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。 , l+ }9 r" E1 B7 a4 R' J
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" e, h8 V. l2 z. t6 B4 E2 ]3 `( f. X, U9 t7 d, }# Q c( D5 f% k# R, m: A k2 i$ |" j9 Z: l; K) O, V, M5 h! j# C& Z8 f+ N. R' q+ E8 S6 ?1 r" d% ^% e1 T" }* P3 I ]( w. W3 l/ Y5 x# l# N7 x" f; X& }. }: [, P# D# D. Z: b 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

8 Z! G! C+ ]% B2 v. K% g7 f# O5 v) e8 h2 P5 H" a' u4 {0 O( |$ R6 B E0 k+ Q# I2 ^/ k8 }1 C ~: t. K0 `0 [/ L" @ o, d5 _5 D& n! M5 a 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

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图1　切断刀片几何形状

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3．切断刀片

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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。
  8 d" ~1 j/ F4 | `! T0 r( v% d. ]; s& o# Z. S1 }. p0 Z: D1 ^5 d/ u" ]1 m/ T- ?/ R% F8 A- K( v' i+ Z; [" i# l( ], `5 I& d0 g1 k7 s o1 e" ?3 ?: t+ L5 u. I7 J9 f" Q, p; S q3 T0 T% Q2 y) S, o9 j2 m) {% F% S7 T+ J. `) ? {& e3 B* _+ n& G2 ?, h1 Z+ r; R( p; o. f. l; c1 S! ^/ x9 ]3 U+ o+ b1 A0 N, p# d# @3 T5 v% ]' m8 k; @7 K: u, q: d* Q. ]) X9 k! u$ w* e& ~# [. a1 L, c8 X! ~/ C( r0 U- r, w/ u+ ^' ]# ^) C8 o Y5 u3 T" g' p0 c+ m( `6 H" j1 ]' E4 N5 h

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。 & b9 G3 j7 @: _/ |1 s5 R5 z- `9 m' u+ h# A7 S2 t4 S2 `: F0 L/ j% ?; x3 \) J# B1 l' f% O

# s8 o4 e! ~4 C% W/ O+ H$ }2 R f) y/ ?, v. f/ l+ o7 m$ L& e' b! g) q! V% Q% A: k+ o$ u0 U; i+ V. |( T# c4 {7 Y, i$ D0 |9 ^. e; `) E$ ^: x! g3 Z. o! D5 ^0 @& G2 s7 L# f( k0 Q. P% Z" z% Z# |* v4 U- {" k) q: G- k4 A/ w0 D( R9 ^; h) b2 N" }' l3 [7 Z! s6 X, p2 X' h4 @9 C& ?- z0 F9 `) w0 R" C; S8 i' W$ H5 d! k% J; d3 U& J4 o! A7 |# b; B; b* ~8 o5 ~# Y9 I* \$ u5 x0 Y, C8 W1 q9 H/ B! |/ W6 i$ B% r* q, {/ z6 z p) q( Y" s9 K0 U0 B' i+ @' V# C+ ]: a1 E5 O0 Y" F0 E) ^# W( w 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％。

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5．试验结果及分析 7 `: I) p) r: b" n$ t; _) N

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。 0 t; N1 p. u( {. x6 s4 S, z5 }$ b# {3 r# ]3 h+ k' `" u; Q3 ^3 k @. v' m' n0 b& c4 r+ S2 j* c% k/ t- X( C9 |/ Y- V! Y5 F0 \" p3 ?3 ?" c. m/ g; e! e5 \' R/ G0 X$ c2 D8 P& o1 L H3 r! Y+ ^3 D4 K1 h; j, M* T. ~2 }/ }1 n5 q5 }* G' o( M# f1 Y! s6 m4 e8 G# Z6 @; U8 c9 J2 `' U' P1 B! a+ U) y, ^, u ? m9 H8 G& B! @9 t1 i8 J- W+ J5 J9 l( M+ E! u4 z5 [4 W* t0 \+ Q2 u0 [" V( a+ {& A! P, @1 |! T6 D9 ^3 n. \' K' J6 s& o) l% A k8 U% ]3 r! p! B0 [; ]8 C) _8 M% x6 p5 n* H% D: k4 v1 @, w \# G/ ^2 c' Y. }- ]% G/ u K6 e) N: |) W' w7 n5 S* i4 m K3 n" u @ p' V2 [% I1 ] D$ E3 K( L, S6 `( [7 p5 F, N: O( F. P, }! A# f# r7 w" N: o$ V( L2 g# @& |9 e% p1 f3 M! k. ?+ z

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： d" m( h! J( H

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。
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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。