鋁合金石油鉆探管的生產工藝方案選擇

戴有濤

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

隨著油氣資源的減少，其勘探和鉆取已日趨向深井、超深井，深海、復雜地質、地理條件下作業，傳統鋼質鉆探管件暴露出諸多不利因素。鋁合金管材與傳統鋼質管材相比，具有質量輕、比強度大、塑性高、耐蝕性強的明顯優勢，且適用于大區率定向井和水平井，并可顯著提高鉆探能力。鋁合金鉆探管的密度大約是鋼質鉆探管的1/3，其強度與質量之比是鋼質鉆探管的1.5～2.0倍，在鉆機能力相同的情況下，應用鋁合金鉆探管能夠達到鋼質鉆探管無法達到的井深，如5000m井深的鋼質鉆井系統，若采用鋁合金鉆桿可實現7000m以上的鉆井深度；其次，鋁合金表面會形成穩定且致密的氧化膜，可有效防止硫化氫和二氧化碳腐蝕；另外，鋁合金鉆探管彈性模量比鋼小，具有較好的抗彎曲性能，更適合曲率大的定向井和水平井。同時由于鋁合金管材摩擦阻力小，可有效降低鉆井過程中的電能消耗，所以鋁合金鉆探管也具有一定的成本優勢。目前，鋁合金石油鉆探管在國內具有較大市場空間，且行業需求將在未來較長一段時間內處于快速增長期。

1 鋁合金鉆探管用鋁合金材料及其力學性能要求

國外生產的鉆探管用鋁合金材料分為高輕度鋁合金(D16T)、高強度、耐腐蝕合金(1953T1)和特殊耐熱合金( AK4-1T1) 3大材料體系。其中，D16T為鋁-銅-鎂系鋁合金，熱處理時效后，該系列合金擠壓材室溫下的抗拉強度最高可達538MPa；AK4-1T1為鋁-銅-鎂-鐵-鎳系耐熱鋁合金，該系列合金主要耐熱相為S(CuMgAl2) 、FeNiAl9相，鐵和鎳加入量不當，會降低合金的耐熱性。國外常用鋁合金石油鉆探管化學成分如表1所示，要求鋁合金中各單個雜質元素含量小于0.05%，雜質元素總量小于0.15%。

表1 常用鋁合金鉆探管化學成分(質量分數，%)

在我國GB/T20659-2006石油天然氣工業鋁合金鉆桿的國家標準中，將常用的鋁合金材料分成了4組，其中第I組為Al-Cu-Mg系列合金，如2A12，2A14等；第II組為Al-Zn-Mg系列合金，如7A09等；第III組為Al-Cu-Mg-Si-Fe系列合金，如2A70等；第IV組為經過特殊改良的耐蝕Al-Zn-Mg系列合金，目前我國尚無其專用牌號，成分與俄羅斯1953相當。國標中對這4組材料的力學性能要求如表2所示。

表2 鋁合金鉆探管材料的力學性能要求

2 研究對象

本文以牌號為2A12 T6，管體外徑尺寸為147mm，壁厚為11mm的帶內加厚的石油鉆探管為例，計算確定生產該變斷面管材所需的最佳擠壓機噸位、擠壓筒和穿孔針規格，以及穿孔針的受力計算，為工藝方案選擇和工藝參數確定提供依據。2A12 T6石油鉆探管的最小屈服強度(0.2%殘余變形法)為325MPa，最小抗拉強度為460MPa，最小伸長率為12%；該規格石油鉆探管主要尺寸參數見表3。

表3 該規格石油鉆探管的主要尺寸參數

3 主要生產工藝選擇

上述鋁合金鉆探管結構為變截面管結構，變截面管材兩端壁厚34mm，中間壁厚11mm。在生產時不能像鋼鉆探管那樣簡單地采用對恒斷面管坯進行鐓鍛的工藝來實現管端的加厚。鋁合金鉆探管生產采用熱擠壓生產工藝，熱擠壓技術是整個工藝的核心與關鍵，其熱擠壓工藝按穿孔針和模具的相互關系可分為“固定穿孔針法”、“移動穿孔針法”和“固定和移動穿孔針結合法”。

3.1 固定穿孔針法

這種方法在擠壓過程中，由于穿孔針是固定不動的，因此為了加工出管材的前端、管身和后端，必須用人工來調整穿孔針相對于擠壓軸的位置，這不僅會影響管材內表面質量，而且還會造成管材的長度和過渡區的尺寸公差超限。另外由于固定穿孔針的存在，限制了擠壓速度，同時，移動穿孔針、分離擠壓墊和擠壓殘料需要花費很長時間，因此擠壓機的產能較低，目前國內外已經不使用該法生產石油鉆探管。

3.2 移動穿孔針法

該方法采用的穿孔針帶有兩個頸或三個頸，圖1是該方法生產外壁端面加厚的鋁合金鉆探管的示意圖。生產過程中為了減少斷面加厚部分的壁厚不均和過渡區的彎曲度，在開始擠壓時，穿孔針的圓柱部分正好處在模孔中，當穿孔針的頸部快進入模孔時，擠壓過程已達到穩定狀態，在穿孔針頸部經過模孔的過程中，位于頸部的金屬流向穿孔針的凸緣(即擴徑)，并重新分配。穿孔針凸緣的直徑決定著這段管材的內徑，而模孔和穿孔針頸部的直徑決定著這段管材的外徑。當穿孔針和擠壓軸一起繼續向前移動時就形成了管材前端的錐形過渡區，接著是管材的管身，最后是管材后端的錐形過渡區和管材的后端加厚部分。此法由于穿孔針凸緣的存在，只適用于生產外壁端面加厚的管材。

a-擠壓筒；b-擠壓軸；c-穿孔針；d-模具；e-鋁合金圖1 用“移動穿孔針法”生產兩端外加厚的石油鉆探管示意圖Fig.1 Application of “moving piercing pin method” in production of oil drilling pipe with external thickness at both ends

3.3 固定和移動穿孔針結合法

圖2是用固定和移動穿孔針結合法擠壓內部端面加厚鋁合金鉆探管的示意圖。該方法采用的穿孔針有一個細端，當穿孔針細端穿過模孔時，穿孔針固定不動，便開始形成管材的前端加厚部分；在擠管身部分時，穿孔針前伸和擠壓軸一起向前移動，形成過渡區和管身。當管身形成以后，撤去擠壓力，穿孔針后退至初始位置，再次擠壓，形成后端加厚部分。此法可以擠出內壁端部有加厚層的內變徑鋁合金鉆探管。采用該方法生產時，需要擠壓機穿孔針精確的前伸或后退，因此對穿孔針的穿孔力、回拉力以及定位精度都有非常苛刻的要求(穿孔針定位精度需≤±0.1mm)。

1-穿孔針細端進入模孔擠制前端加厚；2-穿孔針前伸擠制管身；3-穿孔針后退擠制后端加厚;a-擠壓筒；b-擠壓軸；c-穿孔針；d-模具；e-鋁合金圖2 用“固定和移動穿孔針結合法”生產兩端內加厚鋁合金鉆探管示意圖Fig.2 Application of "combination of fixed and moving piercing needles" in production of thick aluminum alloy drilling tubes at both ends

經上述比較分析可知，本文所研究的帶內加厚的石油鉆探管應采用有細端的穿孔針用“固定和移動穿孔針結合法”進行生產。

4 主要工藝參數確定

4.1 擠壓力、擠壓筒規格確定

正向或反向雙動擠壓機均可以實現該石油鉆探管的生產，然而該石油鉆探管為2xxx硬合金管材，采用反向擠壓更有優勢，因為與正向擠壓相比，反向擠壓時，鑄錠表面與擠壓筒壁之間不存在摩擦。因此，反向擠壓時金屬變形區小，變形比較均勻，金屬變形的溫升小，變形區的金屬溫度較容易控制，擠壓制品的組織和性能均勻，尺寸精度高。由于擠壓筒與鑄錠之間沒有摩擦力存在，可大大降低擠壓力，提高擠壓速度。

影響擠壓機擠壓力、擠壓筒和穿孔針規格的主要因素有擠壓筒比壓、擠壓比和軸壓。生產硬合金管材時由于穿孔針的存在增加了其表面摩擦力，所以擠壓硬合金管材時需要的單位壓力較型材、棒材大，一般擠壓筒擠壓比應≥45kg/mm2；其次，擠壓過程中制品的變形量影響制品的最終力學性能，一般擠壓比不應小于8，以大于10為佳；再次，穿孔針規格相對較大時，空心擠壓軸的截面積會減小，軸端會承受較大的單位壓力，為了保證擠壓軸的強度，軸壓宜控制在80kg/mm2以內。圖3為該變斷面管材生產使用不同噸位擠壓機、不同規格擠壓筒時的工藝計算。

圖3 該變斷面管材的工藝計算表Tab.3 Process calculation table of variable section pipe

該制品擠壓需要使用移動穿孔針擠壓，其穿孔針直徑為125mm(即變斷面管材管身內徑)。通過計算結果可以看出，對應25MN、36MN擠壓機而言，其擠出長度或擠壓比不能滿足該制品的生產需要；45MN擠壓機選用360mm和390mm擠壓筒時，擠壓比和比壓分別不能滿足生產需要；75MN擠壓機選用460mm擠壓筒時各項參數均合格，但由于變斷面管材不能倍尺生產，每次擠出一根，所需鑄錠短，不能完全發揮出其設備產能，亦不是最佳選擇。因此生產該變斷面管材選擇采用60MN雙動反向擠壓機，使用直徑420mm的擠壓筒和直徑125mm的穿孔針為佳。

4.2 穿孔針受力計算

與用于生產恒斷面管材的常規雙動擠壓機不同，用于生產變斷面管材的擠壓機在生產過程中需要穿孔針精確的前伸或后退，因此對穿孔針的穿孔力和回拉力(俗稱“把持力”)都有特殊要求。下面通過對上述石油鉆探管生產過程中穿孔針的受力進行計算，為生產企業在設備訂貨時確定回拉力提供依據。

在穿孔階段穿孔針受壓力，在擠壓階段穿孔針受拉力。石油鉆探管生產一般使用空心鑄錠，則不存在穿孔階段，在這種情況下，若穿孔針、錠坯、擠壓筒和擠壓模四者的中心線重合,其受力情況如圖4所示。

穿孔針所受的回拉力可以用公式Q=T1+T2cosα+T3-N2sinα表示；式中，T為金屬流動時作用在針上的摩擦力，N為正壓力。它們都是總力，等于平均單位正壓力p 或平均單位摩擦力乘以各自作用的面積S, 可由長度l1、l2和l3，直徑D 和d，以及斜角α計算得出。按庫侖摩擦定律，摩擦力與正壓力關系為，T=μN=μpS；式中，μ為工具與工件接觸表面的摩擦系數，可取μ=0.25～0.35。隨著擠壓的進行, l3逐漸減小, 故對針的拉力也逐漸減小。所以最危險的時刻是鐓粗階段結束擠壓階段開始之時, 要核算的正是此刻的拉力。此刻的l3可按錠、筒及針的尺寸計算。

1-穿孔針；2-擠壓墊；3-鋁合金鑄錠；4-擠壓筒；5-模具；6-管材圖4 穿孔針受力圖Fig.4 Perforated needle force diagram

確定作用在工具表面的平均單位壓力p 是件麻煩事情。本文采用金屬單向受力的σ0.2替代。針對該石油鉆探管，取μ=0.25，p=100MPa(2A12合金450℃時的σ0.2為100MPa)，α=30°，l1=100mm，l3=1100mm，D=125mm，d=79mm，計算得出穿孔針所受的回拉力為Q=10.52MN，因此穿孔針的回拉力不宜小于10.52MN。

5 結論

(1)牌號為2A12T6，管體外徑尺寸為147mm，壁厚為11mm的帶內加厚(t1=34)的石油鉆探管采用“固定和移動穿孔針結合法”生產；

(2)經計算，上述石油鉆探管生產宜采用60MN雙動反向擠壓機，使用直徑420mm的擠壓筒和直徑125mm的穿孔針為最佳選擇，且擠壓機穿孔針的回拉力不應小于10.52MN。