向桂毅，杜旭鵬，童 磊

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度不夠等造成大批的Φ101.6 mm鉆桿停用，閑置在場(chǎng)地上。因此如何利用現(xiàn)有摩擦對(duì)焊生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)該規(guī)格鉆桿的修復(fù)，不造成資產(chǎn)浪費(fèi)成了當(dāng)務(wù)之急。在實(shí)際對(duì)焊中[1]，如何實(shí)現(xiàn)鉆具的質(zhì)量保證，并將Φ127 mm舊鉆桿修復(fù)工藝用于Φ101.6 mm鉆桿修復(fù)成為本文討論重點(diǎn)。

1 實(shí)現(xiàn)4 in鉆桿對(duì)焊設(shè)備選擇

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

1.1 摩擦焊機(jī)的選擇

目前采用的摩擦焊機(jī)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(duì)焊過程中由旋轉(zhuǎn)夾具夾緊對(duì)焊接頭，浮動(dòng)夾具和移動(dòng)夾具共同夾緊對(duì)焊管體，移動(dòng)夾具微調(diào)對(duì)焊管體位置，通過上下調(diào)節(jié)對(duì)焊管體，使鉆桿對(duì)焊端面和接頭對(duì)焊端面保持同心。因此對(duì)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(shè)計(jì)帶錐度，保證旋轉(zhuǎn)夾具縮緊時(shí)尺寸小于接頭外徑尺寸從而實(shí)現(xiàn)夾緊功能；第二以管體尺寸及弧度決定移動(dòng)夾具和浮動(dòng)夾具的厚度及弧度，確保移動(dòng)夾具和浮動(dòng)夾具夾緊時(shí)管體與夾具完全貼合實(shí)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(duì)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(shè)備的選擇

熱處理設(shè)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(cè)溫傳感器探測(cè)后傳回控制臺(tái),通過電腦程序控制。時(shí)間繼電器控制時(shí)間，溫控表顯示溫度，電腦程序顯示實(shí)際曲線，如圖1所示。經(jīng)實(shí)踐證明，加熱爐及淬火圈尺寸對(duì)4 in鉆桿熱處理過程中的加熱時(shí)間及對(duì)焊位置處溫度的穩(wěn)定性(越遠(yuǎn)穩(wěn)定性越差)有影響。為此經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)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(shè)備磨桿和磨頭的選擇

目前摩擦對(duì)焊修磨設(shè)備型號(hào)為ZA-2，其設(shè)備是通過磨桿和磨頭實(shí)現(xiàn)內(nèi)飛邊余量修磨，電機(jī)帶動(dòng)砂帶完成外飛邊余量修磨。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，影響4 in鉆桿飛邊余量的修磨為內(nèi)修磨，原因?yàn)槟U和磨頭是通過水眼到達(dá)修磨位置，因此磨桿和磨頭的尺寸需要根據(jù)對(duì)焊鉆桿接頭水眼確定，同時(shí)還需考慮磨頭進(jìn)行修磨時(shí)的使用時(shí)長(zhǎng)。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(shè)備壓頭和支撐座的弧度選擇

壓彎設(shè)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(jìn)行放大，使后續(xù)檢測(cè)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(guān)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析根本原因?yàn)榛《?，弧度的設(shè)計(jì)按照下壓后管體和接頭能很好接觸，不左右移動(dòng)為準(zhǔn)，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(duì)焊Φ101.6 mm鉆桿工藝調(diào)整

現(xiàn)行的摩擦對(duì)焊生產(chǎn)線在修復(fù)舊鉆桿過程中，必須經(jīng)過綜合檢測(cè)、分級(jí)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(duì)焊，同樣需進(jìn)行管體選擇、對(duì)焊前預(yù)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(yàn)，才能最終形成工藝參數(shù)評(píng)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)、SY/T 5956—1994鉆具報(bào)廢技術(shù)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(cè)方法 鉆桿焊縫超聲波探傷、SY/T 5447 油井管無損檢測(cè)方法 超聲測(cè)厚、SY/T 54469油井管無損檢測(cè)方法 鉆桿管體電磁感應(yīng)探傷、GJB 2028—1994 磁粉檢、SY/T 5824—1993石油鉆桿分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、SY/T 5956-94鉆具報(bào)廢技術(shù)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)制定的內(nèi)部《摩擦對(duì)焊工藝規(guī)范》(后面引用均只寫《摩擦對(duì)焊工藝規(guī)范》)及SY/T 5824—1993《鉆桿分級(jí)檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)摩擦對(duì)焊修復(fù)鉆桿的技術(shù)要求，首先確定修復(fù)的鉆桿，對(duì)其管體進(jìn)行評(píng)級(jí)，選取一、二級(jí)鉆桿進(jìn)行修復(fù)；其次采用3%硝酸酒精溶液找出原對(duì)焊位置進(jìn)行切除，切除時(shí)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(fù)鉆桿尺寸及鋼級(jí)查閱標(biāo)準(zhǔn)、資料，確定4 in S135修復(fù)鉆桿的加厚帶長(zhǎng)度大于80 mm為準(zhǔn)[3]。

2.2 摩擦對(duì)焊焊前預(yù)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(duì)接頭和管體對(duì)焊端面進(jìn)行預(yù)先處理。根據(jù)API 標(biāo)準(zhǔn)要求，鉆桿對(duì)焊端面必須光滑且對(duì)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(dá)到對(duì)焊標(biāo)準(zhǔn)時(shí)盡快進(jìn)行焊接。

2.3 摩擦焊參數(shù)制定

目前修復(fù)4 in鉆桿的摩擦焊設(shè)備屬于慣性摩擦焊設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)、主軸、飛輪、夾盤，移動(dòng)夾具、浮動(dòng)夾具、液壓缸等組成，其焊接過程有4個(gè)階段，分別為:施加摩擦壓力前的旋轉(zhuǎn)和管體自動(dòng)行走階段；工件旋轉(zhuǎn)向前施加壓力階段(一級(jí)摩擦對(duì)焊階段)；保持摩擦壓力并旋轉(zhuǎn)的加熱階段(二級(jí)摩擦對(duì)焊階段)；頂鍛階段，停止旋轉(zhuǎn)，施加頂鍛壓力并保持一定時(shí)間。其過程由程序進(jìn)行控制，但確定每段時(shí)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(shí)使摩擦焊縫形成鍛造組織，晶粒細(xì)化，組織致密，不產(chǎn)生熔化和凝固有關(guān)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(jí)和不同規(guī)格的鉆桿，對(duì)其摩擦壓力進(jìn)行計(jì)算和依據(jù)經(jīng)驗(yàn)做適當(dāng)調(diào)整，并選擇設(shè)定合理的時(shí)間。經(jīng)查閱長(zhǎng)春數(shù)控機(jī)床有限公司提供的C-132-J型摩擦焊機(jī)使用說明書中關(guān)于焊機(jī)試車中摩擦焊機(jī)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(jìn)行計(jì)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(qiáng), 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(dòng)阻力而增加的壓力數(shù)值，大約0.2～0.3 MPa或?qū)崪y(cè)。一級(jí)摩擦壓力q1=20 N/mm2,二級(jí)摩擦壓力q2=50 N/mm2，頂鍛壓力q3=120 N/mm2。

根據(jù)相關(guān)資料，對(duì)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(jì)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(fù)過程中的經(jīng)驗(yàn)，最終參數(shù)一般是一級(jí)摩擦壓力約為頂鍛壓力的18%，二級(jí)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(duì)焊鉆桿的外徑變化的，鉆桿截面越大，所需的壓力越大，摩擦?xí)r間和變形量也隨著壓力而變化。因此選擇摩擦對(duì)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(duì)焊時(shí)間為 (t+0.5)/(t-0.5)。

經(jīng)過計(jì)算和結(jié)合前期的5 in對(duì)焊討論設(shè)定摩擦焊機(jī)參數(shù)按照表1進(jìn)行。

表1 摩擦焊參數(shù)

2.4 焊縫熱處理工藝

摩擦對(duì)焊后，焊縫附近區(qū)域硬度高，晶粒粗大，力學(xué)性能差，且存在著很高的殘余應(yīng)力，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚韥碚{(diào)整焊區(qū)組織，消除焊接應(yīng)力，達(dá)到使用要求。在實(shí)際生產(chǎn)中常用中頻電源通過感應(yīng)線圈對(duì)鉆桿焊縫進(jìn)行加熱，完成對(duì)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(yīng)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(jìn)行控制。

2.4.2 焊縫淬火

4 in鉆桿經(jīng)摩擦對(duì)焊后，焊區(qū)質(zhì)量需通過淬火進(jìn)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(gè)步驟將焊縫處組織轉(zhuǎn)為馬氏體組織，經(jīng)查閱相關(guān)資料淬火溫度與原修復(fù)5 in鉆桿相同，因此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)焊鉆桿的焊縫在經(jīng)過淬火處理之后內(nèi)應(yīng)力較大且硬度較高，此時(shí)要盡快進(jìn)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(yīng)加熱，其電源頻率控制在600 Hz 左右，因?yàn)轭l率過低容易導(dǎo)致加熱效率的下降，而頻率過高則容易導(dǎo)致集膚效應(yīng)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(shí)[2]，采用紅外測(cè)溫儀對(duì)回火的溫度進(jìn)行測(cè)量，利用計(jì)算機(jī)閉環(huán)對(duì)回火溫度進(jìn)行控制，避免由于溫度不恰當(dāng)或變化大造成索氏體分解和焊縫截面硬度不達(dá)標(biāo)[4-6]。

2.5 壓彎力值確定

在對(duì)焊縫修磨完成后，為使后續(xù)的檢驗(yàn)?zāi)芨菀装l(fā)現(xiàn)焊縫中存在的缺陷，根據(jù)《摩擦對(duì)焊修復(fù)工藝規(guī)范》3.12壓彎工藝中彎曲力計(jì)算公式確定壓力值，其計(jì)算用公式(2)：

F=3.14×(D4-d4)×σ/(8×L×D)

(2)

其中：σ：對(duì)于S、G、X、E鋼級(jí)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(shí)際L為300 mm,D為106 mm,d為71.4 mm 計(jì)算得到F=716 kN。

3 焊后檢驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)

3.1 焊后檢驗(yàn)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(kuò)展，其產(chǎn)生與材料的淬硬性及焊接參數(shù)有關(guān)，有限元分析表明，當(dāng)焊區(qū)兩側(cè)塑性較寬、頂斷壓力過大時(shí)，會(huì)在焊合區(qū)周邊部位產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，這是形成飛邊缺口裂紋的主要原因。異種材料焊接時(shí)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(shí)，在焊后或熱處理后會(huì)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(kuò)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(yīng)力分布及焊接過程中脆性材料的損傷有關(guān)。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(dāng)(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(shí)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(duì)摩擦焊接頭焊縫處進(jìn)行無損檢測(cè)，采用超聲波探傷和磁粉探傷檢驗(yàn)焊合區(qū)情況。

3.2 焊后質(zhì)量檢測(cè)

4寸摩擦對(duì)焊鉆桿的產(chǎn)品機(jī)械性能數(shù)據(jù)主要通過屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊功和延伸率進(jìn)行判定，要得到上述數(shù)據(jù)需通過破壞性試驗(yàn)，試塊的制作標(biāo)準(zhǔn)和尺寸根據(jù)SY/T 5561—2008《摩擦焊接鉆桿》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于修復(fù)鉆桿的要求進(jìn)行選取，S135鋼級(jí)的4 in鉆桿標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度≥724 MPa，抗拉強(qiáng)度≥793 MPa，延伸率≥13%，焊縫沖擊功平均值≥54 J,為驗(yàn)證對(duì)焊的4 in鉆桿是否合格，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2，滿足SY/T 5561—2008《摩擦焊接鉆桿》中對(duì)修復(fù)鉆桿的力學(xué)要求。

表2 焊區(qū)檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

針對(duì)對(duì)焊鉆桿工藝特點(diǎn)選擇設(shè)備配件，對(duì)摩擦對(duì)焊工藝重點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算，確定其實(shí)際對(duì)焊參數(shù)并按照標(biāo)準(zhǔn)完成試驗(yàn)試塊的制作。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明經(jīng)摩擦對(duì)焊完成的4 in鉆桿機(jī)械性能滿足要求；通過上井使用，進(jìn)一步驗(yàn)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(duì)焊打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也為其它不同規(guī)格的鉆桿進(jìn)行摩擦對(duì)焊修復(fù)積累了經(jīng)驗(yàn)。