Know-How系列 | 石油鉆機(jī)核心技術(shù)揭秘：埃馬克如何重塑管道與接箍的精密加工邏輯

鉆機(jī)通過深孔鉆探實(shí)現(xiàn)石油天然氣開采，但這套復(fù)雜系統(tǒng)究竟如何運(yùn)作？為何管道與接箍的螺紋連接質(zhì)量如此關(guān)鍵？埃馬克機(jī)床又如何賦能這些核心部件的制造？本文將逐一解析。

鉆機(jī)是用于地下深孔鉆探的復(fù)雜系統(tǒng)，核心部件為鉆桿 —— 由多段鋼管通過螺紋連接、螺栓固定而成。這些鋼管與螺紋接頭（接箍）需承受巨大的機(jī)械負(fù)荷，并確保絕對(duì)密封。下文將從鉆機(jī)與管道系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，聚焦管道與接頭的接箍工藝，重點(diǎn)介紹埃馬克集團(tuán)專為油田管材（OCTG）部件設(shè)計(jì)的 USC（管道加工）與 VSC（接箍加工）系列機(jī)床。

1. 井架是如何建造的？管道和接箍在其中起什么作用？

井架是矗立在鉆孔上方的高大鋼結(jié)構(gòu)，作為鉆探作業(yè)的中央提升導(dǎo)向裝置，其內(nèi)配備升降機(jī)（滑輪組）與高扭矩驅(qū)動(dòng)裝置（地面轉(zhuǎn)盤或井架內(nèi)的頂部驅(qū)動(dòng)裝置），用于旋轉(zhuǎn)鉆桿。鉆桿由多段獨(dú)立管體通過螺釘連接在一起，逐段延伸至目標(biāo)深度，形成一個(gè)越來越長的鉆桿串。

鉆桿下端的鉆頭負(fù)責(zé)破碎巖石，而管體連接依賴焊接工具接頭（鉆桿）或單獨(dú)的螺紋接頭（尤其是輸油管和套管）—— 螺紋接頭本質(zhì)是兩端帶內(nèi)螺紋的短厚壁管件，便于鉆探中拆裝管段。鉆探到達(dá)最終深度后，鉆孔需以大直徑套管內(nèi)襯，套管通過螺紋連接并用水泥固定；生產(chǎn)油管同樣依賴螺紋連接引導(dǎo)介質(zhì)上行。

這些螺紋連接堪稱鉆井作業(yè)的 “生命線”：既要承受鉆柱數(shù)百噸重量及旋轉(zhuǎn)彎曲載荷，又需抵御套管內(nèi)部壓力與腐蝕。一旦連接失效，輕則鉆柱脫落，重則引發(fā)井噴。因此，螺紋的配合精度與承載能力至關(guān)重要，而埃馬克 USC、VSC 系列車床正是通過對(duì)管道和接箍螺紋輪廓的精準(zhǔn)加工，為連接質(zhì)量提供保障。

運(yùn)行中的套管石油或天然氣生產(chǎn)井示意圖

2. 螺紋連接有哪些要求（API、GOST、Premium）？

鉆桿與接箍的螺紋連接需遵循嚴(yán)格的國際規(guī)范：美國石油學(xué)會(huì)（API）標(biāo)準(zhǔn)（如套管 / 油管螺紋的 API 5CT）與俄羅斯 GOST 標(biāo)準(zhǔn)為全球主流。

典型的 API 螺紋型式包括 API 圓螺紋（圓形螺紋，通常用于套管）和 API 偏梯螺紋（梯形螺紋，剪切強(qiáng)度高，通常用于套管）。歐亞地區(qū)的 GOST 規(guī)格也類似。此類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺紋幾何形狀、公差要求極為嚴(yán)苛 —— 螺距、牙型角、直徑與長度尺寸均需控制在極小公差內(nèi)，以確保部件兼容性與連接密封性。

此外，特殊口螺紋（Premium Thread）作為企業(yè)專用的氣密性螺紋，超越了 API 標(biāo)準(zhǔn)，具有優(yōu)化的外形、氣密性金屬對(duì)金屬密封、更高的扭矩傳遞以及改進(jìn)的密封和連接表面，適用于高壓、深孔、強(qiáng)腐蝕，以及需頻繁裝配和拆卸的場(chǎng)景。其輪廓形狀更復(fù)雜，制造精度要求更高。

用于 OCTG 應(yīng)用的接箍和管道

無論何種螺紋，均需滿足三大要求：高尺寸精度、表面無缺陷、質(zhì)量一致性。這意味著生產(chǎn)過程需要嚴(yán)格控制--從選材、熱處理到最終檢驗(yàn)。例如，材料質(zhì)量、抗拉強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度和螺紋形狀（輪廓、每英寸螺距、錐度）必須完全正確，并使用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試和量具進(jìn)行檢查。對(duì)于特殊口連接件來說，公差通常會(huì)更??；對(duì)于具有密封性的螺紋連接件來說，必須對(duì)螺紋側(cè)面進(jìn)行加工，必要時(shí)還必須對(duì)肩面進(jìn)行加工，使其在擰緊扭矩作用下具有金屬密封性（此外，還經(jīng)常使用密封環(huán)或特殊潤滑脂），這也對(duì)螺紋輪廓的加工精度提出了很高的要求。

埃馬克 VSC 與 USC 機(jī)床憑借高精度加工能力，可覆蓋 API、GOST 及各類特殊扣螺紋的生產(chǎn)需求。

3. 如何加工這些管道？

埃馬克 USC 系列專用車床專注管端加工（外螺紋、平面、倒角等），其核心優(yōu)勢(shì)源于三大設(shè)計(jì)：

極高的剛性結(jié)構(gòu)： 采用聚合物混凝土（MINERALIT®）底座，確保了高穩(wěn)定性與減震性，可有效吸收螺紋切削時(shí)的高載荷；所有重要組件（主軸箱、刀架、床身）也均采用堅(jiān)固設(shè)計(jì)，并大部分進(jìn)行液冷處理，確保熱穩(wěn)定性。

直接驅(qū)動(dòng)主軸：主軸電機(jī)集成于主軸單元，提供高功率（例如USC 21 的主軸功率為 120 千瓦）與高扭矩，即使加工大直徑管材，或是切割鋼材上16英寸螺紋也游刃有余；直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主軸高精度定位（對(duì)螺紋起刀與多刃刀片切削至關(guān)重要），并通過快速啟停優(yōu)化加工效率，這是傳統(tǒng)皮帶 / 齒輪驅(qū)動(dòng)主軸難以企及的。

雙卡盤系統(tǒng)：位于主軸前后部的兩個(gè)液壓卡盤（也可選擇氣動(dòng)或機(jī)械方式）同步夾緊管材并精確對(duì)中，可確保管材在加工過程中在整個(gè)長度上都得到穩(wěn)定的支撐。還可提供定心裝置：獨(dú)立的數(shù)控定心軸套 可安裝在管子的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，用于支撐管子，配合管道定位裝置和將內(nèi)塞插入管端的裝置，進(jìn)一步增強(qiáng)螺紋加工時(shí)的穩(wěn)定性。

EMAG USC 21 - 精密管端加工

USC 系列支持 2 軸、4軸和 6 軸的模塊化配置：

2 軸版：單刀塔順序加工，堅(jiān)固耐用，適用于標(biāo)準(zhǔn)螺紋中等批量生產(chǎn)；

4 軸版：上下雙刀塔同步作業(yè)，可同時(shí)加工管道一端的內(nèi)外輪廓，或同時(shí)粗精加工螺紋，大幅縮短特殊螺紋的加工周期；

6 軸版：上刀塔配備雙交叉滑塊（一側(cè)有兩個(gè)獨(dú)立的 X-Z 滑塊），實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工具同步加工一個(gè)管端的不同位置。加上下刀塔（2個(gè)軸），共計(jì)6個(gè)數(shù)控軸，則可同時(shí)使用三把刀具作業(yè)（如錐面車削、螺紋切削，與外倒角、平面和內(nèi)倒角，錐面車削和螺紋切削可在底部平行運(yùn)行），由此可大幅縮短每根管材的加工周期，提高產(chǎn)線效率與產(chǎn)量。

憑借靈活配置與精密加工能力，USC 機(jī)床可一站式完成 API、GOST 及復(fù)雜特殊扣螺紋的生產(chǎn)，并確保螺紋輪廓精度、牙型角與螺距符合嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)。

4. 如何加工螺紋接箍？

針對(duì)接箍這類帶內(nèi)螺紋的短連接件，埃馬克提供了多種機(jī)床加工方案，其中 VSC 系列立式車床尤為適用。接箍的直徑通常與管道相近，但長度更短，其兩端均需加工內(nèi)螺紋，且切削精度要求極高。加工時(shí)通常分兩次裝夾完成：首先對(duì)接箍前半部分進(jìn)行內(nèi)部車削粗加工，然后進(jìn)行螺紋切削，必要時(shí)還需車削密封面；完成半端加工后，在工作區(qū)域外將接箍旋轉(zhuǎn) 180°，再對(duì)另一端進(jìn)行相同工序。埃馬克可根據(jù)產(chǎn)能需求，提供單主軸或雙主軸機(jī)床配置。

VSC 450、VSC500 立式車床，是專用于接箍加工的兩款機(jī)型，它們的核心亮點(diǎn)是：

立式拾取主軸：主軸位于工件的垂直上方，兼具裝載功能，可直接從上方夾取毛坯件送入工作區(qū)，省去獨(dú)立的搬運(yùn)裝置，縮短裝夾時(shí)間并簡(jiǎn)化產(chǎn)線布局；六爪卡盤均勻分布夾緊力，避免相對(duì)薄壁但較短的套筒出現(xiàn)變形。

倒置刀塔布局：刀具位于工件下方，利用重力實(shí)現(xiàn)切屑自由下落，避免切屑堆積；導(dǎo)軌、測(cè)量系統(tǒng)、滾珠絲杠等關(guān)鍵部件安裝于工作區(qū)上方和外部，并設(shè)有防護(hù)，避免冷切液、切屑污染，提升機(jī)床耐用性；礦物鑄件底座保障高剛性和高阻尼，尤其適用于斷續(xù)切割。

切屑處理方案：針對(duì)螺紋車削最常遇到的切屑問題，如連續(xù)切削會(huì)出現(xiàn)的條狀切屑，又如加工小直徑接箍（60-90mm）螺紋時(shí)切屑卷曲成球狀易留在套筒內(nèi)，VSC 450、VSC500 可通過主軸夾頭高壓冷卻直接射入，將切屑從接箍內(nèi)徹底清除，確保螺紋內(nèi)無殘留。

EMAG VSC 500 - 立式接箍加工機(jī)床

高產(chǎn)能場(chǎng)景可選 VSC 500 DUO 雙主軸機(jī)型：兩個(gè)主軸獨(dú)立運(yùn)行，并行加工接箍兩端，產(chǎn)能近乎翻倍；拾取主軸的裝載和卸載也相互獨(dú)立。搭配多托盤穿梭機(jī)——毛坯件放在兩個(gè)托盤上，成品或半成品接箍放在另兩個(gè)托盤上，主軸在自動(dòng)拾取新毛坯件的同時(shí)，將加工好的部件放回，由此實(shí)現(xiàn)毛坯與成品的自動(dòng)上下料，確保連續(xù)生產(chǎn)。此外，即使只有一個(gè)主軸在生產(chǎn)（例如在另一個(gè)主軸更換刀具期間），系統(tǒng)也能繼續(xù)運(yùn)行。

其另一個(gè)技術(shù)亮點(diǎn)在于對(duì)鋸切不規(guī)整毛坯件的處理能力。實(shí)際交付的管段端面往往并非標(biāo)準(zhǔn)直角，而是存在一定傾斜（呈梯形偏差）。VSC 機(jī)床的托板采用彈簧式設(shè)計(jì)，當(dāng)抓取這類傾斜管段時(shí)，托板彈簧會(huì)通過彈性形變自動(dòng)補(bǔ)償端面傾斜，補(bǔ)償范圍可達(dá)直徑的 1.5% 左右。以直徑 200 毫米的管段為例，該設(shè)計(jì)可有效補(bǔ)償約 3 毫米的端面偏差。

5. 埃馬克管道和接箍集成制造解決方案的優(yōu)勢(shì)是什么？

埃馬克不僅是設(shè)備供應(yīng)商，更是整條生產(chǎn)線的系統(tǒng)解決方案提供者。這意味著從原材料到螺紋管 / 接箍成品的全流程，包括所有輔助工序，均可通過單一供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)專用管材及接箍生產(chǎn)的完整工藝鏈整合。這種一站式服務(wù)模式為客戶帶來顯著優(yōu)勢(shì)：

交鑰匙解決方案與單點(diǎn)對(duì)接：埃馬克提供全流程交鑰匙系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床設(shè)備、自動(dòng)化模塊與工藝步驟的深度協(xié)同。

單一合作方高效協(xié)調(diào)：客戶只需對(duì)接單一項(xiàng)目合作伙伴，大幅簡(jiǎn)化跨環(huán)節(jié)溝通流程。

全鏈路接口預(yù)優(yōu)化：埃馬克工程團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)階段已全面優(yōu)化管子進(jìn)給系統(tǒng)、車床、測(cè)量站、清潔系統(tǒng)等設(shè)備的接口兼容性，有效縮短調(diào)試周期并降低集成風(fēng)險(xiǎn)。

連續(xù)自動(dòng)化集成方案：埃馬克的集成解決方案涵蓋輸送系統(tǒng)（如用于管道的輥道輸送機(jī)、用于接箍的桁架或機(jī)器人）、裝載系統(tǒng)（取料機(jī)械手 / 穿梭托盤）以及中間存儲(chǔ)和出料系統(tǒng)，構(gòu)建起了無人化連續(xù)物料流。這一設(shè)計(jì)不僅降低人工成本、保障生產(chǎn)節(jié)拍一致性，更通過機(jī)床自帶拾取裝置與緊湊背靠背布局，大幅減少車間占地與產(chǎn)線互聯(lián)成本。

埃馬克接箍全自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)

總的來說，埃馬克 OCTG 部件集成制造解決方案為客戶實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)最小化與利益最大化的雙重價(jià)值：所有設(shè)備組件的協(xié)同運(yùn)作均通過制造商的嚴(yán)格測(cè)試，全系統(tǒng)的生產(chǎn)周期、質(zhì)量控制及功能保障均由單一合作方全程負(fù)責(zé)。高度自動(dòng)化作業(yè)不僅大幅降低人為誤差，更顯著提升工藝可靠性；高效的生產(chǎn)節(jié)拍與優(yōu)化的物料流轉(zhuǎn)，有效降低單位生產(chǎn)成本。而埃馬克設(shè)備卓越的加工精度，更確保成品管道與接箍在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中的穩(wěn)定運(yùn)行。