石油鉆桿摩擦焊接與焊縫熱處理研究

馬韋華，韓 雄，賀毅龍，王西華

（1.渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658；2.河北華新檢測技術(shù)服務(wù)有限公司，河北滄州 062658；3.河北華油一機圖博涂層有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

目前我國在新疆地區(qū)進行大量的石油勘探和開采，該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井作業(yè)難度大，且大多數(shù)是6000 m 以上的深井、超深井、定向井或水平井。鉆桿失效帶來的損失非常大，有的可能是巨額的打撈費用，也有可能造成一口井的報廢。因此，鉆具的安全性顯得尤為重要。在新疆地區(qū)鉆井作業(yè)時，僅僅符合API（American Petroleum Institute，美國石油學(xué)會）標(biāo)準(zhǔn)的鉆桿已經(jīng)無法滿足需求，急需一種高強度、高韌性、性能穩(wěn)定的鉆桿。

在鉆桿的焊接過程中，為了降低焊縫處失效的概率，目前最好的辦法就是選擇合理的焊接工藝參數(shù)以及采用焊后熱處理的方式來完成。這樣不僅能夠有效提高鉆桿焊縫的抗拉強度和硬度等性能指標(biāo)，同時也可以使得鉆桿具有良好的韌性，延長鉆桿的使用壽命，因此需要采取有效措施對其進行處理。

為了延長鉆桿的使用壽命，需要確保其具有良好的塑性、韌性以及疲勞性能等。在進行石油鉆桿焊接時，首先是通過摩擦焊接方式將鉆桿管體和工具接頭焊接在一起，然后進行淬火加回火的調(diào)制處理，保證其具有一定的抗拉強度和韌性。但是，由于受到各種因素的影響，目前我國生產(chǎn)的鉆桿質(zhì)量并不是非常理想。下面將主要針對如何提高鉆桿焊縫的質(zhì)量展開討論分析。

1 石油鉆桿摩擦焊接處理工藝

1.1 焊前處理

在對石油鉆桿進行焊接之前，必須要做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。首先是要將鉆桿管體和工具接頭進行調(diào)制熱處理，得到想要的材料力學(xué)性能；其次就是通過機械加工的方式將管體加厚端和工具接頭加工成最終的幾何尺寸：①車削管體的加厚區(qū)內(nèi)、外表面和端面，去除氧化皮，使其符合焊接內(nèi)徑和外徑；②工具接頭在完成螺紋加工、刻印及磷化處理后，還需要用平面砂輪打磨焊接面，為的是去除銹跡、油污等雜質(zhì)。最后則是需要選擇使用正確的工裝和設(shè)備參數(shù)，從而為后續(xù)的摩擦焊接提供良好的條件。

1.2 焊接過程

由液壓夾具將管體夾持在焊接臺上，工具接頭由卡盤工裝夾持在主軸中心。焊機主軸帶動工具接頭高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值后，焊機向管體移動，通過摩擦焊機的液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦壓力將工具接頭的壓在管體的端面端面。兩個端面相互摩擦產(chǎn)生的大量摩擦熱，此熱量使兩個焊接端面迅速升溫并塑性化，當(dāng)摩擦?xí)r間到達設(shè)定值，主軸快速停止旋轉(zhuǎn)，然后在頂鍛壓力作用下變形層被擠出焊接面，形成內(nèi)、外毛刺。頂鍛壓力需要保持一定時間，使塑化的金屬材料相互擴散，從而形成可靠的焊接接頭。

1.3 焊接工藝注意事項

為提高鉆桿的整體質(zhì)量水平，在對石油鉆桿進行摩擦焊接時需要做好以下兩個方面的細節(jié)處理：

（1）保證兩個工件的壓接端面整潔。通常情況下管體端面采用車削的方法，工具接頭端面采用砂輪打磨的方法。使用砂輪打磨時可能造成偏磨，這樣在摩擦壓接時會發(fā)生摩擦不均勻的情況，還有可能在表面存留砂輪碎屑，或者氧化皮、磷化層、油污等清除不徹底。最好是管體和工具接頭的壓接端面均采用車削的方法，可將雜質(zhì)去除干凈。而且最好能在車削后盡快完成摩擦焊接，減少儲存和轉(zhuǎn)運過程中對端面的污染。

（2）保證石油鉆桿焊縫的同軸度符合要求。在生產(chǎn)調(diào)試階段，注意管體夾持中線和旋轉(zhuǎn)主軸的對中，摩擦焊機夾持工具接頭的旋轉(zhuǎn)軸線和管體軸線的對中。在試生產(chǎn)時測量焊接后管體和工具接頭的平行偏差和角偏差，如不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，及時調(diào)整焊機工裝。在批量生產(chǎn)過程中，要持續(xù)關(guān)注焊接的同軸度，發(fā)現(xiàn)同軸度偏差過大應(yīng)立即調(diào)整。

1.4 工藝要點

為了保證優(yōu)異的焊接質(zhì)量，對石油鉆桿進行摩擦焊接時需要嚴(yán)格控制以下4 個重要參數(shù)。

（1）轉(zhuǎn)速和摩擦壓力。是最主要的參數(shù)，當(dāng)工件直徑一定時，轉(zhuǎn)速代表摩擦速度。一般將達到焊接溫度時的轉(zhuǎn)速稱為臨界摩擦速度，為了使界面的變形層加熱到金屬材料的焊接溫度，轉(zhuǎn)速必須高于臨界摩擦速度。

（2）摩擦?xí)r間和摩擦變形量。當(dāng)摩擦變形速度一定時，摩擦變形量和摩擦?xí)r間成正比，因此常用摩擦變形量代替摩擦?xí)r間來控制加熱過程。

（3）停車時間。停車時間對摩擦扭矩、變形層厚度和焊接質(zhì)量有很大影響，因此應(yīng)根據(jù)變形層厚度正確選擇該參數(shù)。

（4）頂鍛壓力和變形量。頂鍛壓力的作用是擠碎和擠出變形層中的氧化金屬及其他有害雜質(zhì)，并使焊接處的金屬在壓力作用下得到鍛造，促進晶粒細化，從而提高焊縫的力學(xué)性能。大小取決于焊接工件的材料、焊接溫度及分布、變形層厚度，此外還決定于摩擦壓力的大小。

本文根據(jù)實際應(yīng)用情況，設(shè)計了一組5″（12.7 cm）S135 鉆桿+NC52 工具接頭的摩擦壓接焊工藝參數(shù)（表1）。

表1 新工具接頭摩擦焊工藝參數(shù)

2 石油鉆桿焊縫的熱處理

根據(jù)API Spec 5DP—2020《鉆桿規(guī)范》要求，焊后熱處理應(yīng)貫穿整個壁厚，并從焊縫到超出由于焊接過程工具接頭和管體材料流線改變方向的范圍內(nèi)進行。焊縫應(yīng)奧氏體化，在轉(zhuǎn)變溫度之下冷卻，并應(yīng)在593 ℃（1100 ℉）及以上的溫度工況回火。因此，在熱處理的升溫過程中，采用中頻感應(yīng)加熱可以有效覆蓋需要調(diào)質(zhì)的范圍且熱影響區(qū)不會過大，同時還有升溫速度快、節(jié)能環(huán)保的特點。

2.1 淬火工藝

在去除摩擦焊的內(nèi)外毛刺之后，就可以開始進行淬火處理：采用中頻感應(yīng)加熱，使溫度迅速升高至920 ℃，保溫時間30 s，使整個壁厚都能夠熱透。目的是將鋼加熱到相變溫度，得到奧氏體組織。然后外淋水基淬火液，內(nèi)孔吹高壓空氣，達到急速冷卻的目的，使組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。這樣形成的組織強度高、硬度高，但是韌性差，還需要進一步的回火處理。

2.2 高溫回火工藝

淬火結(jié)束后，硬度很高，內(nèi)應(yīng)力很大，必須及時進行回火處理。采用中頻感應(yīng)加熱，溫度680 ℃、保溫時間3 min，目的是消除淬火時產(chǎn)生的組織內(nèi)應(yīng)力。通過高溫回火還能將馬氏體轉(zhuǎn)化為回火索氏體，提高材料的韌性。這種組織具有較好的機械性能，也是希望得到的金相組織。

需要注意的是，回火區(qū)域一定要將淬火區(qū)域全部覆蓋，這樣才能保證組織的完全轉(zhuǎn)化為回火索氏體。當(dāng)達到規(guī)定的時間之后，就可以停止加熱，然后再冷卻一段時間，這是為了讓鉆桿得到充分的回火，使接頭處的性能更加穩(wěn)定和可靠。

3 石油鉆桿焊縫力學(xué)試驗

為了檢驗本文設(shè)計的工藝是否滿足需求，應(yīng)進行力學(xué)試驗進行驗證。根據(jù)API Spec 5DP—2020 的要求，需要做拉伸試驗、沖擊試驗、硬度試驗、側(cè)彎試驗，另外還應(yīng)通過金相試驗，觀察熱處理后的顯微組織，驗證熱處理結(jié)果是否理想。

3.1 拉伸試驗

通過拉伸試驗，測試金屬材料的抗拉強度、屈服強度、伸長率，采用的試驗標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370—2021《鋼產(chǎn)品機械性能測試的方法和定義》，測試結(jié)果見表2。

表2 摩擦焊縫拉伸試驗數(shù)據(jù)

3.2 沖擊試驗

沖擊試驗可以反映出金屬材料的韌性，吸收的沖擊能量值越高韌性越好。在低溫環(huán)境下，材料容易變得脆性，因此試驗在-20 ℃下進行，要求滿足API Spec 5DP—2020 中的-PSL3 等級，這也是現(xiàn)有的各種標(biāo)準(zhǔn)中的最高要求。使用的試驗標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E23—2018《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗方法》，測試結(jié)果見表3。

表3 摩擦焊縫沖擊試驗數(shù)據(jù)

3.3 彎曲試驗

API Spec 5DP—2020 要求：試樣兩翼在載荷下形成的角度不大于40°，彎曲之后凸面上任何方向測量的焊區(qū)外露缺陷不應(yīng)超過3 mm。為了檢驗焊縫的高韌性，將試驗條件設(shè)定為彎曲平行180°。測試后試樣表面沒有任何缺陷（圖1）。

圖1 摩擦焊縫彎曲試驗

3.4 硬度試驗

API Spec 5DP—2020要求，硬度值不得超過37 HRC。SY/T 5561—2014《鉆桿》還要求，焊區(qū)同一部位沿壁厚方向的硬度差不大于5 HRC 或35 HV。本次試驗采用的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E18—2020《金屬材料洛氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》，測試位置見圖2，測試結(jié)果見表4。

圖2 石油鉆桿焊區(qū)硬度測試部位示意

表4 摩擦焊縫硬度試驗數(shù)據(jù) HV

3.5 金相組織

（1）焊區(qū)的顯微組織顯示，鉆桿管體和工具接頭融合良好，無裂紋、夾雜、未熔合等缺陷（圖3）。

圖3 焊縫融合處200×金相組織

（2）熱處理后得到的組織為回火索氏體，其500×的影像如圖4 所示。

圖4 焊區(qū)500×的金相組織

4 結(jié)束語

本文通過對石油鉆桿摩擦焊接和焊縫的熱處理的探討，設(shè)計出一套可行的制造高韌性石油鉆桿焊縫的工藝，同時提出制造過程中應(yīng)注意的關(guān)鍵點和細節(jié)，希望能夠為相關(guān)人員提供一些幫助，讓他們了解到更多的此類知識，未來可以更好地完成相關(guān)工作。