13°梯形縫篩管的加工技術

□ 高福萬 □ 陳 靜 □ 楊賀來

天津中杰科技發展有限公司 天津 300011

1 技術要求

割縫篩管是油氣田完井防砂用的一種工具,在一根12 m長的石油套管上需加工出數千條濾油用的窄縫。為了保持縫隙的自潔性,防止出現砂粒堵塞縫隙,篩管斷面外開口窄,內開口寬,形狀呈擴散狀等腰梯形,錐角一般為12°左右[1]。

利比亞某油田提出13°梯形縫篩管需求,N80石油套管幾何尺寸為φ127 mm×7.52 mm,外縫寬為0.30 mm±0.05 mm,縫長為60 mm±1.0 mm,縱向縫間距為15 mm±1.0 mm,交錯布縫。

新疆某油田提出12°梯形縫篩管需求,TP110H-HP13Cr石油套管幾何尺寸為φ127.00 mm×9.19 mm,外縫寬為0.30 mm±0.05 mm,縫長為100 mm±3.0 mm ,縱向縫間距為30 mm±3.0 mm。

2 加工方法

割縫篩管加工方法有很多,包括立方氮化硼超薄陶瓷刀具加工[2]、銑刀加工[3]、電解加工[4]、電火花加工[5-6]等。如果需要高效率、大批量加工梯形縫,特別是錐角不小于12°的梯形縫,則只能采用激光加工。

激光加工需要頻繁更換焦點位置,還需要激光束頻繁往復擺動。

若采用傳統的機械傳動對焦模式,驅動聚焦鏡往復移動實現變焦,則效率低,有摩擦損耗。筆者所在單位采用電液伺服控制反射鏡曲率變化,沒有機械運動,實現焦點位置的快速更換[8]。

激光束正反往復擺動,先后兩次切割出梯形縫的斜面,可以得到兩個斜面對稱的等腰梯形。

若采用傳統的皮帶傳動、齒輪齒圈傳動、蝸桿蝸輪傳動等機械方式實現擺動,則效率低,有摩擦損耗。筆者所在單位采用直驅電機實現切割頭正反向往復擺動,可以滿足激光切割梯形縫,特別是大錐角梯形縫篩管的要求[8]。

對于外縫寬為0.10mm±0.03 mm的12°梯形縫篩管,在激光切割出12°錐角后,還需要隨動成形加工機床[9]對梯形縫篩管進行二次塑性成形加工。

3 大錐角梯形縫切割運動學分析

大錐角梯形縫切割系統主要由擺動式可調焦激光切割頭、可變曲率反射鏡、電液伺服閥等組成。

梯形縫切割分兩步進行,第一步為激光打孔,第二步為激光切割。激光切割過程分為去程和回程。去程時,激光切割頭擺動,切出半個梯形縫。回程時,激光切割頭反向擺動,切出整個梯形縫。激光切割與激光打孔的焦點位置不同,通過電液伺服閥控制可變曲率反射鏡鏡面的凹凸變形,來實現焦點位置的變化。去程時激光束調焦如圖1所示。

▲圖1 去程時激光束調焦

▲圖2 可變曲率反射鏡鏡面產生凹陷變形

激光切割頭用脈沖激光打孔后,調整電液伺服閥控制電壓在0至10 V負方向變化,使可變曲率反射鏡鏡面產生凸起變形,如圖3所示。焦點F的位置移至管最高點O的下方,激光切割頭沿管軸線方向移動預定縫長距離,用連續激光切割出前半條梯形縫,如圖4所示。

▲圖3 可變曲率反射鏡鏡面產生凸起變形▲圖4 切割前半條梯形縫

圖1中,O1為擺動式激光切割頭在豎直位置時的回轉中心,O′1為擺動式激光切割頭擺動梯形縫錐度的一半角度α后的回轉中心,點M為擺動式激光切割頭在豎直位置時割嘴輸出點位置,點M′為擺動式激光切割頭擺動梯形縫錐度的一半角度α后割嘴輸出點位置,Vr為點M對激光切割頭回轉中心O1的相對速度;ω為激光切割頭回轉角速度,點F為激光焦點位置。

點M′的絕對速度Va矢量圖如圖5所示。

割嘴上點M′的絕對速度Va是相對速度Vr和牽連速度Ve的矢量和,即:

Va=Vr+Ve

(1)

▲圖5 Va矢量圖▲圖6 回程時激光束調焦

激光切割頭沿管軸線反向移動預定縫長距離,用連續激光切割出后半條梯形縫,形成形狀對稱的、完整的梯形縫,如圖7所示。

▲圖7 完整梯形縫

V′a=V′r+V′e

(2)

▲圖8 V′a矢量圖

激光切割頭擺動和變焦同時進行,增加直線位移軸的輔助運動,加工出梯形縫篩管。

4 質量控制

影響大錐角梯形縫篩管激光切割質量的因素較多,主要控制五方面因素。

4.1 激光輸出功率

13°梯形縫篩管的激光切割比一般相同壁厚和材質的套管切割難度大。

因為對于壁厚為h的石油套管而言,激光切割的實際壁厚h1大于h,即:

h1>h/cosβ

(3)

式中:β為梯形縫斜角,為梯形縫錐角α的一半。

梯形縫錐角α越大,實際切割壁厚h1就越大。

因此,切割13°梯形縫篩管的激光輸出功率比切割同樣壁厚、同樣材質的矩形縫篩管要大,否則切口在切割后會產生熔渣,使切口的表面粗糙度值增大,降低表面質量。

4.2 引弧孔

激光切割首先在割縫段的起點擊穿一個小孔,稱為引弧孔。引弧孔的直徑必須不大于割縫寬度,否則會超出圖紙技術要求。若引弧孔的直徑大于外縫寬度,則會形成俗稱的火柴頭形狀。

二氧化碳激光束聚焦后的光斑直徑一般為0.15～0.3 mm。利比亞某油田需要的13°梯形縫篩管外縫寬度為0.30±0.05 mm。

切割大錐角梯形縫篩管的激光起始光束方向與切割矩形縫篩管不同。切割矩形縫篩管時,激光束處于豎直方向,對準石油套管橫斷面圓心。而切割大錐角梯形縫篩管時,激光起始光束為相對于該豎直方向傾斜角β。

提高激光脈沖輸出的頻率,減小占空比,可以縮短激光束對套管打孔區域的預熱時間,減小打孔點的熱影響區域,使引弧孔的直徑不大于割縫寬度,避免出現火柴頭。

4.3 切割速度

由于13°梯形縫篩管的實際切割厚度增大,因此激光切割的速度相比切割同樣壁厚、同樣材質的矩形縫篩管有所降低,這樣可以避免切割速度過高造成斷面粗糙,套管內部表面出現熔渣。

激光束去程時,偏擺斜角β,切割出半個梯形縫。激光束回程時,反方向偏擺梯形縫錐角α。去程切割速度應低于回程切割速度。

4.4 輔助氣體壓力

輔助氣體與激光束同軸,由噴嘴噴出。

相比切割相同壁厚、相同材質的矩形縫篩管,切割13°梯形縫篩管時,需適當增大輔助氣體的壓力。增大進入切口的氣流量,使切口區盡快發生鐵氧反應,從而加快切割進程。當然,輔助氣體壓力不宜過大,因為壓力過大,氣流過大,會引起氣流密度梯度場變化,加寬切縫,影響切口寬度,即外縫寬度。

4.5 焦點位置

焦點位置對激光外縫寬度影響較大。切割13°梯形縫篩管時,因為實際切割厚度增大,受氣流密度梯度場的影響,焦點位置會上移。對此,適當下移焦點位置,有利于減小氣流密度梯度場的影響,達到減小外縫寬度的目的。

筆者所在單位批量生產出符合質量要求的13°梯形縫篩管產品,已實際應用于利比亞某油田的完井生產中。

5 結束語

筆者介紹了13°梯形縫篩管的加工技術。應用擺動式可調焦激光切割頭,切割出13°梯形縫篩管,在利比亞某油田完井生產中得到應用。擺動式可調焦激光切割頭項目于2013年10月通過天津市科委組織的科技成果鑒定會,獲得國際先進水平的高度評價。

在加工中,實現切割頭的擺動和變焦,增加直線位移軸輔助運動,切割出13°梯形縫篩管。

激光輸出功率、切割速度、輔助氣體壓力等對加工質量有重要影響,合理配置加工參數,可以高速度切割出均勻一致、表面光滑、無破損、無粘渣的大錐角梯形縫篩管。