呂永鵬，胡德英，馮秦軍，楊 俊

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 西安石油專用管分公司，西安710201）

外加厚油管加厚端常見(jiàn)缺陷及預(yù)防措施

呂永鵬，胡德英，馮秦軍，楊 俊

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 西安石油專用管分公司，西安710201）

為了提高外加厚油管加厚端質(zhì)量、減少缺陷的產(chǎn)生，以加厚Φ73.02 mm×5.51 mm油管為例，分析了油管外加厚端外表面凸棱、結(jié)疤、管端飛邊、內(nèi)表面凹坑等缺陷產(chǎn)生的原因，并給出了相應(yīng)的預(yù)防措施，主要有調(diào)整加熱溫度、改善潤(rùn)滑冷卻效果、保證鋼管送料位置等措施，可減少內(nèi)表面凹坑和外表面結(jié)疤等缺陷的出現(xiàn)；根據(jù)加厚縮短量計(jì)算公式計(jì)算出理論縮短量，進(jìn)而確定沖頭行程，能有效減少端面凹槽、內(nèi)凹坑缺陷的產(chǎn)生。

油管；外加厚油管；表面缺陷；加厚工藝；縮短量

1 概 述

加厚鋼管常用于石油油管、鉆桿管和鉆鋌管。根據(jù)加厚端的內(nèi)外徑變化情況，加厚鋼管可分為外加厚、內(nèi)加厚、內(nèi)外加厚3種，其中最常見(jiàn)的是外加厚。外加厚是加厚端外徑大于管體外徑，而內(nèi)徑不變。

寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司西安石油專用管分公司（以下簡(jiǎn)稱西安公司）熱處理分廠管端外加厚生產(chǎn)線，采用“二次加熱+一次成型”生產(chǎn)工藝，主要生產(chǎn)（Φ60.3～Φ114.3）mm×（4.83～9.52）mm 加厚油管。油管長(zhǎng)度6 000～12 500 mm，鋼級(jí)J55～P110。該生產(chǎn)線每小時(shí)生產(chǎn)油管55～115根。

鋼管加厚工藝流程：采用中頻感應(yīng)加熱爐，分2個(gè)工位將熱軋無(wú)縫鋼管管端加熱到變形溫度，將管端加熱好的管坯送入模腔夾緊，接著沖頭向前頂鍛管坯，使金屬在模腔和沖頭頂鍛面形成的型腔中變形，達(dá)到API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)外加厚油管的管端尺寸。鋼管管端加厚完成之后進(jìn)行全長(zhǎng)熱處理，然后在加厚端外表面加工螺紋。采用該工藝處理的油管管端的強(qiáng)度與管體相同，達(dá)到了提高油管連接處強(qiáng)度的目的。

2 油管加厚端的參數(shù)及測(cè)量

2.1 加厚端參數(shù)

外加厚油管和接箍連接如圖1所示。由圖1可知，加厚油管的參數(shù)主要有加厚端長(zhǎng)度Leu、管端到加厚厚度減小終止處長(zhǎng)度La、管端到加厚消失處長(zhǎng)度Lb、加厚端外徑D4、距管端La處外徑Dc、變徑段長(zhǎng)度b、油管的內(nèi)徑d和外徑D。

圖1 外加厚油管和接箍連接示意圖

2.1.1 Leu的控制

從加厚模具形狀和加厚工作原理可知，加厚端長(zhǎng)度Leu與加厚沖頭的行程有關(guān)。如果沖頭的行程偏小，就會(huì)造成模腔充不滿，產(chǎn)生缺陷；如果行程過(guò)大，使管端造成擠壓，又會(huì)損傷磨具，降低模具的使用壽命。 因此，要合理控制沖頭的行程，確保加厚端長(zhǎng)度Leu。

2.1.2 Lb的控制

為了使Lb滿足API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求，加厚生產(chǎn)前應(yīng)嚴(yán)格控制管端的加熱長(zhǎng)度。根據(jù)西安公司的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)規(guī)格為Φ73.02 mm×5.51 mm油管加厚處理時(shí)，管端加熱長(zhǎng)度控制在 265～275 mm，可使 Lb滿足 API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 加厚端幾何尺寸的測(cè)量

以加厚Φ73.02 mm×5.51 mm油管為例，API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求Leu為82.55～107.95 mm，距管端La=158.75 mm處外徑Dc為72.23～73.81 mm，D4為 78.95～80.18 mm，Lb不超過(guò) 260.35 mm。 選用一定的工藝參數(shù)并保持不變，加厚10根規(guī)格為Φ73.02 mm×5.51 mm油管，并測(cè)量加厚端尺寸，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可看出，只要工藝參數(shù)調(diào)整合適并保持不變，模具磨損不嚴(yán)重，加厚端的幾何尺寸就可以保持基本不變，滿足API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 Φ73.02 mm×5.51 mm外加厚油管加厚端尺寸測(cè)量結(jié)果

3 加厚端內(nèi)外表面缺陷分析

3.1 外表面凸棱（合模線）

根據(jù)加厚端成型原理，加厚生產(chǎn)過(guò)程中上下模具合模時(shí)，加厚端外表面會(huì)產(chǎn)生一道軸向凸棱，即合模線，如圖2所示。隨著加厚模具的磨損，合模線會(huì)越來(lái)越粗。合模線的存在會(huì)影響加厚端外表面的質(zhì)量及外螺紋的加工，因此需要對(duì)合模線進(jìn)行修磨。生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在保證加厚端外徑尺寸不超差的情況下，降低模具的夾緊力，可以減小合模線的厚度。另外，如果發(fā)現(xiàn)合模線變粗變高，就應(yīng)及時(shí)更換模具。

圖2 加厚端凸棱

3.2 管端飛邊和凹槽

管端飛邊是指外加厚端頭延伸出端面，并沿圓周方向突起，如圖3所示。產(chǎn)生管端飛邊的主要原因是：①模具潤(rùn)滑。由于金屬在變形過(guò)程中與模腔表面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生摩擦，潤(rùn)滑不到位時(shí)摩擦力會(huì)阻礙金屬流動(dòng)，產(chǎn)生飛邊；②鐓粗力。更換產(chǎn)品規(guī)格時(shí)，金屬變形量發(fā)生變化，需要調(diào)整壓力繼電器參數(shù)進(jìn)而調(diào)整鐓粗力。如果設(shè)定的鐓粗力過(guò)大，金屬會(huì)從模腔與沖頭間的縫隙擠出而產(chǎn)生飛邊；但如果設(shè)定的鐓粗力偏小，金屬在沒(méi)有充滿模腔的情況下鐓粗力已達(dá)到設(shè)定值，沖頭返回，端頭又會(huì)出現(xiàn)凹槽，如圖4所示。

圖3 加厚端飛邊缺陷

圖4 加厚端凹槽缺陷

實(shí)際生產(chǎn)中，改善模具潤(rùn)滑效果，會(huì)有效減少管端產(chǎn)生飛邊；觀察管端金屬變形量，調(diào)整合適壓力繼電器參數(shù)，可消除飛邊。

3.3 內(nèi)表面環(huán)狀凹坑和點(diǎn)狀凹坑

在油管加厚區(qū)域，有時(shí)會(huì)在內(nèi)表面出現(xiàn)環(huán)狀凹坑或點(diǎn)狀凹坑，如圖5所示。產(chǎn)生的主要原因是：①加厚端溫度過(guò)低、加熱溫度不均勻。鋼材的變形抗力與加熱溫度有關(guān)，在變形速度一定的情況下，加熱溫度越低，其變形抗力越大。所以，當(dāng)加厚端溫度過(guò)低，加厚過(guò)程中勢(shì)必要增加變形抗力，如果設(shè)定的鐓粗力不能使金屬完全聚積變形，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)表面出現(xiàn)環(huán)狀或點(diǎn)狀凹坑。若加熱溫度不均勻，就會(huì)導(dǎo)致金屬流動(dòng)性變差，進(jìn)入型腔時(shí)溫度不足，因而產(chǎn)生環(huán)狀凹坑。②送料不到位、沖頭行程短。參與變形的金屬少，沖頭到達(dá)前限位時(shí)金屬并沒(méi)有充滿模腔，會(huì)產(chǎn)生凹坑。③模具潤(rùn)滑冷卻不到位。黏附在模具上的氧化鐵皮和污物等雜質(zhì)，對(duì)加厚表面的質(zhì)量有影響。調(diào)整中頻感應(yīng)加熱爐的加熱溫度，改變生產(chǎn)節(jié)奏，減少管端溫降；調(diào)整縱向送料輥道伺服電機(jī)送進(jìn)量，保證送料量充足；石墨噴嘴采用扇形，噴灑面積大且均勻；模具冷卻水量充足，并保證一定的水壓，有利于沖洗掉黏附在模具上的氧化鐵皮、污物等雜質(zhì)，又使沖頭的工作面溫度下降較快，提高沖頭的使用壽命。

圖5 加厚端內(nèi)表面環(huán)狀凹坑

3.4 外表面結(jié)疤

加厚端外表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“紐扣”狀的結(jié)疤，如圖6所示。若想敲掉結(jié)疤，就會(huì)產(chǎn)生凹坑缺陷。產(chǎn)生結(jié)疤的主要原因是加熱溫度過(guò)高，使鋼管外表面某處被氧化，石墨被擠壓在外表面，經(jīng)熱處理后，氧化處形成一個(gè)比其他部位堅(jiān)硬的小塊（紐扣），即結(jié)疤。因此，適當(dāng)降低加熱溫度，可減少外表面金屬氧化，進(jìn)而減少結(jié)疤缺陷的產(chǎn)生。

圖6 加厚端外表面結(jié)疤

3.5 加厚端通徑不過(guò)

加厚端通徑不過(guò)主要表現(xiàn)在過(guò)渡段內(nèi)徑小，通徑棒不能通過(guò)。原因分析：加熱長(zhǎng)度對(duì)鋼管內(nèi)徑會(huì)產(chǎn)生一定影響，由于內(nèi)模（沖頭）的工作面為一圓錐體，加熱長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其距端面遠(yuǎn)點(diǎn)的內(nèi)徑越小；鋼管內(nèi)徑偏大時(shí)，過(guò)渡段容易產(chǎn)生凸起，造成通徑不過(guò)。加熱長(zhǎng)度一般依據(jù)變形段長(zhǎng)度來(lái)確定，主要考慮加厚端長(zhǎng)度、過(guò)渡段長(zhǎng)度和縮短量。加熱長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，一般控制在270 mm以內(nèi)。為防止通徑不過(guò)，加厚前應(yīng)檢查原料管坯，保證管坯內(nèi)徑在標(biāo)準(zhǔn)公差范圍內(nèi)。

4 加厚縮短量的計(jì)算

鋼管加厚縮短過(guò)程如圖7所示。加厚尺寸確定后，加厚端的外徑、內(nèi)徑、過(guò)渡段尺寸及加厚端的長(zhǎng)度即已確定。生產(chǎn)前按體積不變?cè)碛?jì)算加厚縮短量。

圖7 鋼管加厚縮短過(guò)程

鋼管加厚過(guò)程中縮短部分的體積ΔV1為

加厚端相對(duì)于未加厚管增加的體積ΔV2包括兩部分：一是過(guò)渡帶引起的體積增加ΔVg，另一部分為外加厚引起的體積增加ΔVj，即

由于加厚引起的體積增加等于平端的長(zhǎng)度縮短部分體積，即

因此得出，鋼管長(zhǎng)度縮短量為

為便于計(jì)算，可引入如下近似：當(dāng)d＞＞t0>Δt時(shí)，2Δt2+3d≈3d，d－t0≈d，d+Δt≈d，于是式（5）可化簡(jiǎn)為

由式（6）可知，加厚過(guò)程中的長(zhǎng)度縮短量ΔL與加厚端增厚比和長(zhǎng)度Lg及Lj有關(guān)系。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中原料鋼管內(nèi)徑偏大，造成加厚模具的磨損、加厚過(guò)程中的燒損，所以引入系數(shù)K，K=1.25～1.70。 式（6）可變?yōu)?/p>

加厚過(guò)程中模具的磨損造成加厚端外徑變大，內(nèi)徑變小，從而使壁厚增加量大于名義壁厚增加量Δt，生產(chǎn)中一般取經(jīng)驗(yàn)值K=1.50。生產(chǎn)前根據(jù)式（7）可以理論計(jì)算出加厚長(zhǎng)度的縮短量控制沖頭行程，從而有效改善外加厚端的質(zhì)量。

5 結(jié) 論

（1）在模具尺寸一定、加厚工藝參數(shù)確定的情況下，加厚端幾何尺寸變化不大，滿足API SPEC 5CT要求。

（2）選用合適的鐓粗力和沖頭行程，可減少端頭飛邊及端面凹槽；調(diào)整加熱溫度、改變生產(chǎn)線節(jié)奏、改善潤(rùn)滑冷卻效果以及保證鋼管送料位置，可減少內(nèi)表面凹坑和外表面結(jié)疤等缺陷的產(chǎn)生。

（3）生產(chǎn)前通過(guò)公式計(jì)算出加厚端縮短量，選取合適的沖頭行程，能有效減少加厚端通徑不合、內(nèi)外表面凹坑及凹槽缺陷。

[1]李曉紅.我國(guó)無(wú)縫鋼管供需市場(chǎng)分析與前景展望[J].鋼管，2006，35（2）：50-53.

[2]APISpecification5CTninthedition，SpecificationforCasing and Tubing[S].

[3]曹妍，張國(guó)祥，趙強(qiáng)，等.外加厚油管加厚端常見(jiàn)質(zhì)量缺陷及分析[J].鋼管，2015（2）：52-54.

[4]任明杰，雷剛.加厚管生產(chǎn)的調(diào)試過(guò)程技術(shù)分析[J].重型機(jī)械，2008（1）：30-34.

[5]孔玲，仇平，劉彥凱.加厚油管管端成形工藝研究[J].現(xiàn)代制造工程，2010（5）：76-79.

[6]張建偉.油管管端加厚工藝改進(jìn)研究[J].寶鋼技術(shù)，2008（5）：54-57.

[7]裴志強(qiáng)，權(quán)曉惠.石油鉆桿管端加厚工藝研究[J].重型機(jī)械，2002（4）：22-33.

[8]趙志業(yè).金屬塑性加工力學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003：114-118.

[9]周勇.鋼管加厚工藝參數(shù)的確定[J].軋鋼，2005，22（2）：26-28.

[10]雷剛，徐能惠，鄭文達(dá)，等.油管加厚生產(chǎn)線常見(jiàn)運(yùn)行故障分析及解決方案[J].重型機(jī)械，2012（3）：171-173.

[11]劉鵬，雙遠(yuǎn)華，元琳琳，等.鋼管管端加厚理論與實(shí)驗(yàn)[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2011（3）：84-90.

[12]張建偉.鋼管管端加厚模具的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].鋼管，2013（5）：45-48.

[13]周勇，郭勝.鋼管加厚一次成型工藝的開(kāi)發(fā)[J].軋鋼，2007，24（1）：30-32.

[14]崔奮，張德松，王國(guó)正，等.外加厚油管一次成型技術(shù)應(yīng)用分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（11）：90-93.

[15]成海濤.無(wú)縫鋼管缺陷與預(yù)防[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

Common Defects of External-upset Tubing Upset Tubing End and Preventive Measures

LYU Yongpeng，HU Deying，F(xiàn)ENG Qingjun，YANG Jun
（Xi’an OCTG Company of BSG Group，Xi’an 710201，China）

In order to enhance the upset tubing end quality of external-upset tubing，decrease defects，taking Φ73.02 mm×5.51 mm upset tubing as example，it analyzed the causes of defects of upset tubing end，including ridge，scar，pipe end flash，inner surface circular pit and so on，and gave corresponding preventive measures.Preventive measures mainly include adjusting heating temperature，improving lubrication and cooling effect，to ensure steel tube feeding position，can reduce the defects such as the inner surface pits and outer surface scarring；According to thickening shorten calculating formula，it calculated theory shorten amount，and then determined the punch stroke，can effectively reduce defects，such as inner and outer surface pits.

tubing；external-upset tubing；surface defect；thickening process；shortening amount

TE931

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.016

呂永鵬（1984—），男，漢族，工程碩士在讀，機(jī)械電子工程專業(yè)，助理工程師，主要從事無(wú)縫鋼管加厚、熱處理、無(wú)損檢驗(yàn)工藝工作。

2016－05－27

謝淑霞