輪式通井機(jī)井架焊接殘余變形的控制

張志峰 李亞洲 韓院院 孫紅麗

[摘要]輪式通井機(jī)井架由于結(jié)構(gòu)特殊，焊后易產(chǎn)生殘余變形，影響產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)對(duì)通井機(jī)井架變形原因的分析，采取合理的裝配焊接順序，選擇正確焊接方向等控制焊接變形的措施，保證了井架焊接質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]通井機(jī)井架 焊接變形 CO2氣體保護(hù)焊

輪式通井機(jī)是我公司自主研制開發(fā)的一種石油修井、鉆井作業(yè)設(shè)備，由于其靈活、方便、移動(dòng)性強(qiáng)，在油田的修井和鉆井作業(yè)中被廣泛應(yīng)用。其中井架是輪式通井機(jī)的重要組成部件之一，在作業(yè)過(guò)程中是重要的承載部件。因其重要作用，故對(duì)井架框架尺寸和焊接質(zhì)量的控制是非常嚴(yán)格的，其中對(duì)井架的焊后變形量要求，也特別的嚴(yán)格。在控制變形的技術(shù)上，現(xiàn)在已經(jīng)有了很多種方法，可以在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)上優(yōu)化控制變形，也可以改變裝配順序控制變形，也可以采用鉚工矯正的多種方法控制變形。在這里，主要通過(guò)改變焊接順序、方向等工藝措施控制輪式通井機(jī)井架的變形量。

一、井架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

輪式通井機(jī)井架材料主要有16Mn，結(jié)構(gòu)用冷彎矩形空心型鋼，規(guī)格為矩形管D—2—100×70×6和D—2—76×38×4，還使用了熱軋扁鋼和熱軋等邊角鋼。其整體分為上體和下體，上體長(zhǎng)度是9m，下體長(zhǎng)度是9m，結(jié)構(gòu)上下體均采用槽形結(jié)構(gòu)。下體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

井架上體要求能夠順利地從下體中抽出，并且保證在生產(chǎn)中，能承受500KN的拉力。在制造時(shí)，井架橫梁總長(zhǎng)18m，要求焊后變形量必須控制在20mm范圍之內(nèi)，既要保證井架有足夠的強(qiáng)度，又要控制它的焊接變形，這就成為焊接生產(chǎn)中的難題。

二、產(chǎn)生焊接變形原因

在井架的焊接過(guò)程中，由于經(jīng)驗(yàn)不足，焊接順序，焊接方法不正確，致使下體前端橫截面橫向小于與50mm，上體無(wú)法插入下體，造成必須重新割開焊縫，重新焊接。造成了人力、物力的浪費(fèi)，提高了成本，降低了焊件的使用性能。經(jīng)分析，造成此次事故的原因一是由于采取的焊接順序和焊接方法不正確，二是在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了井架的強(qiáng)度，而沒有充分考慮了焊接變形問(wèn)題。施工時(shí)，焊接順序是從一端向另一端“直通”焊接，井架內(nèi)側(cè)焊縫的焊接方向不一致，造成嚴(yán)重的焊接變形。井架的內(nèi)側(cè)角焊縫選用的焊腳尺寸較大，焊腳高8mm，且全是連續(xù)焊縫，產(chǎn)生焊接應(yīng)力很大，加之焊縫分布不均勻，致使端面橫向收縮嚴(yán)重，產(chǎn)生較大的焊接殘余變形。

三、控制變形的措施

（一）選擇合適的焊接方法

由于CO2氣體保護(hù)具有焊熱量集中，熱影響區(qū)范圍較小，焊后產(chǎn)生的殘余變形小，生產(chǎn)效率高，焊縫質(zhì)量好等特點(diǎn)，為了減少焊接變形，施工中采用CO2氣體保。

（二）利用工裝減小整體變形

為了保證整體變形量的最小化，采取制作井架工裝的方法，達(dá)到保證質(zhì)量、提高效率。工裝模型依據(jù)井架結(jié)構(gòu)制作而成，根據(jù)上下體尺寸不同的特點(diǎn)，制作兩套工裝。下體工裝為方框結(jié)構(gòu)，保證工裝內(nèi)側(cè)尺寸與下體外側(cè)尺寸相吻合。將各部件單元分別放置到工裝的各個(gè)位置，用頂絲把尺寸控制，再加裝反變形工藝，點(diǎn)焊斜拉筋，控制開口橫向尺寸在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。再將各部件定位焊，定位焊縫（10～15mm）對(duì)稱點(diǎn)固定。每處均采用這樣的工裝辦法達(dá)到減小變形。

（三）選用正確的焊接順序

焊接順序?qū)附幼冃斡泻艽蟮挠绊?，同樣一道焊縫可以從一端向另一端進(jìn)行“直通”焊接，也可以從中間向兩頭或從兩頭向中間焊接，不同的焊接方法，會(huì)引起不同的變形。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，井架的立管與橫管的焊接，每根立管與橫管形成一個(gè)“T”形結(jié)構(gòu)。焊接時(shí)，原先采用取同一個(gè)方向的“直通”焊接，而不注意斜拉筋的使用，致使兩側(cè)立管上端間距明顯收縮，造成內(nèi)收變形。改進(jìn)后，首先焊接斜拉筋，以及立管上端面橫向拉筋，再采用相同的焊接參數(shù)焊接立管與橫管每條焊縫，使內(nèi)收變形就得到克服。由于井架每處焊縫均有對(duì)稱焊縫的特點(diǎn)，故采用對(duì)稱焊法，并使焊縫的焊接方向一致可以防止扭曲變形。

（四）選用合適的焊接參數(shù)

目前我公司已經(jīng)普及使用先進(jìn)的焊接設(shè)備CO2氣體保護(hù)焊，配合合理的焊接參數(shù)，可有效的控制變形及提高焊接質(zhì)量。

1.焊接電流

焊接電流是重要工藝參數(shù)之一，根據(jù)工件厚度、材質(zhì)、焊絲直徑、施焊位置及要求的熔滴過(guò)度形式來(lái)選擇焊接電流的大小。每種直徑的焊絲都有一個(gè)合適的電流范圍，只有在這個(gè)范圍內(nèi)焊接過(guò)程才能穩(wěn)定進(jìn)行。焊絲φ1.2mm使用電流范圍在150A～180A內(nèi)。應(yīng)注意，焊接電流過(guò)大時(shí)，容易引起燒穿、產(chǎn)生裂紋等缺陷，且工件的變形大，焊接過(guò)程中飛濺很大；但焊接電流過(guò)小時(shí)，容易產(chǎn)生未焊透、未熔合和夾渣等缺陷以及焊縫成形不良。

2.電弧電壓

電弧電壓也是重要工藝參數(shù)之一，為保證焊縫成形良好，電弧電壓必須與焊接電流配合適當(dāng)。通常焊接電流小時(shí)，電弧電壓較低；焊接電流大時(shí)，電弧電壓較高。隨著焊接電流的增大，合適的電弧電壓也增大。但也要注意，電弧電壓過(guò)高或過(guò)低對(duì)焊縫成形、飛濺、氣孔及電弧的穩(wěn)定性都有不利的影響。

3.焊接速度

焊接速度同樣是重要參數(shù)之一。焊接時(shí)，電弧將熔化金屬吹開，在電弧下形成凹坑，隨后將熔化的焊絲金屬填充進(jìn)去，如果焊接速度太快，這個(gè)凹坑不能完全被填滿，將產(chǎn)生咬邊、凹陷或弧坑裂紋等缺陷；相反，若焊接速度過(guò)慢，熔敷金屬堆積在電弧下方，使熔深減小，將產(chǎn)生焊道不勻，未熔合，未焊透等缺陷。一般速度控制在30m/h～40m/h內(nèi)。

4.焊絲伸出長(zhǎng)度

保持焊絲伸出長(zhǎng)度不變，是保證焊接過(guò)程穩(wěn)定的基本條件之一。因?yàn)镃O2氣體保護(hù)焊采用的電流密度較高，伸出長(zhǎng)度越大，焊絲的預(yù)熱作用越強(qiáng)，導(dǎo)致過(guò)熱熔斷，飛濺增大；同時(shí)得不到CO2氣體的有效保護(hù)，造成氣孔等缺陷。相反的，若焊絲伸出長(zhǎng)度過(guò)小也影響成形和焊接質(zhì)量；同時(shí)，也妨礙觀察電弧，影響操作；還容易因?qū)щ娮爝^(guò)熱夾住焊絲，直至燒毀導(dǎo)電嘴，破壞焊接過(guò)程正常進(jìn)行。這個(gè)量需要通過(guò)多次試驗(yàn)后獲得。

焊接工藝參數(shù)見表1。

表1：焊接參數(shù)

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用工裝、改變焊接順序和采用合理的焊接參數(shù)，充分利用先進(jìn)的CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝方法，可以有效控制輪式通井機(jī)井架的焊接變形，使得變形量控制在了允許范圍內(nèi)，完全可以達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

（作者單位：河南省濮陽(yáng)市中原油田采油一廠維修大隊(duì)）