Assel机组生产高精度钻具用管的控制难点及要点

武志强，李进喜，李培达

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

随着钢管市场的竞争日益激烈，抢占高技术含量钢管市场，成为钢管企业产品结构调整的重要方向［1］。近几年，天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）Φ219 mm Assel机组一直在厚壁钢管壁厚精度控制方面持续改进，控制水平不断提高；加重钻杆、钻铤等（简称钻具用管）类产品将逐渐成为Assel机组的主导产品，这类产品的一个重要特征是厚壁且尺寸精度高。本文将结合Φ219 mm Assel机组工艺特点［2-3］，就如何提高厚壁钢管尺寸精度进行分析，并针对现有工具、设备以及生产操作规范等提出相应改进措施。

1 钻具用管及相关要求

近年来天津钢管Assel机组生产的钻具用管主要规格为：Φ114.3 mm×24.6 mm（采用Φ150 mm管坯）、Φ127.0 mm×29.5 mm（采用Φ180 mm管坯）、Φ140.0 mm×28.7 mm、Φ140.0 mm×32.0 mm（两规格均采用Φ210 mm管坯）、Φ165.0 mm×49.0 mm（采用Φ250 mm管坯）。

钻具用管的主要作用是：①传递转矩；②承受给钻头破碎岩石的压力，其中上部钻杆还要承受钻柱本身一部分重量（拉力）；③输送洗井液，即钻井泥浆通过地面的高压泥浆泵打入水龙头，进入钻柱内孔，流入井底冲刷岩屑，冷却钻头并携带岩屑经过钻柱外表面与井壁之间的环形空间返回到地表，使井底不断加深，直至钻到目的层。因承受拉压力和转矩原因，此类钢管壁径比较大，多采用高强度中碳铬钼钢［4-5］。

钻具用管到了机械厂后，需要对其内外表面进行机加工；因此，为了保证后期加工精度，节约加工成本，用户对钻具用管的几何尺寸提出了近乎苛刻的要求：

（1）壁厚公差为-5%~+10%或-10%~+5%，即公差带只有公称壁厚的15%；

（2）外径公差为-0.5%~+1.0%；实际生产时，为避免因不圆度或表面修磨留有余量，外径按正公差控制；

（3）内径公差为-0.6~+1.0 mm，是此类钻具用管的控制重点；

（4）长度为8.0~8.1 m，定尺交货，一旦产生短尺，就是废品。

2 生产难点及各工序对壁厚精度影响程度

天津钢管Φ219 mm Assel机组生产钻具用管的工艺流程为：管坯锯切→环形炉加热→锥形辊穿孔机穿孔→三辊Assel轧管机轧管→14机架微张力定（减）径机减径→链式冷床冷却。

2.1 生产难点

（1）生产的钻具用管的径壁比（D/S）为3.37~4.87，属于厚壁和特厚壁钢管，为了保证钻具用管成品长度的要求，大部分规格选用的管坯外径均比常规品种采用的管坯外径大一个组距，使管坯外径与成品管外径相差较大，部分规格相差70~85 mm。由于穿孔机、Assel轧管机均是扩径轧制，这样大的减径量使定（减）径机无法“消化”，即使个别规格可以“消化”，但也因厚壁管、大减径量使壁厚的精度严重恶化，产生“内六方”现象。为了解决上述问题，穿孔机、Assel轧管机必须采用减径轧制，减少定（减）径机的减径量，将总减径量合理分配在穿孔机、Assel轧管机、定（减）径机3道工序上［6］。

（2）为实现减径轧制，穿孔机组采用了小顶杆配合小顶头，并适当减小辊距，使轧制变形区前移，实现减径轧制［7］。Assel轧管机则采用小芯棒轧制，以实现轧辊的大压下量，并保证荒管能顺利脱棒。由于小顶杆和小芯棒的使用，使得在穿孔和轧管过程中顶杆和芯棒稳定性差，抖动剧烈，造成毛管和荒管的甩动严重，影响壁厚精度，最终影响成品的内径精度。

（3）这类品种钢管不仅提出了外径、壁厚公差的要求，也明确了内径公差要求，且仅有1.6 mm的公差带，而产品满足内径公差的难点是：作为最后一道工序的定径轧制是无芯棒轧制，而且14机架微张力定（减）径机产生的增厚现象在厚壁钢管生产中尤为明显，轧制过程中只能通过对外径和壁厚的精确控制来满足管体内径公差的要求。

（4）14机架微张力定（减）径机机架的减径量分配及轧制参数设置也是一个控制难点。精轧前架既要保证足够减径量，同时还要确保较小椭圆度以实现外径的精度控制；另外主电机和叠加电机参数的选择更直接影响成品管质量。

2.2 各工序对壁厚精度影响程度

各工序对厚壁钢管壁厚精度及表面缺陷的影响程度见表 1［8-9］。

表1 各工序对厚壁钢管壁厚精度及表面缺陷的影响程度

由表1可以看出：影响厚壁钢管壁厚精度的工序主要是穿孔和定（减）径，对表面缺陷的形成影响较大的工序是穿孔和轧管。

3 控制要点

根据用户提出的技术要求，并针对钻具用管生产难点以及厚壁钢管生产特点，提出各工序的控制要点［10-11］。

3.1 管坯准备

锯切前确认定尺参数，锯切后对实际切后长度进行确认，以满足管坯定尺要求。

3.2 管坯加热

由于钻具用钢含有Cr、Mo等合金元素，所形成的间隙项和间隙化合物具有很高的熔点和硬度，使加热难度增大，易造成管坯加热不均匀［12］。因此，针对不同管坯截面制订相应的加热制度，严格控制环形炉出炉节奏，适当延长加热和保温时间，以保证管坯温度均匀。

3.3 穿 孔

（1）在生产钻具用管前，对穿孔机轧制中心线进行测量、调整，以保证导嘴中心线、穿孔机中线、定心辊中心线在一条直线上，从而提高穿孔毛管头部壁厚精度。

（2）采用减径轧制，降低定（减）径机的减径量。

（3）针对变形抗力高、工具设备抖动严重的情况，适当降低穿孔主机速度，保证咬入过程平稳。

（4）穿孔时严格控制顶头使用，严格执行顶头报废标准，发现黏钢、掉肉及时更换顶头。操作人员随时观察毛管表面情况，若发现导板划伤须及时修磨处理。

（5）在现有轧辊基础上对辊形进行改进［13-14］，穿孔辊辊形改进前后对比如图1所示，在轧辊入口锥与出口锥的过渡顶点Hp处，增加一个与轧制中心线平行的过渡带（长度为40 mm），使辗轧过程更加充分，提高轧制过程的稳定性及钻具用管壁厚精度。

图1 穿孔辊辊形改进前后对比示意

3.4 轧 管

（1）采用较大减径轧制，降低定（减）径机的减径量。

（2）由于实施减径轧制，采用小直径芯棒易产生弯曲，所以芯棒上线前目测芯棒直度，弯曲芯棒禁止上线，上线后利用预旋转功能进一步检查芯棒直度。生产过程中定时检查芯棒表面是否黏钢，如有黏钢及时修磨或更换。

（3）仔细检查芯棒前台托辊的毛管位及芯棒位，确保插棒时对中毛管，以防止芯棒插入毛管时划伤毛管内壁。轧制结束后，适当延长后台上导辊下压时间，保证芯棒撤出后再抬起。

（4）降低轧机转速，以获得平稳的轧制过程，提高钻具用管壁厚精度。

（5）荒管从轧机出来后，没有芯棒限制，并且荒管外径小而壁厚大，抖动严重；因此，在轧机后台出口处增加一个保护导套装置，降低荒管出口的抖动幅度。

3.5 定（减）径

（1）确定定（减）径机的总减径量，合理分配各机架的减径量，精轧前架既要保证足够变形量，同时还要确保较小椭圆度。

（2）针对钻具用管减径量大、电机负荷高，容易切断安全销的问题，在生产时适当降低主电机转数，提高叠加电机转数，以降低电机负荷，同时有利于改进钢管“内六方”，改善长度方向壁厚偏差［15］。现场操作人员随时监测现场传动轴运转及操作系统的运行电流、转矩等参数，增加现场设备巡视次数。

（3）生产现场的在线热检采用通径规加通止规的检测方法，快速检测成品管内径及内圆度，提高在线控制精度。

4 实施效果

以Φ127 mm×29.5 mm钻具用管为例，实际生产取样检测。

（1）取钢管头、尾各500 mm一段管头，每隔50 mm测量壁厚最大值及最小值，钻具用管头部500 mm长度壁厚不均度变化如图2所示，钻具用管尾部500 mm长度壁厚不均度变化如图3所示。

（2）采用通止规测量内径，其合格率∧99%。

（3）没有发生明显的内外表面缺陷。

5 结 语

通过工艺的改进和规范，使钻具用管的壁厚精度满足客户要求，批量生产质量稳定；利用控制钢管的壁厚和外径精度，有效解决了有内径要求的钢管生产。

图2 钻具用管头部500 mm长度壁厚不均度变化

图3 钻具用管尾部500 mm长度壁厚不均度变化

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