13°梯形缝筛管的加工技术

□ 高福万 □ 陈 静 □ 杨贺来

天津中杰科技发展有限公司 天津 300011

1 技术要求

割缝筛管是油气田完井防砂用的一种工具,在一根12 m长的石油套管上需加工出数千条滤油用的窄缝。为了保持缝隙的自洁性,防止出现砂粒堵塞缝隙,筛管断面外开口窄,内开口宽,形状呈扩散状等腰梯形,锥角一般为12°左右[1]。

利比亚某油田提出13°梯形缝筛管需求,N80石油套管几何尺寸为φ127 mm×7.52 mm,外缝宽为0.30 mm±0.05 mm,缝长为60 mm±1.0 mm,纵向缝间距为15 mm±1.0 mm,交错布缝。

新疆某油田提出12°梯形缝筛管需求,TP110H-HP13Cr石油套管几何尺寸为φ127.00 mm×9.19 mm,外缝宽为0.30 mm±0.05 mm,缝长为100 mm±3.0 mm ,纵向缝间距为30 mm±3.0 mm。

2 加工方法

割缝筛管加工方法有很多,包括立方氮化硼超薄陶瓷刀具加工[2]、铣刀加工[3]、电解加工[4]、电火花加工[5-6]等。如果需要高效率、大批量加工梯形缝,特别是锥角不小于12°的梯形缝,则只能采用激光加工。

激光加工需要频繁更换焦点位置,还需要激光束频繁往复摆动。

若采用传统的机械传动对焦模式,驱动聚焦镜往复移动实现变焦,则效率低,有摩擦损耗。笔者所在单位采用电液伺服控制反射镜曲率变化,没有机械运动,实现焦点位置的快速更换[8]。

激光束正反往复摆动,先后两次切割出梯形缝的斜面,可以得到两个斜面对称的等腰梯形。

若采用传统的皮带传动、齿轮齿圈传动、蜗杆蜗轮传动等机械方式实现摆动,则效率低,有摩擦损耗。笔者所在单位采用直驱电机实现切割头正反向往复摆动,可以满足激光切割梯形缝,特别是大锥角梯形缝筛管的要求[8]。

对于外缝宽为0.10mm±0.03 mm的12°梯形缝筛管,在激光切割出12°锥角后,还需要随动成形加工机床[9]对梯形缝筛管进行二次塑性成形加工。

3 大锥角梯形缝切割运动学分析

大锥角梯形缝切割系统主要由摆动式可调焦激光切割头、可变曲率反射镜、电液伺服阀等组成。

梯形缝切割分两步进行,第一步为激光打孔,第二步为激光切割。激光切割过程分为去程和回程。去程时,激光切割头摆动,切出半个梯形缝。回程时,激光切割头反向摆动,切出整个梯形缝。激光切割与激光打孔的焦点位置不同,通过电液伺服阀控制可变曲率反射镜镜面的凹凸变形,来实现焦点位置的变化。去程时激光束调焦如图1所示。

▲图1 去程时激光束调焦

▲图2 可变曲率反射镜镜面产生凹陷变形

激光切割头用脉冲激光打孔后,调整电液伺服阀控制电压在0至10 V负方向变化,使可变曲率反射镜镜面产生凸起变形,如图3所示。焦点F的位置移至管最高点O的下方,激光切割头沿管轴线方向移动预定缝长距离,用连续激光切割出前半条梯形缝,如图4所示。

▲图3 可变曲率反射镜镜面产生凸起变形▲图4 切割前半条梯形缝

图1中,O1为摆动式激光切割头在竖直位置时的回转中心,O′1为摆动式激光切割头摆动梯形缝锥度的一半角度α后的回转中心,点M为摆动式激光切割头在竖直位置时割嘴输出点位置,点M′为摆动式激光切割头摆动梯形缝锥度的一半角度α后割嘴输出点位置,Vr为点M对激光切割头回转中心O1的相对速度;ω为激光切割头回转角速度,点F为激光焦点位置。

点M′的绝对速度Va矢量图如图5所示。

割嘴上点M′的绝对速度Va是相对速度Vr和牵连速度Ve的矢量和,即:

Va=Vr+Ve

(1)

▲图5 Va矢量图▲图6 回程时激光束调焦

激光切割头沿管轴线反向移动预定缝长距离,用连续激光切割出后半条梯形缝,形成形状对称的、完整的梯形缝,如图7所示。

▲图7 完整梯形缝

V′a=V′r+V′e

(2)

▲图8 V′a矢量图

激光切割头摆动和变焦同时进行,增加直线位移轴的辅助运动,加工出梯形缝筛管。

4 质量控制

影响大锥角梯形缝筛管激光切割质量的因素较多,主要控制五方面因素。

4.1 激光输出功率

13°梯形缝筛管的激光切割比一般相同壁厚和材质的套管切割难度大。

因为对于壁厚为h的石油套管而言,激光切割的实际壁厚h1大于h,即:

h1>h/cosβ

(3)

式中:β为梯形缝斜角,为梯形缝锥角α的一半。

梯形缝锥角α越大,实际切割壁厚h1就越大。

因此,切割13°梯形缝筛管的激光输出功率比切割同样壁厚、同样材质的矩形缝筛管要大,否则切口在切割后会产生熔渣,使切口的表面粗糙度值增大,降低表面质量。

4.2 引弧孔

激光切割首先在割缝段的起点击穿一个小孔,称为引弧孔。引弧孔的直径必须不大于割缝宽度,否则会超出图纸技术要求。若引弧孔的直径大于外缝宽度,则会形成俗称的火柴头形状。

二氧化碳激光束聚焦后的光斑直径一般为0.15～0.3 mm。利比亚某油田需要的13°梯形缝筛管外缝宽度为0.30±0.05 mm。

切割大锥角梯形缝筛管的激光起始光束方向与切割矩形缝筛管不同。切割矩形缝筛管时,激光束处于竖直方向,对准石油套管横断面圆心。而切割大锥角梯形缝筛管时,激光起始光束为相对于该竖直方向倾斜角β。

提高激光脉冲输出的频率,减小占空比,可以缩短激光束对套管打孔区域的预热时间,减小打孔点的热影响区域,使引弧孔的直径不大于割缝宽度,避免出现火柴头。

4.3 切割速度

由于13°梯形缝筛管的实际切割厚度增大,因此激光切割的速度相比切割同样壁厚、同样材质的矩形缝筛管有所降低,这样可以避免切割速度过高造成断面粗糙,套管内部表面出现熔渣。

激光束去程时,偏摆斜角β,切割出半个梯形缝。激光束回程时,反方向偏摆梯形缝锥角α。去程切割速度应低于回程切割速度。

4.4 辅助气体压力

辅助气体与激光束同轴,由喷嘴喷出。

相比切割相同壁厚、相同材质的矩形缝筛管,切割13°梯形缝筛管时,需适当增大辅助气体的压力。增大进入切口的气流量,使切口区尽快发生铁氧反应,从而加快切割进程。当然,辅助气体压力不宜过大,因为压力过大,气流过大,会引起气流密度梯度场变化,加宽切缝,影响切口宽度,即外缝宽度。

4.5 焦点位置

焦点位置对激光外缝宽度影响较大。切割13°梯形缝筛管时,因为实际切割厚度增大,受气流密度梯度场的影响,焦点位置会上移。对此,适当下移焦点位置,有利于减小气流密度梯度场的影响,达到减小外缝宽度的目的。

笔者所在单位批量生产出符合质量要求的13°梯形缝筛管产品,已实际应用于利比亚某油田的完井生产中。

5 结束语

笔者介绍了13°梯形缝筛管的加工技术。应用摆动式可调焦激光切割头,切割出13°梯形缝筛管,在利比亚某油田完井生产中得到应用。摆动式可调焦激光切割头项目于2013年10月通过天津市科委组织的科技成果鉴定会,获得国际先进水平的高度评价。

在加工中,实现切割头的摆动和变焦,增加直线位移轴辅助运动,切割出13°梯形缝筛管。

激光输出功率、切割速度、辅助气体压力等对加工质量有重要影响,合理配置加工参数,可以高速度切割出均匀一致、表面光滑、无破损、无粘渣的大锥角梯形缝筛管。