用于切断高强度石油套管的新型切断刀片

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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。    表1　P110石油套管的化学成分(%) C Si Mn Ni Cu V P S 0.22～ , P, S- L7 ^# ]+ ]' |% v0.29 0.17～ 0 D& [! \' i& m5 S9 u3 w0.37 1.30～ 1.60 ≤0.2 ≤0.2 0.07～ 0.12 ≤0.025 ≤0.025

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

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。
  ]3 n- q3 g3 r; n9 p7 W0 D4 O$ E  R
& ?* R4 d+ `" k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。
! t; Z, t; x8 m" _1 ?4 P 表3　切断刀片的物理机械性能刀片牌号 硬度(HRA) 抗弯强度
+ }$ t5 X7 k$ b" V3 H; W(N/mm2) 比重(g/cm3)ZP35 91.3 2000 12.9SC30 90.9 2000 12.7YW4 92.0 1230 12.2CT35 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 3～4µmZP35T8 TiC+TiCN+TiN 5～8µm
: }; ]" O/ t( S  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。

  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 CoCT35 5 8 76.5 10.5YW4 7 8 78 7ZP35 16 5 70 9SC30 16 4 70 10

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1.刀盘 2.刀杆 3.刀片 4.工件
; G! x( M: p) F* ~( ?% H- g- L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ap＝0.1mm，进给量f=ap×80％。 5．试验结果及分析 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。 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 1YW4 10 12 11 11 1.83SC30 21 20 22 21 3.50ZP35 22 18 24 21.3 3.55ZP35T8 23 23 19 21.6 3.60YB120 30 31 30 30.3 5.05
  试验结果分析如下：

• 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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• 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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