外加厚油管机械手设计自动化改造技术研究.doc

1、1外加厚油管机械手设计自动化改造技术研究摘要：本文通过对国内外加厚油管的技术现状和设备现状的分析，选取了 N80 油管外加厚设备。根据相关理论对管端加热、模具、热处理工艺和冷床进行了计算和分析，结合现场试验最终确定了各项工艺参数。经机械性能检验和矿场试验，产品各项性能指标满足 API 5CT 标准要求和现场使用要求。 关键词：油管 加厚 热处理 模具 油管是油田生产过程中重要的消耗物质，油管在石油工业中占有很重要的地位：外加厚油管是我厂主打产品之一，各油田普遍采用加厚油管高的连接强度和较低的成本，以保证油层开发的稳产增产。 世界上一些发达国家，如美国、前苏联等早在上个世纪 50 年代均已采用空

2、心钢管在端部局部加热锻造的方法来生产加厚油管。为了满足日益发展的石油工业的需要，我国在上个世纪 80 年代开始引进国外设备进行端部加厚油管的制造，在随后的时间内，在消化吸收国外先进技术的同时，实现了加厚油管设备的国产化，同时油管加厚的自动化控制技术也在不断的发展。 一、油管端头加厚技术现状 管端加厚分为内加厚、外加厚和内外加厚三种。目前油管使用最多、技术最为成熟的是管端外加厚2。 其中管端加厚和热处理是影响产品质量的关键工序。 21.管端加热 在锻造生产中，金属坯料锻前加热的目的是：提高金属塑性，降低变形抗力，从而使金属易于流动成形，并使锻件获得良好的锻后组织和力学性能。按所采用的热源不同、可

3、分为燃料加热和电加热两大类。对于油管这种外形规则，结构简单的薄壁金属管体，采用感应电加热的方式进行管体加热。 2.管端加厚 目前，我厂管端加厚工艺根据平锻机工作运行速度快，金属聚料和终锻成型总时间也较短，故采用一火镦粗成形。 2.1 管端加厚设备 目前，国内外加厚机有两种方式，液压加厚机和卧式锻造机（平锻机） 。 2.1.1 液压加厚机有如下优缺点：运行平稳、冲击力小、环境无噪音污染，工件成形好，设备自动化程度高，操作者劳动强度小；设备模型空间小，只能装夹一个模具，对于锻件纵向飞边需要进行修磨，修磨工作量较大。 2.1.2 平锻机具有如下优缺点： a.设备运行速度快，生产效率高；b.模型空间大

4、，可以装夹 34 个模腔，一次加热，可两次镦粗成形，生产成本低；c.锻件无纵向飞边，修磨工作量小；d.设备投资小，减少了生产线建设投资；e.设备牢固，受力大，工作时冲击力大，环境噪音较大；f.设备自动化程度低，镦粗时多为人工操作，操作者劳动强度大。 3目前国内外平锻机使用也较为广泛，一些生产线配套了自动上下料的机械手，使生产效率进一步提高，同时产品质量得到稳步提高，操作者得到了解放。 二、关键技术研究 1.基础数据 API 5CT 对油管的钢材牌号未作具体要求，只要求机械性能。所以各轧管生产厂家所用的钢材牌号不完全一致。目前我厂 N80 油管材料普遍为 36Mn2V。 油管外加厚属于管坯的局部

5、镦粗，在进行局部镦粗时要避免因管壁失稳而产生纵向弯曲和形成折叠。实践证明，产生弯曲的方向是向外。管坯镦粗时要遵守以下顶镦规则： 2.机械手自动化的模具设计研究 模具是油管镦粗成形的重要工具，模具的使用寿命影响油管加厚的成本和生产效率。采用自动化控制技术，有效避免了送料过长，同时各工位衔接更流畅，降低了工件热量损失，进一步降低模具受力，有利于生产效率的提高和生产成本的控制。 2.1 基本尺寸的选取 根据国内油管管坯供应厂家的产品情况，其外径和壁厚基本按上公差进行生产，因此，根据镦粗设计原则，外径取上公差的一半，壁厚按基本尺寸进行选取。 2.2 锻件体积计算 在进行油管外加厚镦粗时，必须考虑到锻造

6、飞边、烧损率等因素。 42.3 镦粗工步参数优化 根据管料镦粗规律，每次镦粗外径增大系数是不完全相等的，而与管料每次镦粗前的镦粗比 m 有关。以锻造比为目标函数对每次的镦粗的壁厚增大系数进行优化。 2.4 计算锻造压力 镦锻压力的选择主要依赖于金属的变形抗力。采用自动化改造后由于模锻的连续性和快速性得到有效保证，终段温度可以控制在 900以上，变形抗力 80 MPa 左右，计算得最小的墩锻压力为：400 吨，所以可以使镦锻设备工作在较轻的负荷下。 3. 生产线工艺参数影响 在加厚油管的生产过程中，工艺参数是决定产品质量的决定性因素，因此，自动控制技术在关键工序的工艺参数控制上显出更重要的作用。

7、 3.1 管端加热工艺参数 管端加热工序的工艺参数，一是加热长度，二是加热温度。 3.1.1 加热长度 经过多次试验，确定油管的加热长度，机械手对齐装置自动对齐加热管头，由中频炉移动定尺加热管段；这样可以就可以最大限度减少能耗，精确加热长度，降低夹持模具对加热过渡段的影响。 3.1.2 加热温度的控制 3.1.2.1 加热基本温度是基于材料的性能而定，受过热和过烧的限制，一般低于熔点 100200；加热温度过高会出现过热和过烧，造成油管报废；加热温度过低，一方面影响镦锻时的成型，会出现局部内凹；5另一方面会使在墩锻时拔模力太大，造成设备损坏或局部出现环状内凹；锻造前油管的加热设备可以精确探测加

8、热温度，当温度接近 115020时，进行脉冲功率控制。在尽可能减小镦锻力的同时，保证锻造质量。 3.1.2.2 模具对管端加热温度均匀性的要求 如果加热不均匀，金属流动性差，会造成局部内凹现象，因此为保证油管头受热的均匀性，不仅要在工作前预热，在镦锻过程中要对模腔内进行润滑冷却，大大提高了模具使用寿命和模锻成型质量，同时省去了人工操作，避免了肉眼看不到的死角和高温污染物对人体的刺激。 三、结论 本文针对外加厚油管自动化改造技术，采用理论分析和实物试验的方法，系统深入地研究了外加厚油管自动化改造过程中管端加热、镦粗外加厚、模具设计的影响，得出以下结论： 1.加厚设备在自动化系统的配合下，发挥了一

9、系列的优点：生产率高。因此，近年来自动化技术广泛用于钢管管端加厚。 2.管端加热设备选用中频透热炉效果较好，具有加热速度快、金属消耗少、加热制度稳定、避免表面层脱碳；定尺采用自动对齐装置达到定尺精度高，加热效率高、劳动条件好等优点。 3.根据模锻工位需要 ，采用机械手自动送进、定位、脱模装置，全自动完成油管镦锻工序，在减轻劳动强度基础上，保证了工作质量。 参考文献 1李鹤林主编.石油管工程M.北京：石油工业出版社，1999.9 2王北明.国外石油钻采钢管加工（增订版）M.北京：冶金工业6出版社，1983.3：P106137. 3姚泽坤.锻造工艺学M.西安：西北工业大学出版社，1998.7：P1416. 4潘天明.工频和中频感应炉M.冶金工业出版社，1983. 8：P620. 5臧尔寿.热处理炉M.冶金工业出版社，1983.10：P229249. 6吴晓春.机械工程材料M.1998，22（4）： 68. 作者简介：孙玲琴（1967-）女，汉，甘肃人，工程师，主要从事石油装备制造工作。