鄒炳燕，陳寬，楊中力，錢逸秋，左維

(天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

石油篩管的主要作用就是防沙，由于開采石油時油井所處的地質(zhì)、沙層不同，所采用的管子的種類不同。石油篩管一般分為割縫篩管、鉆孔篩管、繞絲篩管、橋式篩管和復(fù)合篩管等。割縫篩管的出現(xiàn)為水平井和側(cè)鉆井的發(fā)展及高砂油藏的石油開采提供了條件。割縫篩管一般利用石油套管本體加工，特點是強度高、不易變形。

目前國內(nèi)外油田廣泛使用的割縫篩管的縫型分為矩形、梯形及復(fù)合縫腔。矩形縫簡單、易制造，但防砂效果較差，部分砂礫可能卡死在篩管的縫內(nèi)，成為阻擋油氣流進入油井的屏障。梯形縫較復(fù)雜，制造難度大，但砂礫可在縫處形成砂橋而阻止砂礫進入油井內(nèi)，不會出現(xiàn)由于砂礫卡死在縫內(nèi)造成砂堵的情況。

割縫篩管常見有以下幾種加工方法: (1)高速鋼刀片銑削加工或CBN立方氮化硼砂輪磨削法，一般用于矩形縫加工，加工設(shè)備成本較低。(2)激光加工法，一般用于矩形縫或梯形縫的加工，加工效率較高;但在激光切割石油篩管的過程中，存在著許多問題，激光形成的熱源是移動熱源，管材的溫度場較為復(fù)雜，在較小的空間內(nèi)存在較大的溫度梯度。當(dāng)工藝方法不得當(dāng)、管子較長時，會引起管子的熱變形。(3)等離子加工法，更適合于復(fù)合縫腔的加工，它存在的最大問題是加工效率低，從而導(dǎo)致加工成本提高。

首先利用高速鋼刀片銑削矩形縫，再利用擠縫機液壓驅(qū)動壓頭油缸驅(qū)動多個擠壓刀具同時壓縫，由于特制的刀具有一定的幾何形狀和角度，使縫口兩側(cè)一定寬度內(nèi)的金屬同時向縫口中間位置傾斜，發(fā)生塑性變形。隨著擠壓刀具對工件表面的壓深，進給油缸亦推動多個壓頭沿工件作軸向移動。經(jīng)過幾次這樣的過程，可使加工前的矩形縫擠成外縫窄、內(nèi)縫寬的臺階縫截面。

利用上述新工藝可以較低成本加工新的縫型——斷面臺階縫:靠近管外壁是窄縫段，保留了斷面矩形縫管壁強度高的優(yōu)點，可以提高耐砂礫沖蝕磨損的能力;而靠近管內(nèi)壁是寬縫段，保留了斷面梯形縫“過濾自潔”優(yōu)點。而采用傳統(tǒng)的加工方法，如CBN砂輪片磨縫、高速鋼銑刀銑縫、激光切縫等，很難加工出斷面臺階縫，特別是外縫寬度為0.1 mm甚至更窄的縫。

1 擠縫機工藝過程

擠縫機工藝過程見圖1，液壓原理見圖2。

圖1 擠縫機工藝過程方框圖

圖2 擠縫機液壓原理圖

送管。因為要在長十多米的鋼管上擠壓若干組縫腔，所以采用液壓缸25來送管。液壓缸25的活塞桿連接送管小車27，送管小車上兩只相對安裝的液壓缸26完成對無縫鋼管的夾緊。因為整個無縫鋼管在擠縫機上由若干組輥道支撐，所以送管需要的輸出力很小。

鋼管在擠縫機上的壓緊。鋼管送進到位后，首先由4根垂直壓緊定位缸33完成對無縫鋼管的垂直壓緊定位。目的:(1)保證無縫鋼管在垂直方向緊貼下支撐;(2)在4根垂直壓緊缸29對無縫鋼管進行水平壓緊時，保證無縫鋼管在水平方向不偏離設(shè)備軸線。在垂直壓緊定位缸的作用下，4只油缸29不需要同步閥控制，能保證將鋼管壓緊在設(shè)備的中軸線上。水平壓緊缸29壓緊后，垂直壓緊定位缸33的定位作用完成，可以復(fù)位。

擠縫。鋼管壓緊后，10只壓頭油缸31進給，分別從左右兩側(cè)驅(qū)動裝在壓頭油缸活塞桿上的擠壓刀具壓縫，10只壓頭油缸安裝在壓頭拖車32上，2根壓頭推進缸30驅(qū)動壓頭拖車往復(fù)運動，即沿鋼管工件軸線作軸向移動，擠壓刀具對鋼管工件表面的矩形縫腔外側(cè)進行擠壓，鋼管矩形縫腔外表面產(chǎn)生塑性變形，由矩形縫逐漸變形至臺階縫。

2 擠縫機液壓系統(tǒng)主要元件選擇

根據(jù)實際工況分析，擠縫機工藝要求及計算，綜合考慮各液壓缸速度、推力、系統(tǒng)工作壓力，選擇各液壓缸參數(shù)如下:

元件編號為25的送管液壓缸1只，為缸徑50 mm、活塞桿直徑28 mm、行程569 mm的雙作用單活塞桿式液壓缸，水平布置。

元件編號為26的送管夾緊缸2只，為缸徑63 mm、活塞桿直徑45 mm、行程60 mm的雙作用單活塞桿式液壓缸，水平對稱布置。

元件編號為29的橫向壓緊缸4只，為缸徑63 mm、活塞桿直徑45 mm、行程60 mm的雙作用單活塞桿式液壓缸，分兩組水平對稱布置。

元件編號為30的壓頭推進缸2只，為缸徑63 mm、活塞桿直徑45 mm、行程180 mm的雙作用單活塞桿式液壓缸，水平平行布置。

元件編號為31的壓頭油缸10只，為缸徑50 mm、活塞桿直徑36 mm、行程70 mm的雙作用單活塞桿式液壓缸，分5組水平對稱布置。壓頭工作時，可對割縫篩管的直徑方向單側(cè)5組、兩側(cè)共10組割縫同時進行擠壓，有效提高擠縫機效率。

元件編號為33的垂直壓緊定位缸4只，為缸徑50 mm、活塞桿直徑30 mm、行程50 mm的雙作用單活塞桿式液壓缸，垂直平行布置。

液壓泵選型:選擇定量泵齒輪泵2為系統(tǒng)供油。根據(jù)各液壓缸最大工作速度和工作壓力要求，選擇齒輪泵排量為10 mL/r，額定工作壓力16 MPa。

液壓控制閥選型。選擇液壓閥時，應(yīng)考慮其通過最大流量時，不要有太大壓降，以減少功率損耗及系統(tǒng)發(fā)熱。根據(jù)此系統(tǒng)額定流量和額定工作壓力的要求，各種閥均確定規(guī)格為6通徑。

電機參數(shù)選擇。根據(jù)系統(tǒng)額定流量13 L/min和額定工作壓力16 MPa，選擇功率為5.5 kW、4極異步電機。

3 擠縫機液壓系統(tǒng)工作原理

如圖2所示，擠縫機液壓系統(tǒng)主要由電動機、液壓泵、各種液壓閥、各種液壓缸、過濾裝置及其他輔助元件構(gòu)成。根據(jù)液壓系統(tǒng)所完成的功能，將其分為供油單元、送管單元、垂直壓緊定位單元、水平壓緊單元、壓縫單元等幾個部分。

供油單元:交流電動機通過聯(lián)軸器將旋轉(zhuǎn)機械能傳遞給齒輪泵，溢流閥3用于調(diào)定液壓系統(tǒng)的最高壓力16 MPa;吸油濾油器1、回油濾油器5在系統(tǒng)工作時對液壓油進行兩次過濾;單向閥4的作用: (1)防止液壓系統(tǒng)中的壓力沖擊，對液壓泵2造成影響;(2)在對液壓泵進行拆裝維修時避免系統(tǒng)中的油液倒流，造成油液外泄和環(huán)境污染。

為了減少功率消耗，在系統(tǒng)不工作時由電磁換向閥7通過中位實現(xiàn)卸荷。當(dāng)液壓系統(tǒng)其他部位工作時，例如擠縫機開始擠縫，電磁換向閥7換向，使其控制的送管夾緊缸26處于松開 (活塞桿縮回)位置，系統(tǒng)保壓。

送管單元。當(dāng)電磁換向閥7下位，壓力油經(jīng)電磁換向閥7進入送管夾緊缸26的無桿腔，活塞桿伸出，實現(xiàn)對鋼管的夾緊。壓緊到位，壓力開關(guān)29發(fā)出壓緊信號。

電磁換向閥6下位，壓力油經(jīng)電磁換向閥6進入送管液壓缸25的無桿腔，活塞桿伸出，實現(xiàn)對鋼管的送進。送管速度由單向節(jié)流閥12調(diào)節(jié)。送進到位，接近開關(guān)發(fā)出送管到位信號。

垂直壓緊定位單元。當(dāng)電磁換向閥11下位，壓力油經(jīng)減壓閥15、電磁換向閥11進入垂直壓緊定位缸33的無桿腔，活塞桿伸出，實現(xiàn)對鋼管的垂直壓緊定位。液控單向閥18實現(xiàn)保壓，防止水平壓緊缸壓緊前，其他液壓缸動作影響其壓緊力?？紤]垂直壓緊定位缸只起輔助定位壓緊作用，壓緊力不能過大，所以該回路設(shè)置減壓閥。

與此同時，送管單元復(fù)位。電磁換向閥7上位，壓力油經(jīng)電磁換向閥7進入送管夾緊缸26的有桿腔，活塞桿返回。送管夾緊缸26返回后，電磁換向閥6上位，壓力油經(jīng)電磁換向閥6進入送管液壓缸25的有桿腔，活塞桿返回，等待下一次送管。

水平壓緊單元。電磁換向閥10下位，壓力油經(jīng)電磁換向閥10進入水平壓緊缸29的無桿腔，活塞桿伸出，實現(xiàn)對鋼管的水平壓緊，同時向蓄能器19充壓力油。液控單向閥17配合蓄能器19實現(xiàn)保壓，防止其他液壓缸動作影響其壓緊力。壓緊到位，達到壓緊力上限，壓力開關(guān)21發(fā)出水平壓緊到位信號。整個壓縫過程中，如果壓力下降，低于壓力開關(guān)22設(shè)定的最低壓緊壓力，系統(tǒng)繼續(xù)供油補壓或停機報警。

壓縫單元。電磁換向閥9下位，壓力油經(jīng)減壓閥14、電磁換向閥9進入壓頭油缸31的無桿腔，活塞桿伸出，實現(xiàn)對鋼管表面矩形縫腔壓縫。同時向蓄能器20充壓力油。液控單向閥16配合蓄能器20實現(xiàn)保壓，防止其他液壓缸動作影響其擠縫力。壓緊到位，壓力開關(guān)23發(fā)出壓頭油缸到位信號。整個壓縫過程中，如果壓力下降，低于壓力開關(guān)24設(shè)定的最低擠縫壓力，系統(tǒng)繼續(xù)供油補壓或停機報警。

考慮壓頭油缸的工作壓力直接與割縫篩管擠縫后的臺階尺寸相關(guān)，為適應(yīng)不同材質(zhì)、不同擠縫尺寸等要求，在該回路設(shè)置疊加式減壓閥單獨調(diào)節(jié)壓頭油缸工作壓力。

電磁換向閥8下位，壓力油經(jīng)電磁換向閥8進入壓頭推進缸30的無桿腔，活塞桿伸出，拖動壓頭拖車32前進。前進速度由單向節(jié)流閥13調(diào)節(jié)。到達壓頭拖車前終端，接近開關(guān)發(fā)信號，電磁換向閥8上位，壓力油經(jīng)電磁換向閥8進入壓頭推進缸30的有桿腔，活塞桿返回，拖動壓頭拖車后退。后退速度由單向節(jié)流閥13調(diào)節(jié)。到達壓頭拖車后終端，接近開關(guān)發(fā)信號，電磁換向閥8換向。如此循環(huán)往復(fù)，直到鋼管上該組矩形縫均被擠壓成臺階縫，該循環(huán)結(jié)束。轉(zhuǎn)動鋼管或送進鋼管，進行下一組縫腔的擠壓。

4 結(jié)束語

擠縫機制造、安裝調(diào)試已完成。經(jīng)試驗驗證，該液壓系統(tǒng)滿足擠縫機的動作及參數(shù)要求。合理設(shè)計液壓及電氣自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機、電、液一體化，提高整機的技術(shù)水平。擠縫機加工的割縫篩管縫腔臺階縫，滿足了割縫篩管復(fù)合縫腔的要求，與以往的復(fù)合縫腔加工工藝比較，既極大地降低了生產(chǎn)成本，又有效提高了加工效率。

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