張軍巧， 李美華

(北京石油機(jī)械有限公司，北京 102206)

0 前言

頂驅(qū)裝置是一種高效的石油鉆井裝備，在鉆定向井、大位移井等復(fù)雜井及解決井下事故方面表現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢(shì)[1]。泥漿連接管是頂驅(qū)裝置泥漿循環(huán)通道的一部分，一端連接水龍帶，一端連接鵝頸管，其作用是輸送高壓鉆井液，額定工作壓力70 MPa，最低環(huán)境溫度-35 ℃。受結(jié)構(gòu)限制，泥漿連接管形狀不規(guī)則，最主要的制作工藝是將各段管子間進(jìn)行焊接。在鉆井過(guò)程中震動(dòng)、鉆井液高壓和腐蝕等因素的作用下，各段管子之間的環(huán)形焊縫是薄弱環(huán)節(jié)，焊縫質(zhì)量的好壞直接影響著鉆井作業(yè)進(jìn)度，涉及到鉆井設(shè)備和作業(yè)人員的安全。因此，需要確定泥漿連接管的焊接工藝，以保證焊接質(zhì)量，提高焊接效率。

1 泥漿連接管材料焊接性分析

用于計(jì)算預(yù)熱溫度的碳當(dāng)量CE經(jīng)驗(yàn)公式[2]如下。

CE=C+Mn/6+Ni/15+Cr/4+Mo/4+Cu/13

(1)

泥漿連接管材質(zhì)為35CrMo，CE為 0.713%，大于0.6%，且含有Cr,Mo 等提高淬透性的合金元素，這種鋼焊接性相對(duì)較差，焊接接頭的淬硬傾向大，特別是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時(shí)，熱影響區(qū)的冷裂紋傾向表現(xiàn)更為突出[3-4]。

2 泥漿連接管壁厚的確定

承受內(nèi)壓連接管設(shè)計(jì)壁厚與外徑、材料許用應(yīng)力、溫度系數(shù)、腐蝕和沖蝕裕量、彎曲附加余量、質(zhì)量系數(shù)、焊縫接頭的強(qiáng)度系數(shù)等有關(guān)[5]，即

(2)

式中：tm為所需最小厚度；Y為溫度系數(shù)0.4；c為加工裕量與腐蝕和沖蝕裕量的和，考慮到鉆井液的作用，c為3 mm；P為泥漿的工作壓力70 MPa；S為材料許用應(yīng)力207 MPa；E為質(zhì)量系數(shù)，使用35CrMo 時(shí)，E為1；W為焊接接頭強(qiáng)度降低系數(shù)，根據(jù)使用溫度和材料，W為1；D為管子外徑135 mm。經(jīng)計(jì)算得出，壁厚tm為24 mm。

3 焊接坡口形式

所有接頭均為管—管對(duì)接接頭，環(huán)形焊縫，在考慮施焊、加工和全焊透的前提下，焊接坡口形式應(yīng)盡量減小焊接變形，節(jié)省焊條，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本，為此采用 V 形坡口[6]，單面焊接雙面成形。坡口尺寸見(jiàn)圖1，其中，t為接頭壁厚。

圖1 焊縫坡口尺寸

4 焊接工藝參數(shù)選擇

根據(jù)API Spec 8C規(guī)定，當(dāng)連接管母材金屬熱處理后有延展性要求、強(qiáng)度要求以及沖擊吸收能量試驗(yàn)要求時(shí)，這些試驗(yàn)也應(yīng)作為焊接工藝評(píng)定的要求，且焊縫和熱影響區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)滿足母材的最低要求，因此焊接工藝評(píng)定的目標(biāo)要素主要有：焊縫表面及內(nèi)部質(zhì)量、抗拉強(qiáng)度、塑性和沖擊吸收能量。

4.1 焊接材料選擇

根據(jù) 35CrMo 材料焊接特點(diǎn)、接頭型式，同時(shí)為防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，保證焊縫接頭強(qiáng)度和低溫沖擊韌性，經(jīng)綜合試驗(yàn)，最終確定使用可降低接頭拘束應(yīng)力和應(yīng)力集中、脫硫脫磷能力強(qiáng)、適用于低溫高韌性全位置焊接的低氫型焊條 E6016-D1。

4.2 焊接方式

泥漿連接管形狀不規(guī)則，屬小批量生產(chǎn)，而手工電弧焊具有操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)，凡焊條能夠達(dá)到的地方都能進(jìn)行焊接。對(duì)單件或小批量不規(guī)則工件和不易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化焊接的焊縫尤其適用，所以采用手工電弧焊。

4.3 焊前準(zhǔn)備

4.3.1清理坡口

焊接坡口保持平整，不得有裂紋、分層、夾雜等缺陷，形狀和尺寸應(yīng)符合圖紙要求。

將待焊接的坡口邊緣30 mm 范圍內(nèi)的鐵銹、毛刺及油污等清除干凈，使其露出鋼材金屬光澤。

4.3.2焊前預(yù)熱溫度

合理預(yù)熱溫度不僅可提高氫的擴(kuò)散系數(shù)，還可以增大焊縫和近焊縫區(qū)的冷卻時(shí)間。預(yù)熱溫度的選擇與坡口型式、母材厚度、母材化學(xué)成分、焊接拘束度等因素有關(guān)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定焊前預(yù)熱溫度為 350 ～ 400 ℃，預(yù)熱寬度一般應(yīng)為焊縫區(qū)周圍各三倍壁厚，且不得少于100 mm。層間溫度 350 ～ 400 ℃，焊后保溫緩冷。

4.3.3焊條烘干

焊條受潮會(huì)使工藝性能變壞，造成電弧不穩(wěn)、飛濺增大，并容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。因此，使用前必須對(duì)焊條進(jìn)行烘干。烘干焊條時(shí)，要避免把冷焊條突然放進(jìn)高溫箱內(nèi)，或從高溫箱中突然取出冷卻，要慢慢加熱，慢慢冷卻，以防止藥皮因驟熱或驟冷而產(chǎn)生開(kāi)裂、脫落等現(xiàn)象。同時(shí)，應(yīng)鋪成層狀，避免焊條烘干時(shí)受熱不均和潮氣不易排除，在 350 ℃下烘烙 2 h。烘干后，放在 100 ～ 150 ℃保溫箱內(nèi)隨用隨取。焊條不能多次反復(fù)烘焙，最多只能烘干 2 次。

4.4 焊接工藝

手工焊條電弧焊的焊接工藝參數(shù)主要包括焊條直徑、焊接電流、電弧電壓和焊接速度等。為避免堿性焊條產(chǎn)生晶間腐蝕和熱裂紋，保證焊接穩(wěn)定性，采用直流反接。

焊接電流是焊條電弧焊的主要工藝參數(shù)，焊工在操作過(guò)程中需要調(diào)節(jié)的只有焊接電流，焊接速度和電弧電壓都是由焊工控制的，所以焊接電流的大小直徑影響著焊接質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。而由焊接電流、電弧電壓和焊接速度決定的熱輸入量大小則影響著熱影響區(qū)母材的硬度和韌性。

確定的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表 1。打底層用φ3.2 mm 焊條，其余各層直徑φ4 mm，每一層的厚度不大于4 mm。每焊完一根焊條，馬上錘擊焊道，消除應(yīng)力，焊接過(guò)程中層間溫度控制在 350 ～ 400 ℃，且不低于預(yù)熱溫度。焊接速度要等速，保證焊縫厚度、寬度一致。不在坡口以外的母材上引弧，熄弧時(shí)弧坑一定要填滿，焊縫的引弧和收弧要錯(cuò)開(kāi)30 mm 以上。全部焊完后用角磨機(jī)對(duì)焊接處進(jìn)行修模整理。焊后保溫緩冷，利于擴(kuò)散氫逸出，防止冷裂紋產(chǎn)生。

表1 焊接參數(shù)

4.5 焊后取樣及試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭斷面宏觀形貌如圖2所示。30°單V形坡口，6焊道。

圖2 焊接接頭斷面宏觀形貌

焊后對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和靜壓試驗(yàn)，然后取拉伸、側(cè)彎、沖擊試樣進(jìn)行分析[7-8]。

焊縫的目視檢查、磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)結(jié)果顯示：焊縫金屬與母材全焊透和全熔合，無(wú)裂紋，沒(méi)有超過(guò)0.8 mm的圓形顯示，沒(méi)有超過(guò)8 mm線性顯示。

對(duì)焊縫進(jìn)行兩個(gè)周期、每周期3 min、壓力105 MPa的靜壓試驗(yàn)，結(jié)果顯示無(wú)壓力下降、無(wú)滲漏。

對(duì)拉伸試件、側(cè)彎試件和沖擊試樣進(jìn)行試驗(yàn)，檢查其抗拉強(qiáng)度、塑性及沖擊韌性。結(jié)果顯示焊縫抗拉強(qiáng)度為610 MPa和615 MPa，高于母材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度500 MPa。側(cè)彎試樣在 63.5 mm 壓頭直徑作用下，彎曲 180°，在彎曲后的凸面上沿任何方向測(cè)量，顯示焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)完好，無(wú)裂紋。其中側(cè)彎后的一件如圖3所示。-35 ℃下的沖擊試驗(yàn)韌性值52 J，67 J，48 J，高于母材此溫度下：任一值高于20 J、平均值高于27 J的要求。

圖3 側(cè)彎后的試件

5 結(jié)論

35CrMo含碳當(dāng)量較高，焊接性差，易出現(xiàn)冷裂紋，通過(guò)確定焊接工藝參數(shù)，控制電弧電壓、預(yù)熱溫度、層間溫度和焊后處理，獲得了綜合性能良好的焊接接頭，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、靜壓力試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性試驗(yàn)，結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。