用于加工石油天然气行业零部件的丝锥
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是由天然气行业所用的丝锥就像其加工的零部件一样,可能也相当复杂。

图1 防井喷装置包含带有许多螺孔的阀门,用于封闭石油或天然气(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 在石油天然气行业,许多井头零部件采用螺纹相互连接(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图3 OSG为石油天然气行业开发的Hy-Pro HXL(用于水平加工)VXL(用于垂直加工)丝锥(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
正如墨西哥湾的深海石油钻井平台发生事故以及随后的原油泄漏事件所充分证明的,从地下开采原油和天然气并不是一件容易完成的任务。对石油天然气行业的零部件进行攻丝,可能也是一种相当复杂的加工。
石油天然气行业的零部件通常都比较大,其直径往往达到0.6-0.9m(2-3英尺)以上。工件材料各不相同,从不锈钢、合金钢到镍基高温合金都有。
需要攻螺纹孔的零件包括:防井喷装置、圣诞树形叠加装配件、断裂阀、油管法兰、污泥泵组件、装配式阀帽、曲轴、升气管法兰、吸油管连接件等。

盲孔的攻丝加工

人们通常用螺旋槽丝锥来加工石油天然气零件的螺纹孔,大多用于加工阀门上的盲孔。YG-1刀具公司销售与市场经理Al Zaitoon介绍说,“在石油天然气行业,有许多用螺纹与其他零部件连接在一起的井头零件。在生产中,钻探公司必须用各种阀门来控制天然气或石油的流速,而这些阀门上有许多用于连接各种零部件的法兰。”
但是,螺旋槽丝锥很难设计,因为它们必须包括排屑机构。攻丝时,去除切屑是一项挑战,因为切屑可能会粘附在丝锥上,造成丝锥折断,或导致对切屑的二次切削。
OSG公司设计主管Jeff Stephens说,“我们发现,在许多盲孔攻丝加工中,遇到的难题是,由于很长的切屑形成鸟巢状,缠绕在丝锥柄部,造成丝锥失效。而且,当丝锥在加工中反转时,有时会因为切屑损伤了螺旋槽而折断。”
螺旋槽丝锥向上排出切屑,在盲孔加工中,内冷却丝锥特别有效,因为冷却液有助于排屑——但仅此而已。
OSG公司已经开发出两种用于在油气零件上加工盲孔的丝锥:用于水平加工的Hy-Pro HXL丝锥和用于垂直加工的Hy-Pro VXL丝锥(图3)。
Stephens说,“对于水平加工用丝锥,我们缩短了螺纹长度,改变了芯部直径,使后刀面有更大的容屑空间,而前刀面仍然具有足够的强度。HXL丝锥就像钻头一样,可将切屑碎断为很小的‘6’字形和‘9’字形,而不是产生长切屑。”
他补充说,VXL丝锥的横刃直径和螺旋槽形式在设计上做了一些变化,使后刀面具有更大的容屑空间,切屑可从丝锥柄部有效排出,而不是缠绕在刀柄上。“产生的切屑仍然较长,但VXL丝锥可以避免形成鸟巢状切屑。”
OSG公司的Exotap VC-10丝锥是另一种适合加工石油天然气行业零部件的刀具。Rockwell精密公司采用该丝锥加工油田服务提供商所用的零部件。该公司下属的11个车间用VC-10丝锥在合金钢工件上加工盲孔。Rockwell公司首席运营官Daniel Cotrino说,“这种丝锥断屑良好,且刀具寿命较长。此外,即使在只使用冷却液的情况下,螺纹表面光洁度也非常好。过去,我们需要花时间在丝锥上加注润滑油,以获得好的光洁度,而使用VC-10丝锥时,只需直接使用冷却液即可。”

拉伸/压缩弹性夹头

用螺旋槽丝锥加工盲孔时,推荐用拉伸/压缩弹性夹头取代刚性夹头,这样可以显著提高丝锥寿命和螺纹加工质量。YG-1公司的Zaitoon说,“采用刚性攻丝时,没有误差空间。最好采用拉伸/压缩弹性夹头。该夹头内部有一定的‘浮动’空间,因此不会抱死或折断刀具。”
不过,弹性夹头用于螺旋槽丝锥时,夹头的拉伸和压缩也可能会构成挑战。采用拉伸/压缩弹性夹头时,螺旋槽丝锥自身的进给会加快,如果拉力不足或过大,开始几扣螺纹的尺寸可能会超差。OSG公司的Stephens说,“孔的端部没有螺纹。当进给过度时,很容易判别,因为这种丝锥侧面的前部有进给标志。”
为了避免过度进给,用户可以减少或增大弹性夹头的压缩量,或手动将进给率从推荐水平上降低5%-10%。但这通常需要反复试验才能确定。

丝锥的设计

石油天然气零部件常用的工件材料包括4140和4340合金钢、不锈钢和镍基合金(如Inconel、Monel合金),这些材料用于海底油气钻探时具有很强的抗腐蚀性。
对于任何特定用途的产品,其刀具设计都必须以工件材料的特性为基础。为石油天然气行业提供Paradur Inox丝锥系列产品的瓦尔特美国公司营销主管Mark Hemmerling说,“丝锥的特点,如基体、前角、螺旋角、铲磨量、槽数和倒角等,都要受到被加工材料的影响。”
加工不锈钢用的螺旋槽丝锥通常采用较大的螺旋角和切削角。由于不锈钢容易发生快速冷作硬化,大螺旋角和大切削角能更好地实现自由切削。Inconel合金也具有冷作硬化倾向,要求丝锥具有更大的铲磨量和更牢固的切削角,以保证加工刚性。切削角通常采用中性或微小正角,使丝锥具有优异的抗崩刃性和刚性。此外,在切削Inconel合金时,丝锥周围的工件材料可能会收缩。Stephens指出,一旦发生这种情况,丝锥可能会受到挤压并折断。(在攻丝或钻孔后,所有工件材料都会微量收缩,收缩量因材料而异。这一问题在难加工材料的加工中尤为突出)。
此外,由于具有较大的中径和外径铲磨量,减小了丝锥与底孔的接触面积。当采用拉伸/压缩弹性夹头后,丝锥本身的过度进给倾向进一步加大。Stephens说,“所有这些都是相互关联的。”
螺旋槽丝锥的前角也取决于工件材料。加工会产生长切屑的工件材料时,通常要求采用大前角丝锥。例如,加工钢的丝锥通常具有标准的切削前角,而加工粘性大的材料(如不锈钢和铝)则需要采用大前角丝锥。
加工石油天然气行业工件材料的丝锥通常用钴高速钢或粉末冶金高速钢制成,并且经过涂层。例如,YG-1公司的Hardslick涂层提高了丝锥的表面硬度。Zaitoon 说,“涂层越硬,丝锥的耐磨性就越好。这种涂层还降低了摩擦系数,使加工所需扭矩减小,切屑不易粘附在丝锥上,可获得更好的螺纹表面光洁度。”
许多用于加工石油天然气零件的螺旋槽丝锥在25-63mm直径范围内每25.4mm上有8个螺距(tpi)。Zaitoon说,“具有8tpi的丝锥为油田型丝锥。它加工出的螺纹牢固而粗大,因为油田零部件需要用粗大的螺纹牢固连接在一起。
“Stephens补充说,在25-63mm直径范围内,采用8tpi的螺纹长度比较理想,安装和拆卸都很方便。如果螺纹太长,会使零件安装和拆卸困难;如果螺纹太短,则会降低螺丝连接的完整性。
直径25.4mm丝锥的标准长度为150mm多一点,而特殊用途丝锥的长度可达到254-300mm,甚至更长。对于这些较长的丝锥,适合采用更多槽数——通常为5槽或6槽。虽然较少的槽数有利于排屑,但Stephens在解释OSG采用6槽丝锥的原因时说,“槽数较多的丝锥刚性更好,它可以将磨损分摊到更多切削刃上,并使最终形成的切屑减薄。由于我们采用的特殊槽形,可以增加更多的槽数,而不会牺牲容屑空间。”

图4 瓦尔特-普瑞特(Walter Prototyp)为石油天然气行业开发的Paradur Inox丝锥(采用THL涂层)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
采用螺旋槽丝锥攻丝时,确定合适的表面切削速度十分重要,因为切屑的形成随着切削速度而变化。Hemmerling解释说,“进给率受到主轴转速和螺距的控制。”例如,用一支瓦尔特-普瑞特(Walter Prototyp)制造的1-8 Paradur Inox丝锥(采用THL涂层)加工316奥氏体不锈钢时,表面切削速度为6m/min,主轴转速为75r/min,进给率为240mm/min,加工长度为50mm的螺纹所需扭矩为274N·m(202lbf·ft),预计加工时间为2.4小时。
精密数字公司的CNC编程主管Terry Sebastian用Paradur Inox丝锥(图4)在海下和海面钻探设备零件上加工盲孔。他说,这些丝锥可以用比常规进给量和切削速度高一倍的切削参数进行攻丝,而且,与过去使用的其他丝锥相比,刀具寿命提高了2-3倍。

挤压成形丝锥

挤压成形丝锥也广泛用于加工石油天然气零部件。这种丝锥通过转移(而不是切除)工件材料来形成螺纹。
Jarvis切削刀具公司生产用于加工油田零件的深孔丝锥,其采用高速钢基体、PVD涂层、螺距为2.54mm(10tpi)的Jarflo成形丝锥用于抽油杆连接件的通孔螺纹加工。通常,该连接件的螺纹长度为100mm,工件材料为4130钢。丝锥直径范围16-48mm。
Jarvis公司营销经理Mark Ford说,“抽油杆连接件用于大型油田抽油泵,抽油杆安装在抽油泵唧筒的端部,可以伸入地下数英里深。必须保证抽油杆往地下更深处不断延伸,因此,将这些杆件连接在一起的连接件必须采用非常牢固和具有很长接合长度的螺纹连接。”抽油杆直径可变,最大可达63.5mm。
这些连接件螺纹为API标准的10tpi。Ford说,“在其孔内和本身形成螺距10tpi的螺纹十分困难,而且,要求这些螺纹既牢固又耐用。4130钢具有冷作硬化倾向,困此必须采用挤压成形丝锥,快速加工出很深的螺纹孔,而将冷却液注入这些深孔变得越来越困难。”
由于挤压成形的螺纹强度优于切削加工的螺纹,因此大多数制造商都采用挤压丝锥加工抽油杆连接件。与切削加工时工件材料中的单个晶粒被切断或分离不同,成形加工时,材料晶粒仍然保持完整,只是其位置发生了移动。
不过,挤压螺纹时,选择正确的工艺参数至关重要。Ford说,“有些人认为,可以采用快速加工,通过‘过成形’形成螺纹小径。当然,也可以采用慢速加工,不让材料变形过快,通过‘欠成形’形成螺纹小径。通常的经验法则是,挤压加工速度应为切削加工速度的1.5-2倍。”
钻削加工时,操作者可以简单地通过改变进给量和切削速度来调整切屑负荷,成形攻丝则与此不同,操作者唯一的选择就是提高或降低速度。Ford补充说,“不同尺寸丝锥的攻丝速度稍有变化,一般来说,在4130钢上加工10tpi的螺纹时,丝锥表面速度大约在9-12m/min范围内。”
作为另一家石油天然气行业挤压丝锥供应商,Cheboygan螺纹刀具公司最近为一家加拿大石油公司加工4100钢连接件开发了一种挤压丝锥。
Cheboygan公司工程经理Mike Kelly说,“这是一种与众不同的双头10螺距丝锥。由于螺纹围绕一个圆旋进,其螺旋角使螺纹从起始处一直延伸到后部。由于是分隔180°的双头螺纹,因此其导程长度为普通螺纹的两倍。螺纹旋进速度为每转5mm,而不是通常的2.5mm,使连接件能更快地与其它零件装配到一起。”
加工石油天然气行业的螺纹连接零件要求高度重视细节。正如前不久发生的钻井平台事故所证明的,零件失效可能会带来灾难性后果,因此,必须尽最大努力,加工出质量完美的螺纹零件。无论是采用螺旋槽丝锥还是挤压成形丝锥来加工石油天然气零件的螺纹,都不能有切削尖角。
本文作者:胡红兵(编译)
原载:《工具展望》2011年第2期
上载于:2013-7-30 17:12:43

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