（机械工程专业论文）石油钻杆自动化生产技术及应用研究.pdf

摘 要 i 摘 要 随着油气资源勘探开发力度的不断加大，钻井技术得到了快速发展，作为 钻井的重要工具石油钻杆越来越受到人们的重视，钻杆的品质和技术进步直 接影响到钻井的效率和安全。国内钻杆的制造技术已经发展了十多年，但在生 产装备和工艺技术方面仍与国外知名厂家有较大的差距。国内大多的生产线自 动化程度低，工人劳动强度大，研发创新能力差，产品质量的稳定性受装备精 度和操作人员技术水平的影响较大，因此我国虽然是钻杆生产的大国，但不是 强国。本论文依托渤海能克钻杆有限公司钻杆生产线扩能项目，研究石油钻杆 自动化生产技术与应用，设计开发一条国内领先、国际一流的自动化钻杆焊接 生产线，形成拥有自主知识产权的专有技术，满足石油工业快速发展的需要。 本文围绕着高效率、高品质两条主线展开研究，在分析国内外现有装备和 先进工艺技术的基础上，结合渤海能克公司十多年的生产经验，重点研究对质 量和效率影响较大的摩擦焊接、焊缝热处理、摩擦焊后自动化控制三个方面。 对于核心设备摩擦焊机， 引入技术成熟的工业机器人代替传统方式的物料搬送， 与料筐转台、接头缓冲台架组成全自动生产单元，同时利用机器人进行接头长 度的测量，配合焊机控制系统形成焊后焊缝长度自动测量和焊接信息自动传送 的专有技术。通过感应线圈与钻杆的对中性、淬火液和温度的控制三个环节对 中频热处理过程进行了质量提升。在焊后自动化控制中创造性提出焊缝齐头的 理念，改变了以往靠经验判断的方式，解决了焊缝自动定位的难题。控制系统 运用当前先进的工控技术组成了数字化网络结构，统一指挥协调各设备自动运 转，同时结合工艺开发了质量管理软件，通过工控机和触摸屏建立起人机交互 界面，实现了加工过程的自动跟踪、记录、查询、保存，在生产控制自动化的 基础上实现了信息管理自动化。 目前，扩能项目已建成投产，通过对产品性能分析，钻杆质量远高于行业 标准。经过连续大批量的生产，证明了课题选题准确，技术先进合理，创新技 术已在生产中得到检验和应用。课题的完成使企业达到了通过提高装备水平来 提高核心竞争力的目的，为实现传统制造业向现代制造业转变奠定了基础。 关键词：钻杆；生产技术；摩擦焊接；焊缝热处理；焊后自动化控制 摘 要 ii abstract under the circumstances that the oil and gas exploration has been widely used, the drilling technology is also developed dramatically especially for one of the important product drill pipe. the quality and technology of the drill pipe directly affect to drilling efficiency and safety. though china has manufactured drill pipes for over ten years, there is still a long way for us to go for machinery equipment and process technology compared to abroad well- known manufacturers. now china is the largest drill pipe manufacturing base. but most of local production lines are all lack of automation, high involvement for labor and operators, failed for product design and development, product quality is not consistant. this research is based on bhnk project of building a new drill pipe production line. with studying the automatic technology and equipment, we have designed and developed one advanced and top class automatic drill pipe production line. with the project completion, now we have our own special technologies and the production line can meet oil industry quick developing demand. the research is mainly focused on highly efficiency and highly quality. with analyzes on present process and machinery, combined with bhnk over tens manufacturing experiences, we especially pay more attention to 3 areas which have fundamental influences to the manufacturing effiency and product quality:- friction welding process, the heat treatment process afterwards and automation for friction weld. for the key process friction welding, we have replaced with the industry robot and related technology of the traditional material transferring. both the rotation table for joint box changes and joint buffer match the automatic manufacturing unit. also the robot measures the joint length which dimension also links with the welder monitor software and post weld length control system. it has been part of bhnk specific technology. in addition, the whole line mainly focuses on 3 main factors: (a)match between the coil and the drill pipe weld line, (b) the control against the quench oil and (c) the control against the temperature, which all improved the quality of the min- frequency induction hardening. the post weld length control system also solves one problem - center the weld line which used to be centered by operator s experiences. all machines control system in the production line are linked together and they are under a digital net work. they work together with the developed quality managing software build the human- machine interface via the industrial control pc and touch screen. now all the information in the production line can be automatically managed including automatic trace/record/save and check. 摘 要 iii the production line now i s daily working. with the analyze to the product performances, we found the quality is much better than the local drill pipe standard. it proved that this subject is correct and technology is reasonable. in addition the new technology has been proved and applied to daily working. the subject s completion increases bhnk s competent power and improve bhnk from traditional manufacturer to the tech- advanced manufacturer. key words: drill pipe; manufacturing skill; friction weld; welding line heat treatment; automatic control after the weld. 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文石油钻杆自动化生产技术及 应用研究 ， 是本人在导师指导下， 在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 石油钻杆自动化生产技术及应用研究系本人在华北电力大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电 力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打“” ） ： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 选题背景 近年来，世界经济的快速发展加剧了石油等能源物资的消耗，促使油气资 源的勘探和开发步伐不断加快，全球油气井的钻探数量也逐年递增。随着易开 采油气资源的逐渐枯竭， 全世界都不得不将目标投向地质条件更加复杂的地区， 为了获取石油，人们开始在沙漠打井、在海上勘探；为了获取石油，深井、超 深井不断出现；为了获取石油，大位移井、水平井等方式不断被应用；为了获 取石油，欠平衡钻井、螺杆钻井、空气钻井等新技术层出不穷1。作为打井的 重要工具，石油钻杆的品质越来越受到重视，国内外市场对高端钻杆的需求也 越来越多，这给钻杆制造企业提出了新的课题。 在中国西部塔里木地区， 最深的井已经打到地下 8400 米， 在俄罗斯和美国， 为了研究地质构造，北极地区的科学探井井深已超过了万米，用户希望提供更 高机械性能的钻杆往地下传递扭矩。在海上钻井平台，因钻杆的质量问题而停 钻，每天要损失 30 多万，在塔里木的沙漠地区，勘探井的造价可高达 5000 万 元。在四川盆地，地下油气中含有大量 h2s 气体，在加拿大北部地区，油气中 富含 co2气体，这些气体溶于水后腐蚀性极强，对处于高压高抗拉下的钻杆会 造成极大的破坏，甚至造成断裂事故。为了提高打井效率，降低开采成本，用 户希望钻杆制造企业提供性能均一、稳定的高端特色产品来应对各种复杂的地 质条件2- 4。 国内石油钻杆的制造技术已经发展了十多年，国产钻杆基本可满足国内市 场需求，但在生产装备及工艺技术等方面仍然落后于国外知名厂家，高端产品 的质量和稳定性与进口钻杆仍有一定差距。因此，将先进的机电一体化技术应 用于提高钻杆生产企业装备水平意义重大。本课题借助渤海能克钻杆有限公司 钻杆生产线扩能项目，开展石油钻杆自动化生产技术与应用研究，形成拥有自 主知识产权的专有技术，满足石油工业快速发展的需要。 1.2 选题意义 1.2.1 提高装备水平是中国石油战略规划的需要 党的十七大报告在阐述“加快转变经济发展方式，推动产业结构优化升级” 这一“关系国民经济全局紧迫而重大的战略任务”时指出：要“发展现代产业 华北电力大学硕士学位论文 2 体系，大力推进信息化与工业化融合，促进工业由大变强，振兴装备制造业， 淘汰落后生产能力” 。 中石油作为石油行业的龙头企业在战略规划和调整中，也将装备制造业列 为六大主营业务之一，提出了“要加大发展力度，实行产业升级，在满足自给 的情况下积极出口，创造一批国际知名品牌”的要求。如今中石油在实行“走 出去”战略时，在国外 30 多个国家有 100 多支井队在打井，石油钻杆作为打井 的重要工具同时也被带到了这些国家，钻杆产品技术水平的高低直接影响到世 界对中国制造的印象。 渤海能克公司是中石油下属的专业钻杆生产企业，将积极贯彻十七大“振 兴装备制造业”的精神，响应中石油集团的战略规划，在对现有生产工艺和设 备进行深入研究的基础上，有责任有义务通过技术创新来不断降低生产成本， 走一条科技含量高、资源消耗少、产品质量好、经济效益优的可持续发展路子， 以适应日益激烈的市场竞争。 1.2.2 保持行业领先地位的需求 中国是石油钻杆生产的大国，但不是强国。 “不强”是指产品科技含量低， 没有自主知识产权，装备落后，只能生产普通产品。中国的钻杆产品曾经大量 出口美国、加拿大等国家，但中国目前还需要进口部分钻杆，出现这种现象的 原因在于出口靠的是低廉的价格，进口是需要高端的、特殊的、有技术含量的 特色产品。2011 年 2 月，美国国际贸易委员会最终认定中国部分输美石油钻杆 对其产业构成实质性损害威胁，美国商务部据此对这部分中国输美石油钻杆征 收高额反倾销和反补贴关税。这是因为我们的产品技术装备落后，产品附加值 低，仅仅靠低廉的价格占领了美国市场。 近年来，国内生产企业也意识到这一点，在技术装备上加大了投入，增加 产品的技术含量。渤海能克公司于 1997 年从日本 jfe 公司引进钻杆生产技术 并开始制造钻杆，由于设备起点高产品质量稳定一直处于行业领先地位。随着 钻井技术发展和市场竞争的加剧，渤海能克公司在市场的领先地位也同时受到 威胁，这种威胁不仅仅来自同业竞争，最终用户也希望能够在钻杆品种上不断 创新，在制造技术上有所突破。 1.2.3 形成专有技术抢占高端市场 钻杆的工作条件表明，其受力状况非常复杂。美国能源部对国际上的井深 趋势进行了统计，发现近 30 年来，全球石油天然气井深平均增加了一倍以上， 并且继续呈快速增长的趋势。随着井深增加，井内温度、压力相应提高，强化 钻井（大钻压、高钻速、高泵压）对钻杆强度、疲劳和腐蚀疲劳抗力提出了新 华北电力大学硕士学位论文 3 的、更高的要求，钻杆制造技术已经落后于钻井技术，市场逼迫我们进行技术 创新，形成专有技术，抢占国内外高端市场。 目前，世界上著名的钻杆厂有：日本 jfe 公司、美国格兰特钻具公司和法 德合资的瓦姆公司。他们是最早生产钻杆的企业，通过几十年的技术进步已经 形成一套自己的专有技术，能够为特殊井况提供高端特色钻杆，如：jfe 公司 的双台肩钻杆、美国格兰特钻具公司的 v- 150 高强度钻杆，瓦姆公司的特殊扣 钻杆等，中国从国外进口的特殊用途钻杆也大部分来自这些公司5,6。 本课题以钻杆生产线扩能改造为依托，力求通过提高装备的技术水平来提 高企业的核心竞争力，由传统制造业向现代制造服务业转变。 1.3 国内外发展现状 上世纪 90 年代初，中国还不具备生产高强度钻杆的能力，石油行业的高钢 级钻杆完全依赖进口。为了满足市场需求，开始通过合资合作、技术引进等方 式生产钻杆，随着石油价格的逐年高涨，钻杆生产企业也迅速发展成长起来， 单从产量上看，现在中国已成为钻杆生产的大国。近些年来国内新建了许多钻 杆生产线，这些生产线大部分来自民营企业，装备水平相对落后，大多采取只 进口关键设备摩擦焊机其余设备国内配套的方式。民营企业的生产技术和研发 能力相对落后，生产线自动化程度低，工人劳动强度大，产品的质量受装备精 度、操作人员技术水平影响而不稳定。国内自动化水平较高的生产线有渤海能 克公司 1996 年从日本 jfe 钢铁引进的生产线；上海宝钢集团钢管公司 1994 年 从德国引进的全套生产线， 这两条生产线都属于专用设备组成的自动化流水线。 此类生产线在产品性能的稳定性及生产效率方面有着明显优势，但投资费用较 高，往往需要产量达到一定水平并且市场稳定才能取得好的经济效益。国内其 它钻杆企业中的山西风雷（军工企业）借助生产钻铤的经验和市场，本世纪初 从美国引进摩擦焊机配以通用机床组建了生产线。天津钢管公司与美国格兰特 公司合作借助生产套管的经验和市场， 在国内也组建了具有一定水平的生产线。 这些企业都是国有大型企业，在设备上肯投资，注重产品质量，装备水平较高， 但技术水平还有一定的发展空间，在智能化生产方面还处于初级阶段。 在国外，钻杆生产企业主要集中在美国、俄罗斯、德国、日本，有代表性 的公司是：美国的 grant 公司、法、德合资的 vintegrated security=sspi;persist security info=false;initial catalog=bhnk;data source=.wincc set gocn = createobject(adodb.connection) gocn.connectionstring = scon gocn.open scon 将数据插入到数据库的表中。 sqlinsert = insert into bhnkdata (压接尺寸,时间,生产号,接头号,炉号,合 同号,an 装置, 精加工,q 装置,t 装置,班组) values ( 2 0 0 5 4 4 沈旭东. 机电液一体化技术及其在工业机器人中的应用 j . 中国科技信息, 2 0 0 6 , 9 4 5 任永华. 工业控制的以太网通信系统研究及实现 d . 浙江：浙江大学; 2 0 0 2 华北电力大学硕士学位论文 65 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 （一）发表的学术论文 1 李建强，徐刚，王树龙，等. 基于网络的钻杆压接生产线控制系统. 机电工程 技术，2 0 1 1 ，4 0 （5 ） ：4 3 4 6 2 徐刚，王旭，李建强，等. 钻杆压接生产线搬运自动控制系统. 焊管，2 0 1 0 ， 3 3 （1 0 ） ：4 2 4 5 （二）获得的科技奖励 2010 年，组织参加的钻杆数字全自动化生