高效节能连续油管关键制造技术研究

【摘要】： 随着我国侧钻井和小井眼钻井需求的不断增加,连续油管作业技术在我国水平井钻井、修井及完井作业中将会发挥巨大作用。而国内在连续油管和作业车制造技术方面均属空白,一直依赖于进口。连续油管制造技术的研究及其产品研发成为当务之急,是替代进口产品,满足我国石油市场开发迫切需要的重要举措,具有重要的战略与经济意义。 本文总结了国外连续油管的制造工艺并提出了一种新的集数十种工艺过程于体的高效节能连续油管制造工艺技术,而冷弯成形和张力减径是该生产技术中的关键技术。 在此生产技术中,带钢逐渐成形为“U”形管,经过焊接,减径最终形成连续油管。成形工艺参数设计的好坏会直接影响到成品管的质量,而该设计任务繁重,是一项经验性很强的工作。成形工艺参数的设计与过程分析是密不可分的,通过成形过程的分析可以确定材料变形情况和应力应变分布规律,对指导成形机组轧辊和工艺参数的设计具有理论和工程意义。 冷弯成形孔型设计及机架布置直接决定着带钢逐渐的弯曲变形过程中是否均匀变形并不产生缺陷。本文针对冷弯成形机组,采用双半径弯曲法设计了轧辊数量、外形尺寸以及机架间距等安装位置尺寸,给定焊管成形所必须的初始条件、边界条件和接触条件等,采用弹塑性有限元方法对冷弯焊管成形过程进行了分析。通过对带钢冷弯成形过程的模拟计算,可直观看见材料顺利通过了所有机架并从带状变成“U”形,而且边缘没有出现“鼓包”、“边浪”等缺陷,并进一步分析了成形过程中材料的变形规律及等效应力应变等参数的分布,为焊管成形工艺的设计提供理论依据。 张力减径机组孔型参数和轧辊转速是决定机架间钢管变形量和张力的重要因素,决定着管坯的变形过程和最终质量。本文针对张力减径机组,设计了椭圆孔型及机架间距等参数,分配了各机架减径率,得到其张力系数和轧辊转速,给定轧辊和材料间摩擦系数和热接触条件,建立了张力减径热力耦合模型,对材料成形过程进行了有限元模拟。通过对管坯变形过程的分析,得到了管坯的成形规律、温度变化及应力应变分布。同时建立了九组不同壁厚的荒管来成形同一规格的成品管,通过对周向壁厚的分析,总结了了形成壁厚不均及内多边形缺陷形成的原因,为管坯张力减径工艺参数设计和避免内多边形缺陷提供了理论依据。 【关键词】：连续油管 冷弯成形 有限元 张力减径 热力耦合
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TG332
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 绪论13-27
• 1.1 课题的研究背景及问题的提出13-14
• 1.2 连续油管的制造工艺及理论基础14-15
• 1.3 冷弯成形过程概述15-22
• 1.3.1 冷弯成形介绍15-17
• 1.3.2 带钢成形变形过程17
• 1.3.3 成形底线17-18
• 1.3.4 轧辊孔型设计方法概述18-21
• 1.3.5 冷弯成形有限元分析研究现状21-22
• 1.4 张力减径概述22-25
• 1.4.1 张力减径时管段增厚问题22-23
• 1.4.2 张力减径的横向壁厚不均研究23-24
• 1.4.3 张力减径有限元分析研究现状24-25
• 1.5 本文的主要研究内容和意义25-27
• 第二章 冷弯成形工艺参数设计27-39
• 2.1 引言27
• 2.2 基本工艺参数的确定27-29
• 2.2.1 变形区长度27-28
• 2.2.2 成形机架的间距和数量28
• 2.2.3 成形辊轴径和底径28-29
• 2.2.4 成形底线29
• 2.3 轧辊孔型设计29-36
• 2.3.1 边缘弯曲法孔型设计29-30
• 2.3.2 圆周弯曲法孔型设计30-34
• 2.3.3 双半径弯曲法孔型设计34-36
• 2.4 基于Visual C++的轧辊孔型CAD设计36-38
• 2.4.1 边缘弯曲法孔型CAD设计36-37
• 2.4.2 圆周弯曲法孔型CAD设计37
• 2.4.3 双半径弯曲法孔型CAD设计37-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 冷弯成形过程的数值模拟39-53
• 3.1 引言39
• 3.2 有限元法概述39-40
• 3.3 MSC.Marc有限元仿真软件概述40-42
• 3.4 冷弯成形有限元模型建立及参数设定42-47
• 3.4.1 机架及钢管模型的建立42-43
• 3.4.2 材料定义及工艺参数设定43-45
• 3.4.3 边界条件的确定45
• 3.4.4 接触条件的定义45-46
• 3.4.5 载荷工况设置46-47
• 3.5 有限元计算结果及分析47-51
• 3.5.1 管坯变形情况分析47-49
• 3.5.2 带钢应变场分析49-50
• 3.5.3 带钢应力场分析50-51
• 3.6 本章小结51-53
• 第四章 张力减径机组参数的设计53-67
• 4.1 引言53
• 4.2 张力减径机组的基本工艺参数的设定53-58
• 4.2.1 轧辊理想直径与机架间距的确定53
• 4.2.2 张力减径机的进出口速度53
• 4.2.3 各机架进出口钢管直径的确定53-55
• 4.2.4 张力分布的计算55-57
• 4.2.5 各机架钢管壁厚的确定57-58
• 4.3 轧辊转速计算及修正58-61
• 4.3.1 轧辊转速计算58-60
• 4.3.2 张力升起机架和张力降落机架的轧辊转速修正60-61
• 4.4 张力减径机孔型设计61-64
• 4.4.1 张力减径机孔型构成61-62
• 4.4.2 确定机架数目62
• 4.4.3 计算各孔型平均直径62-63
• 4.4.4 孔型的椭圆度系数及覆盖系数63-64
• 4.4.5 计算各机架长半轴和短半轴64
• 4.5 张力减径机组设计64-65
• 4.6 本章小结65-67
• 第五章 张力减径的有限元分析67-77
• 5.1 引言67
• 5.2 张力减径有限元模型的建立67-70
• 5.2.1 机架及钢管模型的建立67-68
• 5.2.2 材料定义及工艺参数设定68
• 5.2.3 边界条件的确定68-69
• 5.2.4 接触条件的定义69
• 5.2.5 初始条件的设置69
• 5.2.6 载荷工况设置69-70
• 5.3 张力减径有限元分析70-74
• 5.3.1 应力应变和温度分析70-71
• 5.3.2 成品钢管的周向壁厚分析71-73
• 5.3.3 荒管壁厚和张力系数对钢管内多边形程度的影响规律73-74
• 5.4 本章小结74-77
• 第六章 结论与展望77-81
• 6.1 结论77-78
• 6.2 展望78-81
• 参考文献81-85
• 致谢85-86
• 学位论文评阅及答辩情况表86

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