摩擦焊接及形變熱處理技術(shù)在外加厚油管修復(fù)中的應(yīng)用

張朋舉，魏曉娟，張永紅，王 語，殷志杰，張仙文，魏 芳

（1.中國(guó)石油吐哈油田公司機(jī)械廠，新疆 哈密839009；2.中國(guó)石油吐哈油田公司吐魯番采油廠，新疆 鄯善 838202）

摩擦焊接及形變熱處理技術(shù)在外加厚油管修復(fù)中的應(yīng)用

張朋舉1，魏曉娟1，張永紅2，王 語1，殷志杰1，張仙文1，魏 芳1

（1.中國(guó)石油吐哈油田公司機(jī)械廠，新疆 哈密839009；2.中國(guó)石油吐哈油田公司吐魯番采油廠，新疆 鄯善 838202）

通過對(duì)外加厚油管的修復(fù)工藝展開分析，設(shè)計(jì)了摩擦焊接及形變熱處理為關(guān)鍵技術(shù)的修復(fù)工藝，并且選擇了系列修復(fù)設(shè)備和輔助設(shè)施。在此基礎(chǔ)上以φ73.02 mm×5.5 mm規(guī)格油管為樣品進(jìn)行工程試驗(yàn)，檢測(cè)了接頭的微觀組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明，在一定的摩擦焊接參數(shù)條件下，φ73.02 mm×5.5 mm規(guī)格油管焊縫性能可達(dá)到API SPEC 5CT規(guī)定的力學(xué)性能要求。通過工程試驗(yàn)，認(rèn)為該技術(shù)在油管修復(fù)上的應(yīng)用是可行的，并且可以成為外加厚油管生產(chǎn)的一種新方法。

摩擦焊接；形變熱處理；油管

油管作為油氣井開發(fā)過程中的主要生產(chǎn)通道之一，在油氣開采過程中起到了非常重要的作用。隨著油田開發(fā)力度的不斷加大，開發(fā)難度和幅度也不斷加大，油管需求量不斷增長(zhǎng)，成本控制成為油田關(guān)注的首要問題，同時(shí)油管的充分利用，不僅能延長(zhǎng)其使用壽命，而且會(huì)進(jìn)一步節(jié)約開采成本。資料顯示，油管在應(yīng)用過程中，受軸向載荷及上扣預(yù)緊力綜合作用，油管端螺紋處承載最大，油管失效部位99%發(fā)生在此處。因此油管修復(fù)主要應(yīng)針對(duì)螺紋處，即切掉舊螺紋，重新加工新螺紋［1］。當(dāng)初次下井的油管經(jīng)過一定周期的應(yīng)用后，螺紋端發(fā)生失效，就需要針對(duì)該處進(jìn)行修復(fù)。需要重新對(duì)加厚端進(jìn)行加厚處理和螺紋加工以后應(yīng)用。相關(guān)文獻(xiàn)顯示，我國(guó)石油機(jī)械制造業(yè)已成功地將摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于鉆桿和空心桿生產(chǎn)上［2-11］。筆者結(jié)合摩擦焊接技術(shù)在鉆桿產(chǎn)品上的技術(shù)應(yīng)用實(shí)例，以外加厚油管的摩擦焊接工程試驗(yàn)為研究對(duì)象，分別從工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、輔助設(shè)施設(shè)計(jì)、工程試驗(yàn)驗(yàn)證及評(píng)價(jià)4個(gè)方面，為油管采用該技術(shù)進(jìn)行修復(fù)提供工程價(jià)值。

1 工藝設(shè)計(jì)

外加厚油管修復(fù)工藝，首先針對(duì)舊油管采用專用裝置進(jìn)行分選，結(jié)合API 5CT標(biāo)準(zhǔn)，以直線度、是否結(jié)垢、銹蝕情況、表面質(zhì)量、接箍端與外螺紋端朝向順序進(jìn)行分類，經(jīng)過通徑以及探傷再進(jìn)行鋸切，完成焊接前期準(zhǔn)備工作。根據(jù)掌握的摩擦焊接技術(shù)，制定如圖1所示的修復(fù)工藝。

圖1 油管磨擦焊接修復(fù)工藝

在摩擦焊接修復(fù)工藝中，摩擦焊接及中頻回火即為形變熱處理工藝。此工藝主要是利用組織和相遺傳原理，對(duì)奧氏體進(jìn)行塑形變形，引起高密度位錯(cuò)，遺傳給淬火馬氏體［12］。在摩擦對(duì)焊過程中，高速旋轉(zhuǎn)的油管接頭焊縫區(qū)的溫度可達(dá)鍛造溫度，焊接完成時(shí)進(jìn)行頂端變形，同時(shí)噴水淬火，再進(jìn)行適當(dāng)回火處理，與普通回火處理相比，在大幅提高強(qiáng)度的情況下，提高了塑、韌性。這種方法利用了剎車能耗和焊接余熱，保證了接頭在焊接過程中得到形變和相變強(qiáng)韌化的效果。

2 設(shè)備選型

摩擦焊接設(shè)備為MC-40摩擦焊機(jī)，其參數(shù)為：功率45 kW；轉(zhuǎn)速1 450 r/min；主軸轉(zhuǎn)速960 r/min；最大頂鍛力400 kN；旋轉(zhuǎn)夾具夾緊力400 kN；滑動(dòng)夾具夾緊力2×600 kN；滑臺(tái)最大行程550 mm；液壓系統(tǒng)最高壓力16 MPa。

焊縫回火設(shè)備為ZP160型中頻感應(yīng)裝置，其參數(shù)為：電源功率160 kW；電源頻率500～1 000 Hz；輸入電流260 A；輸入電壓3×380 V；輸出電壓750V；工位數(shù)2；冷卻水總流量8 m3/h；感應(yīng)器2匝；加熱寬度20 mm。

車削內(nèi)外飛邊設(shè)備為Q1319管螺紋車床，其參數(shù)為：中心高300 mm；主軸孔徑200 mm；主軸檔數(shù)（正轉(zhuǎn)12檔，反轉(zhuǎn)6檔）；主軸轉(zhuǎn)速（正轉(zhuǎn)25～250 r/min，反轉(zhuǎn)32～320 r/min）；加工鋼管螺紋直徑50～190 mm；加工一半軸、盤類零件直徑50～600 mm；加工端面的不平度0.03 mm；主電機(jī)功率7.5 kW。

3 輔助設(shè)施設(shè)計(jì)

輔助設(shè)施主要是針對(duì)廢舊油管分選裝置、摩擦焊接輔助工作裝置、焊縫回火輔助工作裝置、車床輔助工作裝置及焊縫打磨輔助工作裝置，這些輔助工作裝置的設(shè)計(jì)和制作，保證了各個(gè)工序之間的銜接及工藝的穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.1 廢舊油管分選裝置

廢舊油管分選裝置如圖2所示。其1#工位為集料工位，在2#工位進(jìn)行逐根檢測(cè)，檢測(cè)合格并且完好的油管經(jīng)過3#制動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)滾輪軸向傳動(dòng)，移出分選裝置。剩下的4個(gè)集料框分別按照舊油管的損傷程度分類收集，其中前3個(gè)集料框在收集舊油管過程中，5#擋料機(jī)構(gòu)在6#氣缸作用下，可以實(shí)現(xiàn)與7#主梁軌道水平方向的分離，順利落料；當(dāng)歸類于另一個(gè)工位時(shí)，擋料機(jī)構(gòu)可以和主梁軌道合一，形成完整軌道，順利實(shí)現(xiàn)舊油管滾動(dòng)至下一個(gè)集料框。

圖2 廢舊油管分選裝置

3.2 摩擦焊接及車削飛邊輔助工作裝置

摩擦焊接及車削飛邊輔助工作裝置如圖3所示。待焊接的油管在2#上下料氣缸制動(dòng)下上料后，1#軸向工作輪氣缸開始工作，使得3#制動(dòng)滾輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后，開始軸向進(jìn)給到摩擦焊接的設(shè)定位置，這時(shí)3#制動(dòng)滾輪回位，當(dāng)油管旋轉(zhuǎn)時(shí)，4#旋轉(zhuǎn)輔助輪開始工作，配合摩擦焊機(jī)實(shí)現(xiàn)油管接頭與管體的焊接。車床在車削內(nèi)外飛邊時(shí)，對(duì)工作輔助裝置的要求與摩擦焊機(jī)的要求類似。

3.3 焊縫回火輔助工作裝置

焊縫回火輔助工作裝置與圖3所示的裝置類似，將圖3中4#油管旋轉(zhuǎn)輔助輪去掉。依靠2#氣缸工作實(shí)現(xiàn)上下料，抵達(dá)工作工位，然后1#機(jī)構(gòu)開始起作用，使3#制動(dòng)滾輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后，開始軸向進(jìn)給至焊縫回火線圈的設(shè)定位置，當(dāng)回火加熱工序完成后，3#制動(dòng)滾輪制動(dòng)，使得油管退回。3#制動(dòng)滾輪恢復(fù)至原來位置，1#機(jī)構(gòu)工作移除，油管進(jìn)入下一工位。

圖3 磨擦焊接及車削飛邊輔助工作裝置示意圖

3.4 焊縫打磨工作裝置

焊縫打磨工裝如圖4所示。該裝置主要由4部分組成，當(dāng)油管進(jìn)入打磨工位時(shí)，1#上下料制動(dòng)氣缸開始工作，待油管置于合適工位后3#制動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)滾輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)油管打磨焊縫時(shí)所需轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

圖4 焊縫打磨工裝示意圖

4 工程試驗(yàn)驗(yàn)證及評(píng)價(jià)

4.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)采用按照API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求加工的P110鋼級(jí)接頭及經(jīng)過鋸切的N80鋼級(jí)修復(fù)油管管體。其化學(xué)成分見表1和表2。

表1 P110鋼級(jí)接頭化學(xué)成分 %

表2 N80鋼級(jí)管體化學(xué)成分 %

其中接頭按照標(biāo)準(zhǔn)中外加厚油管的尺寸加工，如圖5所示。

4.2 試驗(yàn)過程

按照?qǐng)D1所示工藝進(jìn)行修復(fù)。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，關(guān)鍵步驟為摩擦焊接及形變熱處理、焊縫回火及去除內(nèi)外飛邊。

圖5 焊接油管接頭

4.2.1 摩擦焊接

摩擦焊接可分為一級(jí)頂鍛、二級(jí)摩擦以及后續(xù)的機(jī)械強(qiáng)力頂鍛。對(duì)整個(gè)焊接過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，測(cè)量到焊接最高溫度可達(dá)1 100℃，在最終頂鍛過程中，有5～6 mm的軸向位移。

因此，摩擦焊接的整個(gè)焊接過程實(shí)質(zhì)就是金屬晶粒在摩擦焊接以及強(qiáng)力頂鍛過程中不斷地被擠碎，又不斷地在高溫狀態(tài)下形核、長(zhǎng)大。在此過程中，對(duì)奧氏體化溫度以上的焊縫進(jìn)行噴水淬火處理，在焊縫部位形成淬火態(tài)組織。通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確定該試驗(yàn)的摩擦焊接及水淬參數(shù)見表3。

表3 摩擦焊接工藝參數(shù)

4.2.2 焊縫回火

根據(jù)油管性能，我們利用經(jīng)驗(yàn)公式確定焊縫回火溫度及回火時(shí)間。

（1） 高溫回火溫度 T=200+12×（60－HRC）℃，HRC為回火后硬度。根據(jù)API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際加工要求選取23～25 HRC，T=620～644℃， 試驗(yàn)取值為630℃。

（2）保溫時(shí)間為25 s。

4.2.3 焊接飛邊處理

焊接過程中由于管頭和管體之間一直存在較大的接觸壓力，部分處于粘塑性狀態(tài)的金屬會(huì)被擠出，在焊縫處內(nèi)外壁形成環(huán)狀飛邊。外壁飛邊會(huì)造成管體外壁之間局部變大，內(nèi)壁飛邊會(huì)引起管體過流面積減小，影響井下工具的使用，因此要對(duì)內(nèi)、外飛邊進(jìn)行加工。

（1）外飛邊加工。管頭焊接面處直徑比管體大1 mm，在同軸度≤0.5 mm時(shí)，外徑差異能夠抵消同軸度造成的斷面錯(cuò)位，因此，在清除外飛邊的時(shí)候，可以將外飛邊沿著管體完全去除，然后進(jìn)行打磨。

（2）內(nèi)飛邊加工。內(nèi)飛邊的清除屬于深孔加工，為了保證不減少有效的連接面積，同時(shí)保證通徑合格，加工方便，內(nèi)飛邊單邊殘留高度要求不大于0.3 mm。在同軸度為0.5 mm、管體同管頭夾角為0.1°時(shí)，內(nèi)飛邊使用車床清除后，還要使用長(zhǎng)柄氣動(dòng)砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，清除尖角和毛刺。

4.2.4 焊接強(qiáng)度在線檢測(cè)

以上方法在一定程度上保證了焊接過程按照工藝進(jìn)行，但是并不能直觀地反映焊接的強(qiáng)度，因此需要對(duì)焊接強(qiáng)度進(jìn)行在線檢測(cè)。目前對(duì)于焊接強(qiáng)度最直觀、有效的檢測(cè)方法是拉拔試驗(yàn)。應(yīng)用焊接油管拉拔機(jī)，拉拔強(qiáng)度為管體屈服強(qiáng)度下限的80%，對(duì)于N80鋼級(jí)、規(guī)格為φ73 mm的焊接式油管，其拉拔強(qiáng)度為441.6 MPa。這樣就能有效避免虛焊、假焊的油管進(jìn)入下步工序，也就有效的保證了焊接式油管在現(xiàn)場(chǎng)使用的可靠性。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證上述摩擦焊接及焊縫熱處理工藝參數(shù)，我們采用8個(gè)P110鋼級(jí)油管管頭和8件N80舊油管管體，按照工藝參數(shù)進(jìn)行加工檢測(cè)。焊接后試樣的力學(xué)性能見表4，微觀組織如圖6所示。

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，8個(gè)試樣的平均屈服強(qiáng)度為943 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為1 083 MPa，均符合API SPEC 5CT第9版中P110鋼級(jí)中規(guī)定的要求。8組伸長(zhǎng)率數(shù)值均超過標(biāo)準(zhǔn)值的15%，并且距離焊縫的位置均為偏向N80管體一側(cè)，數(shù)值均超過了25 mm，且遠(yuǎn)在熱影響區(qū)范圍以外。從圖6可以看出，焊縫處的金相組織以典型的回火索氏體為主，組織狀況良好。

表4 焊縫力學(xué)性能測(cè)試值

圖6 焊縫處顯微組織

5 結(jié) 語

通過采用摩擦焊接及形變熱處理技術(shù)，確定了外加厚油管的修復(fù)工藝，并以此工藝為基礎(chǔ)選擇了專用的設(shè)備，設(shè)計(jì)了專用的輔助設(shè)施。在設(shè)定的工藝參數(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)了外加厚油管的修復(fù)，經(jīng)檢驗(yàn)達(dá)到了API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)的要求。為外加厚油管的修復(fù)提供一種可靠的方法，并為新的外加厚油管制造探索了一種新的方法。

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Application of Friction Welding and Thermal-mechanical Treatment Technology in the External Upset Tubing Repairing

ZHANG Pengju1,WEI Xiaojuan1,ZHANG Yonghong2,WANG Yu1,YIN Zhijie1,ZHANG Xianwen1,WEI Fang1
（1.PetroChina Tuha Oilfield Company Machinery Plant， Hami 839009,Xinjiang,China;2.Petrochina Tuha Oilfield Company Turpan Oil Production Plant,Shanshan 838202,Xinjiang,China）

In this article,the analysis on the repair technology of the external upset tubing was carried out，the key technology repair process of friction welding and thermal-mechanical treatment was designed,and chose a series of repair equipment and auxiliary facilities.On this basis， taking φ73.02 mm×5.5 mm tubing as engineering test samples,the microstructure and mechanical properties of joint were detected.The results showed that the performance of tubing with size of φ73.02 mm×5.5 mm can reach the mechanical performance requirements specified in API SPEC 5CT，under certain conditions of friction welding parameters.Through the engineering test,it considered that the technology application in tubing repair is feasible,and can become a new method for external upset tubing production.

friction welding;thermal-mechanical treatment;tubing

TG453.9

B

1001－3938（2015）12-0058-05

張朋舉（1983—），男，工程師，主要從事石油管桿制造與應(yīng)用研究。

2015-09-17

羅 剛