基于電磁感應加熱鉆具螺紋的工藝研究及應用*

張勇 秦小龍 李禾香 劉相翌 路一平

(北京石油機械有限公司)

0 引 言

通常石油天然氣鉆井用井下鉆具(工具或儀器等)的連接螺紋采用涂高強度粘結膠并旋緊至指定扭矩范圍的方法，以保證螺紋連接強度，防止脫扣和螺紋失效等事故的發生。但以此造成大量的工具或儀器在拆檢維修時，由于高強度膠的粘結作用，螺紋拆卸較為困難，需要預先破壞高強度膠的粘結性能，進而結合大扭矩液壓拆卸設備實現螺紋卸扣[1-2]。目前，常采用的螺紋拆卸方法有：①直接大扭矩卸扣，效率低，有時會造成零部件損傷，甚至損壞拆卸工具；②破壞性拆卸，采用鋸床鋸斷或車床車斷；③人工使用氣焊(氧氣+乙炔)加熱，再使用拆裝架卸扣。氧氣+乙炔燃燒加熱的方式，不僅加熱速度慢，且生產效率低。乙炔屬于易燃氣體，受熱、震動及電火花等因素都可以引發爆炸，對儲存和運輸均有特殊要求[3]。同時，使用乙炔加熱有以下不足：①人工加熱時需要近距離操作，存在安全風險，尾氣污染大；②屬于表面加熱工藝，受熱不均勻、心表溫差大，無法精確控制加熱溫度。為此，有必要探尋可操作性強、安全高效及成本低的工藝方法，以替代傳統的加熱或螺紋拆卸工藝。

電磁感應加熱技術以熱效高、加熱快、節能及安全高效等諸多優點，在塑膠機械、原油輸送、食品機械以及醫藥化工機械等行業得到廣泛應用[4-5]，但在石油鉆采行業的應用較少。為此，本文在現有電磁感應加熱技術的基礎上，針對石油鉆具螺紋拆卸困難的問題，進行定向集成化設計及工藝可行性研究，以實現將電磁加熱技術應用于鉆具螺紋快速加熱除膠和拆卸的特殊工藝。

1 感應加熱原理

圖1為電磁感應電加熱原理圖。電磁感應加熱技術以法拉第電磁感應定律為基礎，在各行業中逐步取代傳統的火焰加熱和紅外輻射加熱等技術，其本質是利用高頻的交變電流在通過線圈磁場時，產生的渦流熱效應對金屬工件進行加熱。該技術一般將工頻50 Hz的交流電轉變成中頻或高頻電流，供給加熱線圈，線圈中便會產生高密度強磁束，被加熱金屬位于線圈內，磁束就會貫通整個被加熱物體，其內部與加熱電流相反的方向便會產生相對應的感應電流。根據焦耳定律，被加熱金屬物體內存在電阻而產生焦耳熱，從而使處于線圈中的金屬物體受磁場而自身發熱，溫度迅速上升，達到金屬加熱的目的[5-7]。

圖1 電磁感應加熱原理圖Fig.1 Principle diagram of electromagnetic induction heating

2 工藝原理及構成

由于石油鉆具的各零部件之間采用特殊錐螺紋連接，而鉆具和儀器型號各異，整體尺寸不等[8]，且不同螺紋規格、不同壁厚的串聯組合，導致常規的環形加熱線圈難以滿足工況需求，從而對感應加熱線圈的結構及工藝參數提出了更高的要求，既要實現自循環冷卻、自動溫度監測及控制，還要滿足高度集成等智能化、自動化的要求和目標。為此，筆者依據上述工藝要求，結合電磁感應加熱工藝原理進行定向集成化設計，研制出了適用于石油鉆具螺紋快速加熱除膠及拆卸工藝的一體式電磁感應加熱設備。圖2為一體式電磁感應設備原理框圖。

圖2 一體式電磁感應加熱設備原理框圖Fig.2 Block diagram of the integrated electromagnetic induction heating apparatus

一體式電磁感應加熱設備的感應加熱系統主要由高頻主機控制系統、調制和控制開關模塊、IGBT驅動及主回路線圈等部分組成。高頻主機控制系統連接主電源后，將交流電轉變成高頻電流，通過調制和控制開關模塊控制感應加熱系統及感應線圈的工作狀態，IGBT驅動模塊和主回路線圈為執行機構，執行加熱指令。監測報警模塊連接循環冷卻系統和高頻主機控制系統，系統啟動時分別對整個循環水的溫度進行監測以及感應加熱系統過流、過載等的監測和報警提示。循環冷卻系統連接主電源和加熱頭，用于系統工作時建立水循環，同時根據監測報警模塊發出的水溫信號，通過壓縮機對循環水進行自動冷卻。

加熱頭與感應線圈連接，直接貼近鉆具執行感應加熱，且循環水管與循環冷卻系統連通，導流線纜連接主回路線圈。加熱頭下方安裝旋轉升降機構，用以調節加熱頭的360°旋轉及上下升降，以滿足使用過程中同工況下的工藝需求。紅外線測溫儀用于鉆具螺紋加熱過程中，對鉆具外表面溫度進行實時監測。設備啟動后，鉆具表面溫度持續上升至預先設定好的指定溫度，紅外線測溫儀監測到實時溫度后，反饋給高頻主機控制系統進行自動調整，當實測溫度達到設定溫度時，控制系統便自動調節系統至恒溫模式，工作至設定的時間后，自動停止。一體式電磁感應設備樣機如圖3所示。

1—感應線圈；2—加熱頭；3—旋轉升降機構；4—循環冷卻系統；5—主機及控制系統。

3 試驗分析

電磁感應加熱不同于乙炔等火焰加熱，電磁感應加熱為內熱式加熱，其感應電流的集膚效應尤其適合管類零件加熱，通過電磁感應讓被加熱工件內部生熱，不僅熱效率高、加熱均勻，還具有節能降耗、安全智能的優點，并且減輕了工件表面因火焰烘烤局部過熱造成的氧化及其對材料性能的影響。傳統的火焰加熱采用粗放式的經驗控制，而電磁感應加熱是精確的溫度控制模式。

為了驗證一體式電磁感應加熱設備對石油鉆具螺紋加熱的適用性及其加熱速度，選取兩種型號鉆具的部件螺紋作為試件進行對比試驗[9-11]。所選試件均為兩種型號鉆具的最大壁厚連接螺紋，材質為調質42CrMo鋼。其中：試件Ⅰ外徑172.0 mm，內螺紋為114.3 mm，最大壁厚38.0 mm；試件Ⅱ外徑120.0 mm，內螺紋為88.9 mm，最大壁厚30.5 mm。采用兩種規格的U形感應線圈分別對試件進行加熱試驗，加熱試驗模型如圖4所示。試驗過程中，基于紅外線測溫儀進行單點溫度測量，分別選取鉆具螺紋外壁線圈中心點對應的A點、錐螺紋大端即螺紋起始端壁厚最薄的B點以及錐螺紋小端即螺紋末端壁厚最大的C點，以驗證感應加熱與熱滲透時間和速度等性能。同時，在螺紋端面通過熱成像儀采集螺紋加熱過程中的溫度分布情況。

圖4 加熱試驗模型Fig.4 Heating test model diagram

根據上述試驗模型及方法，對兩種試件分別進行感應加熱試驗。試件Ⅰ、試件Ⅱ在加熱升溫過程中，各測點的溫度與時間的數值曲線分別如圖5和圖6所示，而不同時間t下的溫度分布分別如圖7和圖8所示。

圖5 試件Ⅰ各測點溫度與時間的數值曲線Fig.5 Numerical curve of temperature and time at each measuring point of specimen Ⅰ

圖6 試件Ⅱ各測點溫度與時間的數值曲線Fig.6 Numerical curve of temperature and time at each measuring point of specimen Ⅱ

圖7 試件Ⅰ在不同時間下的溫度分布Fig.7 Temperature distribution of specimen Ⅰ at different times

圖8 試件Ⅱ在不同時間下的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of specimen Ⅱ at different times

通過分析，一體式電磁感應加熱設備能夠滿足不同型號鉆具的不同規格錐螺紋的加熱需求，試驗最大加熱滲透壁厚達到38.0 mm；且在同類材料條件下，加熱時間、速度主要與壁厚、外徑及線圈貼合間隙有關，壁厚和外徑越小，線圈貼合間隙越小，加熱速度越快，時間越短，熱滲透及擴散越均勻。

4 現場應用及效果評價

4.1 應用實例

對鉆具螺紋加熱時，調整設備加熱頭至感應線圈，盡可能使線圈貼近鉆具外表面，通常貼合間隙小于5 mm最佳。開啟電源總閘，設置加熱溫度，啟動設備。打開水泵循環系統，自動延時后，開啟壓縮機自動冷卻系統；水循環和冷卻系統正常開啟后，即可開始加熱。當紅外線監測到溫度上升至設定溫度后，保持設定的最高溫度，按時間繼電器設定的加熱時間自動停止加熱，防止過度加熱，破壞鉆具零件性能，同時也可避免設備過載，延長使用壽命，降低故障率。

通常一體式電磁感應加熱設備與液壓拆裝設備配合應用，當螺紋經過預定溫度加熱，破壞高強度膠的粘結性能后，進而結合液壓拆卸設備施加扭矩實現螺紋的卸扣。圖9為?172.0 mm螺桿鉆具拆檢圖。圖9a為加熱拆卸鉆具定子下接頭，圖9b為加熱拆卸萬向軸接頭，而圖9c為采用特制的L型環形線圈加熱鉆具定子內部的防掉鎖帽。一體式電磁感應加熱設備實現了鉆具或井下儀器的全部粘膠螺紋加熱，實現了除膠及快速拆卸，滿足了不同規格及不同壁厚的螺紋加熱工藝需求，尺寸適用范圍為10～205 mm。

圖9 螺桿鉆具折檢圖Fig.9 Disassembling and inspection diagram of PDM tool

4.2 除膠效果評價

由于粘結螺紋采用高強度厭氧膠，在凝結后成固態粘附在螺紋表面和螺紋配合間隙內，通常需要在超過180 ℃的高溫條件下方可失效。采用氧氣+乙炔加熱的方式透熱速度慢，且溫度不均勻，膠的性能破壞不徹底，即使拆卸后，螺紋表面及螺紋底部仍粘附有殘余膠塊，需要進一步通過化學腐蝕并加人工清理。采用一體式電磁感應加熱設備加熱后，透熱均勻，顯著改善了除膠效果，以預設溫度250 ℃加熱螺紋，固態凝結膠徹底失效成灰白粉末狀，拆卸后僅需鋼刷簡單清理即可。

5 結 論

(1)基于電磁感應加熱的現有工業技術，研制出了適用于鉆具螺紋加熱特殊工藝的一體式電磁感應加熱設備；通過試驗對比及實際應用，驗證并實現了不同規格及壁厚的螺紋加熱快速除膠拆卸。設備的最大加熱滲透壁厚達到38.0 mm，且壁厚和外徑越小，線圈貼合間隙越小，加熱速度越快，時間越短，熱滲透及擴散越均勻。

(2)該工藝及設備作為一種安全節能、高效智能的革新性工藝方法，具有加熱速度快，熱滲透性好，安全性、適用性及自動化程度較高等特點；平均加熱時間少于1.5 min，且除膠效果顯著，能夠大幅提高工作效率，降低成本。