双管油管悬挂器加工工艺研究

王红　许福东　林康斌

摘 要：双管油管悬挂主要用于井口采油树中油管头内，采用双管结构，无需再打一个井口，可以节省空间和减少经济损耗，由于其结构复杂，形状不规则，双孔不对称偏心、尺寸和公差等加工精度要求高，一直给生产加工带来很多困扰。经过在实践中的摸索，通过优化热处理工艺，优化机加工工艺，并借助自制工装和辅助点焊等技术实现对产品尺寸、偏心位置精度的要求，能够显著地提高加工效率和一次检验合格率。

关键词：双管油管悬挂器；热处理；机加工；工装；检验

中图分类号：TE35 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0101-03

Abstract： The double pipe tubing suspension is mainly used in the tubing head of the wellhead oil production tree， and the double tubing structure is adopted， without having to drill another wellhead， which can save space and reduce economic loss. Because of its complex structure and irregular shape， The asymmetric eccentricity， size and tolerance of double holes require high machining accuracy， which brings a lot of troubles to the production and processing all the time. Through the exploration in practice， optimizing the heat treatment process and the machining process， and with the help of self-made tools and auxiliary spot welding technology， the research helps to achieve the requirements of product size， eccentricity position accuracy， and can significantly improve the efficiency of processing and a qualified rate of inspection.

Keywords： double tubing hanger； heat treatment； machining； tooling； inspection

引言

双管油管悬挂器是由两个半圆形的、用极小间隙配合组成一个完整圆形的悬挂器，其设计结构复杂，不但多偏心结构，而且内孔多特殊螺纹，精度要求高。机加工完成后需对螺纹进行镀铜工艺，保证螺纹耐用性。结合公司的实际加工经验，对下面这种双管悬挂器产品来做具体案例分析，如图1、图2。

1 双管油管悬挂器产品的主要设计技术要求及难点

1.1 产品材料

根据设计要求，产品材质为美国型号AISI 410SS的不锈钢锻件，化学成分及力学性能可参照AISI的相关材质标准，其中力学性能屈服≥75Kpsi范围；热处理后的硬度保证在布氏值207～237HBW之间[1]。

1.2 产品精加工尺寸要完全符合图纸要求

（1）两个半圆形悬挂器拼凑成刚好是一个整圆，中间最大缝隙也只有0.14mm，外圆、侧槽都要合在一起加工完成才能完美匹配。

（2）两个半圆形悬挂器都有偏心、跟整圆中心线不同距的内孔，需要独立分开加工完成。

（3）两个半圆形悬挂器两头内孔都有内螺纹，都有一头与内孔同心的外圆，不易使用加工中心铣削加工。

1.3 精加工完成后对EU螺纹表面进行防磨镀铜工艺。

1.4 对产品进行尺寸和探伤检验。

2 具体优化工艺

2.1 优化热加工工艺要求

2.1.1 优选化学成分要求

为了满足AISI 410SS产品的材质及附属的性能参数的要求，如抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率及硬度要求等，首先须按照炉号对钢锭进行化学成分分析，钢产品的化学成分需满足《API 6A，PSL1-4级产品通用材料技术要求》的规范要求。铸造厂应对每炉钢进行分析，最好是浇铸时桶中取样。所列的元素应以重量百分比报告。杂质元素不要求报告，但总的杂质含量不应超过1%[2]。

2.1.2 优化热处理参数的选择及实施

（1）熔炼方法：炼钢应采用连续电炉+真空处理（EFVD）或氩氧脱碳精炼（EFAOD）工艺进行。真空感應熔炼（VIM）、或以上任一种方式再加真空电弧重熔（VAR）或电渣重熔（ESR）也是可以接受的。

（2）热处理：所有产品应进行淬火+两次回火处理。

（3）机械性能：机械性能要求列于表1。每炉钢应进行试验并报告所列机械性能。

（4）表面质量及尺寸公差

锻件的几何形状、重量、尺寸偏差和表面粗糙度应符合毛坯图纸要求，不得有过烧和严重脱碳现象，锻件表面清理应按工艺要求选用喷砂、喷丸、酸洗或其他方法，清理后的锻件表面应符合有关技术要求，锻件的冷却应按有关工艺规程进行，锻件表面不得有裂纹、折迭、结疤和夹渣等缺陷[3]。

（5）内部质量

锻造时，必须严格控制始锻温度、终锻温度、变形程度和变形速度，锻件内部不允许白点、气孔、夹渣、偏析等影响锻件质量的缺陷存在，内部缺陷用超声波进行检测，检测表面的粗糙度应小于Ra6.3，锻件的超声波检测及验收按ASTM A388规范进行。晶粒度合格标准为5～8级[4]。

2.2 产品优化冷加工工艺要求

即产品如何从成型的毛坯通过机床或工装的辅助加工达到客户的图纸要求的过程[5]。基于产品外形以圆环形为主，并考虑螺纹、小外圆，车床加工更为方便，所以建立以车床加工为主的工艺步骤，步骤如下：

2.2.1 毛坯采用二合一

按照设计思路毛坯应为二合一圆柱体，尺寸Φ189*305的热处理后毛坯，节省材料并且有利于后续加工。

2.2.2 将毛坯偏心线割两半

按照设计偏中心6mm线割成两个相应毛坯，确定后续加工以线割面为基准面，方便定位两半圆的内孔位置。

2.2.3 焊合线割后的毛坯（图3）

焊合线割成两半的毛坯，毛坯横向错位0.5～1.0mm。毛坯满焊两侧边，两端面边各焊4～6个点。在操作过程中，为了避免造成两半圆在焊接时缝隙和错位偏差太大，先用卡箍紧固两半圆，点焊牢固，去掉卡箍，继续焊接牢固。

2.2.4 上加工中心，铣有侧槽那一端的双管外形，钻双管内基准孔

用加工中心以错位的线割面为基准面，向大半圆偏移6.02mm的中点为圆心建立新的整圆，铣深3～5mm、≥180mm圆，钻两半圆的内孔基准孔3～5mm深，有利于下一步数车精加工整圆的外圆面和两个独立的半圆的内孔、内螺纹以及小外圆。

2.2.5 数控车床，精车整圆外圆

数控车床车外圆，端面。外圆只车到图示尺寸，端面只车掉一小段（铣侧槽基准），焊点不能车掉（防止铣槽时割缝裂开，造成加工误差）。在实际加工过程中，跟预想的一样顺利，没有因焊点裂开造成割缝变大引起的加工误差。

2.2.6 整体加工完成，去掉焊缝

组合悬挂器的整圆部分已经加工完成，接下来就是分开独立加工两个半圆悬挂器的内孔、内螺纹和小外圆。把未车到位的端面加工到位，打磨去掉焊缝，分开两个半圆，再在钻床上钻通内孔。

2.2.7 两部分半圆悬挂器加工以及工装设计

因两个半圆悬挂器内孔偏心距离不同，并且数控车床加工内孔、内螺纹和小外圆，所以需要两副不同的纠正偏心的工装。为了方便数控车床卡盘装夹，采用圆盘式外形的工裝；再以在圆盘工装内部加工成偏心补偿的靠山和V型卡爪顶紧定位的方式，便于在数控车床上加工和装卸。工装设计及装配图，见图4、图5。

（1）工装主体：圆盘形设计，安装在数控车床卡盘快捷的定位圆心。

（2）锁紧螺杆：梯形螺纹型螺杆，具有自锁功能，不会因受过强的外力导致V型卡爪松动。

（3）导向杆：导向、定位V型卡爪在工装主体中心的功能。

（4）V型卡爪：锁定紧固半圆悬挂器，定位半圆悬挂器内孔与工装主体同心的功能。

（5）偏心补偿靠山：按照不同的偏心尺寸设计，起到Y轴定位基准的作用，使半圆悬挂器的内孔与工装主体同心。

（6）挡板：安装在工装主体的后侧，起到X轴定位基准的作用。

2.2.8 在数控车床上完成对零件小外圆内孔、螺纹等的加工，最终成品见图6。

2.3 表面处理及检验

产品精加工完成后，对所有尺寸进行终检。EU螺纹按要求防锈镀铜，镀层厚度： 镀层厚度应为0.0002～0.0007″（0.006～0.017mm），厚度检查应按ASTMB499（磁性法）或ASTM B504（库仑法）规范进行。铜镀层应光滑细腻、牢固、无砂眼、凹坑、锈斑、矿瘤或其他瑕疵等有损零件性能的缺陷，准参考照片进行验收并要求必须合格[6]。

3 结束语

双管油管悬挂器作为加工工艺中比较复杂的产品，偏心加工技术一直是比较主流的加工技术，但机械加工的细节不能忽视，通过优化热处理工艺和优化机加工工艺过程，并借助适当的装夹工装、点焊和自制工装，可以大大提高加工过程精度，能显著提高加工效率与一次检验合格率。

参考文献：

[1]中国标准化研究院标准馆.美国材料与试验协会（ASTM）标准目录[M].中国标准出版社，2006.

[2]毕凤琴，张旭昀.热处理原理及工艺[M].北京：石油出版社，2009.

[3]赵忠，丁仁亮，周尔康.金属材料及热处理[M].机械工业出版社，2003.

[4]Nondestructive Testing Handbook， Third Edition： Volume 8， Magnetic Testing[S].2011.

[5]王晓霞.金属切削原理与刀具[M].航空工业出版社，2009.

[6]李家伟.无损检测手册[M].北京：机械工业出版社，2010.