RU2548872C2 - Pipe end upsetting method - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: several cycles consisting of a pipe end heating operation and an operation of its upsetting with a puncheon in a cavity of a split die on an upsetting press are subsequently performed. During the second operation, upsetting is performed using a die and a puncheon of the same sizes as at upsetting during the first operation. Besides, upsetting during the second operation is performed with a shrinkage value that is determined from the given ratio depending on the value of deviation of pipe wall thickness, nominal outer diameter of the pipe and nominal thickness of the pipe wall.

EFFECT: reduction of deviations of geometrical dimensions of internal upsetting zones.

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к трубному производству, и может быть использовано при производстве труб нефтяного сортамента с утолщенными концами, предназначенными под нарезку резьбы или приварку замков.The invention relates to the processing of metals by pressure, namely to pipe production, and can be used in the production of oil assortment pipes with thickened ends intended for threading or welding of locks.

Известен способ комбинированной высадки концов труб, включающий несколько последовательных операций нагрева конца трубы и его деформации пуансоном в полости разъемной матрицы высадочного пресса (Ткаченко В.А. Трубы для нефтяной промышленности / В.А. Ткаченко, А.А. Шевченко, В.И. Стрижак, Ю.С. Пикинер. - М.: Металлургия, 1986. - С.119-128 - [1]). Особенностью способа является то, что на второй операции высадки используют матрицу большего диаметра рабочей полости и пуансон меньшего диаметра по сравнению с матрицей и пуансоном, используемыми в первой операции. При этом в процессе высадки металл течет как в сторону матрицы, так и в сторону пуансона (комбинированная высадка).There is a method of combined upsetting of pipe ends, including several sequential operations of heating the pipe end and its deformation by a punch in the cavity of the split matrix of the landing press (Tkachenko V.A. Tubes for the oil industry / V.A. Tkachenko, A.A. Shevchenko, V.I. Strizhak, Yu.S. Pikiner. - M.: Metallurgy, 1986. - S.119-128 - [1]). A feature of the method is that in the second upsetting operation, a matrix of a larger diameter of the working cavity and a punch of a smaller diameter are used in comparison with the matrix and punch used in the first operation. In this case, during the upsetting process, metal flows both towards the die and towards the punch (combined upsetting).

Существенным недостатком способа высадки труб [1] является нестабильность размеров внутренних зон (цилиндрической и переходной) высаженного конца, обусловленная различными факторами, главным из которых является наличие отклонений размеров наружного диаметра и толщины стенки высаживаемого конца трубы. Так как пуансон при настройке центрируется по оси высадки, совпадающей с продольной осью полости матрицы, то при наличии отклонений в толщине стенки осаживаемого участка трубы смещаемый объем металла при высадке неодинаков. Поэтому после высадки в первой операции в различных продольных сечениях высаженного конца наблюдается разная длина внутренних зон высадки. Поскольку следующие операции высадки пропорционально увеличивают длину внутренней переходной зоны и уменьшают длину внутренней цилиндрической зоны, различие в длине этих зон в продольных сечениях готового высаженного конца трубы сохраняется. Это приводит к необходимости оставлять увеличенный припуск металла, требуемый для проведения механической обработки торца трубы, что увеличивает коэффициент расхода металла. Кроме того, наблюдается тенденция заказчиков труб оговаривать минимальную длину внутренней переходной зоны. В этом случае стабильность ее длины начинает существенно влиять на эффективность технологического процесса высадки, поскольку в случае существенного разброса длины внутренней переходной зоны высадки резко увеличивается количество некондиционных труб, то есть уменьшается коэффициент выхода годного.A significant disadvantage of the method of pipe upset [1] is the instability of the dimensions of the inner zones (cylindrical and transitional) of the upset end, due to various factors, the main of which is the presence of deviations in the dimensions of the outer diameter and wall thickness of the upset end of the pipe. Since the punch during alignment is centered on the upsetting axis, which coincides with the longitudinal axis of the matrix cavity, if there are deviations in the wall thickness of the upsetting pipe section, the displaced metal volume during the upsetting is not the same. Therefore, after landing in the first operation, different lengths of the internal landing zones are observed in different longitudinal sections of the planted end. Since the following upsetting operations proportionally increase the length of the inner transition zone and reduce the length of the inner cylindrical zone, the difference in the length of these zones in the longitudinal sections of the finished planted pipe end is maintained. This leads to the need to leave the increased metal allowance required for machining the pipe end, which increases the metal flow rate. In addition, there is a tendency for pipe customers to specify the minimum length of the inner transition zone. In this case, the stability of its length begins to significantly affect the efficiency of the upsetting process, since in the case of a significant spread in the length of the internal transitional upsetting zone, the number of substandard pipes sharply increases, that is, the yield coefficient decreases.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ комбинированной высадки концов труб, преимущественно с удлиненной переходной зоной, включающий деформацию на прессе нагретого конца трубы в полости разъемной матрицы за счет перемещения пуансона, осуществляемую за несколько операций, причем первоначально осуществляют деформацию конца трубы с уменьшением только внутреннего диаметра высадки до величины 1,03÷1,07 от его заданного значения, при этом коэффициент усадки в первой операции определяют в зависимости от размеров сечения трубы и требуемой длины внутренней переходной зоны высадки (Патент РФ №2474485, B21J 5/08. Способ комбинированной высадки концов труб / Б.В. Баричко, А.В. Зинченко, А.В. Выдрин, С.Ю. Сапунов, Д.В. Понимаш - Заявл. 30.03.2011, опубл. 10.02.2013. - Бюл. №4. - [2]).The closest technical solution, selected as a prototype, is a method of combined upsetting of pipe ends, mainly with an elongated transition zone, including the deformation on the press of the heated pipe end in the cavity of the split matrix due to the movement of the punch, carried out in several operations, and initially the pipe end is deformed with a decrease only in the inner diameter of the landing to a value of 1.03 ÷ 1.07 from its predetermined value, the shrinkage coefficient in the first operation is determined depending dependencies on the dimensions of the pipe section and the required length of the inner transition zone of the landing (RF Patent No. 2474485, B21J 5/08. The method of combined landing of pipe ends / B.V. Barichko, A.V. Zinchenko, A.V. Vydrin, S.Yu. Sapunov, D.V. Ponimash - Declared March 30, 2011, published February 10, 2013. - Bull. No. 4. - [2]).

Способ [2] предусматривает возможность проведения второй операции высадки с односторонним течением металла - только в направлении пуансона, за счет того, что во второй операции используется матрица тех же размеров, что и в первой операции высадки. При этом во второй операции используется пуансон, диаметр которого меньше диаметра пуансона, используемого в первой операции высадки.The method [2] provides for the possibility of conducting the second upsetting operation with a one-way metal flow - only in the direction of the punch, due to the fact that the second operation uses a matrix of the same dimensions as in the first upsetting operation. Moreover, in the second operation, a punch is used, the diameter of which is less than the diameter of the punch used in the first landing operation.

Данное техническое решение позволяет улучшить качество высаженного конца за счет повышения устойчивости трубы при высадке, предупреждения интенсивного проявления эффекта «выпучивания» и соответственно, уменьшения вероятности получения дефекта «перегиб волокна» в микроструктуре металла, однако не устраняет недостатка присущего способу [1], а именно: наличие значительных отклонений в длине внутренних переходной и цилиндрической зон высадки в различных продольных сечениях высаженного конца, что ведет к повышенному расходу металла и снижает коэффициент выхода годного в технологическом процессе высадки.This technical solution allows to improve the quality of the planted end by increasing the stability of the pipe when upsetting, preventing the intense manifestation of the effect of "bulging" and, accordingly, reducing the likelihood of obtaining a defect "fiber bend" in the microstructure of the metal, but does not eliminate the disadvantage inherent in the method [1], namely : the presence of significant deviations in the length of the internal transitional and cylindrical upsetting zones in various longitudinal sections of the upset end, which leads to increased metal consumption and izhaet output ratio of usable in the process of landing.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении стабильности геометрических размеров внутренних зон высадки, что в конечном итоге выражается в повышении эффективности процесса изготовления труб за счет увеличения коэффициента выхода годного при высадке концов.The technical problem solved by the invention is to increase the stability of the geometric dimensions of the inner zones of upsetting, which ultimately translates into an increase in the efficiency of the process of manufacturing pipes by increasing the yield coefficient when landing ends.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе высадки концов труб, включающем несколько последовательных циклов операций нагрева конца трубы и его деформации пуансоном в полости разъемной матрицы высадочного пресса, согласно предлагаемому техническому решению вторую операцию высадки проводят с использованием матрицы и пуансона, тех же размеров, что и в первой операции высадки, при этом величину усадки во второй операции определяют из соотношения:The problem is solved due to the fact that in the method of upsetting the ends of the pipes, including several sequential cycles of heating the end of the pipe and its deformation by the punch in the cavity of the split matrix of the upsetting press, according to the proposed technical solution, the second upsetting operation is carried out using a matrix and a punch of the same size as in the first landing operation, while the amount of shrinkage in the second operation is determined from the ratio:

$$\Delta L=\mathrm{0,24}\Delta S{\left(\frac{D}{S}\right)}^2,\text{ (1)}$$

$$\Delta L=0.24\Delta S{\left(\frac{D}{S}\right)}^2,\text{(one)}$$

где ΔS - величина отклонения толщины стенки трубы; D - номинальный наружный диаметр трубы; S - номинальная толщина стенки трубы.where ΔS is the deviation of the pipe wall thickness; D is the nominal outer diameter of the pipe; S is the nominal wall thickness of the pipe.

Предложенное выполнение способа высадки позволяет существенно уменьшить отклонения размеров внутренних переходной и цилиндрической зон высадки за счет проведения во второй операции деформации конца трубы с определенной длиной усадки, используя матрицу и пуансон тех же размеров, что и в первой операции. При таком режиме деформации происходит более тщательное заполнение металлом кольцевой полости между матрицей и пуансоном, в результате чего профиль внутренней поверхности высаженного конца выравнивается, то есть уменьшаются отклонения в длине внутренних зон по различным продольным сечения высаженного конца трубы. Другими словами, во второй операции высадки происходит калибрование высаженного конца трубы. Аналогичный эффект может быть получен в результате предварительного калибрования конца трубы перед высадкой, как это делают, например, на готовых обсадных трубах перед нарезкой резьбы ([1]), используя холодное дорнование на гидравлических прессах. Это позволяет обеспечить полное выполнение профиля резьбы без так называемых «черных ниток».The proposed implementation of the upsetting method can significantly reduce the size deviation of the internal transitional and cylindrical upsetting zones due to the deformation of the pipe end with a certain shrinkage length in the second operation using a matrix and punch of the same dimensions as in the first operation. In this mode of deformation, a more thorough metal filling of the annular cavity between the die and the punch occurs, as a result of which the profile of the inner surface of the upset end is leveled, that is, the deviations in the length of the inner zones along different longitudinal sections of the upset end of the pipe are reduced. In other words, in the second upsetting operation, the upset end of the pipe is calibrated. A similar effect can be obtained by pre-calibrating the end of the pipe before upsetting, as is done, for example, on finished casing pipes before threading ([1]) using cold mandrel press on hydraulic presses. This allows you to ensure complete execution of the thread profile without the so-called "black thread".

Выражение (1) отражает оптимальную величину усадки, обеспечивающую полное заполнение металлом кольцевой полости между матрицей и пуансоном и получено путем численного анализа величины смещенного объема металла при различной толщине стенки трубы. Выполнение второй операции с величиной усадки меньше указанной в зависимости (1) снижает эффект выравнивания длины внутренних зон высаженного конца, а выполнение с величиной больше указанной в (1) - ведет к перегрузке пресса и нарушению геометрии высаженного конца.Expression (1) reflects the optimal value of shrinkage, which ensures complete filling of the annular cavity between the matrix and the punch by metal and is obtained by numerically analyzing the magnitude of the displaced volume of the metal at various pipe wall thicknesses. Performing the second operation with a shrinkage value less than that specified in dependence (1) reduces the effect of aligning the length of the inner zones of the upset end, and performing with a value greater than that specified in (1) leads to overloading of the press and violation of the geometry of the upset end.

Следует отметить, что предлагаемое техническое решение связано с снижением производительности процесса высадки из-за увеличения числа операций, что компенсируется существенным улучшением геометрии высаженных концов труб, снижением количества некондиционной продукции и значительным увеличением коэффициента выхода годного в процессе высадки.It should be noted that the proposed technical solution is associated with a decrease in the productivity of the upsetting process due to an increase in the number of operations, which is offset by a significant improvement in the geometry of the upset pipe ends, a decrease in the number of substandard products and a significant increase in the yield coefficient during the upsetting process.

Предлагаемый способ высадки реализуют следующим образом. Партию труб, подлежащих высадке, размещают на загрузочном столе и производят измерение наружного диаметра и толщины стенки концов труб. Усредняя полученные значения, по зависимости (1) определяют величину усадки металла во второй операции высадки, а также уточняют длину участка нагрева трубы. Концевой участок трубы нагревают до установленной температуры горячей деформации и перемещают в предварительно подготовленный ручей первой (по ходу технологического цикла) матрицы. Затем перемещением пуансона заданного размера осуществляют первую операцию высадки конца трубы, после чего трубу перемешают в накопительный карман. Аналогично проводят первую операцию высадки для всех труб пакета. Далее пакет труб перемещают на загрузочный стол, после чего высаженный конец первой трубы повторно подогревают и, не меняя технологический инструмент (матрицу и пуансон), осуществляют вторую операцию высадки с деформацией, соответствующей величине усадки ΔL. После проведения второй операции высадки последовательно проводят все последующие операции технологического цикла на данной трубе и перемещают ее в накопительный карман. Аналогично проводят высадку на остальных трубах пакета, после чего перемещают пакет на загрузочный стол, предварительно произведя разворот пакета труб на 180 градусов относительно вертикальной оси, и повторяют описанный выше цикл высадки для неутолщенных концов труб.The proposed method of landing is implemented as follows. A batch of pipes to be upset, placed on the loading table and measure the outer diameter and wall thickness of the ends of the pipes. Averaging the obtained values, according to dependence (1), the metal shrinkage value is determined in the second upsetting operation, and the length of the pipe heating section is also specified. The end section of the pipe is heated to the set temperature of hot deformation and moved to a previously prepared stream of the first (during the technological cycle) matrix. Then, by moving the punch of a predetermined size, the first operation of disembarking the end of the pipe is carried out, after which the pipe is mixed into the storage pocket. Similarly carry out the first operation of the landing for all pipes of the package. Next, the tube package is moved to the loading table, after which the upset end of the first pipe is reheated and, without changing the technological tool (die and punch), a second upsetting operation is performed with a deformation corresponding to the shrinkage ΔL. After the second landing operation, all subsequent operations of the technological cycle are carried out sequentially on this pipe and moved to a storage pocket. Similarly, the planting is carried out on the remaining pipes of the package, after which the package is transferred to the loading table, after having previously turned the package of pipes 180 degrees relative to the vertical axis, and the above-described upsetting cycle for the non-thickened pipe ends is repeated.

Предлагаемый способ был опробован на прессе «SMS-MEER» ОАО «ТАГМЕТ» при высадке бурильных труб наружным диаметром 127 мм и толщиной стенки 9,19 мм группы прочности G с требованиями API Spec 5DP и дополнительным требованием к длине внутренней переходной зоны - не менее 100,0 мм.The proposed method was tested on the press "SMS-MEER" OJSC "TAGMET" with the landing of drill pipes with an outer diameter of 127 mm and a wall thickness of 9.19 mm strength group G with the requirements of API Spec 5DP and an additional requirement for the length of the inner transition zone is not less than 100 , 0 mm.

Трубы высаживали по двум технологическим схемам:Pipes were planted according to two technological schemes:

- по способу-прототипу [2] за три операции высадки;- by the prototype method [2] for three landing operations;

- по предлагаемому способу за четыре операции высадки.- according to the proposed method for four landing operations.

По каждому способу осуществляли высадку 25 труб (50 высаженных концов). На каждой трубе перед высадкой измеряли наружный диаметр и толщину стенки, а после высадки контролировали размеры диаметров высадки и длину зон высаженного конца. Расчетная длина усадки, определенная по зависимости (1), составила ΔL=27,4 мм.For each method, 25 pipes (50 upset ends) were dropped. On each pipe, the outside diameter and wall thickness were measured before upsetting, and after upsetting, the dimensions of the upsetting diameters and the length of the zones of the upset end were controlled. The estimated shrinkage length, determined by dependence (1), was ΔL = 27.4 mm.

По способу-прототипу [2] при высадке в три операции суммарное время изготовления 25 труб (50 высаженных концов) составило 2,7 часа, а по предлагаемому способу высадки - 3,6 часа, что закономерно отражало появление дополнительной операции. Анализ геометрии внутренней переходной зоны высадки показал, что при высадке по способу-прототипу [2] отклонения длины переходной зоны составили 87-119 мм, причем невыполнение требуемой длины переходной зоны зафиксировано на шести высаженных концах, принадлежащих четырем трубам. При высадке по предлагаемому способу отклонения длины переходной зоны составили 98-126 мм, причем невыполнение данного параметра выявлено только на одном высаженном конце.According to the prototype method [2], when landing in three operations, the total production time of 25 pipes (50 upset ends) was 2.7 hours, and according to the proposed method of landing - 3.6 hours, which naturally reflected the appearance of an additional operation. An analysis of the geometry of the inner transition zone of the landing showed that when landing according to the prototype method [2], deviations of the length of the transition zone were 87-119 mm, and the failure to fulfill the required length of the transition zone was recorded at six upset ends belonging to four pipes. When landing according to the proposed method, the deviations of the length of the transition zone amounted to 98-126 mm, and the failure of this parameter was detected only at one upset end.

Средняя масса одной трубы размерами 127×9,19×12500 мм (с учетом отклонений размеров наружного диаметра и толщины стенки) составляет 0,36 тонны. Таким образом, коэффициент выхода годного на этапе изготовления высаженных концов бурильных труб рассматриваемого сортамента составил:The average mass of one pipe with dimensions of 127 × 9.19 × 12500 mm (taking into account deviations of the outer diameter and wall thickness) is 0.36 tons. Thus, the yield coefficient at the stage of manufacturing the planted ends of the drill pipes of the assortment under consideration was:

- при использовании известного технического решения [2] - 0,84;- when using a known technical solution [2] - 0.84;

- при использовании предлагаемого технического решения - 0,96.- when using the proposed technical solution - 0.96.

Таким образом, предложенное техническое решение позволит при высадке бурильных труб с требованиями API Spec 5DP существенно повысить качество высаженных концов труб, увеличить коэффициент выхода годного примерно на 8-10% и получить ожидаемый экономический эффект 2,5-3 тыс. руб. на тонну готовой продукции.Thus, the proposed technical solution will allow for the landing of drill pipes with API Spec 5DP requirements to significantly improve the quality of upset pipe ends, increase the yield by about 8-10% and get the expected economic effect of 2.5-3 thousand rubles. per ton of finished products.

Claims (1)

Способ высадки концов труб, включающий последовательное осуществление циклов, состоящих из операции нагрева конца трубы и операции его высадки пуансоном в полости разъемной матрицы на высадочном прессе, отличающийся тем, что вторую операцию высадки конца трубы проводят с использованием матрицы и пуансона тех же размеров, что и на первой операции высадки, при этом упомянутую вторую операцию высадки осуществляют с величиной усадки, которую определяют из соотношения

,
где ΔS - величина отклонения толщины стенки трубы, D - номинальный наружный диаметр трубы, S - номинальная толщина стенки трубы. A method of upsetting pipe ends, including the sequential implementation of cycles consisting of the operation of heating the end of the pipe and the operation of its upsetting by the punch in the cavity of the detachable matrix on the upsetting press, characterized in that the second operation of upsetting the end of the pipe is carried out using a matrix and a punch of the same dimensions as in the first landing operation, wherein said second landing operation is carried out with the amount of shrinkage, which is determined from the ratio

,
where ΔS is the deviation of the pipe wall thickness, D is the nominal outer diameter of the pipe, S is the nominal thickness of the pipe wall.