专利名称：一种外加厚油管的制造方法
技术领域：
本发明涉及油管的制造方法，特别涉及API标准外加厚油管的制造方法。
背景技术：
API标准中采用管端加厚的方法增加管端壁厚以提高螺纹连接部分的连接强度，形成了加厚油管系列产品，见API Spec 5CT表E.27和表C.27。传统的生产外加厚油管的方法有两种；一是两次加热，二次加厚成型；二是一次加热，二次加厚成型。
方法一的加厚工艺流程是采用中频感应加热装置或缝式炉，分几个工位将热轧无缝钢管管端加热到1050℃～1250℃；将管端加热好的管料送入模腔夹紧，接着冲头向前顶锻管料，使金属在模腔和冲头顶锻面形成的型腔中变形，达到一次外加厚的尺寸，此时，管端的外加厚长度比成品加厚长度长，而加厚处外径比成品加厚外径小；加厚的管端冷却后送到修磨机上把氧化铁皮及缺陷修磨掉；经过一次加厚的管料重新加热，送入二次变形模腔，依靠冲头的顶锻作用进行二次变形，随后修磨管端变形筋和表面缺陷及氧化铁皮，达到API标准外加厚油管的管端尺寸。这种加厚方法生产质量好，不易产生管端表面缺陷，但消耗能源多，生产周期长，生产成本高。
方法二的加厚工艺流程是采用加热装置将钢管管端经多工位加热至1050℃～1250℃，随后将管端加热好的管料送入一次变形模腔夹紧，冲头向前顶锻管料，管端在型腔中变形后达到一次外加厚的尺寸，此时，管端的外加厚长度比成品加厚长度长，而加厚处外径比成品加厚外径小；然后一次加厚的管料迅速送入二次变形模腔，依靠冲头的顶锻作用在二次变形模腔中继续变形，随后送到修磨机上修磨管端变形筋和表面缺陷及氧化铁皮，达到API标准外加厚油管的管端尺寸。这种加厚方法只需加热一次，能源消耗降低，生产成本下降，二次变形在一个周期内完成，生产效率明显提高；但二次加厚变形时的温度明显下降，金属流动性较差，容易产生表面缺陷，需要进行重新加厚返修，有时会出现加厚完成后，冲头被抱紧而无法退出；对于采用翻转冲头的加厚机，一次变形型腔和二次变形型腔的相对位置精度要求高，精度难以保持；而且模具种类繁多。
为了追求高效率，各个生产厂家一直在试验一次加热一次成型的生产工艺，但难以解决大变形比下的质量问题，例如，API标准2-3/8″规格，其管体公称外径为60.32mm，壁厚为4.83mm，API标准允许的最小管料壁厚为4.23mm，加厚端的最大外径是67.48mm，其加厚时的锻造变形比可达[(67.48-60.32)/2+4.83]/4.23＝2.08。表1列出了API标准中加厚油管常用规格的变形比，由表1可知，其变形比都大于1.8，这样大的金属锻造变形比，变形时系统容易失稳，金属流动比较困难，难以获得具有良好质量的加厚端。宝钢股份有限公司从德国引进油压加厚机时，M/D公司提供的资料上认为，工艺设计时加厚的锻造变形比应不大于1.5，即加厚变形后的壁厚除以原始壁厚不超过1.5，否则容易产生失稳现象，而且经常出现内表凹坑、鼓型，冲头也容易被抱紧而无法退出。到目前为止，还没有成熟的一次加热一次成型加厚方法随液压加厚机配套输出。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种外加厚油管的管端成型方法，既可以保证外加厚油管一次加热后一次加厚成型，又能获得稳定的管端加厚质量。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是，本发明的关键是控制锻造变形比，首先是控制管料的壁厚尺寸，避免壁厚在API标准公差的下极限上；其次是控制内成型工具——冲头的尺寸，要求参与变形的尺寸段上冲头的平均外径尺寸控制在管料公称内径的上偏差；最后是控制外成型工具成型尺寸在API最大加厚端外径，并适当考虑微小的修磨量；通过上述管料控制和成型工具的控制，在API标准范围内减少加厚端的壁厚，减少一次锻造变形比，为实现一次加热一次成型提供必要的尺寸条件。
同时，为了避免一次成型加厚过程出现过多的质量异常，本发明提出了适当范围的内冲头变形段的锥度，使冲头也参与金属的径向挤压，保证金属的流动性；如果过大，会造成冲头与管子内表摩擦力大，使冲头使用寿命大幅度减少；过小会造成金属流动不畅，造成内表凹坑缺陷。另外，本发明提出通过调节加热范围或者管端冷却以建立温度梯度，以适应一次成型时大变形比的金属塑性变形特点，即管端缩短部分的加热温度要高，以保证其变形过程中金属可塑性好；而加厚过渡带段开始后的温度要低，以确保相对较高的强度，减缓该部分的金属变形，以避免加厚后过渡带后面的内表出现金属内凸现象。
本发明的一种外加厚油管的制造方法，其包括如下步骤1)控制管料的壁厚尺寸，管料的原始壁厚(D-d)/2控制在-7.5％以上，D为管子公称外径，d为公称内径，比API标准-12.5％的要求高5％，通过提高原始壁厚来减少锻造变形比；2)控制内成型工具——冲头的尺寸，内冲头变形段的平均直径(d3+d2)/2控制在管子公称内径d的上偏差+0.15～+3mm；使得加厚时内径有所胀大，从而减少了加厚端的壁厚，达到降低锻造变形比的目的；3)控制加厚的外成型工具成型尺寸，外成型工具——外加厚模的内径D1控制在API标准最大加厚端外径D4MAX加上0～0.4mm修磨量之内，即D1≤D4MAX+(0～0.4mm)；以保证加厚管的连接强度，管端内径胀大量应确保加厚端的壁厚满足API标准要求，即壁厚偏差不得低于-12.5％；以减少管端加厚量，减少锻造变形比。
4)管坯加热，管端缩短部分加热温度1100～1250℃，以确保该部分金属的可塑性，使其容易变形流动到增厚部位，避免内表凹坑；加厚过渡带段开始后的温度比管端缩短部分低30～150℃；以减缓该部分的金属变形，避免加厚后过渡带后面的内表出现金属内凸现象；上述两者的温度差可以通过控制有效加热长度和/或调节端部冷却来实现。
5)变形加工，将管坯在成型工具内锻造变形。
进一步，所述的成型用内冲头变形段L为一圆锥体，其工程锥度T为1/300～1/50；其作用是促进金属的径向塑性变形，避免大变形比锻造加厚时的内表凹坑缺陷，同时可防止冲头与管子内表产生剧烈的摩擦。
目前国内外液压加厚机生产外加厚油管的方法普遍采用两次加热，二次加厚成型，生产节奏很慢，消耗能源多，生产成本高；也有厂家采用一次加热二次加厚成型工艺，但对设备精度要求很高，难以适合大批量稳定地生产；个别厂家也有采用一次加热一次成型的，其主要技术特点是管料尺寸参照API标准控制，模具设计按照管子的公称外径、壁厚尺寸进行设计，加厚过程中工艺控制时仅规定了加热温度和加热长度，没有明确的温度梯度控制。按此生产工艺，API油管壁厚锻造比均大于1.80，但加厚端的表面质量较差，加厚端的内表面易出现凹坑缺陷，合格率不是很高，一次合格率85％左右，需要后续修磨挽救或返工。
本发明的有益效果本发明缩小管料的尺寸公差，冲头的平均外径尺寸控制在管料公称内径的上偏差，同时限制外成型工具成型尺寸，从而有效地控制锻造变形比。同时根据管端不同部位的变形程度要求，建立了管端缩短部分加热温度要高而加厚过渡带段开始后的温度低的温度梯度，从而保证了大变形比情况的金属塑性变形的表面质量。按本发明技术生产，API油管壁厚锻造比均小于1.75，加厚表面质量达到标准要求，产品一次合格率可达到99％以上。
本发明生产的API加厚油管可实现一次加热一次加厚成型，其锻造变形比较小，加厚端质量好，合格率高，适合于大批量生产；其生产效率高，生产成本低；每个加厚端只加热一次，消耗的能源较少；一次成型中使用的润滑剂使用量明显降低，减少了生产现场的污染。
图1为本发明的加厚油管管端示意图；图2为本发明的加厚成型工具——内冲头局部示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
参见图1，图1为本发明加厚油管管端示意图，虚线部分为原始管端，其中D为管子公差外径，d为公称内径，D4为加厚端外径，LEU为加厚端长度，La为过渡带消失点到加厚管端的长度，LW为管端加厚后的缩短长度，LA为过渡带消失点到加厚前原始管端的长度，LA＝La+LW，LV为过渡带起点到原始管端的长度。图2为本发明加厚成型工具——内冲头局部示意图，其中L为加厚时参与成型的变形段，T为内冲头的锥度，d3为变形段的大径，d2为变形段的小径。
实施例①API标准加厚油管，规格为73.02mm×5.51mm，公称内径d为62mm，按照API标准，该规格的最小壁厚为4.82mm，其加厚端外径为78.59(0，+1.59)mm，加厚后如内径按公称内径而外径按最大外径80.18mm计算，则其最大锻造变形比可达1.88。采用本发明的设计，来料壁厚控制在-7.5％以上，即最小壁厚控制在5.10mm，内冲头变形段L的大径d3和小径d2的平均值为63mm，外加厚模的内径设计为API标准最大加厚端外径80.18加上0.4mm修磨量，即80.58mm，此时的锻造变形比只有1.72，有效地减少了锻造变形比；内冲头变形段锥度为1/150，可促进金属流动，有效抑制内表凹坑的产生；加厚时，通过控制有效加热长度、调节端部冷却等，使得缩短量部分的金属温度达到1100～1250℃，比加厚过渡带位置后的金属温度高30～150℃。上述设计的加厚油管生产合格率达到99％以上，可以满足大批量生产的要求；并且将上述管子按照API标准进行试验，其内压强度和连接强度均满足API标准性能要求。
②API标准加厚油管，规格为88.9mm×6.45mm，公称内径d为76mm，按照API标准，该规格的最小壁厚为5.64mm，其加厚端外径为95.25(0，+1.59)mm，加厚后如内径按公称内径而外径按最大外径96.84mm计算，则其最大锻造变形比可达1.85。采用本发明的设计，来料壁厚控制在-7.5％以上，即最小壁厚控制在5.97mm，内冲头变形段的大径和小径的平均值为76.2mm，外加厚模的内径设计为API标准最大加厚端外径96.84加上0.4mm修磨量，即97.2mm，此时的锻造变形比只有1.78，有效地减少了锻造变形比；内冲头变形段锥度为1/160，可促进金属流动，有效抑制内表凹坑的产生及“抱冲头”的闷车问题；加厚时，通过控制有效加热长度、调节端部冷却等，使得缩短量部分的金属温度达到1100～1250℃，比加厚过渡带位置后的金属温度高30～150℃。上述设计的加厚油管生产合格率达到99.5％以上，可以满足大批量生产的要求；并且将上述管子按照API标准进行试验，其内压强度和连接强度均满足API标准性能要求。
权利要求
1.一种外加厚油管的制造方法，其包括如下步骤1)控制管料的壁厚尺寸，管料的原始壁厚(D-d)/2控制在公称壁厚的-7.5％以上，D为管子公称外径，d为公称内径；2)控制内成型工具——冲头的尺寸，内冲头变形段的平均直径(d3+d2)/2控制在管子公称内径d的上偏差+0.15～+3mm；3)控制加厚的外成型工具成型尺寸，外成型工具——外加厚模的内径D1控制在API标准最大加厚端外径D4MAX加上0～0.4mm修磨量之内，即D1≤D4MAX+(0～0.4mm)；4)管坯加热，管端缩短部分加热温度1100～1250℃；加厚过渡带段开始后的温度比管端缩短部分低30～150℃；5)变形加工，将管坯在成型工具内锻造变形。
2.如权利要求1所述的外加厚油管的制造方法，其特征是，所述的成型用内冲头变形段L为一圆锥体，其工程锥度T为1/300～1/50。
全文摘要
一种外加厚油管的制造方法，其包括如下步骤1.控制管料的壁厚尺寸，管料的原始壁厚(D－d)/2控制在公称壁厚的－7.5％以上，D、d为公称外、内径；2.控制内成型工具—冲头的尺寸，内冲头变形段的平均直径(d
文档编号B21K21/00GK1872448SQ20051002630
公开日2006年12月6日 申请日期2005年5月30日 优先权日2005年5月30日
发明者张建伟, 丁维军, 伏和平 申请人:宝山钢铁股份有限公司