СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫСАДКИ КОНЦОВ ТРУБ
COMBINED PIPE END UPSETTING METHOD

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к трубному производству, и может быть использовано при производстве бурильных труб, преимущественно высоких групп прочности с комбинированной высадкой концов труб, предназначенных для приварки замков.
Известен способ комбинированной высадки концов труб, включающий несколько последовательных операций нагрева конца трубы и его деформации пуансоном в полости разъемной матрицы высадочного пресса (Ткаченко В.А. Трубы для нефтяной промышленности / В.А. Ткаченко, А.А. Шевченко, В.И. Стрижак, Ю.С. Пикинер. - М.: Металлургия, 1986. - С.119-128 - [1]). Каждой операции высадки предшествует операция нагрева конца трубы. Особенностью способа является то, что после каждой высадки происходит смена матриц и пуансона. На современных высадочных прессах, например прессах фирм «Mannesmann-Demag» и «SMS-Meer», предусмотрена одновременная установка двух матриц и трех пуансонов. На каждой операции высадки используют пуансон меньшего диаметра, при этом одна и та же матрица может быть использована в двух смежных операциях. Таким образом, на современных прессах максимальное число операций высадки без смены технологического инструмента определяется количеством одновременно устанавливаемых пуансонов.
Критерием формирования количества операций высадки служит величина деформации, характеризуемая коэффициентом утолщения стенки трубы при высадке
i
i
cpi
i1
cpi1
µ=(D-d)/(D-d), (i=1…n),
i
cpi
где D - наружный диаметр высаженного конца трубы после i-той операции высадки (определяется диаметром матрицы), мм; d - средняя величина внутреннего диаметра высаженного конца трубы после i-той операции высадки (определяется средним диаметром пуансона), мм; n - число операций высадки.
Естественно, что для первой операции высадки (i=1):
i
0
cpi
cp0
D=D и d=d - соответственно, наружный и внутренний диаметры исходной трубы, мм.
i
i
∑
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>ln</mi></mrow><mrow><mi>μ</mi><mi>Σ</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>ln</mi><mn>1.5</mn></mrow></mfrac></mrow>
При величине коэффициента утолщения стенки µ>1,5, согласно [1], требуется перераспределить деформацию по операциям высадки или ввести дополнительную операцию высадки. Это обуславливается двумя причинами: при значениях коэффициента утолщения стенки µ>1,5, во-первых, наблюдается потеря устойчивости высаживаемого отрезка трубы (кроме того, при этом важно учитывать соотношение наружного диаметра и толщины стенки трубы), во-вторых, увеличивается усилие высадки. Таким образом, искомое число операций высадки определяется из соотношения
, где µ - суммарный коэффициент утолщения стенки.
При высадке бурильных труб в зависимости от группы прочности необходимо получать различную толщину стенки высаженного конца. Например, для труб с требованиями по API Spec 5 DP наружным диаметром 127 мм и толщиной стенки 9,19 мм группы прочности Е толщина стенки высаженного конца составляет 24 мм, а для группы прочности S - 37 мм. В первом случае необходимо выполнить три операции высадки, а во втором случае - четыре операции.
Поэтому основным недостатком известного способа комбинированной высадки [1] при изготовлении бурильных труб высоких групп прочности на современных высадочных прессах является необходимость выполнения четырех операций высадки, в каждой из которых используют пуансоны разных диаметров, что связано с существенной потерей производительности участка по высадке бурильных труб. Выполнение комбинированной высадки концов труб высоких групп прочности в три операции ведет к потере качества высаженных концов и повышенным нагрузкам на узлы и детали пресса, что связано с дополнительными затратами на их восстановление и уменьшает межремонтные сроки работы пресса.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ комбинированной высадки концов труб с получением преимущественно удлиненной переходной зоны, включающий несколько последовательных операций нагрева конца трубы и его деформирования пуансоном в полости разъемной матрицы высадочного пресса, в котором первоначально осуществляют деформирование конца трубы с уменьшением только внутреннего диаметра высадки до величины 1,03÷1,07 от его заданного значения, при этом коэффициент усадки в первой операции высадки устанавливают в зависимости от длины внутренней переходной зоны и соотношения наружного диаметра к толщине стенки трубы (Патент РФ №2474485, B21J 5/08, опубл. 10.02.2013. - [2]).
Данное техническое решение позволяет повысить качество высаженных концов труб за счет повышения устойчивости высаживаемого отрезка трубы в первой операции высадки, где его длина, а также соотношение наружного диаметра и толщины стенки трубы имеют максимальные значения. При высадке концов труб по способу [2] за четыре операции производительность процесса остается прежней. На ряде позиций сортамента труб способ может быть реализован за три операции, что повышает его производительность.
Однако при высадке концов труб высоких групп прочности (группы G и S по требованиям API) по способу [2] за три операции существенно возрастают нагрузки на элементы высадочного пресса, что выводит оборудование из строя, увеличивает затраты на его ремонт и снижает производительность.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в сокращении времени на замену инструмента и повышении производительности процесса высадки концов труб высоких групп прочности.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе комбинированной высадки концов бурильных труб, преимущественно высоких групп прочности, включающем деформирование нагретого конца трубы на прессе в полости разъемной матрицы посредством перемещаемого пуансона за несколько последовательных операций, причем первоначально осуществляют деформирование конца трубы с уменьшением только внутреннего диаметра высаженного конца, при этом деформирование осуществляют за четыре операции высадки, причем на первой операции высадки используют пуансон и разъемную матрицу, диаметр рабочей полости которой равен диаметру высаживаемой трубы в горячем состоянии, на второй операции высадки используют разъемную матрицу, указанную в первой операции высадки, и пуансон меньшего диаметра, на третьей операции высадки используют матрицу большего диаметра и пуансон, указанный во второй операции высадки, а на четвертой операции высадки используют разъемную матрицу, указанную в третьей операции высадки, и пуансон, диаметр которого обеспечивает получение заданного внутреннего диаметра высаженного конца бурильной трубы.
i
Высадка бурильных труб групп прочности G и S с требованиями API Spec 5DP/ISO 11961 характеризуется необходимостью получения значительной толщины стенки высаженного конца, что предопределяет необходимость выполнения четырех операций высадки. Использование трех операций высадки в этом случае связано с большой величиной деформации, близкой или превышающей предельно допустимые значения (коэффициент утолщения стенки μ>1,5), что ведет к перегрузке деталей и узлов высадочного пресса при его работе, а также повышает вероятность получения дефектов высадки, связанных с потерей устойчивости металла трубы. Поэтому при комбинированной высадке концов бурильных труб высоких групп прочности целесообразно проводить четыре операции высадки. С другой стороны, при традиционном выполнении каждой операции высадки на пуансоне меньшего диаметра, конструктивные особенности современных прессов (с установкой одновременно только трех пуансонов) предопределяют более низкую производительность, обусловленную необходимостью замены пуансона, нежели при высадке в три операции.
Предлагаемый способ устраняет указанное противоречие за счет того, что высадку можно осуществлять за большее число операций, например, четыре, при этом количество используемых пуансонов будет обеспечивать работу пресса без необходимости смены технологического инструмента.
i
Данный способ позволяет перераспределить деформации по операциям высадки, чтобы обеспечить выполнение требуемого условия µ<1,5 для коэффициента утолщения стенки в выполняемой операции. Этому способствует и особенность комбинированной высадки концов бурильных труб, заключающаяся в том, что величина объема металла, смещаемого в направлении увеличения наружного диаметра высаженного конца (наружу), значительно меньше объема металла, смещаемого в направлении уменьшения внутреннего диаметра высаженного конца (внутрь). Весь объем металла, смещаемого наружу, в предлагаемом способе перемещают в одной операции высадки за счет повторного применения пуансона, использованного в предыдущей операции, и новой матрицы, диаметр полости которой соответствует заданному конечному наружному диаметру высаженного конца трубы.
Предлагаемый способ высадки реализуют, например, следующим образом. Концевой участок трубы, длину которого определяют в зависимости от заданных геометрических параметров высадки, нагревают до установленной для данного материала трубы температуры горячей деформации и перемещают в предварительно подготовленный ручей первой (по ходу технологического цикла) матрицы, диаметр рабочей полости которой равен диаметру высаживаемой трубы в горячем состоянии. Затем проводят сведение полуматриц и перемещением пуансона осуществляют высадку нагретого участка трубы в полость матрицы. По достижении заданного давления в гидросистеме пресса, соответствующего усилию высадки, требуемого для заполнения полости между матрицей и пуансоном, процесс останавливают, извлекают пуансон, разводят полуматрицы и перемещают трубу на загрузочный стол пресса (все указанные операции выполняются в автоматическом режиме системой управления прессом). После этого аналогично выполняют вторую операцию высадки, в которой используют ту же матрицу, что и в первой, и пуансон меньшего диаметра, согласно технологии высадки. Третью операцию высадки проводят в той же последовательности, причем для высадки используют матрицу большего диаметра (нежели в двух первых операциях) и пуансон того же диаметра, что и во второй операции высадки. Четвертую, заключительную операцию высадки проводят с использованием матрицы из третьей операции и пуансона, диаметр которого обеспечивает получение заданного внутреннего диаметра высаженного конца трубы.
Следует отметить, что возможен также и вариант технологии, когда в первых трех операциях высадки используют матрицу, диаметр рабочей полости которой равен диаметру высаживаемой трубы в горячем состоянии, а чистовой пуансон используют как в третьей, так и в четвертой операциях высадки.
Предлагаемый способ был опробован на прессе «SMS-MEER» ОАО «ТАГМЕТ» при комбинированной высадке бурильных труб с требованиями API Spec 5DP/ISO 11961 (PSL2). Трубы из стали 25ХГМА наружным диаметром 127 мм и толщиной стенки 9,2 мм группы прочности S высаживали по четырем технологическим схемам:
- по способу-аналогу [1] за четыре операции высадки;
- по способу-прототипу [2] за три операции высадки;
- по способу-прототипу [2] за четыре операции высадки;
- по предлагаемому способу за четыре операции высадки.
Требуемая геометрия высаженного конца трубы:
- длина внутренней цилиндрической зоны - 120 мм;
- длина внутренней переходной зоны - 115 мм;
- длина наружной цилиндрической зоны - 80 мм;
- длина наружной переходной зоны - 100 мм.
По каждому способу осуществляли высадку 25 труб (высадку проводили с обоих концов - 50 высаженных концов). На каждой трубе перед высадкой измеряли наружный и внутренний диаметры, толщину стенки трубы, а после высадки контролировали размеры наружного и внутреннего диаметров и длину зон высаженного конца. В процессе высадки контролировали фактическое усилие высадки (по давлению в главном цилиндре пресса). Параметры процесса высадки приведены в таблице.
Таблица
Параметры процесса высадки опытных образцов труб
Количество операций
Размеры инструмента для высадки концов труб
Коэффициент увеличения стенки
Усилие высадки, кН
Производительность, труб/в смен)
Примечание
диаметр матрицы, мм
средний диаметр пуансона, мм
Способ-аналог [1] - 4 операции высадки (4 пуансона)
1
132
104,5
1,454
1880
48
«Перегиб волокна» на одном из пяти продольных темплетов
2
132
91,5
1,473
1890
3
132
78,5
1,321
1690
4
137
64
1,364
1720
Способ-прототип [2] - 3 операции высадки (3 пуансона)
1
130
102
1,480
1910
75
«Перегиб волокна» на одном из двух продольных темплетов
2
130
85
1,607
2080
3
137
64
1,622
2140
Способ-прототип [2] - 4 операции высадки (4 пуансона)
1
130
104
1,374
1720
48
«Перегиб волокна» отсутствует на всех продольных темплетах
2
130
93
1,423
1850
3
137
78
1,405
1810
4
137
64
1,404
1800
Предлагаемый способ - 4 операции высадки (3 пуансона)
1
130
102
1,480
1910
55
«Перегиб волокна» отсутствует на всех продольных темплетах
2
130
88
1,500
1950
3
137
88
1,167
1510
4
137
64
1,490
1930
Из высаженных концов пяти труб, изготовленных по каждому способу, изготавливали продольные темплеты толщиной 10 мм, на которых исследовали макроструктуру металла. Геометрия высаженных концов всех труб соответствовала требованиям API Spec 5DP.
Способ-аналог [1] - 4 операции высадки (4 пуансона). Суммарное время комбинированной высадки одного конца бурильной трубы размером 27×9,19 мм за операции на прессе «SMS Meer» составляет 210 с. При этом десять минут каждого часа были затрачены на разворот пакета труб, необходимый для проведения высадки вторых концов труб, один час в смену - на замену технологического инструмента (пуансона). Таким образом, при использовании способа-аналога [1] в смену на участке высадки концов труб можно максимально высаживать с двух концов 48 бурильных труб. Макроструктуру металла исследовали на пяти продольных темплетах, один из которых имел дефект «перегиба волокна».
Способ-прототип [2] - 3 операции высадки (3 пуансона). Суммарное время комбинированной высадки одного конца бурильной трубы размером 127×9,19 мм по способу [2] за три операции составило 160 с, что, с учетом разворота пакета труб для высадки вторых концов труб, могло обеспечить высадку в смену 75 бурильных труб. По данному способу было высажено 5 труб, после чего было принято решение о прекращении высадки концов опытной партии труб, поскольку величины усилий высадки во второй и третьей операциях деформирования были близки предельно допустимым нагрузкам согласно техническому паспорту пресса (2050÷2100 кН). Дальнейшая эксплуатация пресса при этих нагрузках могла привести к его остановке. Макроструктуру металла исследовали на двух продольных темплетах, на одном из которых выявлен дефект «перегиба волокна».
Способ-прототип [2] - 4 операции высадки (4 пуансона). Суммарное время комбинированной высадки одного конца бурильной трубы размером 127×9,19 мм по способу [2] за четыре операции составило 210 с, что, с учетом разворота пакета труб для высадки вторых концов труб и потерь времени на замену технологического инструмента, обеспечило высадку в смену 48 бурильных труб. Макроструктура металла на всех пяти продольных темплетах удовлетворительная, без дефектов.
Предлагаемый способ - 4 операции высадки (3 пуансона). Суммарное время комбинированной высадки одного конца бурильной трубы размером 127×9,19 мм по предлагаемому способу за четыре операции на прессе «SMS Meer» составило 210 с. При этом использование пуансона одного и того же размера в двух смежных операциях деформирования обеспечило повышение производительности до 55 бурильных труб в смену. Макроструктура металла на всех пяти продольных темплетах удовлетворительная, без дефектов.
Приведенные результаты высадки опытных образцов труб свидетельствуют о том, что предлагаемое техническое решение позволяет при оптимальном уровне нагрузок на оборудование пресса увеличить производительность по сравнению с известными способами высадки за четыре операции на 10÷15% в зависимости от сортамента высаживаемых труб.
Использование предлагаемого способа комбинированной высадки концов труб позволит увеличить производительность при изготовлении бурильных труб высоких групп прочности и снизить затраты на изготовление технологического инструмента.