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    石油鉆桿的摩擦焊接和焊縫熱處理工藝研究

    作者:漢中雙戟公司 添加時間:2014-01-08 09:56 來源:轉載于寶鋼技術
    摘要:根據油田的使用經驗,鉆桿的失效主要體現在焊縫及內加厚過渡帶兩個部位。在提高焊縫的安全性方面,目前國內外各大鉆桿生產廠主要是通過摩擦焊接方法及適當的焊縫熱處理工藝來提高焊縫的安全系數。根據石油鉆桿摩擦焊接及焊縫處理技術發展狀況,結合API標準對石油鉆桿焊縫力學性能的基本要求,對照中國石油天然氣的行業標準,對寶鋼生產的石油鉆桿進行了部分焊縫力學性能統計,分析了寶鋼石油鉆桿的質量保證能力。為提高焊縫的安全系數,提出石油鉆桿的摩擦焊接及焊縫熱處理工藝的實現方法,并重點指出摩擦焊接與焊縫熱處理工藝實現中應注意的問題。

    關鍵詞:石油鉆桿、摩擦焊接、熱處理

    1、前言

        在油井管產品中,鉆桿由于要直接承受打井作業過程中復雜的彎扭組合載荷,其油田服役的安全性顯得至關重要。根據油田的使用經驗,鉆桿的失效主要體現在焊縫及內加厚過渡帶兩個部位。在提高焊縫的安全性方面,目前國內外各大鉆桿生產廠家主要是通過摩擦焊接方法及適當的焊縫熱處理工藝來提高焊縫的安全系數,當然,摩擦焊接工藝的可靠性是至關重要的。鉆桿的生產流程如圖1示。
    2、鉆桿摩擦焊接及焊縫熱處理技術發展現狀

        石油鉆桿工具接頭與管體之間的對焊從早期的電弧焊、閃光對焊逐步發展到當今的連續驅動摩擦焊接及慣性摩擦焊接,鉆桿對焊的生產效率越來越高,焊縫的質量卻是越來越好。目前,慣性摩擦焊接方法是最流行,也是最可靠的鉆桿對焊方法。與其他焊接方法相比,慣性摩擦焊接方法有如下優點:

        2.1慣性摩擦焊接方法焊接速度快,焊接熱影響區窄,晶粒不容易長大,而普通弧焊方式則容易產生寬大的熱影響區及晶粒長大現象。
        2.2慣性摩擦焊接方法基本上不會產生焊接灰斑,而閃光對焊方法卻較容易產生焊接灰斑而嚴重影響焊縫質量。
        2.3慣性摩擦焊接過程中由于基本上不用剎車,因此這種方法要比連續驅動摩擦焊接方法更節約能量。
        2.4與連續驅動摩擦焊接方法相比,慣性摩擦焊接方法的焊接時間大約是前者的一半,生產效率可以大大提高。

        另外,為了提高焊縫的強韌性,鉆桿對焊焊縫的熱處理工藝也逐步由焊后回火工藝向焊后焊縫的調質工藝發展。這種焊后熱處理方法顯著增加了焊縫的抗疲勞斷裂能力。

    3、API標準對鉆桿焊縫力學性能的基本要求

        1997年12月的API SPEC 7的新版標準中,首次將鉆桿對焊焊縫的工藝及性能要求明確地列入了標準中。其基本要求如下:

        3.1焊縫必須要進行奧氏體化處理,而且其回火溫度不可以低于593oC。
        3.2為了保證焊接質量,對焊縫還必須進行100%的磁粉檢驗及超聲波檢驗。
        3.3鉆桿對焊必須按批進行,對于每批(不超過400根)焊后的鉆桿抽取1根進行力學性能解剖實驗。
        3.4做拉伸實驗,要求焊區的截面強度(焊縫屈服強度*焊區截面積)大于鉆桿管體的截面強度(管體屈服強度*管體不加厚部位的截面積)。
        3.5焊縫的常溫(21oC)沖擊要求:a、每個接頭取3個沖擊樣;b、3個試樣的沖擊平均值不小于16.3J;c、3個試樣的最小沖擊值不小于13.6J。
        3.6整個焊縫熱處理的熱影響區范圍內,任何一點的硬度值不能大于HRC 37(約347 HV/341 HB)。

    4、鉆桿的摩擦焊接工藝

    4.1工具接頭及管端的焊前預處理

    4.1.1工具接頭的預處理

        為了保證焊縫的純凈,工具接頭必須經過預處理后,才可以與預處理后的管體進行配焊。預處理的內容包括:a、用平面砂輪對將要進行配焊的接頭端面進行打磨,其目的是為了去除接頭端面上的銹跡及其它污染物;b、為了滿足API標準的要求,必須在工具接頭公螺紋的根部進行壓印,注明焊接的年份、月份、鋼級及生產廠家的名稱。

    4.1.2管體的預處理

         對于經過加厚及整體調質處理的鉆桿管體的管端必須進行管端加工,使得端面的尺寸達到配焊規定的尺寸。其預處理的內容包括:a、車削加厚端的外表面,使其接近工具接頭焊接處的外徑;b、對端面進行加工,去除端面的氧化鐵皮,確保對焊表面干凈。c、對鉆桿的端頭要鏜內孔,使其達到配焊的尺寸。

    4.2摩擦焊接基本過程

        以寶鋼的慣性摩擦焊機為例,由液壓夾具將管體緊緊地夾持在焊接小車上,工具接頭由卡套緊緊地夾持在主軸的中心,由電機帶動主軸高速旋轉,當主軸的轉速達到設定值時,電磁離合器動作,將電機與主軸脫開。之后,焊接小車在液壓的驅動下,帶動管體向工具接頭移動并通過焊機液壓系統產生的頂鍛壓力將管體的端面緊緊地壓在工具接頭的端面上,從而產生大量的摩擦熱,此熱量使得焊接面上的金屬迅速升溫并塑性化,然后在頂鍛壓力的作用下被擠出焊接面,形成為內、外毛刺。當焊機主軸中貯存的能量消耗完后,主軸停止轉動,延時保壓后焊接過程結束。

        此臺焊機除了具有焊接功能外,還具有粗去毛刺的功能,即焊接過程結束后,乘著焊縫內毛刺還未冷卻而用焊機上的沖頭將紅熱的內毛刺基本沖除。之后,管身夾具松開,主軸啟動并帶動已焊好的鉆桿旋轉,利用外毛刺車削刀具將外毛刺基本去除。

    4.3 焊接過程中需控制的輸入、輸出參數

        輸入參數有:焊接起始轉速(輸入), 主軸飛輪配重(輸入), 頂鍛壓力(輸入)。
        輸出參數有:焊接縮短量(輸出)。

        其中,焊接縮短量的控制最為關鍵,因為焊接縮短量是三個輸入參數綜合結果的體現。

    4.4摩擦焊接參數的計算

    4.4.1頂鍛壓力的計算
    P1=Po*(D2-d2)/(2*(D12-d12))
         注:P1:頂鍛壓力(Kg/cm2);Po:需要施加在焊接端面上的壓力(Kg/cm2);D:管端外徑(mm); d:管端內徑(mm);D1:油缸活塞直徑(mm);d1: 油缸活塞桿直徑(mm)。

        頂鍛油缸的示意圖如下圖2示(寶鋼摩擦焊機上實際配備了2個一樣的油缸):
    4.4.2焊機配重的計算
    M1=Go*3.14*(D2-d2)/(2*3600*w2)-Mo
        注:M1:焊機配重(Kg*m2);Mo:主軸轉動慣量(Kg*m2);Go:焊接端面單位面積上所需要的能量(J/mm2);D: 管端外徑(mm);  d:管端內徑(mm);w:主軸起始轉速(轉/分)。

    4.4.3主軸起始轉速的確定

        對于沒有生產過的新產品,首先要做焊機的焊接參數計算工作。根據寶鋼鉆桿生產線摩擦焊機的特性,主軸起始轉速應選在1000轉/分左右比較適宜。這樣的轉速既能夠保證摩擦焊接質量的可靠性,也可以適當減輕主軸軸承的負擔(轉速越高,主軸軸承越容易損壞)。

    4.5鉆桿焊接工藝要點

    4.5.1盡可能采用大壓力、大慣量的硬焊接規范,這樣既可以縮短焊接的時間,又窄化了焊區,為后道焊縫的調質處理奠定了較好的組織基礎。
    4.5.2焊接前對管端及工具接頭的端面進行了充分的預處理,充分確保焊縫的純凈。
    4.5.3焊機的參數監控系統很重要,它使得焊接縮短量的檢測更加準確,并判斷其是否達到了設定的標準。如果未能達到,系統則產生報警信號。通過這種方法可以大大提高焊縫焊合的可靠性。
    4.5.4對焊接過程應進行全面的監視,由計算機系統實時記錄下焊接過程的主軸轉速—時間曲線、頂鍛壓力—時間曲線及焊接縮短量—時間曲線,并將這些數據保存在計算機硬盤上,隨時備查詢。

    5、鉆桿焊縫熱處理

        根據API SPEC 7標準的要求,石油鉆桿在摩擦焊接工藝后必須對焊縫進行調質處理,即“淬火+高溫回火”的處理。目前,寶鋼鉆桿都是采用油淬材質,如G105鉆桿的材質34CrMo4,S135的材質是36CrNiMo4,這些材質的淬透性能都相當好。因此,在鉆桿焊縫的熱處理的冷卻環節,即使僅僅采用高壓空氣吹冷,就可以在焊縫處產生90%以上的馬氏體組織,并在隨后的高溫回火過程中轉化為綜合機械性能良好的回火索氏體組織。

    5.1鉆桿焊縫的奧氏體化

        鉆桿焊縫的奧氏體化是焊縫熱處理的第1個重要過程,也是能耗最大的過程。通常考慮采用中頻感應加熱的方式進行鉆桿焊縫的奧氏體化。因為中頻感應加熱方式不僅加熱速度快,而且焊縫熱影響區窄,一般情況下不會超過70mm,這樣,便于后道高溫回火工序對奧氏體化區域的覆蓋。

    5.2焊縫淬火

        鉆桿焊縫的淬火既可以采用水冷也可以采用高壓空氣冷卻。水冷卻的優點是淬透性好、噪聲小,但是生產場地的環境難以控制;高壓空氣冷卻的優點是生產場地環境整潔,但是淬透性較水冷卻要差,而且噪聲大。淬火環節究竟是采用水冷卻還是高壓空氣冷卻主要取決于鉆桿的用材。若鉆桿的材質本身是水淬材質,則應當采用水淬方式進行焊縫冷卻;若鉆桿的材質本身是油淬材質,則應當采用高壓空氣冷卻方式進行焊縫冷卻比較適宜,以防冷卻速度過快而產生淬火裂紋。寶鋼鉆桿采用的是油淬材質,因此,寶鋼鉆桿的生產線采用的是高壓空氣吹冷方式。

    5.3鉆桿焊縫的高溫回火

        鉆桿焊縫淬火后,硬度很高,內應力也很大,必須進行及時的高溫回火。通常情況下,高溫回火的加熱方式也是中頻感應加熱。一般情況下,中頻電源的頻率在1000~2000Hz比較適宜。頻率過高,會產生“積膚”效應,導致焊縫處內、外壁溫度不均勻;頻率過低將使得中頻加熱的效率降低。鉆桿焊縫高溫回火環節中要注意的主要問題有:

    (1)根據不同的鉆桿材質,回火溫度要適當。回火溫度過高,將產生過回火現象(回火索氏體被分解);回火溫度過低,造成焊縫回火不充分,導致焊縫截面硬度超API標準的上限(347HV)。
    (2)回火溫度的測量和控制都非常重要。溫度的測量最好是采用紅外測溫儀,回火過程溫度的控制最好采用計算機閉環控制并保存好所有的生產檔案以備隨時追溯。
    (3)回火必須要有足夠的寬度,否則,將造成奧氏體化區域不能被完全覆蓋,有可能產生鉆桿的早期斷裂失效。

    6寶鋼石油鉆桿焊縫力學性能統計分析

    6.1焊縫力學性能統計

        對寶鋼2003年生產的西127mm×9.19mms135鉆桿,樣本容量為31的焊縫力學性能指標進行了統計分析。統計分析結果見表1。
        注:(1)按照我國Il油滅然氣行、l 標準SY/T 64O7—1999:2的要求,s135鉆桿的焊縫屈服強度下限為724MPa,焊縫縱向沖擊功的下限為24J;(2) 為過程能指數,最少戊大于1.0,最好能大于1.3,CK=(均值~工豈 限)/(3×標準 差) 。

    6.2統計結果分析

    (1)寶鋼S135石油鉆桿焊縫的縱向沖擊功非常高,過程能力指數已超過3.0。這說明寶鋼鉆桿的焊縫沖擊韌性指標的保證能力很強,幾乎不可能產生不合格情況。
    (2)沖擊韌性指標的方差很小,說明 鋼鉆桿焊縫沖擊韌性的波動小,穩定性好,有利于保證質量。
    (3)在保證很高焊縫沖擊韌性的前提下,s135石油鉆桿的焊縫屈服強度的過程能力指數達到1.3以上,這說明該鋼級鉆桿焊縫屈服強度指標的保證能力很強。

    7結論

    (1)焊接前,對焊接端面進行充分的預處理,可以有效確保焊縫的純凈。
    (2)對于慣性摩擦焊機而言,采用大壓力、大慣量的硬焊接規范,可以優化焊后組織。
    (3)利用監測裝置記錄摩擦焊接的過程曲線,使得鉆桿的焊接工藝可追溯性大大增強。
    (4)采用大功率中頻加熱,短時間保溫的奧氏體化工藝,既可以窄化焊縫熱處理熱影響區的寬度,又能夠有效防止晶粒長大。
    (5)寶鋼S135石油鉆桿焊縫的沖擊韌性非常高,而且波動小,穩定性好,過程能力指數達到3.0以上。
    (6)在保證很高焊縫沖擊韌性的前提下,寶鋼S135石油鉆桿焊縫屈服強度的穩定性也很好。
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