Φ101.6 mm舊鉆桿摩擦對焊工藝的應用

向桂毅，杜旭鵬，童 磊

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司管具公司 陜西 西安 710018)

0 引 言

Φ101.6 mm鉆桿是長慶油田氣井小井眼施工和水平井施工的主力軍，因鉆桿接頭外徑磨損、偏磨、多次修扣致接頭長度不夠等造成大批的Φ101.6 mm鉆桿停用，閑置在場地上。因此如何利用現(xiàn)有摩擦對焊生產(chǎn)線實現(xiàn)該規(guī)格鉆桿的修復，不造成資產(chǎn)浪費成了當務之急。在實際對焊中[1]，如何實現(xiàn)鉆具的質(zhì)量保證，并將Φ127 mm舊鉆桿修復工藝用于Φ101.6 mm鉆桿修復成為本文討論重點。

1 實現(xiàn)4 in鉆桿對焊設備選擇

摩擦對焊生產(chǎn)線設備由車床、摩擦焊機、熱處理設備、修磨設備、壓彎設備、磁粉探傷設備、超聲波探傷設備、便攜式硬度計構(gòu)成，通過上述設備完成整個工藝并控制產(chǎn)品質(zhì)量，通過對修復5 in(1 in=25.4 mm)G105鉆桿整個生產(chǎn)過程分析，影響4 in鉆桿摩擦對焊的硬件因素是摩擦焊機、熱處理設備、修磨設備、壓彎設備。

1.1 摩擦焊機的選擇

目前采用的摩擦焊機是C-132-J型，其作業(yè)方式是通過慣性摩擦完成鉆桿接頭與管體的焊接。對焊過程中由旋轉(zhuǎn)夾具夾緊對焊接頭，浮動夾具和移動夾具共同夾緊對焊管體，移動夾具微調(diào)對焊管體位置，通過上下調(diào)節(jié)對焊管體，使鉆桿對焊端面和接頭對焊端面保持同心。因此對焊4 in鉆桿，第一以接頭外徑尺寸確定旋轉(zhuǎn)夾具(內(nèi)側(cè))裝夾尺寸，其兩種尺寸相同且弧度一致；旋轉(zhuǎn)夾具外側(cè)設計帶錐度，保證旋轉(zhuǎn)夾具縮緊時尺寸小于接頭外徑尺寸從而實現(xiàn)夾緊功能；第二以管體尺寸及弧度決定移動夾具和浮動夾具的厚度及弧度，確保移動夾具和浮動夾具夾緊時管體與夾具完全貼合實現(xiàn)牢固夾緊；第三以接頭內(nèi)徑確定沖刀桿和沖刀尺寸，沖刀桿外徑按照小于接頭內(nèi)徑4 mm確定；沖刀尺寸按照對焊處接頭端面內(nèi)徑和管體端面內(nèi)徑綜合考慮，沖刀外徑比兩者比較最小尺寸小4 mm確定。

1.2 熱處理設備的選擇

熱處理設備由變頻柜、變壓器、電腦和加熱爐組成，分為退火、淬火、回火三道工序，三道工序均由測溫傳感器探測后傳回控制臺,通過電腦程序控制。時間繼電器控制時間，溫控表顯示溫度，電腦程序顯示實際曲線，如圖1所示。經(jīng)實踐證明，加熱爐及淬火圈尺寸對4 in鉆桿熱處理過程中的加熱時間及對焊位置處溫度的穩(wěn)定性(越遠穩(wěn)定性越差)有影響。為此經(jīng)現(xiàn)場測試驗證，其熱處理加熱爐及淬火圈尺寸按照大于接頭外徑10 mm確定為最佳。

圖1 熱處理控制方式及處理類型

1.3 修磨設備磨桿和磨頭的選擇

目前摩擦對焊修磨設備型號為ZA-2，其設備是通過磨桿和磨頭實現(xiàn)內(nèi)飛邊余量修磨，電機帶動砂帶完成外飛邊余量修磨。經(jīng)現(xiàn)場查看，影響4 in鉆桿飛邊余量的修磨為內(nèi)修磨，原因為磨桿和磨頭是通過水眼到達修磨位置，因此磨桿和磨頭的尺寸需要根據(jù)對焊鉆桿接頭水眼確定，同時還需考慮磨頭進行修磨時的使用時長。經(jīng)過分析，磨頭尺寸小于水眼6 mm為宜,磨桿尺寸比磨頭尺寸小20 mm為宜。

1.4 壓彎設備壓頭和支撐座的弧度選擇

壓彎設備主要通過壓頭和支撐座在焊縫處施加一定的力，將焊區(qū)存在的缺陷進行放大，使后續(xù)檢測能更加容易發(fā)現(xiàn)不合格品。因此影響壓彎效果與壓頭和支撐座有關，經(jīng)現(xiàn)場分析根本原因為弧度，弧度的設計按照下壓后管體和接頭能很好接觸，不左右移動為準，按照現(xiàn)有壓頭和支撐座分析，其各自開口直徑比接觸鉆具外徑大5～10 mm,開口深度為開口直徑的45%為宜。

2 對焊Φ101.6 mm鉆桿工藝調(diào)整

現(xiàn)行的摩擦對焊生產(chǎn)線在修復舊鉆桿過程中，必須經(jīng)過綜合檢測、分級篩選、舊接頭切除、管體端面修整、摩擦焊、退火、車削外飛邊、淬火、回火、磨內(nèi)飛邊、磁粉探傷、超聲波探傷、噴焊耐磨帶等一系列工藝處理[2]。為此要完成4 in鉆桿對焊，同樣需進行管體選擇、對焊前預處理、摩擦焊參數(shù)制定、焊縫熱處理工藝、壓力值確定及焊后檢驗，才能最終形成工藝參數(shù)評定表。

2.1 4 in鉆桿管體選擇

根據(jù)引用SY/T 5824-93石油鉆桿分級標準、SY/T 5956—1994鉆具報廢技術規(guī)定、API Spet 5D-2001 第五版 《石油鉆桿規(guī)范》、GB/T 12606—1999鋼管漏磁探傷方法、SY/T 5446 油井管無損檢測方法 鉆桿焊縫超聲波探傷、SY/T 5447 油井管無損檢測方法 超聲測厚、SY/T 54469油井管無損檢測方法 鉆桿管體電磁感應探傷、GJB 2028—1994 磁粉檢、SY/T 5824—1993石油鉆桿分級標準、SY/T 5956-94鉆具報廢技術規(guī)定、API Spet 5D—2001 第五版 《石油鉆桿規(guī)范》、SY/T 5290—2000石油鉆桿接頭、GB/T 9253.1—1999石油鉆桿接頭螺紋、SY/T 5446—1992油井管無損檢測方法 鉆桿焊縫超聲波探傷、SY/T 5561—2008摩擦焊接鉆桿、SYT 6697—2007鉆桿管體標準制定的內(nèi)部《摩擦對焊工藝規(guī)范》(后面引用均只寫《摩擦對焊工藝規(guī)范》)及SY/T 5824—1993《鉆桿分級檢驗方法》標準中對摩擦對焊修復鉆桿的技術要求，首先確定修復的鉆桿，對其管體進行評級，選取一、二級鉆桿進行修復；其次采用3%硝酸酒精溶液找出原對焊位置進行切除，切除時靠管體一側(cè)，控制距離焊縫5 mm范圍內(nèi)，確保原焊縫被切除；其三根據(jù)待修復鉆桿尺寸及鋼級查閱標準、資料，確定4 in S135修復鉆桿的加厚帶長度大于80 mm為準[3]。

2.2 摩擦對焊焊前預處理

為保證4 in鉆桿焊接質(zhì)量，使焊后焊縫的結(jié)構(gòu)保持純凈性，焊前必須對接頭和管體對焊端面進行預先處理。根據(jù)API 標準要求，鉆桿對焊端面必須光滑且對焊部位不能有氧化物質(zhì)，因此要求接頭端面和管體端面在經(jīng)過處理達到對焊標準時盡快進行焊接。

2.3 摩擦焊參數(shù)制定

目前修復4 in鉆桿的摩擦焊設備屬于慣性摩擦焊設備，其結(jié)構(gòu)主要由電動機、主軸、飛輪、夾盤，移動夾具、浮動夾具、液壓缸等組成，其焊接過程有4個階段，分別為:施加摩擦壓力前的旋轉(zhuǎn)和管體自動行走階段；工件旋轉(zhuǎn)向前施加壓力階段(一級摩擦對焊階段)；保持摩擦壓力并旋轉(zhuǎn)的加熱階段(二級摩擦對焊階段)；頂鍛階段，停止旋轉(zhuǎn)，施加頂鍛壓力并保持一定時間。其過程由程序進行控制，但確定每段時間和壓力值，使最終的飛邊保持在22～24 mm之間，并且順利將內(nèi)飛邊沖掉，同時使摩擦焊縫形成鍛造組織，晶粒細化，組織致密，不產(chǎn)生熔化和凝固有關的焊接缺陷及焊接脆化現(xiàn)象，從而獲得理想的焊接質(zhì)量，就需要根據(jù)不同鋼級和不同規(guī)格的鉆桿，對其摩擦壓力進行計算和依據(jù)經(jīng)驗做適當調(diào)整，并選擇設定合理的時間。經(jīng)查閱長春數(shù)控機床有限公司提供的C-132-J型摩擦焊機使用說明書中關于焊機試車中摩擦焊機及頂鍛壓力調(diào)整描述，73～127 mm鉆桿的摩擦壓力及頂段壓力按照公式(1)進行計算：

p=(q×f)/F+K

(1)

式中：p為主油缸前腔(有桿腔)摩擦或頂鍛壓力,MPa;f為工件焊接面積,mm2;q為摩擦或頂鍛壓強, N/mm2; F為主油缸前腔總面積,74 800 mm2；K為常數(shù)，考慮到空動阻力而增加的壓力數(shù)值，大約0.2～0.3 MPa或?qū)崪y。一級摩擦壓力q1=20 N/mm2,二級摩擦壓力q2=50 N/mm2，頂鍛壓力q3=120 N/mm2。

根據(jù)相關資料，對焊處外徑為106 mm，內(nèi)徑為71.4 mm，在73 ～127 mm之間，因此選擇按照上述的公式計算：得到p1=20×3.14×(106+71.4)×(106-71.4)/(74 800×4)+0.2=1.48 MPa，K取值0.2。同樣算法p2=3.42 MPa，p3=7.93 MPa。

根據(jù)前期在舊鉆桿修復過程中的經(jīng)驗，最終參數(shù)一般是一級摩擦壓力約為頂鍛壓力的18%，二級摩擦壓力約為頂鍛壓力的50%，摩擦壓力和頂鍛壓力是隨著對焊鉆桿的外徑變化的，鉆桿截面越大，所需的壓力越大，摩擦時間和變形量也隨著壓力而變化。因此選擇摩擦對焊壓力值參數(shù)定為：p1=1.5 MPa，p2=4 MPa，p3=8 MPa。其允需偏差為：摩擦壓力為1.1～0.9 MPa；頂段壓力為p+0.6～p-0.6；總壓縮量為22～24 mm；摩擦對焊時間為 (t+0.5)/(t-0.5)。

經(jīng)過計算和結(jié)合前期的5 in對焊討論設定摩擦焊機參數(shù)按照表1進行。

表1 摩擦焊參數(shù)

2.4 焊縫熱處理工藝

摩擦對焊后，焊縫附近區(qū)域硬度高，晶粒粗大，力學性能差，且存在著很高的殘余應力，必須經(jīng)過適當?shù)臒崽幚韥碚{(diào)整焊區(qū)組織，消除焊接應力，達到使用要求。在實際生產(chǎn)中常用中頻電源通過感應線圈對鉆桿焊縫進行加熱，完成對鉆桿焊縫的退火和調(diào)質(zhì)處理。

2.4.1 鉆桿焊縫退火處理

退火處理，其目的是降低硬度，改善加工性能，消除殘余應力，減少變形和裂紋傾向，根據(jù)4 in S135鉆桿的材質(zhì)選擇650±10 ℃溫度進行控制。

2.4.2 焊縫淬火

4 in鉆桿經(jīng)摩擦對焊后，焊區(qū)質(zhì)量需通過淬火進行調(diào)質(zhì)處理才能得到需要的馬氏體。其步驟分為2步，分別為加熱、保溫和噴淋淬火工藝，通過上述2個步驟將焊縫處組織轉(zhuǎn)為馬氏體組織，經(jīng)查閱相關資料淬火溫度與原修復5 in鉆桿相同，因此根據(jù)標準將4 in S135鉆桿淬火調(diào)質(zhì)的溫度定為865±10 ℃。噴淋工藝也采取同樣的冷卻處理方式，在水中添加專用的淬火劑調(diào)節(jié)淬火液成分，使其減少冷卻速度過快產(chǎn)生的淬火裂紋，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4.3 焊縫高溫回火

4 in摩擦對焊鉆桿的焊縫在經(jīng)過淬火處理之后內(nèi)應力較大且硬度較高，此時要盡快進行高溫回火處理，確保得到回火索氏體，從而保證鉆桿的焊接質(zhì)量。目前采用的是中頻感應加熱，其電源頻率控制在600 Hz 左右，因為頻率過低容易導致加熱效率的下降，而頻率過高則容易導致集膚效應的出現(xiàn)，焊縫內(nèi)外壁溫度升高不一致。因此在確定4 in鉆桿回火溫度控制在645±10 ℃范圍內(nèi)時[2]，采用紅外測溫儀對回火的溫度進行測量，利用計算機閉環(huán)對回火溫度進行控制，避免由于溫度不恰當或變化大造成索氏體分解和焊縫截面硬度不達標[4-6]。

2.5 壓彎力值確定

在對焊縫修磨完成后，為使后續(xù)的檢驗能更容易發(fā)現(xiàn)焊縫中存在的缺陷，根據(jù)《摩擦對焊修復工藝規(guī)范》3.12壓彎工藝中彎曲力計算公式確定壓力值，其計算用公式(2)：

F=3.14×(D4-d4)×σ/(8×L×D)

(2)

其中：σ：對于S、G、X、E鋼級分別為724、655、609、517的80%；L為下彎?？缇?；D為焊頸外徑；d為焊頸外徑，根據(jù)實際L為300 mm,D為106 mm,d為71.4 mm 計算得到F=716 kN。

3 焊后檢驗及實驗

3.1 焊后檢驗原因及方法

焊后裂紋出現(xiàn)在焊合區(qū)邊緣飛邊缺口部位，焊合區(qū)內(nèi)部，近縫區(qū)及飛邊上。飛邊缺口裂紋沿焊合區(qū)向內(nèi)擴展，其產(chǎn)生與材料的淬硬性及焊接參數(shù)有關，有限元分析表明，當焊區(qū)兩側(cè)塑性較寬、頂斷壓力過大時，會在焊合區(qū)周邊部位產(chǎn)生較大的拉應力，這是形成飛邊缺口裂紋的主要原因。異種材料焊接時可能在焊合區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，脆性材料或易淬硬材料與其他異種材料焊接時，在焊后或熱處理后會產(chǎn)生由飛邊缺口部位起裂，并向脆性材料一側(cè)近焊縫區(qū)內(nèi)部擴展的環(huán)形裂紋，這類裂紋的產(chǎn)生與焊接接頭內(nèi)部的殘余應力分布及焊接過程中脆性材料的損傷有關。飛邊裂紋是指飛邊上沿徑向或環(huán)向開裂的裂紋，其產(chǎn)生原因主要是焊合區(qū)溫度不當(過高或過低)，飛邊金屬塑性低，以及焊接變形速度(特別是頂鍛速度)過快。通過改變焊接轉(zhuǎn)速及頂鍛速度可有效地防止裂紋的產(chǎn)生。同時摩擦加熱不足、頂鍛壓力過小及原始表明狀態(tài)等因素也將產(chǎn)生未焊合情況。因此需要對摩擦焊接頭焊縫處進行無損檢測，采用超聲波探傷和磁粉探傷檢驗焊合區(qū)情況。

3.2 焊后質(zhì)量檢測

4寸摩擦對焊鉆桿的產(chǎn)品機械性能數(shù)據(jù)主要通過屈服強度、抗拉強度、沖擊功和延伸率進行判定，要得到上述數(shù)據(jù)需通過破壞性試驗，試塊的制作標準和尺寸根據(jù)SY/T 5561—2008《摩擦焊接鉆桿》標準中對于修復鉆桿的要求進行選取，S135鋼級的4 in鉆桿標準屈服強度≥724 MPa，抗拉強度≥793 MPa，延伸率≥13%，焊縫沖擊功平均值≥54 J,為驗證對焊的4 in鉆桿是否合格，按照標準進行力學性能試驗，試驗結(jié)果見表2，滿足SY/T 5561—2008《摩擦焊接鉆桿》中對修復鉆桿的力學要求。

表2 焊區(qū)檢測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

針對對焊鉆桿工藝特點選擇設備配件，對摩擦對焊工藝重點進行分析、計算，確定其實際對焊參數(shù)并按照標準完成試驗試塊的制作。試驗數(shù)據(jù)表明經(jīng)摩擦對焊完成的4 in鉆桿機械性能滿足要求；通過上井使用，進一步驗證焊接質(zhì)量滿足鉆井生產(chǎn)，且性能穩(wěn)定。為后期大批量對焊打下堅實基礎，同時也為其它不同規(guī)格的鉆桿進行摩擦對焊修復積累了經(jīng)驗。