用于切断高强度石油套管的新型切断刀片

HEATS

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 k& i- S6 _/ |! u1 G

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。 ) [% W* P: j: V- V# g; l2 i! b
  7 \2 ]: r/ F0 O/ R! m3 e& d N1 {% D5 {; }$ E F. D- I9 C' p- T) U% q. [. j9 c, u: B* ^; r

2 s: h: b9 d# C2 a2 S" Z& C7 G" Q# }' Z- Y: K* B2 s$ A/ L" Z9 O* w; O; e5 Z0 s% n- Y( K( E7 v/ e+ Z- U# R# l& i6 J: l) e4 ? I7 u, K6 S( K9 U2 r& b; \4 p. M% B; H! t" z! U2 e j; l/ [* b3 M4 i* u( y5 L, W9 X3 M# Y0 A( c Y \$ `! d+ d8 X5 ~+ V8 V V: ?* T, \) X \; d9 r" R9 m# I9 l: y) L e; r! u; R Q4 v 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

& u" ~' g, T% A2 N1 {6 V. X# Z ]$ f/ P8 p- G8 L* O& ~$ d7 ~% {, ~. }+ |1 f, k& m# W1 V) ~; k" G2 ], X, M% c) v) v ]0 C) W* A% F) l; S 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

 

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。
  - X) M- f3 T# y9 g6 s3 p' i( \7 I9 e5 U, r0 \9 j0 C7 [8 i5 f: O# d- ~- x' Q7 V( d* C! l4 A' B- h$ b1 X+ L3 P& R7 M% a( O. ~$ ~6 F8 h6 G7 N4 p/ p# s& H0 o6 `. W: x& z- q4 m4 o5 W5 n. C5 w7 _4 i9 v5 J" V" h4 p' V) s) a) r* P: F4 G$ H9 H0 O; m$ b4 o* x' B1 ~- n" ]4 i- v0 N8 M, N" h; L, m# \: n0 e9 @. U: |# `* E* p0 v _8 j; e4 k4 P% g1 y4 I, \' l. j, U) _% B" y- g# B0 E" F3 ], ~6 K# t: y9 ~. o9 M: `: F; n$ T9 p* y' y2 O( u% a- r; M4 S$ ~, `! q$ q9 g; S9 t, V" g# U1 F8 L) X7 s2 v q) n m3 q7 K4 J* 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。 , [ @9 P% S4 ?; N' p- X8 a+ U6 p. R: p5 d% g( ?( v

3 o8 {1 m& f/ ~8 \' J3 ?1 O# \* _. Z; D, L! x* M m0 ]2 l' m) X" P! Z: |8 B4 E7 s6 ]* W0 z; u' T. G- l& F- x+ _/ [+ m- l" h3 D2 _! Q& l9 I5 j' ^& m) U% p' E6 |' L$ }* s$ `" {# F$ o o+ g% X9 ~8 B+ g0 u m9 }/ u/ X* E/ i3 ]8 a2 Q# T: x/ W6 _ H: _6 ?$ N& [5 Y' k/ m; j2 o, h8 E5 x W/ U6 A% @; b; J+ l [5 }# ?0 \) H: u2 S0 u1 ]& z9 J0 v' g: B1 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

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 ! v) x/ D8 O* T$ ~" V0 h0 M

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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。 8 x/ o: V; } ]: x2 E7 N% [4 [0 w' q, W0 T% j2 ~) c9 I! w% `. g9 s, q4 f) e! F! Q' E8 k4 h8 P+ f+ `/ ?) m& l# `0 p7 z. i& y! K+ z3 d- ^5 c2 K6 Y' g7 p0 r, y' u4 F9 V9 _9 [$ W( ~) X/ \$ N0 G- Q& R6 q( d7 @0 ?+ s+ s" }1 j: }7 L4 ^$ a3 x: g5 y" q/ c L- N h- q8 a# `% V( ^$ O z" P: I0 x& b: I( [$ e# e" |+ ?* d* m+ ]& C1 A# W0 X2 K- i8 a# u. `* p$ w8 F x0 E2 I1 l' q# J+ P" C0 m( g/ T) Z, o1 l @# i2 W" M# `6 {' P7 _6 A* z# y& V( `, }; Y* |# X4 X+ P6 |9 Y& M" U/ r. Q: x: `2 y n" k- D" l% C- l$ i6 D4 Q# Q. p% K5 f' X) \, a6 ^8 p) V( c! Z, D6 }$ |1 N- _! r& L2 g! h5 V4 }# b3 d7 c6 O: q& y4 V" {/ m2 Z# _ g9 H1 w5 p2 i9 t- B; 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

  B0 n0 c0 S& ?) p

试验结果分析如下：

5 D5 h& R' |' a9 M: F
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。