石油鉆桿摩擦焊工藝及質(zhì)量控制

黃志敏 白淑媛(天津市渤海石油裝備中成機械制造有限公司,天津 300280)

石油鉆桿摩擦焊工藝及質(zhì)量控制

黃志敏 白淑媛(天津市渤海石油裝備中成機械制造有限公司,天津 300280)

在勘探和開采石油的過程中，石油鉆桿是十分重要的工具，其主要由帶螺紋的工具接頭和管端經(jīng)過加厚的管體經(jīng)過摩擦焊接而成。由于在實際鉆井的過程中，鉆桿需要承受十分復雜的力學狀況，因此要求鉆桿具備較高的強度、韌性以及耐腐蝕性等。對于石油鉆桿而言，摩擦焊是其生產(chǎn)中的重要工序之一。因此文章重點就石油鉆桿摩擦焊工藝及質(zhì)量控制展開探討。

石油鉆桿；摩擦焊工藝；質(zhì)量控制

1 摩擦焊工藝概述

1.1 摩擦焊工藝原理

摩擦焊起源于20世紀50年代，其作為一種新型的焊接工藝，主要是運用焊接件接觸端面，利用其在相對旋轉(zhuǎn)運動中摩擦中所產(chǎn)生的熱，促使端部達到熱塑性狀態(tài)，并迅速頂鍛，這樣能夠促使高溫狀態(tài)下的焊接件接觸面間的原子迅速擴散開，進而實現(xiàn)焊接目的的一種對焊辦法。摩擦焊的種類較多，單純就石油鉆桿來說，主要包括了慣性摩擦焊和連續(xù)驅(qū)動摩擦焊兩種類型。

1.2 摩擦焊工藝條件

要想順利實現(xiàn)摩擦焊，需具備轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、頂鍛壓力、頂鍛量、摩擦時間和頂鍛時間這幾個工藝條件。各個工藝條件的具體作用機理為：需確保摩擦對焊的時候，焊接件的加熱溫度以及溫度梯度適宜，既不能讓焊縫金屬易于產(chǎn)生塑性變形和擴散，也不能使得金屬過于熱，影響需要選定合理的摩擦壓力和摩擦時間。同時，還應該確保具備足夠大的頂鍛壓力、頂鍛速度以及適宜的頂鍛變形量，不然難以對焊接表面上的原有氧化膜進行有效破壞，以及難以阻止焊縫金屬出現(xiàn)繼續(xù)氧化現(xiàn)象，只有這樣，才可以確保得到理想的接頭金屬組織以及力學性能。此外，還應該確保摩擦壓力、頂鍛壓力、摩擦時間、頂鍛速度等要適宜，以便于不對焊接接頭的各項性能產(chǎn)生影響。實踐證實，頂鍛壓力和頂鍛時間對于頂鍛速度的確定作用甚大。針對不同鋼級以及不同規(guī)格的鉆桿而言，需要依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗來適當調(diào)整摩擦時間。

2 石油鉆桿摩擦焊質(zhì)量控制措施

以下以5"G105石油鉆桿為例，探討采用320BX慣性摩擦焊機進行摩擦焊接的質(zhì)量控制措施。

2.1 焊前準備

2.1.1 管體準備

精心選擇接頭達到了報廢標準的且管體為一級的鉆桿（帶有內(nèi)涂層），并將舊接頭切除。同時切頭需要將舊焊縫切除且將部分剩余長度精心加厚，厚度需超過50mm，外徑控制在128.50-130.50，內(nèi)徑控制在90.00-91.00。

2.1.2 接頭準備

明確規(guī)定鉆桿接頭的化學成分、加工工藝、機械性能等，并和接頭生產(chǎn)廠家簽訂《石油鉆桿接頭技術質(zhì)量協(xié)議》，保障各項參數(shù)都能夠達到相關質(zhì)量標準。

2.2 摩擦對焊

為確保鉆桿質(zhì)量達標，需嚴格把關摩擦對焊環(huán)節(jié)，并合理確定焊接各項工藝參數(shù)。結(jié)合管端尺寸，對焊接參數(shù)進行確定，要求平均縮短量能夠達到0.625英寸。開始進行對焊前，應及時清潔干凈對接頭和管體端面，尤其要重點進行除銹處理，避免出現(xiàn)“灰斑”缺陷。

2.3 焊后處理

2.3.1 去內(nèi)外飛邊

由于320BX慣性摩擦焊接自身帶的有內(nèi)剪切裝置。因此當焊接結(jié)束后，可以在焊縫內(nèi)飛邊尚未冷卻的時候自動將內(nèi)飛邊進行剪切。此外，當完成退火工序之后，就可以開始進行去外飛邊作業(yè)，此時需要密切關注找正，并要避免扎刀、產(chǎn)生臺階以及外圓環(huán)槽。

2.3.2 熱處理

退火+淬火+回火是摩擦對焊鉆桿熱處理工藝的主要內(nèi)容，其多運用中頻感應加熱。此種加熱方式的加熱速度較快，焊縫熱影響區(qū)相對較窄。一般來說，當焊接結(jié)束之后需要立即進行退火工藝。主要原因在于摩擦對焊時，加熱的穩(wěn)定較高，焊接的應力也很大。如果在冷卻之后不能立即對應力進行消除，則就極為容易產(chǎn)生較大的焊接冷裂紋。同時，之所以進行退火工藝，還有助于降低焊接件的硬度，使其更容易進行切削加工，以便于為后序去飛邊工序提供便利。淬火工藝能夠顯著提升焊縫的強度以及硬度。要想實現(xiàn)淬火，需確保加熱溫度高于臨界點之上，以便于獲取奧氏體組織。而且其冷卻速度也必須要比臨界冷卻速度快，以便于奧氏體化之后能夠獲取盡可能多的馬氏體。在該石油鉆桿焊接過程中，主要運用的是北京G50淬火液冷卻，以便于降低馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域的冷卻速度，避免出現(xiàn)開裂。完成淬火之后需要立即進行回火處理。運用高溫回火，不僅能夠清除淬火的內(nèi)應力，還可以將淬火組織進行改變，以便于獲取較細的回火索氏體組織，提升焊區(qū)的綜合力學性能。

2.3.3 硬度檢測

需對每一個焊區(qū)表面硬度進行檢測，并確保其硬度值不能超過37HRC或者等效值。

2.3.4 彎曲試驗

對于每一根鉆桿都應該開展彎曲試驗，嚴禁在焊縫的外表面上出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

2.3.5 無損探傷檢測

對于焊區(qū)，還應該進行磁粉和超聲波探傷檢驗，嚴禁存在肉眼可見的裂紋和其他相應的缺陷。

2.3.6 質(zhì)量抽檢

選取相同鋼級的，相同熱處理工藝的石油鉆桿，以每200根為一批，從中抽取1根送到專業(yè)檢測機構(gòu)進行質(zhì)量檢驗。

3 實踐結(jié)果

經(jīng)過上述工藝加工的5"G105石油鉆桿，后經(jīng)過實際應用，未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。由此可見，采用320BX慣性摩擦焊機焊接之后的石油鉆桿，可以滿足5000米井深的使用要求。

總之，文章簡要分析了石油鉆桿摩擦焊工藝以及質(zhì)量控制措施，期望能夠起到一定的借鑒作用。

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