钻杆摩擦压接压力缓冲装置的研制与应用

白国兴，韩 旭，姚贺杰，杨勇平

（1.中国石油渤海石油装备制造有限公司第一机械厂，河北沧州 062658；2.中国石油渤海装备制造有限公司渤海能克钻杆有限公司，河北沧州 062658）

0 引言

中国石油渤海装备渤海能克钻杆有限公司主要生产销售API 标准各种钢级的全系列钻杆。公司的钻杆制造采用的是自动化生产线。钻杆自动化生产线包括钻具接头加工线和钻杆摩擦压接线。钻具接头加工线负责钻具接头加工，钻杆摩擦压接线任务是把钻具接头的成品与管体进行焊接，最终得到钻杆产品。压接机工作示意如图1 所示，压接过程中，钻杆连续驱动式摩擦焊是由摩擦焊机的主电机带动由卡盘握持的钻具接头旋转同时沿压接机的直线导轨移动，压向由压接机的管体卡瓦夹紧的管体，使钻具接头与管体的接触面相互摩擦产生热量和一定塑性变形，然后停止旋转，同时施加顶锻压力完成焊接，焊接质量与转速、摩擦时间、摩擦压力、顶锻压力和工件顶锻变形量有关。

图1 压接机工作示意

随着石油天然气工业的迅速发展，钻杆口径也随着勘探开发的需要逐渐加大。在钻具接头与管体压接过程中，当旋转的钻具接头与固定不动的管体接触后，由于摩擦压力突然增大，使移动中的压接机受到剧烈的冲击力而产生振动，尤其是大口径的管体压接，压接机受力后产生较大振动，将直接影响焊接质量，加速压接机的磨损。

1 总体思路

研制一种用于钻杆摩擦压接工艺中的压力缓冲装置，克服现有技术的不足，以解决大口径的管体在摩擦发热阶段的压接过程中，压接机受剧烈的冲击力而产生振动，影响焊接质量，加速压接机磨损的问题。

2 主要技术内容

2.1 装置构成

压力缓冲装置结构如图2 所示：缓冲装置包括轴向两端开口且扣合在一起形成有容置腔的缓冲油缸体和缓冲油缸盖、从缓冲油缸体的外端开口中滑动插入容置腔中且为轴向中空的活塞杆以及贯穿插设在活塞杆的内腔中的开启压力调节传动轴；活塞杆上固设有活塞，并且缓冲油缸体的内腔中设置有供活塞在其中活动的活塞腔；位于活塞腔一端的缓冲油缸体上开设有控制摩擦压力缓冲进油口P，位于活塞腔另一端的缓冲油缸盖上还设有油缸活塞处回油口T2；缓冲油缸盖外端开口中固定插设有先导阀座，并且先导阀座的中心沿轴向开设有遥控摩擦压力进油口A，缓冲油缸盖的外端且靠近先导阀座端的位置开设有锥形先导阀芯处回油口T1；开启压力调节传动轴的内端中心沿轴向开设有阀芯插槽，并且阀芯插槽中滑动插设有锥形先导阀芯；锥形先导阀芯上套设有3 个弹簧座，第一弹簧座滑动套设在锥形先导阀芯上且靠近阀芯插槽的一端，第一弹簧座与固定套设在锥形先导阀芯另一端，第二弹簧座之间设置有第三弹簧，第一弹簧座与滑动套设在锥形先导阀芯中间的第三弹簧座之间设置有第一弹簧，第二弹簧座与第三弹簧座之间设置有第二弹簧。

图2 压力缓冲装置结构

锥形先导阀芯包括：圆柱形的阀杆和锥形的阀头；阀杆滑动插设于阀芯插槽中，阀头正对着遥控摩擦压力进油口A；3 个弹簧座套设在阀杆上。

缓冲油缸体的外端开口上设置有缓冲油缸防护罩。开启压力调节传动轴的外端从缓冲油缸体的外端开口中伸出，缓冲油缸防护罩通过螺纹连接在缓冲油缸体的的外端开口上，用于保护开启压力调节传动轴、锁紧螺母和活塞杆。

活塞的外周上设置有YX 形密封圈；缓冲油缸体的外端内壁上设置有与活塞杆的外端滑动接触的第一O 形密封圈，缓冲油缸盖的内端内壁上设置有与活塞杆的内端滑动接触的第二O形密封圈，缓冲油缸盖的内端外壁扣合处设置有第四O 形密封圈；第二弹簧座的外周上设置有第三O 形密封圈。

第一弹簧座和第三弹簧座的轴向两端均为阶梯形，第二弹簧座面向第一弹簧座的一端为阶梯形。第一弹簧座与开启压力调节传动轴的内端固定连接。

活塞杆的外端部上设置有用于锁紧开启压力调节传动轴的锁紧螺母；开启压力调节传动轴的外端设置有与活塞杆的外端以及锁紧螺母配合连接的外螺纹。

缓冲油缸体和缓冲油缸盖是压力缓冲装置的主体，用于对各部件的位置提供支撑；缓冲油缸体上开设有控制摩擦压力缓冲进油口P，缓冲油缸盖上开设有锥形先导阀芯处回油口T1 和油缸活塞处回油口T2，先导阀座上开设有遥控摩擦压力进油口A，开启压力调节传动轴用于调节压力缓冲装置的初始开启压力，活塞杆用于控制摩擦压力缓冲程度；锥形先导阀芯用于控制遥控摩擦压力进油口A 的开度，相当于开关，先导阀座用于与锥形先导阀芯共同配合控制遥控摩擦压力进油口A 的开度，相当于开关座；第一弹簧座、第二弹簧座和第三弹簧座均用于固定弹簧位置；第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧用于缓冲遥控摩擦压力进油口A 进油压力；第一O 形密封圈用于防止液压油从活塞杆与缓冲油缸体的配合间隙处泄漏，第二O 形密封圈用于防止液压油从活塞杆与缓冲油缸盖的配合间隙处泄漏，YX 形密封圈用于防止活塞前后腔窜油，第三O 形密封圈用于防止从遥控摩擦压力进油口A 进入的液压油从缓冲油缸盖与第二弹簧座的配合间隙处泄漏，第四O 形密封圈用于防止液压油从缓冲油缸盖与缓冲油缸体的配合间隙处泄漏。

2.2 工作原理

压力缓冲装置的工作原理如图3 所示，压力缓冲装置加入液压系统进行控制。钻具接头与管体摩擦压接前，操作人员可以根据压接管体口径的大小，松开压力缓冲装置的锁紧螺母，事先调节开启压力调节传动轴，调整其最佳开启压力。依据材料接触后达到产生摩擦发热压力的时间，调节压力缓冲装置的流量阀，调整压力缓冲装置的最佳摩擦发热压力斜率。压接过程中推缸带动压接机本体的前进压力与时间的对应关系如图4 所示。

图3 压力缓冲装置工作原理

图4 前进压力与时间的对应关系

钻具接头与管体压接过程中，压接机本体移动由快进变为工进，当钻具接头与管体接触后，电磁阀1 得电，液压油按照电磁阀1 的左位箭头方向供油，高压油进入减压阀的同时从减压阀的遥控口进入压力缓冲装置的遥控摩擦压力进油口A，推开锥形先导阀芯，经锥形先导阀芯处回油口T1 泄压，使得进入减压阀的高压油压力下降，从而使得经过减压阀进入到推缸的液压油压力非常低，此时，电磁阀2 得电，液压油按照电磁阀2 的左位箭头方向供油，高压油从控制摩擦压力缓冲进油口P 进入，推动活塞杆、开启压力调节传动轴和第一弹簧座向遥控摩擦压力进油口A 方向移动，进而压缩第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧，推动锥形先导阀芯向遥控摩擦压力进油口A 方向移动，减少遥控摩擦压力进油口A 的开度、减少遥控摩擦压力进油口A 经锥形先导阀芯处回油口T1 的泄油量，逐步提高减压阀的出口压力，使得摩擦压接机的推缸摩擦焊接压力缓慢提升，避免压接机在摩擦发热阶段的强烈振动，否则会使摩擦焊接的钻杆热影响区处融化钢水被挤出从而产生晶粒长大、焊接灰斑等质量缺陷，保证良好的焊接质量。当锥形先导阀芯的锥头与先导阀座的锥面完全接触吻合，压力缓冲装置的遥控摩擦压力进油口A进油被截断，此时，压力缓冲装置失去对减压阀的油压控制，减压阀的液压油的压力亦升至其设定值，减压阀按照其自身设定压力开始工作。

3 应用效果

实施后压接机推缸平稳前进，避免了压接机的冲击振动，从而避免了压接机的过度磨损，在摩擦压接工艺中，钻具接头与管体焊接平稳，保证了良好的焊接质量。压力缓冲装置采用3 根弹簧，既能承受由遥控摩擦压力进油口A 进入的高压油的冲击而不致于产生永久变形破坏，又能使弹簧在较低的油压下平稳开启。