石油钻杆摩擦焊内毛刺去除刃具的选择

牛成杰，张梅梅，王显林

（1.渤海能克钻杆有限公司，河北 青县 062658；2.渤海石油装备制造有限公司，河北 青县 062658）

在石油勘探和开采过程中，石油钻杆都是重要的钻探工具，其接头与管体经摩擦焊接成为一体，由于高速旋转摩擦产生的高温对焊区在轴向顶锻力的作用下，黏塑态金属向外扩散形成毛刺［1-9］。石油钻杆毛刺以对焊线为中心呈近似对称分布，受深孔加工技术限制，内毛刺通过专用内冲刃具冲切去除效果较好，一般内冲后毛刺残留高度越低，后续加工质量越好，但同时对内冲刃具冲切性能要求越高。

石油钻杆经过多年研究开发越发呈现多样性［10］，材料特性、内孔结构、毛刺体积等对内冲合格率均有影响。由于冲切刃具特殊的工作环境，对其热稳定性、刃口形式、公差配合等都有严格要求［11］，为减少毛刺黏连、划伤、卡死等问题出现，冲切刃具应具备更好的适用性。根据石油钻杆不同的内孔形式，在综合考虑刃具毛刺成型、刃口保持、钝化修复等方面能力的基础上，选择适宜的刃具形式，可以有效提高内毛刺冲切成功率，提升石油钻杆内孔质量，改善泥浆流体力学性能［12-15］。本文探讨石油钻杆摩擦焊内毛刺冲切刃具主要特点，以期为更好应用内毛刺冲切技术提供参考。

1 内冲刃具结构

1.1 结构分类

为了满足接头螺纹区抗扭强度需要，同时保证石油钻杆与套管间的环空间隙，石油钻杆接头内孔直径受到一定限制。由于石油钻杆加厚形式的不同，对比接头与管体内径尺寸，在内冲工艺中，可以将石油钻杆分为两类：内径不发生变化的通径钻杆和内径前小后大的变径钻杆。对应不同的钻杆内孔结构，内冲刃具从形式上被分为直冲刃具和分体刃具。通径钻杆直冲和变径钻杆分体冲应用如图1所示。

图1 通径钻杆直冲和变径钻杆分体冲应用示意

接头螺纹属于石油钻杆的薄弱环节，内加厚钻杆接头内径在焊径部分通过锥面形成扩径，并与管体配合连接。从图1可以看出，变径钻杆内孔前小后大，其扩径区域为分体刃具提供了定位及存放空间；通径钻杆内孔结构缺少定位条件，直冲刃具可以直接从接头侧进入钻杆内孔完成冲切。直冲刃具和分体刃具结构如图2所示。

图2 直冲刃具和分体刃具结构示意

（1）直冲刃具为一个整体，通过尾部的螺纹与内冲杆连接，随内冲杆轴向移动进入钻杆内孔完成冲切。

（2）分体刃具为四等分结构，内冲前用皮筋束为一体，进入接头扩径区域后，经内冲杆推动完成冲切。

1.2 刃具结构对比分析

（1）直冲刃具适用于通径钻杆内毛刺的去除，受内冲系统同轴度累积误差影响，其外径与石油钻杆内径配合间隙较大；使用螺纹连接，用压缩空气吹扫冷却；单个冲切效率高，不需要频繁更换刃具，备用量少，一般为2个以上；内冲系统同轴度累积误差易导致冲切刃具偏心，刃具外径与钻杆内径间隙偏大；长度调整余量较大，能够获得更大毛刺成型空间及刃口形位差，可以采用大多数刃口结构，冲切成功率高；刃具冲切能力强，刃具损耗对内冲效果影响小；冲切后毛刺残留多，后续精加工难度大；刃具卡死时无法退回，导致内冲系统拉伤，同时造成钻杆二次焊接或报废。

（2）分体刃具适用于变径钻杆内毛刺的去除，不直接与内冲系统连接，在自身导向通径作用下完成冲切，其外径与石油钻杆内径配合紧密；冲切完成后，从钻杆内孔退出，置于水中冷却；冲切后要水冷，影响了单个冲切效率，备用量一般为4个以上；受内冲系统同轴度影响较小，移动距离短，刃具外径与钻杆内径间隙小；受接头扩径区域尺寸限制，刃具长度一般较短，对刃口形式、成型空间均有较高要求，同时受毛刺尺寸及材料影响，冲切难度大；刃具损耗易导致冲切失败，修磨频次高；冲切后毛刺残留少，便于后续精加工；卡死会导致刃具报废，同时造成钻杆二次焊接或报废。

2 内冲刃口型式

刃口是刃具的重要组成部分，内冲刃具的刃口一般具备切割与成型能力，不同的刃口型式冲切效果不同。根据毛刺脱落后的状态，可以将刃口型式概括为两种：包含型刃口和分割型刃口。包含型刃口和分割型刃口如图3所示。

图3 包含型刃口和分割型刃口示意

2.1 包含型刃口

包含型刃口，其冲切轨迹为连续曲线结构，通过刃口对高温状态的毛刺进行切割，冲切后毛刺进入刃具成型空间，塑化成型为一个整体。使用包含型刃口的优点是：分体刃具和直冲刃具均适用，对于中等尺寸钻杆冲切效果最好；刃口锋利，毛刺脱离彻底。使用包含型刃口的缺点是：毛刺变形量较小，不易取出；受力不均匀，易划伤钻杆内壁；对刃口锋利度依赖性高。

包含型刃口通过成型空间对高温状态下的毛刺进行二次塑形，冲切效果取决于成型结构、刃口锋利度。刃口宽度推荐5～10 mm，过小时耐用性差，过大时切割能力不足。钻杆毛刺量较大或内径较小时，脱落毛刺往往难以取出。刃口偏磨或成型结构不合理时，可能造成受力不均匀或毛刺外流，导致毛刺黏连、划伤、卡死或脱落后无法取出等问题。包含型刃口冲切刃具毛刺成型如图4所示，灰色部分为毛刺成型体。

图4 包含型刃口冲切刃具毛刺成型示意

2.2 分割型刃口

大规格钻杆（如Φ139.7 mm、Φ168.3 mm规格钻杆）毛刺体积大，小规格钻杆（如Φ60.3 mm、Φ73 mm）内孔尺寸小，冲切刃具使用包含型刃口时，脱落毛刺取出难度大（特别是采用内加厚形式的接头），极易出现毛刺脱落后无法取出的问题。分割型刃口通过对毛刺进行分割冲切，以实现降低取出难度的目的。使用分割型刃口的优点是：冲切后，毛刺被分割为若干部分，便于取出，对于偏大及偏小规格钻杆适用性更好。使用分割型刃口的缺点是：刃口较钝，主要依靠挤压去除毛刺，可能出现卡死现象；成型能力差，对钻杆材质有一定要求，容易发生毛刺黏连情况。分割型刃口冲切刃具毛刺成型如图5所示，灰色部分为毛刺成型体。

图5 分割型刃口冲切刃具毛刺成型示意

分割型刃口的冲切效果主要取决于形位差尺寸，充足的分离度是保证内毛刺被有效分割的关键，同时钻杆材质、冲切时机对毛刺分割效果有一定影响，如内毛刺黏度偏高，则有可能导致分割不彻底。

2.3 未来的发展趋势

目前，包含型刃口与分割型刃口已基本满足石油钻杆内冲需要，但二者都存在一定的局限性及质量隐患。将包含型刃口与分割型刃口的特点相结合，在此基础上设计出一种复合型刃口，既具备一定的成型能力，又便于冲切后毛刺的取出，并通用于多种规格钻杆，将能够有效减少刃具备货量及制作成本，同时提升内冲质量。

3 内冲刃具的应用

3.1 刃具材质的选择

石油钻杆摩擦对焊时，接头与管体接触面高速旋转摩擦，其温度峰值在1 200～1300℃，对焊区黏塑态金属在顶锻力作用下向外流出形成毛刺，毛刺外形如图6所示。高温金属毛刺处于黏塑态，去除难度低，冲切刃具对其进行剪切并重新塑形，需要一定的热稳定性，推荐使用热作模具钢、高速钢等红硬性金属制作。

图6 毛刺外形示意（Φ127 mm规格钻杆）

（1）热作模具钢（H13）内冲刃具。热作模具钢（H13）内冲刃具的耐热性一般，刃口钝化现象明显，反复接触高温造成刃口退火，常温硬度从50～56 HRC逐渐降低到30 HRC以下，长期使用易发生变形；需要频繁打磨、整形，直至尺寸超过工艺要求，正常寿命一般在600次左右；制作成本较低。

（2）高速钢（W6Mo5Cr4V2）内冲刃具。高速钢（W6Mo5Cr4V2）内冲刃具的红硬性及耐磨性好，长时间使用后硬度下降不明显，正常寿命一般在1 000次左右，但制作成本较高。

因此，从批量生产考虑，内冲刃具的材质选热作模具钢，其整体经济成本低，但由于刃具损耗导致的质量问题偏多，磨损及退火易造成刃具钝化、变形，需要根据工况进行修磨。

3.2 刃具结构与刃口型式的对应关系

一般应优先根据石油钻杆规格、内孔尺寸、毛刺体积选择刃口，刃口型式与刃具结构无强制对应要求。直冲刃具的设计更为灵活，允许制作出更大的成型空间，对黏塑性毛刺成型效果好，刃具尺寸具有较大的调整空间，内冲质量更稳定，推荐使用包含型刃口。分体刃具受石油钻杆接头变径空间限制，在大规格及小规格钻杆内冲时，推荐选择分割型刃口。

4 技术要求

4.1 内冲时机选择

石油钻杆摩擦焊进入顶锻阶段后压接机主轴停转，轴向压力升高，黏塑性金属流出明显增加，毛刺逐渐凝结成型。顶锻结束后6 s左右，毛刺形态基本稳定，同时受高温影响，其硬度较低，此时冲切可以有效发挥内冲刃具毛刺成型及分割能力，减少黏连、卡死等现象出现。石油钻杆摩擦焊过程如图7所示，箭头标志位置为推荐内冲时间点。

图7 石油钻杆摩擦焊过程示意

4.2 技术要求

4.2.1 直冲刃具

（1）直冲刃具直接与内冲杆相连，行程较长，受同轴度误差及挠度影响，其外径与钻杆内径间隙应适当放大，一般在1.5～2.0 mm。

（2）直冲刃具推荐长度为100～150 mm，具体视成型空间要求确定，过长会增加内冲系统偏心，影响冲切效果。

4.2.2 分体刃具

分体刃具尺寸根据钻杆接头扩径区域大小确定，分体刃具定位如图8所示。

图8 分体刃具定位示意

（1）分体刃具尺寸受存放空间限制，其轴向长度应减去毛刺覆盖范围及接头摩擦缩短量，避免冲切前刃口与高温毛刺长时间接触，分体刃具导向通径长度=存放空间长度-接头摩擦缩短量-毛刺单边宽度，刃具刃口与石油钻杆接头后端面间距一般在20 mm左右。

（2）分体刃具最大成型空间由导向通径长度决定，视毛刺体积进行适当调整，成型空间不足会导致毛刺成型效果不良。

（3）分体刃具的行程短，受内冲系统偏心误差的影响小，刃具外径与钻杆内径的间隙一般为1.0～1.5 mm。

（4）分体刃具尾部锥台与接头内孔变径锥面配合定位，角度放大1°。

5 常见内冲失效分析

统计常见内冲失效形式，并分析其原因，具体见表1。

6 结 语

石油钻杆摩擦焊内毛刺位于接头与管体之间，传统机床车削刀杆需要穿过接头才能抵达加工位置，对于采用内加厚接头的钻杆，刀头的悬伸更长，特别是刀杆长径比达到9∶1时，容易出现振纹、打刀现象。内冲技术的应用可以有效降低石油钻杆内毛刺去除难度，但由于内冲刃具作业环境恶劣，产品质量受诸多因素影响。据统计，由于刃具问题造成的内冲失效占内冲失效总数的95%左右。笔者结合现场应用经验，从分析结构特点、冲切原理、成型能力等环节出发，对不同形式内冲刃具的适用性进行了探讨，并以此为基础总结了设计、制造及使用环节的部分技术要点；此外，针对不同规格及结构石油钻杆内冲需要，为更合理地选择刃具形式，提高内冲效果提供了参考意见。通过分析可以看出，内冲刃具形式多样，且各有其优缺点及应用前提，因此增加了作业难度及备件成本；随着生产工艺的发展和成熟，希望新形式的内冲刃具具有更好的普遍适用性及毛刺去除效果。

表1 常见内冲失效形式、原因及处理建议