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

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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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5 O6 {% j3 R2 D) J9 J. H; z$ ^3 ]; U5 E6 v W4 z6 I* i! Y) m# m( W1 {6 Z0 m5 O" H0 K2 x5 J% E& r9 c6 t" _9 W: L- y+ ?5 ?6 Z6 |' L+ D. n& \- \% ~ 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。
 

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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。
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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。 ( Y+ W) v5 x x! G8 A' r5 R+ D, z0 K: Z' a$ z# Q

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- H0 i+ @' ?/ k. Y" o5 \ 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％。

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5．试验结果及分析 % [4 v+ ?2 I n( n! h. ^5 I/ G

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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。 7 B" C' y+ L) l$ Y/ \# C8 e; ~0 l: o, ^6 `' Y8 ~9 t; `" ?' `$ h% k; `" `( m0 ^7 @( b i6 {! _* Y/ f; P4 ?4 g& t2 x: D. o5 W6 v. w1 @9 H! Q: Q3 v; ]4 k$ ~ L9 B1 f* M" C% H m; a; ^2 Z: D6 m& e4 k0 g, ~7 y- G1 H( |. W3 `7 C7 z1 E4 S" }/ M# L: b n5 \1 I" o0 r; r! k+ W9 W3 \) m; ]3 [, \% W) |/ r0 r! f# C, ` P' }$ R# b" L. s8 g. |; {) t1 W6 e7 J( N X3 c: v3 Q B. ~1 p2 @6 i+ w0 P; O! U0 k9 S. O3 f* J* U8 O2 i C0 t* r; v! p. _7 k! j2 n; ?+ R* t# K" k* U! s0 r& `3 R- ?+ b6 I* }5 `# P$ _ v& X) Q1 \( b/ U& Q2 j. }5 H$ I8 U' ~3 X7 s* a

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" @ c3 d) r1 k# r: \

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。

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