石油钻杆管端加厚成形数值模拟研究

摘要

钻杆是石油天然气行业进行油气资源勘探、开发的重要工具。钻杆由于工作在拉、弯、扭等交变应力及高腐蚀性的条件下,工程中对钻杆的强度、韧性、抗腐蚀性及疲劳特性提出很高的要求。钻杆内加厚过渡区长度Miu及过渡圆角半径R在很大程度上决定着钻杆产品的使用寿命。本文以有限元技术为工具,以提高钻杆内加厚过渡处长度Miu、过渡圆弧半径R大小以及改善内加厚过渡部位成形质量为研究目标,针对规格为φ114.3×10.92 mm石油钻杆管端内外加厚展开工作。
　　 首先,采用刚粘塑性本构模型及热力耦合有限元法,对钻杆管端加厚建立有限元模型,并对钻杆管端加厚进行了“过程模拟”,重点揭示出模具形状、温度等典型工艺参数对钻杆加厚成形,尤其是钻杆内加厚过渡处成形的影响规律,为钻杆工艺设计提供依据。
　　 经研究表明,模具过渡段长度6对钻杆成形质量有着重要的影响,b值过大模具阻力不易形成,b值过小则钻杆内加厚过渡处较陡,从而削弱钻杆使用性能,b控制在30～50 mm较为合适。
　　 第二、第三工序下管坯完全加热段应分别后移50 mm,相应地,温度过渡段亦分别后移,这一研究结论有效地避免了钻杆内加厚消失处出现褶皱等缺陷;管坯首次完全加热长度控制在600～650 mm。
　　 依据相似原理及常温塑性模拟准则,选用陶土塑泥为模拟材料,对钻杆管端加厚进行物理模拟实验。结果显示,物理模拟环境下成形结果与数值模拟结果一致。
　　 本文所述工艺方案,确保了钻杆内加厚过渡处连续、光滑,且Miu可达200mm左右,大大提升了钻杆的使用性能。利用有限元技术对钻杆管端加厚成形进行研究,有效地揭示了管端加厚过程中金属流动规律,这一工作对钻杆加厚模具的设计、成形工艺参数的制定、钻杆性能的改善及高端产品的开发都具有工程意义和实用价值。