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。 - E+ T1 l! k9 ]6 p) `

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。 6 W. @4 t3 g& h# O N" P8 M
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9 ^, t u6 @6 N( q" ^4 S, u) w5 A; W/ Z* X8 C$ \" F# q! r6 X+ l4 ~" g/ d. q$ ?6 B% S% t/ i( ~, n4 N0 Z( Y; y B- U! A4 u: r6 a' D4 K' _( }" M3 I4 U$ K, E* w1 {% S8 F: X) X; B( m8 i- H6 `2 W6 b7 V5 H% d: X f; ^$ f- p- b# a6 d$ i0 J) H+ |' F7 y4 O0 _; h' Z" k( d 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

4 }8 g$ H/ m5 K5 j1 N2 T- S0 W3 a6 f Y7 O$ }. H6 r/ n8 p7 P3 A# \7 o/ d9 H+ j; [! @1 ?1 u1 e# m3 m/ V4 J p1 U7 V5 T' z1 J/ S- m4 u6 r$ k( F% a0 K; ?/ X4 V* u: x3 K, P7 x, W+ _) u8 [" b8 s, u' s$ f+ i4 ^, C 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

  - b2 p c; J; ~3 p2 Q9 M2 B5 p0 y- R D: }: y: N' H8 ]0 ^1 s

 
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。
  . y" y0 M9 ^$ O4 T( W$ Y6 \' m( v( ~/ ? A1 N( ^3 O/ @3 V) ^, d8 v( x% N2 A( d& i# L: n j7 D" e. b5 q. |/ N3 w W% ?1 E/ {* C/ _0 s# k( \) G- x ]% q1 ~. y- S/ J; {( a3 ~8 c% E; {) X' S+ G1 {6 g2 d# s$ k' _% Q, g+ F4 w4 G* F) M! R9 Q- B- ]- Y, V. m( m5 b8 F: F+ ?: x o; W4 ^3 ]2 F: a1 @1 {9 v- G' P' U; ^% G. [' |, v* H2 e! R: h( T% N

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。 1 D. f9 J; R! [/ B) x9 J8 H: q# F# Q2 c, K* w' l0 n6 {$ s8 `1 D, f' o. ?, M# m

, B' a+ B8 w+ h$ p9 l0 _- ?1 E3 m1 V. x( t5 }6 I6 | S0 s4 [' Z5 ^3 y7 d6 J4 E' E# j j2 k6 E4 O' F4 ~1 b- e" I: z+ }, v$ ]7 |2 Y3 T& o, [% p6 f3 L+ \/ o7 _& _: z9 a6 t1 Z3 n. Y, C" L" s g1 J3 v& k7 ]. u$ d4 y! {( n1 v2 Y, q5 X. O( D% T" }: g5 |- P8 F b8 b0 U0 z8 B) @! `7 r; L& H* n) m9 m4 r' a, R* Q- K/ p/ i. U+ e0 T% q" F. f8 l* R% k, r- I4 R/ L c5 `$ m, a# j* Z: ^5 {9 i" `; o {# ` 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

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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％。

5．试验结果及分析 ; \) n1 ~. X7 h

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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。 2 f1 ?0 M' w8 E$ T, q! J- r9 K* G* [' g- i r& b B! A* O+ G R9 E2 h1 h+ i9 a% J& j% m) l4 o- e$ y/ [! |/ u! c0 y6 _: y4 A6 v" R. [3 |' V& g7 @! t! e0 Y& J9 E) q; G: s7 W8 d, Q2 t0 z* r6 E- y: j/ e+ Q9 L! f1 n% d- D+ u9 A, g4 H( j- l; v V; w1 m/ I: R4 O; q4 V1 \# |% _8 M: o, m# w: G, I: p1 e8 O1 v) G0 R, ]' g1 M$ M* [% |% l$ J& G* t: `8 a6 ]% y1 h+ j6 R, G; i7 f) ~0 S+ r4 x' @' I- w( @7 |# ^# [+ j) q. x8 P+ K+ ?3 S% t4 U5 x; @4 k9 f" v4 h G: h# v& O" J8 j1 U- V9 K8 E. F+ f0 `0 S- }) X. b/ V- G8 s, A9 X, y" I5 p U, L2 p$ H* k' k# a' L6 _0 @, O( }( M4 Q! W/ U4 ~! d2 ?6 u" N `+ e8 Z6 k0 O8 C; ]

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。

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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。