石油钻杆接头模锻工艺研究

王连义，姜春茂，李守敬，高勃石，吴忠江，李荣智，赵同雨，徐振鹏，张立岩

(北方华安工业集团有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161046)

石油钻杆接头主要用于石油钻井时连接上、下钻杆，钻杆长期工作在高压、强磨损的环境中，承受了较大的工作扭矩。钻杆接头是其最薄弱的环节，是石油钻探过程中的关键性部件。该产品需求量大，市场前景广阔，质量要求严格，目前国内众多厂家为其生产配套。在激烈的市场竞争中，利润空间有限，因此深入研究钻杆接头模锻成形工艺，提高钻杆接头质量，降低生产成本，延长使用寿命十分必要。

1 原材料的选取

石油钻杆接头需具有较高的强度和韧性，以满足工作过程中能够承受拉伸、弯曲、扭转、冲击、振动等多种复杂载荷的交替作用。选取37CrMnMoA作为生产石油钻杆接头用钢的原材料，规格为φ(150±1.4)mm，其加工工艺性良好，价格相对便宜，力学性能完全满足产品性能要求，具体见表1。

表1 石油钻杆接头力学性能要求Table1 Mechanical performance requirements of oil drill pipe joint

2 模锻加工工艺

2.1 模锻工艺流程

模锻工艺流程为:材料验证→锯切下料→上料→模锻前钢锭加热→压型→模锻→缓冷→冷检。

2.2 模锻前钢锭加热

金属材料的加热是热成形中的一个重要环节，温度因素明显地影响到金属的塑性和变形抗力。金属材料在常温和高温时的塑性及变形抗力，具有极大的差别[1－2]。加热不仅可以使钢材的内部状态发生变化，改善塑性，还利于金属内部组织成分趋于均匀，使热变形后的模锻件具有良好的组织状态，为进一步的热处理创造有利条件。

采用感应加热炉进行加热，加热速度快，炉温易于控制，氧化和脱碳少，便于实现机械化和自动化生产[3]。加热温度为1160～1190℃，加热节拍为150～200 s。

2.3 模锻毛坯制定

模锻件是加工机械产品零件的毛坯，加工余量要选择适当，如余量过大，锻件“肥头大耳”，既浪费金属材料又增加了机械加工工时，模锻毛坯尺寸如图1所示。

2.4 加工设备选择

选用压力机时必须满足如下要求[4－6]。

1)压力机公称压力必须大于模锻力;

2)模具的闭合高度应在压力机的最大闭合高度和最小闭合高度之间;

3)压力机的滑块行程必须满足制件的成形要求。

模锻力计算如下[7－8]:

图1 模锻毛坯Fig.1 Die forging blank

式中:F为模锻力，N;ln为模锻毛坯内部长度，mm;dcn为相应模锻毛坯内部ln处的冲头直径，mm;σb为模锻温度下变形材料的抗拉强度，MPa;Dm为模锻模子口部直径，mm;t为模锻毛坯厚度，mm;μ为摩擦系数，用石墨型润滑剂时，μ取0.29～0.30。

将 ln=386 mm，dcn=82 mm，σb=55 MPa，t=32.05 mm，Dm=176.6 mm，μ =0.30 代入公式，计算得F=8480 kN。

根据计算结果选择1000 t水压机进行锻造，为保证模锻毛坯顺利成形，并具有良好的壁厚差，在模锻前增加压型工序，并在压型毛坯上冲出浅孔。

2.5 模锻模具设计

在现代化的大生产中，工具和模具对实现整个模锻过程有着十分重要的意义。模具是保证产品，具有正确形状、尺寸和精度的基本工具，模具结构的形状与尺寸对金属的流变、成形速度、应力与应变有很大的影响，模具结构如图2 所示[9－10]。

2.6 模锻后缓冷

图2 模具结构Fig.2 The mold structure

锻件的冷却是模锻生产中的重要环节之一。冷却方式选择不当，会使锻件产生翘曲、表面过硬甚至产生裂纹而报废。冷却过程中锻后残余应力、温度应力、组织应力影响锻件质量。石油钻杆接头锻后采用立放空冷的冷却方式。

3 结语

通过生产试制，石油钻杆接头毛坯采用模锻成形工艺，产品性能稳定，适合大批量生产，提高了加工质量，降低了生产成本，该工艺可行。

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