大钳区长度被不断增加［10］，机床刀杆加工位置不断变深，但由于刀杆长径比的限制，车削稳定性难以保证，易出现打刀、振纹的现象，无论是加工质量还是生产节拍，传统机床车削已有明显的局限性［11］，而使用钻头钻削的质量又难以控制［12-15］。石油钻杆焊环内冲装置在金属焊环温度高、硬度低时，一次冲切成型，可以有效降低深孔加工难度，具有效率高、质量好、易维护等特点，是现阶段去除内焊环的优选方案［12］，但受内表面加工难度所限，易出现啃肉、黏连、划伤、卡死等问题。国内某公司在内冲技术应用过程中，不断总结经验，优化工艺，使冲切质量得到了有效提高。

1 石油钻杆内冲系统的基本构成

摩擦对焊时，石油钻杆在轴向压力作用下高速旋转摩擦，焊区熔融态金属受挤压形成月牙状焊环，石油钻杆内焊环位于接头与管体交界处。石油钻杆摩擦焊后内焊环去除系统（简称内冲系统）主要由动力及平衡、传动、接头及管体定位系统和冲切刃具等构成。该系统利用金属高温状态下硬度较低特点，在焊环形成之初，通过冲切刃具轴向位移剪切去除内焊环，内冲系统结构如图1 所示。

图1 内冲系统结构示意

2 内冲系统构成介绍

2.1 动力及平衡系统

石油钻杆内冲工艺对剪切力的稳定性有较高要求，以避免冲切时出现的划伤、啃肉、刃具卡死等问题。动力及平衡系统主要由液压缸与平衡缸构成，液压缸输出压力转化为内冲刃具剪切力。平衡缸内对装的导向平键（配合公差IT6），用于输出压力同轴度控制。焊环尺寸受钻杆规格及摩擦压接参数两个因素影响，一般来说钻杆直径和壁厚越大，焊区熔融态金属翻出量越多。

内冲剪切力F 计算公式：

式中 k —— 材料因数，与材质有关，取1；

l —— 冲裁周长，m；

t —— 厚度，m；

液压缸输出压力选择不当可能造成内冲失败或设备损伤，通过冲压力计算，结合内冲后管壁光洁度、焊环成型效果、冲切刃具损耗等因素进行判断，液压缸压力输出在90～120 kN 时，可以取得良好的冲切效果。

2.2 传动系统

2.2.1 传动组件结构

液压缸压力经平衡缸稳定后，由一根多段传动杆向冲切刃具传递，传动杆结构如图2 所示。由于加工精度及重量偏心限制，传动杆总长度一般控制在1 m 以内，传动杆螺纹端面同轴度不低于0.05 mm。冲切段向加粗段平滑过渡，使用40Cr 制作以提高其淬透性，减少应力导致的形变。

图2 传动杆组成示意

2.2.2 传动杆各部分功能

（1） 传动杆定位段与平衡缸连接定位后，应使用螺纹备帽紧固；

（2） 传动杆加粗段主要保持传动杆整体刚性；

（3） 传动杆过渡段内冲时可部分进入钻杆内孔，设计时应注意可能发生的尺寸干涉；

（4） 传动杆冲切段推动冲切刃具进入钻杆内孔。冲切段直径、长度及螺纹型式根据石油钻杆规格确定。

2.3 冲切刃具

2.3.1 分 类

冲切刃具根据结构形式不同，可以分为直冲刃具、分体刃具两类。直冲刃具为一个整体，如图3所示；分体刃具如图4 所示，一般为四等分结构，摩擦焊前放置于内孔变径处。

图3 直冲刃具工作示意

图4 分体刃具工作示意

2.3.2 选择依据

（1） 直冲刃具用于内孔直径一致的通径钻杆，图5 所示为直冲刃具即将开始冲切的状态；

（2） 变径钻杆接头尾部变径空间可以用于放置冲切刃具并进行定位，应选用分体冲头。

图5 直冲刃具冲切示意

2.4 定位系统

内冲系统定位结构如图6 所示。石油钻杆接头在主轴通孔内进行定位，管体定心夹具位于镦粗区域后。

图6 内冲系统定位结构示意

2.4.1 接头定位

为解决螺纹失效后修复的问题，钻杆接头大钳区长度不断增加，接头最大可加长至L4 级。由于卡盘夹持能力及机械加工范围的限制，钻杆接头悬伸长存在极限位置。由多种可选构件组成的定位方案，可以根据接头长度灵活调整定位位置，该方案包括定位盘调整组件、接头定位盘、卡爪调整组件、接头卡爪，采用“搭积木”的形式配装，以满足不同规格接头的定位需要。

2.4.2 管体定位

管体定位由管端定心夹具完成。钻杆管体在进入工位前，完成轴向定位，通过横移梁搬送并在工位中完成径向定位。管体端面悬伸长度控制在40～50 mm，以减少同轴度误差。

3 工艺要求

3.1 定位要求

摩擦对焊时，由于主轴高速旋转并在摩擦对焊时产生机械振动，接头与管体需要良好的夹持稳定性。应根据接头长度选择适用的定位工装组合，将接头悬伸长控制在一定范围，以减少旋转产生的偏心，提升对焊后接头与管体的同轴度。在作业指导文件中应明确液压系统及夹具工装等部件的检查周期，定期维护以确保内冲系统的稳定性。

3.2 内冲前准备

3.2.1 外观检查

（1） 对焊区外观检查。

接头对焊区由内削、外削工序加工完成，管体对焊区由端部车削加工完成。作业人员应对作业面进行外观检查，主要检查要点见表1。

表1 摩擦对焊作业面外观检查要点

（2） 生产过程工艺装备夹具外观检查。

作业人员根据产品规格，提前准备生产过程工艺装备夹具并对其外观进行检查，主要检查要点见表2。

3.2.2 原管对焊区内孔尺寸检查

使用百分表对原管对焊区内孔进行点检，管端内孔直径下极限偏差不低于内冲刃具外径上极限偏差。使用通径规对焊区内孔进行连续检查，无明显卡涩现象，检查深度不小于50 mm。内冲前通径规检查如图7 所示。

3.2.3 传动装置选择

根据石油钻杆内径型式，选择适配的传动杆。

（1） 直径要求：冲切段外径应小于冲切刃具外径，直径差一般控制在10 mm 以内，以保证受力均匀性。

（2） 长度要求：冲切段长度应保证刃具刃口超过对焊线20～30 mm。合适的长度可以提高传动杆稳定性，同时避免冲切刃具探入过深，超过管体端部加工范围发生卡死。

表2 生产过程工艺装备夹具外观检查要点

图7 内冲前通径规检查

（3） 其他部分要求：根据装配要求确定。

3.2.4 冲切刃具准备

冲切刃具受摩擦对焊区高温影响，不经冷却处理硬度会明显降低。为满足生产节拍需要，分体刃具备用数量通常不少于4 组，直冲刃具不少于2组，用于冲切后冷却替换。

4 内冲后检查

（1） 内冲结束后对钻杆焊区进行目视检查，焊环残留高度满足要求，无明显划痕、啃肉、黏连等现象；

（2） 使用长铁钩对焊区内表面进行接触钩拉，过渡平滑，无明显震动；

（3） 对脱落焊环外形进行观察，以判断内冲系统工作状况；

（4） 传动杆结构完好，螺纹连接处无拉伤；

（5） 冲头刃口无明显变形、钝化、龟裂等现象，表面无焊环黏连。直冲刃具使用压缩空气吹扫冷却，分体刃具放入水槽冷却。

5 结 语

内冲技术的应用提高了生产效率，有效减少了深孔加工难度。结合现场应用经验，对内冲系统工艺要求进行了总结。针对不同型式的石油钻杆，采用灵活多样的内冲方案，可以有效减少内冲中易发生的黏连、啃肉、划伤、卡死等问题，有效改善石油钻杆对焊区质量。