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。