用于切断高强度石油套管的新型切断刀片

HEATS 发表于 2010-9-12 10:56:36

用于切断高强度石油套管的新型切断刀片

<H1>1 引言</H1>
<DD>近年来，我国石油天然气钻采专用钢管(简称油井管)的年消耗量一直保持在80万吨以上，其中国产油井管已达60多万吨，石油套管约占油井管总量的74%，每年我国石油套管的切断加工量超过300万件，且高强度套管所占比例越来越大，每年需消耗大量硬质合金切断刀片。因此，合理选择优质、高效的硬质合金切断刀片，对于提高套管切断效率和降低生产成本具有重要意义。  
<DD>硬质合金数控切断铣刀片(简称切断刀片)是以铣削方式进行切断加工。普通硬质合金切断刀片对高强度石油套管进行切断加工时，不仅刀片耐用度低，而且经常打刀，严重影响切断效率。为此，本文精选ZP35、SC30、YW4、CT35、YB120、ZP35T8等6种新牌号国产切断刀片对高强度石油套管进行了切断性能试验。
<H1>2．工件材料</H1>
<DD>工件材料选用P110钢级的API石油套管，外径D=368mm，壁厚T=23mm，其化学成分见表1，机械性能见表2。与45钢相比，P110钢是一种高强度优质锰钢，在切断过程中加工硬化现象比较严重。
<CENTER>  
<TABLE>
<TBODY>
<TR>
<TD>
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表1　P110石油套管的化学成分(%)</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>C </TD>
<TD>Si </TD>
<TD>Mn </TD>
<TD>Ni </TD>
<TD>Cu </TD>
<TD>V </TD>
<TD>P </TD>
<TD>S</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>0.22～ 0.29 </TD>
<TD>0.17～ 0.37 </TD>
<TD>1.30～ 1.60 </TD>
<TD>≤0.2 </TD>
<TD>≤0.2 </TD>
<TD>0.07～ 0.12 </TD>
<TD>≤0.025 </TD>
<TD>≤0.025</TD></TR></TBODY></TABLE></TD>
<TD>
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表2　P110石油套管的机械性能</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>屈服强度σs(MPa) </TD>
<TD>抗拉强度σb(MPa) </TD>
<TD>伸长率δ(%)</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>775～965 </TD>
<TD>≥880 </TD>
<TD>≥13.5</TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR></TBODY></TABLE></CENTER> 
<TABLE align=right>
<CAPTION><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_d9hqxm20084221657.gif">  图1　切断刀片几何形状 </CAPTION>
<TBODY></TBODY></TABLE>
<H1> </H1>
<DD>
<H1>3．切断刀片 </H1>
<DD>
切断刀片的几何形状如图1所示。尺寸(长×高×宽)为：L×H×a＝20mm×7mm×5mm，B=4.5mm。  
<DD>这6种新型切断刀片具有高强度和良好的红硬性及抗冲击性能，其物理机械性能见表3。  
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=left bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表3　切断刀片的物理机械性能</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>刀片牌号 </TD>
<TD>硬度(HRA) </TD>
<TD>抗弯强度 (N/mm2) </TD>
<TD>比重(g/cm3)</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>ZP35 </TD>
<TD>91.3 </TD>
<TD>2000 </TD>
<TD>12.9</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>SC30 </TD>
<TD>90.9 </TD>
<TD>2000 </TD>
<TD>12.7</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>YW4 </TD>
<TD>92.0 </TD>
<TD>1230 </TD>
<TD>12.2</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>CT35 </TD>
<TD>90.0 </TD>
<TD>1800 </TD>
<TD>12.9</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>涂层刀片牌号 </TD>
<TD align=middle colSpan=2>刀片表面涂层材料 </TD>
<TD>涂层厚度</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>YB120 </TD>
<TD align=middle colSpan=2>TiC+TiCN+TiN </TD>
<TD>3～4µm</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>ZP35T8 </TD>
<TD align=middle colSpan=2>TiC+TiCN+TiN </TD>
<TD>5～8µm</TD></TR></TBODY></TABLE>  
<DD>YB120涂层刀片是以SC30为基体，采用化学气相沉积(CVD)法，在950～1050℃的高温下，在基体表面沉积厚度为3～4µm的碳化钛和氮化钛复合涂层；ZP35T8涂层刀片是以ZP35为基体，采用CVD法，在950～1030℃的高温下，在基体表面沉积厚度为5～8µm的碳化钛和氮化钛复合涂层。无涂层硬质合金切断刀片的化学成分见表4。从表4可知，SC30和ZP35两种牌号的碳化钽(铌)含量很高，这两种合金的红硬性均很高，且抗弯强度良好，具有较好的综合性能，是制造切断刀片较理想的合金牌号。
<TABLE align=right>
<CAPTION>  </CAPTION>
<TBODY>
<TR>
<TD>  
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表4　硬质合金切断刀片的化学成分</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD align=middle rowSpan=2>刀片牌号 </TD>
<TD align=middle colSpan=4>刀片材料化学成分(%)</TD></TR>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>Ta(Nb)C </TD>
<TD>TiC </TD>
<TD>WC </TD>
<TD>Co</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>CT35 </TD>
<TD>5 </TD>
<TD>8 </TD>
<TD>76.5 </TD>
<TD>10.5</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>YW4 </TD>
<TD>7 </TD>
<TD>8 </TD>
<TD>78 </TD>
<TD>7</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>ZP35 </TD>
<TD>16 </TD>
<TD>5 </TD>
<TD>70 </TD>
<TD>9</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>SC30 </TD>
<TD>16 </TD>
<TD>4 </TD>
<TD>70 </TD>
<TD>10</TD></TR></TBODY></TABLE></TD>
<TD>
<IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_9gcela200842216541.gif"> 1.刀盘 2.刀杆 3.刀片 4.工件 图2　切断刀片安装方式示意图</TD></TR></TBODY></TABLE> 
<H1>4．试验方法</H1>
<DD>切断刀片切削性能试验在成都无缝钢管有限责任公司的RTME420CNC型数控钢管切断机上进行。切断方式为铣削加工。工件(钢管)用卡爪固定在机床上，切断刀片通过刀杆前端的弹性夹紧槽夹紧在刀杆上，刀杆通过压块和螺钉固定在刀盘上，如图2所示。刀盘带动刀片作旋转进给运动，刀盘外径为730mm。刀盘上均匀安装一组(16片)切断刀片，刀片的主切削刃调整在同一圆周上，误差不超过0.04mm。切断刀片切断高强度套管的切削速度v＝120m/min，每片刀片的吃刀深度ap＝0.1mm，进给量f=ap×80％。
<DD>
<DD>5．试验结果及分析
<DD>
<DD>6种切断刀片切断加工P110高强度石油套管的刀片耐用度试验结果见表5。
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=left bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表5　切断刀片耐用度试验结果</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD rowSpan=2>刀片牌号 </TD>
<TD colSpan=5>切断刀片耐用度(件/组)</TD></TR>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD>第1组 </TD>
<TD>第2组 </TD>
<TD>第3组 </TD>
<TD>平均值 </TD>
<TD>相对值</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>CT35 </TD>
<TD>8 </TD>
<TD>6 </TD>
<TD>4 </TD>
<TD>6 </TD>
<TD>1</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>YW4 </TD>
<TD>10 </TD>
<TD>12 </TD>
<TD>11 </TD>
<TD>11 </TD>
<TD>1.83</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>SC30 </TD>
<TD>21 </TD>
<TD>20 </TD>
<TD>22 </TD>
<TD>21 </TD>
<TD>3.50</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>ZP35 </TD>
<TD>22 </TD>
<TD>18 </TD>
<TD>24 </TD>
<TD>21.3 </TD>
<TD>3.55</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>ZP35T8 </TD>
<TD>23 </TD>
<TD>23 </TD>
<TD>19 </TD>
<TD>21.6 </TD>
<TD>3.60</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>YB120 </TD>
<TD>30 </TD>
<TD>31 </TD>
<TD>30 </TD>
<TD>30.3 </TD>
<TD>5.05</TD></TR></TBODY></TABLE>  
<DD>试验结果分析如下：
<OL>
<LI>6种切断刀片切断加工P110高强度石油套管的刀片耐用度从高到低的排列顺序为YB120，ZP35T8，ZP35，SC30，YW4，CT35。其中YB120涂层切断刀片的耐用度最高。  
<LI>新型涂层切断刀片YB120比未经涂层的硬质合金刀片SC30的寿命提高44.28%；而硬质合金刀片ZP35经CVD涂层后的刀片ZP35T8的寿命无明显提高，其原因尚待进一步研究。</LI></OL>
切断刀片化学成分中的碳化钽(铌)含量越多，刀片的红硬性越好，耐用度越高。</DD>

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