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。
 

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。 " C$ d1 L- \5 e& ~
  4 o+ e* C& E$ d/ p8 U/ F0 p& Q! L1 {8 D @7 w1 v8 r9 ^6 n+ b

2 H# v* C6 Z0 o" l7 o! y7 G( k3 O7 o7 E/ N, A0 l1 f" P( J2 F6 U% M" m# P( }1 _ H) f: f$ F) Y, A2 y4 k' H) M" w1 x1 |; u/ T! c8 _( q( U& {# K# b2 w0 j: |- r. `+ S6 w; n S) _9 b5 u. g# p; R9 f: N% e4 w0 t* \* f, p9 L! H8 p4 O1 K, F7 B8 q 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

, M! u! m+ ^3 N! w/ n# g% _$ O7 C0 y/ \8 G( a1 d0 }5 X6 c7 k( _2 {! t$ s9 j2 L6 ]( y. B' w5 m5 w7 q4 F+ Y, b) ?/ T5 W5 f& Y% H+ v8 P4 e8 ]' O# M, o5 W! U+ l, X7 @, x6 ^ X, h$ [$ \ 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。
 

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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。
  % v2 ]1 K; v+ ?- ~0 d, X. G! y" B% d. y5 E, }9 Z0 h; x0 B# K4 u( E4 V- {0 Z6 ~% g; z4 K0 p; J* [/ Q1 D: U( {$ q; ?' m' Z5 l1 [4 {0 K: J- O' [2 E1 {3 L$ x. Q! F0 y% w0 e) ~# m# X* x; O" @7 h7 Y% E9 X# y$ K* S3 A" K) g9 k6 B! \+ K3 \) {4 z- f% h3 j4 l7 T% [9 ^5 U$ {4 J6 N! d% U) `( l6 q6 V. _8 z* f d; q- l8 I' \0 G7 `7 f: Q: Y6 |+ r! N0 m+ ]" Z; z3 z7 j3 F" R9 d4 X" p8 U' k Y2 s: i( f/ W1 y" Q2 B: o2 _/ V4 f) G/ G6 `% m, T. A9 L: L5 v" L" Q7 ]; e" S

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

 

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。 9 Z1 ?& ]* `. W3 k! a& n/ ]2 v, Z4 ]- u4 n! N5 `( M3 R' c/ P9 P; P" m; Q

( ]+ e/ V- M6 k, E5 o' W J/ d! g% n. t7 N) e' L" T2 `# [) M, y1 O" g4 z1 Z% m- t" g5 F2 u' V+ u' s e; ~6 d. d9 F# ~* U5 q' ]7 N+ l( j2 |. v, w6 S% r* u# l1 t0 y8 N, a& V" I# M$ L: q1 i- U, A/ }, z( h8 J" g- j$ T( I! d. m* O: X% h$ d1 G ?, v0 @( e; u$ R7 H+ l$ A2 s* L9 e6 |$ i& Z% t& V5 ~0 |$ ~# S, L4 w1 {! O3 y# |. v' y N/ |8 v/ z: L, D( a, r/ B( s1 m( Y 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

! y. `8 j0 n( z& M' ` 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

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％。 + d z) _, n8 H4 F; I" w

5．试验结果及分析 6 j3 `2 m H! i0 e1 v' K! ?

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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。 . z: \% M' @" I+ k0 @* h& P5 U: F& |; p1 E: x" R6 e8 h; U; X% ~3 \* H0 d1 g* F& h& F; u+ R7 m) c. D2 m+ x# g" M7 Z0 N5 _. \5 o% C. R" n Q7 ]9 l; l% @! y+ [7 \6 ~, t+ N W% n, D' d8 d' N- e4 j+ I4 |! S- l% J, G2 i# p& m' f d5 t/ N% g4 D$ d2 S1 }, Y: _: P. e' x7 W1 P8 q; C( G/ Q/ R% D# A) M E1 i7 u% W2 t" P' e3 b% L4 R+ F, T9 g- ^/ A5 d$ m' e( M* y* N2 k; H6 D* W; q. }2 q* b% Z% T; {5 W$ b( B+ z7 R. t5 G2 }0 j0 M( `4 j7 c. ?+ o0 K6 W3 y: L' p" w5 f, v w% z; o- u$ k0 V9 J) A& e0 J& i3 b2 Q) F$ C/ Q3 p( b: x% x8 x: M; m! T* y' ^" u* M+ A1 l( @2 u8 V f7 p* N D8 M; |

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： ( X: b9 N2 {, d6 h

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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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