用于切断高强度石油套管的新型切断刀片

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1 引言

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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。 4 G0 O! K. }9 b8 J; l

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。 ; ^- f0 o: M m' Z7 i; o& u
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' P! U- j, X7 G/ l8 O. V. P% K9 v0 |. S! p4 N/ w* _: o+ X) ]5 {. J' V# t) ]( p5 M J9 x+ y1 g2 K$ {* B' T: v 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。
  9 c3 J8 s+ W+ l' U. h8 P9 C+ |8 U7 w! N& f2 r' C$ M% o# H' r$ }4 C; j3 K& Q! T, F. ~+ { n d2 R ^, X6 D0 Y7 j3 x* z! d- A3 N. g+ ?4 r" Q! O- H- s P/ U9 e+ d' `7 B' F( t9 r, |5 M- V4 k+ M( n. X4 l; C I3 r$ S4 u, D7 u) g( r( P% J8 H& p# u5 H$ g. x/ m2 x$ y/ g d% L% h1 J4 S; a$ Q% X; c8 b# Y* g/ B3 U6 u* \ {8 T7 h" C7 ~/ e7 d) E: m5 J" Y3 K; c9 X- u; U% L' H: ?2 c* ^; @& o) y m+ f/ }" t- i& v B! u2 T" D+ c# X) G; T" c" c" h) Q8 K& c7 K& J8 S) b7 I+ }

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。 I( ^* M' u2 P* Z3 q u* w6 Z0 r7 S

5 k' F( X+ q' a9 L9 ?) L+ ]/ u- c7 e8 B" l+ P& g) r: ?! q! b) ^4 W7 i0 b0 }% _% Q* U. w7 ~+ K* Z4 P6 a, q, o% }4 ~! ?+ { Z! {$ L, s! M. l1 h- Z3 z# G7 E! P/ O4 t0 B. ^ V1 w/ _& \0 t/ g6 X! n8 G: R0 _8 s' y& ~9 \1 Q0 r K0 v: B; I# F- C0 G0 ^" f) P* q9 _" p3 A6 i# G3 O% ?0 E! k2 }+ P* F |7 v7 Z9 r" S+ \) ~2 p# b, C* ^3 [0 v. U4 @! a7 L; W" G5 ?2 C5 U* ~8 j- ^7 w0 S, W' i: h6 Z+ l5 J) `) X2 @8 y6 c) u; p9 t" w: T! v: f4 T; h( 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％。 ) B+ Y P0 H+ M+ f% e

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。 " L* P8 c1 O2 B7 P! o; g T# P: q+ g" r1 u( C/ X. w& p: {& |" z8 s5 G8 M9 K* J, o, ?# G$ w) `1 n/ o% P6 H" H0 H' w' B }% I/ R( h6 f( \9 V: _) f2 K+ n. |+ F: ~ B% z$ C/ X$ h6 ^* h8 Y. |# d, h8 }4 k- y* n9 T4 S2 f4 t9 ?9 W; v$ D/ C& S0 j+ O5 q3 B! y L/ z" `( K* p) F+ x, J- N, W# B, a' N& \* l/ J+ R3 t+ u2 A% I3 i' p* P$ i" V" I; k( C8 K: h ^5 g8 e& z8 ]+ B. G3 O/ }1 C7 V6 G8 z; d0 u- o" l8 }% a& m- t3 f2 i; Y$ \

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： / N) T- k! E; h2 j3 y( u

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。

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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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