铝合金钻探管的特点、分类及挤压生产技术

叶 军，吕宝元，陈文泗，罗铭强，龙奇敏，刘静安

（1.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326；2.西安飞机工业铝业航材有限公司，西安 710000；3.广东兴发铝业有限公司，广东 528231；4.广东华昌铝厂有限公司，广东 528231）

铝合金钻探管的特点、分类及挤压生产技术

叶 军1，吕宝元2，陈文泗3，罗铭强3，龙奇敏4，刘静安1

（1.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326；2.西安飞机工业铝业航材有限公司，西安 710000；3.广东兴发铝业有限公司，广东 528231；4.广东华昌铝厂有限公司，广东 528231）

与传统的钢钻探管相比，铝合金钻探管具有一系列无可比拟的优异特性，因此研发铝合金钻探管已成为高速发展我国石油和天然气产业的当务之急和关键技术。本文简略地介绍了铝合金钻探管的特点与分类，重点论述了铝合金钻探管的挤压生产技术，供同行参考。

铝合金钻探管；特点与分类；挤压工艺；生产技术

1 铝合金钻探管的特点、分类及品种

1.1 铝合金钻探管的特点及主要用途

铝合金钻探管具有密度小、质量轻、比强度和比刚度高、易搬运、节能、容易制造和维修、无磁性、耐低温、可钻探深井和异形井、利于回收等一系列优良特性，因此在工业发达国家应用十分广泛。主要用于钻探3000～7000m以上的石油及天然气等深井和异形井，俄罗斯钻到12000m以上。钻井深度主要取决于钻探管的生产工艺技术与质量水平。因此，铝合金钻探管的生产仍属于高新技术范畴，目前世界上只有美国、俄国、日本、法国等少数国家能批量生产。我国尚属起步阶段，就是钢钻探管也大部分依靠进口[1、3]。

1.2 铝合金钻探管的分类

铝合金钻探管可以按照管材截面形状、产品结构和材料强度三种方法进行分类[2]：

按管材截面形状可分为：（1）两端内部有加厚部分的变断面管，见图1；（2）两端内部有加厚部分和保护性加厚部分的变断面管，见图2。

图1 两端内部有加厚部分的变断面管

图2 两端内部有加厚部分和保护性加厚部分的变断面管

按产品结构可分为：（1）无车削螺纹的钻探管，见图1和图2；（2）有车削螺纹和拧上的钢接头的钻探管，见图3。

图3 有车削螺纹和拧上的钢接头的钻探管

按材料强度类型可分为：（1）标准强度钻探管；（2）高强度钻探管。

2 铝合金钻探管的工艺及特点分析

2.1 生产方法

铝合金钻探管是一种内（外）有加厚部分的变断面管材（见图1～图3），端头加厚是为了切螺纹时不致使端头部分的截面减弱。一般来说，一端由外接头螺纹连接，另一端由内接头螺纹连接，而在个别情况下也可不用接头连接。

为了生产这种特殊的断面变化的铝合金钻探管，对其合理的生产方法进行了大量的试验研究。结果表明，采用在卧式挤压机上用随动针或固定针进行正向穿孔挤压的方法是可行的，并已形成了先进的流水作业线，其主要的专用设备包括：铸锭熔铸炉组、均匀化炉、40～60MN的卧式液压挤压机、卧式连续淬火装置、拉伸矫直机、管材辊矫机、切削车床、在线检测系统和螺纹切削机等，整个生产线借助冷却系统、储运系统和辊道联成流水作业，一道工序即可生产出用于钻探装置上，内部拧有钢制接头的铝合金钻探管。

2.2 生产工艺流程及主要工艺参数

以д16T（2024 T4） ϕ147mm×11mm铝合金钻探管为例的生产工艺流程及主要工艺参数，如表1所示[2、4]。

表1 2024 T4ϕ147mm×11mm铝合金钻探管生产工艺

3 铝合金钻探管的挤压生产技术

3.1 挤压铝合金钻探管的工艺特点

钢钻探管的生产方法是先轧制，随后将两端预热，用卧式镦锻机镦粗，以便在镦粗加厚部分刻制螺纹。而铝合金钻探管的生产方法与钢的完全不同，是用卧式液压挤压机正向穿孔挤压法直接挤压出两端带内（外）加厚部分的变断面管材，并形成了一道工序生产出带有接头的钻探用管材的流水作业线。铝合金钻探管及其生产方法的技术难度都比较大，属高新技术范畴，其生产工艺具有以下特点：

（1）因钻探管壁厚偏差及同心度要求极高，且采用固定垫挤压，因此对挤压机穿孔系统同心度要求较高，要求同心度＜0.5mm，最好达到0.2～0.4mm。

（2）铝合金钻探管挤压采用固定垫全润滑（挤压筒、挤压针、挤压垫都润滑）无残料随动针挤压。通过特殊设计的模子和针尖一步自动实现管材两端内外变断面成形和尺寸控制，其模具（针尖）设计与生产工艺构思巧妙，技术难度大，但操作简便，生产效率高。

3.2 铝合金钻探管生产的关键技术

（1）优质锭坯的制造与加工。铝钻探管一般采用2024T4和7075T6等高强度铝合金制造。首先，应优化合金成分和熔铸工艺，采用严格的纯化净化和均匀化工艺措施，确定铸锭的化学成分合理均匀、组织均匀、细密纯净、力学性能均匀、塑性较高、而且内外表面光滑、尺寸均匀、同心度好的铸锭。

（2）固定挤压垫的设计与制造。固定挤压垫在工作过程中必须满足在挤压加载时产生一定量的弹性变形、凹面张开、直径有一定增量，以密封住挤压筒内金属不倒流，卸载后弹变消失，外形复原，能灵活退出挤压筒，固定挤压垫的形状、结构尺寸以及与挤压筒的配合等是十分重要的。

（3）模子的设计与制造。主要是模子锥角，工作带角度及圆弧，模子空刀尺寸的设计和模子制造精度等。

（4）挤压针的设计与制造。主要是针尖圆弧处的弧度及长度尺寸等设计参数的确定及制造的精度。

（5）挤压润滑剂的配比。要求润滑效果良好，挤压管材不产生气泡等缺陷。

（6）挤压工艺优化与热处理工艺优化，确保挤压出的变断面管形状合格、尺寸均匀、组织均匀细密、力学性能高，综合性能良好。

3.3 优质锭坯的制备

铝合金钻探管的原始坯料是使用半连续铸造法生产的圆柱形空心铸锭。生产钻探管主要规格所用铸锭的尺寸列于表2。

表2 铝合金空心铸锭的尺寸

为了消除铸造缺陷（表面损伤和偏析瘤），铸锭外径车皮10～14mm，内径车皮10mm。

为了清除铸锭组织的不均匀，需进行均匀化处理。均匀化处理时铸锭加热到金属间化合物相完全或最大限度溶解的温度，均匀化处理的时间应保证完成扩散过程，扩散时金属间化合物相溶解。均匀化处理时先将铸锭预热到460℃，在感应炉内预热，预热后装入筒式炉，在4h内将温度升到490±10℃，保温12h。均匀化处理结束后将铸锭冷却到挤压温度，等外径管材的挤压温度为380～420℃，变外径管材的挤压温度为400～420℃。

3.4 挤压工模具的准备

3.4.1 挤压工模具的设计

由于铝合金钻探管是一种两端加厚的变断面管材，一般采用半连续润滑挤压方式、正向穿孔挤压法生产。因此，其挤压工模具比较特殊，设计与制造难度较大。主要工模具包括挤压筒、挤压轴、穿孔系统、模子和针尖以及挤压垫和模具垫等。挤压筒、挤压轴、模座、模垫等工具与一般挤压用的相似，但同心度要求高得多。穿孔系统、挤压垫、模子等的设计，根据变断面管材半连续润滑工艺的特点有很多独特之处。

（1）穿孔系统分随动针系统和固定针系统。随动针把针后端和针前端设计成一个整体，在挤压过程中与挤压轴同步移动，自动实现内外变断面成形和长度尺寸控制，见图4。随动针设计的要点是确定中间R部分的大小和位置。固定针分针前端和针后端，针前端用螺纹固定在针后端上，在挤压过程中固定针固定在模子中不动，依靠更换模子和移动针尖来实现断面的变化，见图5。

（2）模子为基准模型，见图6，主要应注意模角和入口圆角R的设计。

（3）挤压垫可分为固定垫和活动垫。活动垫挤压的移动与一般挤压相似，但同心度要求高。固定垫的设计比较难，除要求高度对中外，还应保证挤压过程的密封性和半连续性，见图7。

图4 铝合金钻探管用随动针设计图例

图5 铝合金钻探管用固定针设计图例

图6 模子设计方案图

图7 固定挤压垫片设计方案图

3.4.2 挤压工模具制造

铝合金钻探管用工模具的制造与一般挤压用的大致相同，材料可用4Cr5MoSiV1或3Cr2W 8V1钢，淬火后两次回火后的硬度为HRC=48～51。但是比一般挤压工模具要有较高的同心度和高的精度和表面光洁度。

3.5 铝合金钻探管的挤压操作工艺与装备

3.5.1 挤压工艺与装备

铝合金钻探管一般在40～60MN或双动（有独立穿孔系统）的液压挤压机上生产。规格为ϕ73mm～ϕ102mm的用40MN挤压机，ϕ114mm～ϕ170mm的用60MN挤压机生产。这些挤压机挤压筒内的单位压力（P比）为450～800MPa；挤压筒和模具温度420～450℃；挤压温度420～470℃；挤压速度1.5～3m/min；挤压系数可为25～50。

3.5.2 挤压工艺操作过程

将已加热到工艺规定的挤压温度的铸锭（空心坯料）用辊道和专门的加料装置送到挤压机上。将坯料装入挤压筒，然后开始挤压作业。挤压端头内部加厚管材的方法：利用阶梯状挤压针，该挤压针的尺寸由它所加工的那部分管子的内径决定，将挤压针放到外径较小的那部分模孔内。挤压针在这种状况下挤压管子加厚的前端，然后（挤压过程不停）挤压针前行，并由模孔内的较大直径定位。挤压针处于这种状况下挤管子的主体部分，然后穿孔系统和挤压针返回初始位置，在返回过程中挤压管子的后端增厚部分。

端部内外两侧都有增厚部分的铝合金钻探管按图8所示操作流程挤压。

图8 内外两侧均有加厚的铝钻探管的挤压操作流程

挤压这类管子的挤压针好像一个按一定比例设定生产的管子外形的程序装置。将挤压针的前部分固定在挤压模内便开始挤压（见图8（a））。在这种状态下挤压管子前端的内部加厚部分。挤压针前行，管壁变厚，因为模孔和挤压针之间的间隙减少，挤压管子前端的主体部分见（图8（b））。挤压针前移时（见图8（c）），模孔与挤压针之间的间隙增加，由于这部分管子的内径减小而使其壁厚增加。在挤压针不动的情况下挤压过程继续进行，使管子的金属绕挤压模外的挤压针头部经过，这样会使管子的内径恢复到正常尺寸，由于其外径增加这部分管子的壁厚增大。管子外部增厚部分达到规定长度后挤压针继续前移（图8（d）），挤压壁厚尺寸正常的后一部分管子，挤压针后退到其收缩部分（针头前面的部分）对着模孔的位置（图8（e）），是管子后端的内部加厚。如果由于结构的要求必须使外部增厚部分急剧过渡到管子的主体部分（例如，无接头的轻合金钻探管的锥形口部分），则挤压针要后退几次（图8（f））。在这种情况下颈部的前锥体压在外加厚部分的后边，这一加厚部分压在模子出口端成形。

利用上述工艺过程可以生产出给定几何尺寸十分稳定的铝合金钻探管。

成批生产铝合金钻探管时用专门设计的框式结构的40MN和60MN吨挤压机进行生产，这种挤压机配有穿孔系统。这种挤压机装备有能使一系列工艺过程机械化的专门机构。

3.6 热处理与矫直工艺及装备

将挤压出来的变断面管材，切掉前后变形端，然后通过辊道送入卧式淬火机组的加热炉内加热，准备淬火。淬火过程由两部分组成，先将管材加热到严格规定的温度，然后快速冷却。这时合金内形成具有强化元素（铜、镁、硅、锌）浓度最大的固溶体。

铝合金淬火时由于其物理化学性能特殊，应严格控制加热温度，要求加热高度均匀。Д16T（2024T4）合金钻探管的淬火加热温度为495℃，同时要保证±2℃的温度精确度。每根管材在加热炉内的时间约70min。加热炉同时可放置20根管材。经过加热的管材每隔3.5min送一根到空的水平槽内，水从管材的对面流经整个槽子，使管材迅速冷却。把水波浪的高度调好，使水浪的前沿垂直于管材，管子内外侧同时被水覆盖住。为了提高管材表面的耐腐蚀能力，在淬火中添加0.02%～0.04%重铬酸盐（重铬酸氢盐或铬酸钾、铬酸钠）。这种称之为“流动水波淬火”法的热处理方法可以提供建立铝合金钻探管的流水作业生产线的可能性。在某些情况下，淬火也可在立式淬火炉中进行。

淬火后的管材可能产生很大的温度变形（翘曲），因此管材淬火后要马上进行有效的拉伸矫直。管材淬火和矫直之间的间隔时间不应超过12h。

钻探管材用6MN以下的轴向力进行拉伸矫直，使端头内部加厚管材产生的残余变形为1%～2%，外部加厚管材的残余变形为2%～3%。

拉伸矫直的主要缺点是：管材在拉伸机的夹具内变形，造成金属残料量太多。为了减少残料量，在矫直前在管材的两端放入直径比管材内径小1～1.5mm的芯棒。

拉伸矫直这道工序不仅能消除管材的纵向弯曲，还能明显提高制品的力学性能。拉伸矫直能完全消除管材主体部分的弯曲。铝合金钻探管加厚部分的矫直是用弯曲机的底模来进行。进行矫直时要十分小心，因为现行技术条件对于要刻制螺纹的管材加厚部分的直度有严格要求。

最终矫直结束后将管材按标准尺寸锯切成段，对于有些合金管材，还要进行人工时效。然后在水平检查台上进行技术检查，检查后送到螺纹加工工段刻制螺纹，装上钻探接头。

4 小结

（1）与传统的钢钻探管和普通的铝合金管材相比，铝合金钻探管具有一系列的特点，属特殊的变断面管材，品种多、技术要求严、技术含量高、生产难度较大。

（2）铝合金钻探管一般采用2024T4和7075T6等高强合金制造。要求配有40MN到80MN的大中型双动卧式挤压、高比压的挤压筒与特殊的固定挤压垫和穿孔系统及模具等设备、工模具与工艺装备才能生产。

（3）已研发出一套完整的特殊挤压－热处理生产技术，可大批量挤压合格的铝合金钻探管材。

[1]谢建新，刘静安.金属挤压理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2012

[2]李建湘，刘静安，杨志兵.铝合金特种管、型材生产技术[M].北京：冶金工业出版社，2008

[3]谢水生，刘静安，王国军.铝及铝合金产品生产技术与装备[M].长沙：中南大学出版社，2016

宁波材料所利用石墨烯研制出千瓦级铝空气电池

中国科学院宁波材料技术与工程研究所动力锂电池工程实验室部署了金属空气电池研究，研究团队在众多工艺方面取得了一系列进展，其中采用石墨烯复合锰基氧化物催化剂以及新型石墨烯基高效空气阴极将单体电池功率密度提高了25%，大幅度提升金属空气电池综合性能。研究团队于近日，又成功研制出基于石墨烯空气阴极的千瓦级铝空气电池发电系统，该电池系统能量密度高达510Wh/kg、容量20 kWh、输出功率1000W。据悉，研究团队正在积极设计开发用于通讯基站备用电源和电动汽车增程器的5kW级大功率铝空气电池系统。并准备在近期推动金属空气电池产业化。

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6月26 日至28日，英国劳氏船级社、法国船级社分别对西南铝进行了换证审核工作。西南铝顺利通过审核。在此次换证审核中，验船师对西南铝进行了熔铸工艺审核、轧制工艺审核及试验室资质的评估工作，对西南铝的质量管理体系、现场记录、文件的执行进行了严格的评审。验船师通过评审后认为，西南铝的船用产品质量能得到有效控制，同意通过复审。

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Characteristics,Classification and Extrusion Production Technology of A lum inum A lloy Drilling Pipe

YE Jun1,LV Bao-yuan2,CHENW en-si3,LUO M ing-qiang3,LONG Qi-m in4,LIU Jing-an1
(1.Southwest Alum inum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 4013264；2.Xi'an Aircraft Industry Alum inum Aerospace MaterialCo., Ltd.,Xi'an 710000；3.Guangdong Xingfa Alum inum Co.,Ltd.,Guangdong 528231；4.Guangdong Huachang Aluminum Plant Co.,Ltd.,Guangdong 528231,China)

The characteristicsand classification ofalum inum alloy are introduced simply,and extrusion production technology of drill⁃ing pipeofaluminum alloy isemphasized in the paper,for reference for peer.

drilling pipe ofalum inum alloy;characteristicsand classification;extrusion process;production technology

TG146.21

：A

：1005-4898(2017)04-0022-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.04.05

叶军（1971-），男，重庆荣昌人，助工。

2016－12－28