（机械设计及理论专业论文）利用先进制造工艺提高钻杆接头使用寿命的研究.pdf

利用先进制造工艺提高钻杆接头使用寿命的研究 摘要 钻杆接头是石油钻柱的重要构件，其工作条件十分恶劣，受力情况 非常复杂。在正常旋转钻井过程中，接头要承受拉伸、扭转、弯曲、内 压、轴向力等多种载荷，这些载荷常常同时存在、相互耦合，接头螺纹 部位受力尤其严重。接头主要失效形式为过量变形、断裂和表面损伤。 发生失效的部位主要有以下几个区域：( 1 ) 钻杆管体加厚过渡区消失处； ( 2 ) 钻杆接头螺纹及变径部位；( 3 ) 焊缝及热影响区。因此，研究钻 杆制造工艺技术，提高钻杆质量及使甩寿命也应从这三个部位着手。钝 杆接头不但要有较高的强度、具备一定的冲击韧性和对应力集中敏感度 较低的性能，还要有较高的抗裂纹扩展的能力。正因为这些机械性能方 面的要求，相应增加了切削加工的难度。 先进制造工艺是从传统制造工艺发展起来的，不断吸收高新技术成 果，或与高新技术实现了局部或系统集成而产生的。先进制造工艺是先 进制造技术的核心和基础。先进制造工艺以优质、高效、低耗、洁净、 灵活为特征。其主要产生的方式有两种：( 1 ) 常规工艺的优化；( 2 ) 引 入高新技术，通过技术创新形成新型制造工艺。先进制造工艺在我国至 今普及率较低，大多数工厂仍沿用较落后的工艺及装备，与工业发达国 家相比，存在较大差距，因此，先进制造工艺的应用研究在我国具有重 要的现实意义。 本文从新型制造工艺技术方面对钻杆接头的先进制造工艺进行了 研究。通过对先进的数控加工设备、刀片涂层技术、刀具可转位技术、 工艺c a p p 等高新技术的应用研究，形成了钻杆接头的先进制造工艺， 提高了钻轩接头规模生产的效率和产品质量，保证了钻杆接头的使用寿 命。通过实际生产应用证明，钻杆接头的先进制造工艺对于中等规模的 钻杆接头生产是合理可行的、高效的，能够保证钻杆接头的使用寿命。 关键词：钻杆接头，先进制造工艺，使用寿命 t h e s t u d y o f l o n g i n g s e r v i c el i f eo ft o o lj o i n t sf o rd r i l lp i p et h r o u g h a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s a b s t r a c t t h et o o lj o i n t sf o rd r i l lp i p ea r et h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to f d r i l l s t r i n g w i t ht h ew o r s tw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dt h em o r ec o m p l e xl o a d s i nt h e c o n r s eo fn o r m a lr o t a r yd r i l l i n g ，t h et o o lj o i n t sw i l le n d u r em a n yl o a d ss u c h a s t e n s i o n ，t o r q u e ，b e n d ，i n t e r n a l p r e s s u r e ，a x i a l - p o w e r e t c t h e s el o a d s o f t e ns i m u l t a n e o u s l yo c c u ra n di n t e r a c t i ti sm o r es e r i o u si nt h et h r e a do f t h et o o l j o i n t s t h e f a i l u r e p a t t e r n s o ft o o l j o i n t s a r e f a t i g u ef r a c t u r e ， c o r r o s i o nf a t i g u ea n do v e r l o a d ，a n dt h ef a i l u r el o c a t i o n si n c l u d et h ed r i l l p i p eb o d yu p s e tt r a n s i t i o n a la r e a ，t o o lj o i n tt h r e a da n dw e l d i n gs e a m a r e a t h e r e f o r e ，w es t a r to nt h er e s e a r c h e so ft h et o o lj o i n t sa b o u tt h r e el o c a t i o n s t h et o o lj o i n t sh a sn o t o n l yh i p e ri n t e n s i t y , i m p a c t i v et e n a c i t y , l o w e r s e n s i t i v i t yt ot h es t r e s s c o n c e n t r a t e d ，b u th i g h e ra n t i c r a c k - e x p e n d e da b i i i t y ， f o rt h e s em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e s ，i ti n c r e a s e dt h ed i f f i c u l t yo f c u t t i n g t h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s w a s d e v e l o p e d f r o mt h e c o n v e n t i o n a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i tc o n t i n u a l l ya b s o r b e dt h eh i g h n e w t e c h n o l o g y , o rp a r t l yo rc o m p l e t e l yi n t e g r a t e dw i t h t h eh i g h n e w t e c h n o l o g y i st h ek e ya n db a s i so ft h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ，t h ef e a t u r eo f t h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si se x c e l l e n tq u a l i t y , h i g he f f i c i e n c y , l o w e rc o s t ，c l e a n l i n e s s ，a n d a g i l i t y t h e r e a r et w ow a yo fp r o d u c i n gi t ： 1 o p t i m i z i n gt h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s ；2 f o r m i n gn e w - t y p e dm a n u f a c t u r i n g p r o c e s sb yi n t r o d u c i n gt h eh i g h n e wt e c h n o l o g ya n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n t h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g p r o c e s si sn o tp o p u l a ri no u rc o u n t r y , m o s to f t h ef a c t o r i e ss t i l lm e k eu s eo ft h eb e h i n 曲a n d p r o c e s s e s a n dd e v i c e s c o m p a r e d w i t ht h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，t h e r ea r el a r g e rd i s p a r i t i e sf o ro u r f a c t o r i e s ，h e n c ei ti sm o r er e a l i s t i ca n ds i g n i f i c a n c et oa r a c hi m p o r t a n c et o t h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i no u r c o u r l t r y t h ea u t h o rm a d et h er e s e a r c h e so f t h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s “i a b o u tt h et o o lj o i n t sf 1 1 f o u g ht h en e w - t y p e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e s i t m a d et h ep r i m ep a r to ft h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa b o u tt h et o o l j o i n t st or e s e a r c ht h eu s eo f s u c hh i g h n e wt e c l m o l o g j e sa st h ea d v a n c e d n cd e v i c e s ，t h ei n s e r tc o a t e dt e c h n o l o g y , t h ei n d e x a b l et o o l s ，c a p pe t c ， i m p r o v e dt h ep r o d u c i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h et o o lj o i n t so ns c a l e ， a n de n s u r e dt h es e r v i c el i f eo ft h et o o lj o i n t s t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sh a sp r o v e dt h a t ：f o rt h em e d i u ms c a l e p r o d u c t i o no f t o o lj o i n t s ，i ti sr e a s o n a b l e ，r e a l i z a b l e ，h i g h e re f f i c i e n t ，a n d c a l le n s u r et h el o n g e rs e r v i c e1 i f eo f t h et o o lj o i n t s k e y w o r d s ：t o o lj o i n ta d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g p r o c e s ss e r v i c el i f e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我寸人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加虬标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 己经发表或撰写过的研究成果，盘不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 、专 心、 2 u0 0 年 f月l 1 1 4 3 r 4 y 4 n 3 丁l 1 3 4 n 3 - b2( 47 如i n ，6 5 f s i n )方柄 6 2 x 4 5 4 y 5 n 3 t 1 1 4 钻杆接头制造工艺存在的问题 1 4 1 国内企业应用c a p p 技术的现状 通过对国内部分设计院、企业所做的调研1 5 】，大部分企业对 c a p p 系统的应用情况并不令人乐观。企业应用c a p p 系统最具代 表性的情况有如下几种： a 、大部分企业的工艺设计仍然采用手工设计的方式，c a p p 的应用仍是空白。较偏远地区的企业，特别是那些中小企业。不 光c a p p 的应用是一片空白，计算机的应用状况也令人担忧。 b 、部分企业在计算机技术和c a d 的应用较为普及以后，工艺 设计成为企业的薄弱环节。有些企业自己在w o r d 、e x c e l 或 a u t o c a d 上绘制出工艺卡片的空白表格，在此基础上进行工艺规 程的设计。此种设计方式也是利用计算机进行辅助工艺设计，因 此，也可称做c a p p ，但此类c a p p 所生成的工艺规程是以文本文 件的形式存在的，工艺部门只生成文本文件，企业无法对工艺数 据进行有效地管理。 c 、部分企业已充分认识到工艺设计的重要性，并购买了部分 石油大学( 华东) 硕上论文第1 章国内外钻杆制造技术现状及发展趋势 商品化的c a p p 系统，但由于企业对c a p p 的认识还存在一些误区， 因此，c a p p 的应用还不尽人意。 目前丈部分企业都已意识到了c a p p 技术应用的必要性【5 ，但 企! 比在c a p p 系统的选择和应用上还存在较多的误区和较大的盲 目性；主要表现在盲目追求设计自动化、最优化，而不注重基础 数据的准备，基础技术的稳固发展和人员素质的提高。 误区之一：认为c a p p 就是由计算机自动生成工艺规程。 首先，工艺设计是一个典型的复杂问题，所涉及的因素是大 量的，而且是错综复杂的，它涉及到零件信息、制造瓷源、工艺 专家知识等众多信息( 数据 的组织和管理，它不仅涉及到单纯 的数值运算，也要处理图象、字符、表格等复杂的数据，因此， c a p p 系统的核心和难点都是数据的处理。其次，由于工艺设计对 使用环境有着极大的依赖性，且工艺设计中许多工艺知识不具备 精确的定义和严密的数学模型，许多问题是非确定性的，至今工 艺设计仍处于经验决策阶段，这就导致工艺设计的动态性和经验 性。正是由于以上原因，自动化的c a p p 系统目前只能针对某种特 定零件，如回转体；通用的自动化的c a p p 系统还只能处于研究阶 段，而无法应用到实际当中。目前c a p p 当中的a 是辅助( a i d e d ) 而不是自动化( a u t o m a t i c ) 。 误区之二：认为c a p p 基于零件即可，而不必基于产品结构 在企业中，所有生产活动都是围绕着产品结构而展开的，一 个产品的生产过程实际上就是这个产品所有属性的生成过程。每 一份工艺文件虽然是针对一个具体的零、部件，但作为产品的属 性之一，工艺文件也应在工艺设计计划的指导下，围绕着产品结 构展开，这样就可以清晰地描述产品的装配关系，并可直接读取 产品的明细表数据文件将c a d 中的产品设计数据自动带入到c a p p 系统中。因此，基于产品结构的c a p p 系统更适应企业的生产环境。 误区之三：认为c a p p 只是解决工艺卡片的填写和生成，而不 注重工艺数据的生成和管理 工艺卡片的填写和生成是c a p p 系统必须要解决的问题，但在 2 6 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章国内外钻秆制造技术现状及发展趋势 计算机集成制造系统中，c a p p 是连接c a d 与c a m 之间的桥梁与纽 带。集成化的c a p p 系统应能直接接收c a d 的零件信息，进行工艺 规划，生成有关的工艺文件，并以工艺设计的结果和零件信息依 据，经过适当的后置处理，生成n c 程序，从而实现c a d c a p p c a m 的系统的集成，其核心是数据库。因此，c a p p 系统必须能够生 成工艺数据并进行管理而不只是完成工艺卡片的填写。 误区之四：要求各部门间数据的管理、传输、任务的分配等 本应由p d m 完成的工作由c a p p 系统完成 c a p p 系统所解决的是企业工艺设计