用于切断高强度石油套管的新型切断刀片

HEATS

1 引言

近年来，我国石油天然气钻采专用钢管(简称油井管)的年消耗量一直保持在80万吨以上，其中国产油井管已达60多万吨，石油套管约占油井管总量的74%，每年我国石油套管的切断加工量超过300万件，且高强度套管所占比例越来越大，每年需消耗大量硬质合金切断刀片。因此，合理选择优质、高效的硬质合金切断刀片，对于提高套管切断效率和降低生产成本具有重要意义。
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硬质合金数控切断铣刀片(简称切断刀片)是以铣削方式进行切断加工。普通硬质合金切断刀片对高强度石油套管进行切断加工时，不仅刀片耐用度低，而且经常打刀，严重影响切断效率。为此，本文精选ZP35、SC30、YW4、CT35、YB120、ZP35T8等6种新牌号国产切断刀片对高强度石油套管进行了切断性能试验。

2．工件材料

工件材料选用P110钢级的API石油套管，外径D=368mm，壁厚T=23mm，其化学成分见表1，机械性能见表2。与45钢相比，P110钢是一种高强度优质锰钢，在切断过程中加工硬化现象比较严重。
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6 Y! Y4 E2 g& e; a* I" W( S9 E, n h, M: M8 L7 {+ m+ h% k/ Z8 W# U( o+ Y) n6 J* n* R8 h2 |4 T1 A7 R/ p- L ]9 _1 _: B0 W+ q, u$ \3 O) B( q" S- O; j6 Z: T" S) O2 x7 _0 v& y% ~, b; D4 N/ b- d+ o+ f 表1　P110石油套管的化学成分(%) C Si Mn Ni Cu V P S 0.22～ 0.29 0.17～ 0.37 1.30～ 1.60 ≤0.2 ≤0.2 0.07～ 0.12 ≤0.025 ≤0.025

/ r$ E1 X9 `/ z2 m3 w; r6 i' F5 P6 E+ S4 l" s# g7 P& a. r8 W7 m+ e: |; ]# Q; l6 @+ }; u' j2 _0 x% x( ^1 J$ Y( y; i6 i8 i" Q! n+ R# z! ]* Z7 z6 \$ l0 O3 {4 I 表2　P110石油套管的机械性能 屈服强度σs(MPa) 抗拉强度σb(MPa) 伸长率δ(%) 775～965 ≥880 ≥13.5

 

 
图1　切断刀片几何形状

 

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3．切断刀片

切断刀片的几何形状如图1所示。尺寸(长×高×宽)为：L×H×a＝20mm×7mm×5mm，B=4.5mm。
 

这6种新型切断刀片具有高强度和良好的红硬性及抗冲击性能，其物理机械性能见表3。
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表3　切断刀片的物理机械性能

刀片牌号	硬度(HRA)	抗弯强度 (N/mm2)	比重(g/cm3)
ZP35	91.3	2000	12.9
SC30	90.9	2000	12.7
YW4	92.0	1230	12.2
CT35	90.0	1800	12.9
涂层刀片牌号	刀片表面涂层材料		涂层厚度
YB120	TiC+TiCN+TiN		3～4µm
ZP35T8	TiC+TiCN+TiN		5～8µm

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YB120涂层刀片是以SC30为基体，采用化学气相沉积(CVD)法，在950～1050℃的高温下，在基体表面沉积厚度为3～4µm的碳化钛和氮化钛复合涂层；ZP35T8涂层刀片是以ZP35为基体，采用CVD法，在950～1030℃的高温下，在基体表面沉积厚度为5～8µm的碳化钛和氮化钛复合涂层。无涂层硬质合金切断刀片的化学成分见表4。从表4可知，SC30和ZP35两种牌号的碳化钽(铌)含量很高，这两种合金的红硬性均很高，且抗弯强度良好，具有较好的综合性能，是制造切断刀片较理想的合金牌号。 * ^2 a# E2 m7 l; w# Y( Y

! e$ x+ c5 Y) a4 W2 P+ Z, n6 I' Z% ^: c( J- ^- c; x; ?8 L( ]6 |& R {- `3 u# s* ?. n4 E- j* Y9 ], U0 K8 G5 g' W7 f& e/ c9 ~+ z+ ^8 u+ z" d" j/ f x: ~, t7 e3 v, _$ C& o1 @' ` }$ `1 J9 ~7 f" z, N8 u' x7 [- [9 J- d5 Z2 i- a& L" X. z$ A: u0 m& S5 {" h/ Z( v9 G8 d, R+ m( A% w! l9 }- m/ s$ N4 b- p/ [8 }. t* U/ o4 M9 ` e/ @4 u8 X6 Y: `2 D5 H& O3 o7 ]* i' r' i- b, ~+ a% t5 I7 q) j8 [" @$ h- {. n0 J9 ?4 w3 e) m# M# |! ]" r P$ C+ ~; N E5 }4 d4 V* H& t9 D# A/ n/ u* |) g+ d8 q3 [" f4 ]3 W$ K- |3 k# x2 d2 @# b7 ?1 s" K# A. ]! m% S! J2 [8 _: y% Z. l: i$ T 表4　硬质合金切断刀片的化学成分 刀片牌号 刀片材料化学成分(%) Ta(Nb)C TiC WC Co CT35 5 8 76.5 10.5 YW4 7 8 78 7 ZP35 16 5 70 9 SC30 16 4 70 10

1.刀盘 2.刀杆 3.刀片 4.工件 图2　切断刀片安装方式示意图

 

4．试验方法

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切断刀片切削性能试验在成都无缝钢管有限责任公司的RTME420CNC型数控钢管切断机上进行。切断方式为铣削加工。工件(钢管)用卡爪固定在机床上，切断刀片通过刀杆前端的弹性夹紧槽夹紧在刀杆上，刀杆通过压块和螺钉固定在刀盘上，如图2所示。刀盘带动刀片作旋转进给运动，刀盘外径为730mm。刀盘上均匀安装一组(16片)切断刀片，刀片的主切削刃调整在同一圆周上，误差不超过0.04mm。切断刀片切断高强度套管的切削速度v＝120m/min，每片刀片的吃刀深度a_p＝0.1mm，进给量f=a_p×80％。 0 N& b1 `* B! C) b# `& o8 a2 L b

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5．试验结果及分析

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6种切断刀片切断加工P110高强度石油套管的刀片耐用度试验结果见表5。 3 {2 b8 C0 B9 w- V. ~' e7 ^5 {/ B h' J' Y- x. T% E# U, {0 @" Q; j/ y3 t$ X C( n& \: O0 A: T3 S6 u/ c; z5 o2 _ O4 N4 i, @& V* ~* f' H1 m2 L! A$ l& K, r r+ q. m4 p+ p5 y2 G$ R; t: U( c7 G+ p2 t9 T8 U8 q% w: B! S" w# D. d: g) B! N" }9 ]5 _* @# c1 u; @ y7 }& \: v: m* B/ l9 W% P. E" e6 Q ~( V; J! s7 Q) a/ u$ z5 a& f3 y- x3 h) j/ L* A: ]- \: [- W, a) ?9 e) w8 I6 T1 F, Q' s/ s4 P8 B, N7 }) S/ P" w/ w9 J2 ^$ s$ Y* r7 J+ y% Z, }3 U. |5 F0 A, v2 S, j* J6 b! p% ]) K' _9 T, f9 f" Z9 B/ t8 D# V7 R0 |* G! Y, \/ L) H6 Y# S/ w. j7 ~4 ~; ]- t, s q+ K6 a% Y( R0 k- n

表5　切断刀片耐用度试验结果

刀片牌号	切断刀片耐用度(件/组)
	第1组	第2组	第3组	平均值	相对值
CT35	8	6	4	6	1
YW4	10	12	11	11	1.83
SC30	21	20	22	21	3.50
ZP35	22	18	24	21.3	3.55
ZP35T8	23	23	19	21.6	3.60
YB120	30	31	30	30.3	5.05

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试验结果分析如下：

1. 6种切断刀片切断加工P110高强度石油套管的刀片耐用度从高到低的排列顺序为YB120，ZP35T8，ZP35，SC30，YW4，CT35。其中YB120涂层切断刀片的耐用度最高。
    
2. 新型涂层切断刀片YB120比未经涂层的硬质合金刀片SC30的寿命提高44.28%；而硬质合金刀片ZP35经CVD涂层后的刀片ZP35T8的寿命无明显提高，其原因尚待进一步研究。

切断刀片化学成分中的碳化钽(铌)含量越多，刀片的红硬性越好，耐用度越高。

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