組裝工藝對鋁合金鉆桿性能的影響及自動化組裝裝置研制

王雪琪，劉寶昌，李思奇，王立臣，李寶

(1.吉林大學建設工程學院，長春 130026；2.自然資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，長春 130026；3.吉林啟星鋁業(yè)有限公司，吉林遼源 136200)

0 引言

近幾年，我國原油和天然氣對外依存度依舊處于上升趨勢，2018年已分別達70.8%和43.2%[1]。在淺層油氣資源已基本探明的情況下，研制開發(fā)深部油氣資源、深部科學鉆探工程的鉆探機具刻不容緩。其中，鉆桿起到連接地面鉆進設備和孔底鉆具、傳遞鉆壓和扭矩、輸送沖洗液的作用，還是提取巖心管的通道，進行事故打撈的載體[2,3]。對于深部鉆探，傳統(tǒng)的鋼鉆桿自重大、對配套鉆機的要求高、耐腐蝕性能差，還易發(fā)生拉斷、刺漏等鉆井事故[4,5]。為了在保障鉆探工程安全的同時提高一定的鉆進效率，研制可以適應深部鉆探時井底高溫、高壓、應力交變復雜、腐蝕環(huán)境惡劣的極端工況的輕質(zhì)高強鉆桿刻不容緩。相較于傳統(tǒng)鋼鉆桿，鋁合金鉆桿具有比強度高、耐酸腐蝕性強、無磁性等特點。鋁合金鉆桿需配合鋼接頭使用，起到緩解鋁合金鉆桿耐磨性差和螺紋強度不足的問題，從而保證整個鉆桿柱的可靠性[6-8]。

在實際的工程應用中，鋁合金鉆桿最薄弱的部位是螺紋連接處，鋼接頭與鋁合金鉆桿螺紋組裝的精度和質(zhì)量會直接影響到整個鉆桿的可靠性，所以需優(yōu)化鋼接頭和鋁合金鉆桿螺紋組裝的工藝參數(shù)并研制自動化的組裝裝備，從而突破發(fā)達國家對我國的技術封鎖。目前，國內(nèi)外鋁合金鉆桿組裝技術主要有預扭矩法、熱組裝技術和冷組裝技術[9-14]，通過實際應用表明熱組裝技術更適合深孔鉆井鋁合金鉆桿，在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)鋁合金鉆桿中具有重要潛力。由于組裝過程中的高溫會降低鋁合金桿體螺紋部位的強度，為了對鋁合金鉆桿的軸向抗拉強度、過盈量、鋼接頭加熱溫度的計算和熱組裝裝置設計參數(shù)提供指導，研究組裝過程中鋁合金鉆桿桿體螺紋部位的實時溫度對鋁合金鉆桿部位鋁合金材料性能的影響很有必要。

本文針對熱組裝過程中7075鋁合金鉆桿螺紋連接處溫度變化情況以及最大軸向拉力變化情況進行了研究，并研制了一套全尺寸鋁合金鉆桿桿體和鋼接頭自動化過盈熱組裝裝置。

1 熱組裝溫度測量試驗

使用圖1所示的熱組裝試驗臺對加工直徑147 mm 的7075-T6鋁合金短鉆桿與加工直徑178 mm 的37CrMnMo鋼接頭在熱組裝過程中的實際溫度進行測量實驗。由于在組裝過程中，鋁合金鉆桿桿體第一扣的螺紋溫度最高，因此在本實驗中，在鋁合金鉆桿第一扣螺紋部位埋設PT100鉑熱電阻溫度傳感器，位置如圖2所示，使用北京昆侖中大傳感器技術有限公司的KZR90型號無紙記錄儀對溫度進行實時記錄。

圖1 鋁合金鉆桿桿體與鋼接頭熱組裝試驗臺Fig.1 Hot assembly test bed for aluminum alloy drill pipe body and steel joint

圖2 鋁合金鉆桿與鋼接頭熱組裝試驗Fig.2 Hot assembly test of aluminum alloy drill pipe and steel joint

條件為鋼接頭加熱溫度400℃，內(nèi)外冷卻水的初始溫度為20℃，內(nèi)冷卻水流量20 L/min，外冷卻水流量10 L/min，同時保證各組試驗組裝速度相同，分別進行僅外冷卻、僅內(nèi)冷卻、內(nèi)外同時冷卻3組試驗，其中內(nèi)外冷卻示意圖如圖3所示。

圖3 內(nèi)外冷卻示意圖Fig.3 Schematic diagram of internal and external cooling

試驗結(jié)果見圖4，當僅有外冷卻時，曲線顯示鋁合金鉆桿螺紋部位溫度迅速升高，于84 s達到峰值119℃；當僅有內(nèi)冷卻時，升溫速率略低，于130 s達到峰值95℃；當內(nèi)外同時冷卻時，較僅有外冷卻以及僅有內(nèi)冷卻的情況，升至最高溫后的降溫速度明顯提高，有利于降低高溫對鋁合金鉆桿性能的影響。

圖4 熱組裝過程中鋁合金鉆桿桿體螺紋部位實測溫度曲線Fig.4 The measured temperature curve of the threaded part of the aluminum alloy drill pipe body during the hot assembly process

俄羅斯圣彼得堡國立礦業(yè)大學的研究人員對在實際熱組裝條件下的鋁合金鉆桿材料性能變化規(guī)律的研究表明，在120 s熱組裝過程中，1953T1鋁合金鉆桿材料抗拉強度從580 MPa降至570 MPa，延伸率從12%提升至13%[9]。結(jié)合圣彼得堡國立礦業(yè)大學科研工作者的經(jīng)驗，國產(chǎn)7075鋁合金鉆桿在常溫下抗拉強度為595 MPa，估算熱組裝過后強度降低約10 MPa，按國家鋁合金鉆桿標準(GB/T 20659—2006)規(guī)定的7075鋁合金(Al-Zn-Mg合金)的抗拉強度需高于530 MPa[15]，熱組裝后的鋁合金鉆桿強度依舊符合。

試驗結(jié)果表明外冷卻可以保證鋁合金鉆桿桿體螺紋部位快速降溫；內(nèi)冷卻可以使鋁合金鉆桿桿體螺紋部位的最高溫度降低25℃左右，所以在熱組裝裝置中設計內(nèi)外冷卻機構十分必要。

2 螺紋連接的軸向拉伸有限元分析

利用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的結(jié)構靜力分析模塊，針對特殊設計的梯形錐螺紋連接形式的無過盈情況下的鋁合金鉆桿與鋼接頭連接，建立簡化二維模型，螺紋尺寸參數(shù)如圖5所示。

圖5 螺紋尺寸參數(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of thread size parameters

鋁合金鉆桿與鋼接頭的螺紋連接的幾何形狀、約束情況以及所受外力都對稱于中心軸，為軸對稱模型?；谳S對稱理論，本文采用二維軸對稱模型對螺紋連接進行分析，同時根據(jù)鋁合金鉆桿桿體及其接頭結(jié)構特點，進行以下假設：①鋁合金鉆桿桿體和鋼接頭均為均勻各向同性材料；②作用在接觸面上的摩擦力滿足庫倫定律；③螺旋升角對沿錐螺紋的載荷分布影響可以忽略。

建立連接模型，7075鋁合金鉆桿桿體材料和鋼接頭材料參數(shù)見表1，建立鋁合金鉆桿桿體與鋼接頭連接的力學模型。

表1 材料的力學性能參數(shù)Table 1 Material mechanical performance parameters

確定鋼接頭與鋁合金鉆桿的材料屬性之后，使用雙線性隨動強化模型，在螺紋部位定義接觸對，采用增強拉格朗日公式，進行網(wǎng)格劃分，細化螺紋齒。參考俄羅斯1953T1鋁合金鉆桿性能參數(shù)表以及國產(chǎn)7075鋁合金鉆桿的全尺寸拉伸試驗，7075鋁合金鉆桿所能承受的最大軸向拉力約為2500～2600 kN。所以在相同設置和外部條件下，鋼接頭端固定，只對鋁合金桿體一端分別施加2075 kN、2235 kN、2395 kN、2555 kN的拉力，通過有限元分析得到螺紋應力分布模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 螺紋應力分布云圖Fig.6 Thread stress distribution cloud chart

由于在鋁合金鉆桿桿體與鋼接頭螺紋連接中，鋁合金鉆桿桿體相對于鋼接頭來說是薄弱環(huán)節(jié)，因此只需要關注鋁合金鉆桿所受的最大拉應力。從圖6可得，鋁合金鉆桿外螺紋和鋼接頭內(nèi)螺紋嚙合的最后一扣的鋁合金外螺紋根部拉應力最大，數(shù)據(jù)如表2、圖7所示。

表2 不同拉力模擬結(jié)果Table 2 Different tensile simulation results

圖7 不同拉力與最大螺紋應力關系圖Fig.7 Relationship between different tensile forces and maximum thread stress

從表2和圖7可見，鋁合金螺紋根部所能承受的最大等效應力與施加拉力呈正相關，對螺紋根部的最大應力σ與軸向拉力F進行公式擬合可得

σ=0.1537F+220.0582

(1)

由上文分析的組裝溫度對鉆桿螺紋部位鋁合金材料性能的影響可知，抗拉強度降低約10 MPa，即從595 MPa降至585 MPa。由公式(1)計算可得，鋁合金鉆桿能承受的最大軸向拉力下降約65 kN，進一步證明了內(nèi)外冷卻機構在熱組裝裝置中的重要性。

3 全尺寸鋁合金鉆桿自動化過盈熱組裝裝置研制

目前我國的熱組裝技術自動化程度較低，大部分的組裝流程還需人工操作，這會影響鋁合金鉆桿可靠性。為此，本文研制了鋁合金鉆桿桿體和鋼接頭自動化過盈熱組裝裝置，以期為建設自動化、智能化的鋁合金鉆桿生產(chǎn)線提供設備支撐。

該裝置的原理是使用中頻感應加熱鋼接頭到設定溫度，使其受熱膨脹，在熱膨脹的狀態(tài)下將鋼接頭擰合到鋁合金鉆桿桿體上，待鋼接頭冷卻后在螺紋連接處獲得必要的預緊力，實現(xiàn)更可靠的過盈連接，滿足鋁合金鉆桿工作過程中承受復雜應力條件的需求。該裝置由桿體支撐夾持機構、鋼接頭加熱機構、回轉(zhuǎn)機構、給進機構、鋁合金鉆桿桿體內(nèi)冷卻機構、鋼接頭外部冷卻機構、檢測及控制機構組成，如圖8所示。

圖8 自動化熱組裝裝置三維模型示意圖Fig.8 Schematic diagram of 3D model of automated thermal assembly device

本裝置設計上扣扭矩100 N·m，上扣轉(zhuǎn)速60 r/min。為保證鋁合金鉆桿桿體螺紋部位最高溫度不超過90℃，內(nèi)冷卻機構設計流量1.5 L/s，內(nèi)管孔徑為40 mm。為保證在熱組裝完成之后，鋼接頭能迅速降溫，并且鋁合金鉆桿桿體不會長時間的處于較高溫度，從而減少高溫對鋁合金鉆桿桿體螺紋部位造成的熱損傷，進而保證鋁合金鉆桿組裝可靠性，設計了外冷卻機構，冷卻水通過弧形噴嘴噴到鋼接頭上，對組裝之后的螺紋部位進行冷卻，以39.8 m/s 的流速冷卻5 min，內(nèi)外冷卻機構結(jié)構示意圖見圖9。

圖9 內(nèi)外冷卻機構結(jié)構示意圖Fig.9 Schematic diagram of the internal and external cooling mechanism

通過西門子S7-300可編程控制器實現(xiàn)整套裝置的自動化控制，使用STEP7軟件對組裝工藝過程中的相關參數(shù)進行編程。

該裝置可自動化熱組裝直徑147 mm的鋁合金桿體和直徑178 mm的標準鋼接頭，組裝過程中鋼接頭的加熱溫度可達400℃以上，并同時保證鋁合金鉆桿桿體的最高溫度低于90℃，在一定程度上可以提高鋁合金鉆桿桿體與鋼接頭的組裝精度和質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文針對鋁合金鉆桿桿體與鋼接頭熱組裝技術開展研究，對熱組裝過程中的實際溫度進行了測量，試驗證明外冷卻可以保證鋁合金鉆桿的螺紋部位不會較長時間的處于較高溫度，內(nèi)冷卻可以使螺紋部位最高溫度降低25℃左右。對螺紋連接部位的軸向拉伸有限元分析說明熱組裝過程中存在的高溫會使鋁合金鉆桿能承受的最大軸向拉力降低65 kN左右。以上試驗和模擬都驗證了合理設計熱組裝裝置的內(nèi)外冷卻機構的必要性。針對試驗以及模擬得到的結(jié)果，作者研制了具有合理的內(nèi)外冷卻機構的自動化過盈熱組裝裝置，可以實現(xiàn)直徑147 mm的鋁合金桿體與直徑178 mm的標準鋼接頭的自動化熱組裝，提高鋁合金鉆桿和鋼接頭組裝的可靠性。