高頻焊接石油管的生產(chǎn)工藝探索

朱春華　霍珍珍　郭秀云　馬立勇

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075024)

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高頻焊接石油管的生產(chǎn)工藝探索

朱春華霍珍珍郭秀云馬立勇

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075024)

高頻焊接石油管，主要應(yīng)用在油田石油鉆井，受力復(fù)雜，其化學(xué)成分、機(jī)械性能必須符合API5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.針對(duì)J55、N80級(jí)鋼，Φ73×5.5 mm、Φ139.7×7.5 mm高頻焊接石油管的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了探索，制訂了技術(shù)參數(shù)以及解決了實(shí)際生產(chǎn)中的技術(shù)難點(diǎn).產(chǎn)品最終達(dá)到API5CT標(biāo)準(zhǔn)并滿足了油田的使用.

高頻焊接油管；J55 N80級(jí)鋼；探索

0　引　言

高頻焊接石油管，應(yīng)用在油田石油鉆井，把油管放入幾千米深的油井中，在放入井下及固井過程中，主要承受外擠力，內(nèi)壓力.采用射孔方法固井管時(shí)還要承受射孔方法彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫和大能量瞬時(shí)沖擊載荷.所以對(duì)高頻焊接石油管要求高強(qiáng)度，高韌性.化學(xué)成分、機(jī)械性能必須符合API5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.

高頻焊接油管在國外使用已經(jīng)有多年的歷史.以前在國內(nèi)由于鋼的冶煉，熱軋技術(shù)未充分掌握，而沒有生產(chǎn)J55、N80級(jí)石油管用卷板的材料.現(xiàn)在隨著我國的冶煉技術(shù)水平的提高，國內(nèi)幾大煉鋼企業(yè)已生產(chǎn)出合格的高頻焊接石油管卷板.

1　技術(shù)要求和生產(chǎn)工藝

1.1根據(jù)API5標(biāo)準(zhǔn)制定生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)

API5標(biāo)準(zhǔn)，如下表，以生產(chǎn)J55級(jí)鋼油管為例

表1

1．2原材料(卷板)

優(yōu)質(zhì)的卷板是生產(chǎn)油管的前提條件，為此從寶鋼集團(tuán)購入J55、N80級(jí)鋼的卷板，其合理的化學(xué)成分、優(yōu)良的機(jī)械性能、精確的尺寸為生產(chǎn)高頻焊接油管創(chuàng)造了良好的條件，現(xiàn)以生產(chǎn)J55級(jí)鋼為例.J55級(jí)鋼化學(xué)成分，機(jī)械性能見表2、表3

1．3設(shè)備條件和生產(chǎn)工藝：

設(shè)備采用西德引進(jìn)Φ120排輥直縫焊管生產(chǎn)線

生產(chǎn)工藝：

預(yù)彎成型→排輥成型→精成型Ⅰ、Ⅱ→四輥擠壓→EFD固態(tài)高頻焊接→清內(nèi)外毛刺→中頻正火→空冷→水冷→定徑→切斷→檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)→合格品包裝

↓

超聲波探傷

↓

渦流探傷

表2　J55鋼的化學(xué)成分　(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表3　J55鋼的機(jī)械性能

1．4高頻焊接的質(zhì)量控制

①高頻焊接油管采用一定規(guī)格寬度的平板鋼板，通過輥?zhàn)宇A(yù)彎成型、排輥成型、兩架連續(xù)精成型，逐漸使平板成型為帶開口的圓管坯，開口的圓管進(jìn)入感應(yīng)器兩邊緣，在高頻集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的作用下，使邊緣溫度瞬間達(dá)到1450 ℃以上進(jìn)四輥擠壓裝置，在擠壓力的作用下使熔化的金屬熔合在一起.焊合后的鋼管再進(jìn)行中頻加熱正火來消除焊接應(yīng)力.

高頻焊接的特點(diǎn)是焊合區(qū)即焊縫熔化或半熔化全屬的共熔(在擠壓力作用下).在40倍光學(xué)顯微鏡下觀察為焊縫熔合成為一條垂直亮線，熱影響區(qū)為對(duì)稱雙曲線.焊合區(qū)有兩個(gè)明顯的特征，一是新凝固的或再結(jié)晶的晶粒.二是本身沒有全屬流線或其它方向性.

②焊合后的形態(tài)與焊接的工藝參數(shù)

金相試驗(yàn)可直接觀看到焊合后的組織形態(tài)，可最直接地反映出焊接的狀態(tài).包括邊緣的對(duì)接狀態(tài)，焊接溫度、速度，焊接的擠壓力大小等.因此必須根據(jù)焊接時(shí)最佳組織狀態(tài)來科學(xué)地制定高頻焊接的頻率，電流、輸出功率.成型時(shí)各機(jī)架調(diào)整參數(shù)、焊接速度、擠壓時(shí)鋼管的尺寸等.

以前焊接原設(shè)備高頻為電子管振蕩，生產(chǎn)J55級(jí)鋼，規(guī)格Φ139.7×7鋼管時(shí)制定的工藝參數(shù)：

電子管高頻參數(shù)：頻率450 KHz 功率450 KW

生產(chǎn)時(shí)的工藝參數(shù)：

車速8-12 m/min，管坯兩邊緣進(jìn)入擠壓輥時(shí)，邊緣為平橢圓狀態(tài)近似于平行對(duì)接.水平直徑140.7 mm、垂直直徑139.7 mm

按上述工藝參數(shù)生產(chǎn)鋼管后的金相試驗(yàn)報(bào)告：

焊縫熔合區(qū)組織粗大，中心有夾雜物，壓扁實(shí)驗(yàn)平板距離為100 mm時(shí)焊縫全開裂.再次調(diào)整成型機(jī)、調(diào)整擠壓力的大小、提高車速和溫度配比.再生產(chǎn)取樣壓扁焊縫區(qū)平板距離在80 mm不裂.50 mm微裂，但不延伸擴(kuò)大.30 mm微裂延伸不擴(kuò)大.此時(shí)的壓扁試驗(yàn)結(jié)果已超過API5標(biāo)準(zhǔn)值合格.但焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性差，成材率只有50%-65%.

從設(shè)備、工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)、具體改進(jìn)如下：

①把電子管高頻更換成先進(jìn)的挪威EFD固態(tài)高頻機(jī)

主要參數(shù)：功率450 KW 頻率150-250 KHZ(恒定自動(dòng)調(diào)整) 功率固數(shù)0.95.

②機(jī)組設(shè)備重新設(shè)計(jì)成型輥的孔型，全部成型輥采用數(shù)控車床進(jìn)行加工.

③改進(jìn)內(nèi)毛刺刀桿加長磁棒由原來300 mm加長到400 mm.增加感應(yīng)區(qū)長度，提高焊接速度.

④對(duì)焊縫處夾雜物采取在焊接區(qū)域用高壓氣體吹，吹走焊接區(qū)域的冷卻水.

⑤改動(dòng)感應(yīng)加熱器與擠壓輥中心之間的距離，原來100 mm現(xiàn)為140 mm.

⑥優(yōu)化擠壓力.

⑦采用半熔化焊接即溫度在1380 ℃～1450 ℃

⑧制定合理熱處理工藝，兩感應(yīng)加熱器

第一臺(tái)加熱器溫度為780±20 ℃，第二臺(tái)為950±20 ℃，加熱速度約為40 ℃/S，然后在生產(chǎn)過程自然冷卻.冷卻速度約為3 ℃/S經(jīng)空冷后焊縫溫度冷卻約為360 ℃，進(jìn)入水冷槽水冷.

改進(jìn)后生產(chǎn)J55鋼級(jí)，Φ139.7×7石油管金相觀察：

熔合線清晰，寬度0.12～0.3 mm.熱影響區(qū)略寬，焊縫中心部位的熔合區(qū)為細(xì)小的晶粒，鐵素體加珠光體，無夾雜物.未發(fā)觀有殘余馬氏體.與母材組織基本趨于一致，從而保證了熔合區(qū)的韌性.

通過上述金相檢測(cè)結(jié)果分析：

固態(tài)高頻頻率比電子管高頻底，因此加熱層深度深，熱影響區(qū)略寬，加熱長度略長，焊接速度快了10 m/min.通過合理的擠壓把熔合區(qū)的夾雜物擠出.因此熔合線進(jìn)行了充分的熔合.金相實(shí)驗(yàn)達(dá)到比較理想的狀態(tài).產(chǎn)品合格率為88%-91%，完全達(dá)到API5的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn).在此狀態(tài)下生產(chǎn)的鋼管共200噸取樣做壓扁實(shí)驗(yàn)全部合格.

2　產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果

①產(chǎn)品的化學(xué)成分　(質(zhì)量分?jǐn)?shù))℅

② 產(chǎn)品的機(jī)械性能

③晶粒度和金相組織.

晶粒度11-12級(jí) 金相組織P+F

非金屬夾雜物≤2級(jí)

3　結(jié)　論

以上產(chǎn)品J55 N80級(jí)鋼，高頻焊接油管焊縫牢固，經(jīng)在線正火處理，焊縫及熱影響區(qū)金相組織和母材相同，化學(xué)成分、機(jī)械性能、工藝性能符合API5標(biāo)準(zhǔn).產(chǎn)品完全合格.

[1]趙熹華.焊接檢驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

[2]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

Study on the Production Process of High-frequency-welding Oil Pipe

ZHU Chun-hua,HUO Zhen-zhen,GUO Xiu-yun,MA Li-yong

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,075024)

High-frequency-welding oil pipe is mainly used in oil field drilling.With complex loading,its chemical composition and mechanical properties must meet API5 standards requirement.In this article,the production process of J55 N80 steel grade,Φ73×5.5mm and Φ139.7×7.5mm is explored and the technical parameters are formulated,which solves the technical difficulties in practical production.The products eventually reach the API5CT standards and meet demands of using in oil-field.

high frequency welding pipe;J55 N80 steel grade;development

2016-02-25

朱春華(1968-)，女，教授，從事材料成形技術(shù)研究.

TG 4

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