油井管螺纹加工机床的技术(图)

油井管螺纹加工机床的技术引进及国产化张一帆( 陕西延长石油装备制造有限公司)摘要:介绍了我国从国外引进管螺纹加工机床的发展历史及现状。

分析了国外典型管螺纹加工机床的技术,性能特点及其发展趋势, 评价了国内管螺纹加工机床制造厂在研发方面取得的成果、设计制造水平及与国外的技术差距, 提出了国产管螺纹加工机床在消化吸收国外先进技术方面的主要目标。

Import ofTechnology Concerning andLocalization ofOCTG Threading MachineZhangYifan(Shanxi Yanchang petroleum equipment manufacturing Co., Ltd., China ) Abstract: Described are the developmenthistoryand current situation ofmanufacture ofthe OCTGthreading machine which were originally imported from abroad. Analyzed are the technological performance characteristics and development trend oftypical tube threaders overseas. Evaluated are the R &D achievements as made by andthedesignandmanufacturelevelsofdomestictubethreader-makers.Alsodiscussedisthetec hnologicalgapbetween such makers and their foreign counterparts. Finally proposed are the main objectives in using foreign advanced technologies bydomestic tube threader-manufacturers.Key words: OCTG; Tube thread; Machine tool; Technicalimportation; Localization前言油井管加工技术是一个国家整体工业技术水平的客观反映, 是一个国家机械制造技术、材料工程技术、自动化控制技术等综合技术水平的集中体现。

而管螺纹加工机床的设计制造技术则是管加工技术的核心部分, 是整个管加工工艺的关键。

我国油井管专用螺纹加工技术的引进及其国产化进程, 随着我国石油天然气工业的发展, 国际石油天然气开采形势及油价的起伏以及现代工业技术的进步而变化。

根据其发展的历史以及技术水平划分, 应当分为3个阶段。

第1 个阶段, 在20 世纪50 年代国家第1 个五年计划时期, 管加工技术从前苏联引进。

由于前苏联和整个国际社会的工业技术水平的限制以及我国的整体工业水平不高, 所以技术引进的规模不大, 技术的含量也不高。

当时, 管加工技术的特点,就是机床的继电器控制技术、机床的机械变速技术、刀具的手工刃磨技术和高速钢切削技术。

第2个阶段, 管加工技术的引进是以硬质合金刀具切削技术与继电器程序控制技术为特征。

从20 世纪70 年代开始原鞍山钢铁公司无缝钢管厂、成都无缝钢管厂、包头钢铁公司无缝钢管厂相继从法国引进了克立丹的NC 控制的管螺纹加工机床, 从美国与德国引进了相应的辅机, 如拧接机、水压机等, 组成了新的管加工生产线, 但是当时产量有限。

第 3 个阶段, 数控技术在管螺纹机床得到应用。

改革开放后的中国, 经济发展突飞猛进, 蓬勃发展的石油天然气工业对石油专用管的需求量迅速增长。

国内大型钢管制造企业相继从美国PMC 、比利时高力耐、德国Meer 公司引进了新的更先进的CNC 数控管螺纹加工机床, 甚至包括整条的管加工生产线。

这一时期, 引进的管螺纹机床数量及规模都是前所未有的, 这些新装备的引进大大提升了我国管加工技术水平和生产能力。

进入21 世纪以来, 由于国际石油价格持续高价位运行, 大大推动了世界范围内石油天然气的开采。

随着国内油井管市场需求的剧增, 从各个油田开始扩展到全社会, 创办管加工企业形成了一个高潮。

这个阶段是国内管螺纹加工机床设计制造技术迅猛发展、水平迅速提高, 辅机配套能力大大增强的时期。

近几年, 我国掀起了新一轮的从国外大量进口管螺纹机床与国产管螺纹机床产量急剧增长、两方面并举共旺的局面。

目前, 国内获得美国API 5CT 认证的油井管加工企业达到191 家, 超过了美国(139 家)、日本(12 家)和德国(8家), 油井管 螺纹总生产能力占全世界的一半以上。

1国内外管螺纹加工机床的发展趋势管螺纹加工机床属于专用高效的特殊机床, 完全不同于普通通用机床。

对这种机床的技术要求, 主要表现在以下 3 个方面: ①比较高的切削效率; ②比较高的自动化程度; ③比较高的加工精度。

目前世界各国主要执行的油井管产品技术标准是美国石油学会的API 标准。

对于管螺纹加工机床来说, 如果加工美国API 石油学会标准规定的圆螺纹、偏梯形螺纹时, 则要求在很短的时间内, 在机床上完成大批量地同规格、同钢级、同类型的油井管管螺纹切削所需要进行的车外圆、车螺纹、平端面、倒内外棱等工序, 因此对机床的切削效率提出了很高的要求。

尽管管螺纹加工对机床的其他功能和所需的工序要求不多, 相对并不复杂, 可是对加工速度、切削效率却要求较高。

近十几年来, 国外管螺纹加工机床设计制造技术在不断发展, 具 体表现在以下几个方面: ①多刀架, 多刀位、多轴控制, 全自动; ②快速上卸料, 快速定位, 高效, 专用; ③在高压大流量冷却条件下高速切削, 强力切削;④充分满足特殊螺纹加工的多种需要。

总体来讲, 国外管螺纹加工机床经过几十年发展基本已形成比较固定的模式, 属于相对比较成熟的机床产品, 并逐步形成了几家专业化的典型的设计制造厂, 主要是比利时高力耐公司、美国PMC 公司、德国Meer 公司等。

虽然还有其他一些也能够提供管螺纹加工机床的厂家, 如美国的英格索尔, 日本的大隈、森精机、马扎克, 韩国的大宇等公司, 但大都是在通用机床的基础上改进而成的, 没有钢管的快速夹紧、快速定位系统; 没有辅助夹紧及内支撑系统; 没有多刀架、多刀位的刀具系统; 没有快速上卸料的辅机系统。

所以, 其加工效率、自动化程度、专业化水平等都与上述专业化管螺纹机床制造厂的产品存在较大的差距。

2管螺纹加工的切削方式目前世界上的油井管螺纹切削加工方式主要有2种: 一种是刀具旋转进给而钢管静止不动的切削加工方式, 此种切削方式的管加工机床以美国PMC 公司设计制造的469 、470 、471 型管体车丝机与1007 、1077 型接箍车丝机为典型代表, 德国曼内斯曼公司也能够按PMC 公司的技术制造; 另一种是刀具直线进给而钢管旋转的切削加工方式, 以比利时高力耐公司设计制造的NCT-7、HPMT13 等型号的产品为典型代表。

2.1 刀具旋转进给而钢管静止不动的切削方式刀具旋转进给而钢管静止不动的切削方式, 实际上就是金属切削加工中的旋风铣削。

其优点在于对钢管的整体直度要求不高, 只要钢管伸出部分的直度在公差允许范围内, 就可以保证加工出合格的螺纹。

同时, 刀具旋转的切削方式转动惯量小, 能量消耗少, 切削比较平稳, 螺纹加工精度高, 对钢管的直度要求不高, 可以减小由于钢管直度不好而在旋转过程中产生的振动对螺纹加工质量的影响。

缺点则在于其切削锥形螺纹的过程中, 要将主轴的旋转运动与主轴箱的直线进给运动以及刀具系统的径向张合伸缩运动统一在1个三维合成运动中, 刀盘和主轴的机械结构复杂, 程序控制困难, 更换刀具要求精度较高, 变换产品规格不便, 加工特殊扣螺纹较为麻烦。

美国PMC 公司的车丝机旋转刀盘美国PMC 公司设计的管螺纹车丝机就是将旋风铣削技术应用在锥管螺纹加工过程中, 其设计是将刀盘装在机床的主轴上做主要的旋转运动, 同时刀盘在机床的Z轴方向做进给运动, 即刀具系统在旋转的同时, 还要进行直径方向的张合伸缩, 并做直线进给运动, 通过这几项运动的合成, 才能够切削出锥形的螺纹来。

PMC 公司车丝机的变直径切削技术主要在于其研制开发的一套精密、复杂的楔形装置, 可以将机械的轴向运动转化为径向运动, 即径向的张合伸缩。

在其拥有专利技术的刀盘设计中, 共设有9 把刀杆、12 个刀片的安装位置, 每把刀杆相互夹角为40°。

其中3 个刀片分别为平端面刀、倒内棱刀与倒外棱刀, 分布在相互夹角120°的圆周上;6 个用于车削钢管外圆的刀片也是均匀分布;3个切削螺纹的刀片则分别装在 3 个外圆刀片的后面, 因而当外圆刀片切削圆锥面的同时, 螺纹刀片紧随其后切削螺纹, 实现多刀、多刃、强力切削。

我国的管螺纹机床制造厂已经能够设计制造旋风铣削的车丝机, 如原沈阳第三机床厂设计制造的SZ-203 型车丝机, 就采用了刀具旋转进给而钢管静止不动的加工方式。

只是相对于美国PMC 公司的车丝机而言, SZ-203 型车丝机的刀盘不是通过楔形装置来实现刀具的径向运动, 而是通过丝杠副来驱动刀杆在径向(即X轴方向)移动。

而刀杆实际上是一个U形的刀座, 上面伸出的两个单独的刀杆, 可以夹持刀片, 并随刀盘作旋转运动。

但是SZ-203 只是单刀车削加工管子的外圆, 车削螺纹以及平头倒棱都是通过U形刀座上的刀杆在X轴 方向的偏移来分别进行的。

一片刀具工作时, 另一片刀具移向另一方不工作, 所以切削效率不高, 此外由于切削力不对称、不均匀, 所以对螺纹的加工精度和表面粗糙度也有不利的影响。

英国DTL2000 型管螺纹加工机床也是与原沈阳第三机床厂的SSK-203Z 型车丝机属于同一类产品。

所以在刀具旋转进给而钢管静止不动的加工方式上, 国内与国外先进技术的差距较大, 主要是不能实现多刀、多刃、强力切削, 只能进行单刀、单刃的切削, 同时X轴方向的控制也不同。

效率比较低, 控制精度也不高。

2.2 刀具直线进给而钢管旋转的切削方式刀具直线进给而钢管旋转的切削方式应用比较广泛, 也是大多数管螺纹机床设计采用的类型。

如原法国克里丹公司、德国曼内斯曼公司、比利时高力耐公司等国外知名的管螺纹机床制造厂都设计生产此类产品(高力耐公司管体车丝机的卡盘、刀杆与内支撑器如图2 所示)。

只是他们目前设计制造的管螺纹加工机床大都也采用多刀、多刃、强力切削技术, 增加刀台和刀位数量, 提高机床主电机功率和主轴转速, 改进辅机功能加快进出料速度, 完善钢管夹紧系统, 采用强制冷却系统, 大大提高了管螺纹机床的生产率。