石油鉆桿焊縫熱處理與摩擦焊接研究

楊勇平，孫家棟

（渤海裝備一機廠 渤海能克鉆桿有限公司制造部，河北 青縣 062658）

在油井管產品中，由于鉆桿要直接承受鉆井作業過程中復雜的彎扭壓拉組合載荷，其油田服役的安全性顯得至關重要。根據油田的使用經驗，鉆桿的失效，主要體現在焊縫及內加厚過渡帶兩個部位。在提高焊縫的安全性方面，目前國內外各大鉆桿生產廠主要是通過摩擦焊接方法及適當的焊縫熱處理工藝，來提高焊縫的安全系數。當然，摩擦焊接工藝的可靠性是至關重要的。

1 石油鉆桿摩擦焊接及焊縫熱處理技術發展現狀

石油鉆桿工具接頭與管體之間的對焊，從早期的電弧焊、閃光對焊逐步發展到當今的連續驅動摩擦焊接及慣性摩擦焊接，鉆桿對焊的生產效率越來越高，焊縫的質量也越來越好。目前，慣性摩擦焊接方法最流行，也是最可靠的鉆桿對焊方法。

與其他焊接方法相比，慣性摩擦焊接方法有如下優點：

（1）焊接速度快，焊接熱影響區窄，晶粒不容易長大；普通弧焊方式則容易產生寬大的熱影響區及晶粒長大現象。

（2）慣性摩擦焊接方法基本上不會產生焊接灰斑；閃光對焊方法較容易產生焊接灰斑而嚴重影響焊縫質量。

（3）慣性摩擦焊接過程中，由于基本上不用剎車，因此這種方法要比連續驅動摩擦焊接方法更節約能量。

（4）與連續驅動摩擦焊接方法相比，慣性摩擦焊接方法的焊接時間大約是前者的一半，生產效率可大大提高。

另外，為了提高焊縫的強韌性，鉆桿對焊焊縫的熱處理工藝也逐步由焊后回火工藝向焊后的調質工藝發展。這種焊后熱處理方法，顯著增加了焊縫的抗疲勞斷裂能力。

2 API標準對石油鉆桿焊縫力學性能的基本要求

1997年12月的旋轉鉆柱構件規范（API SPEC 7）的新版標準中，首次將石油鉆桿對焊焊縫的工藝及性能要求明確列入其中。其基本要求如下：

（1）焊縫必須要進行奧氏體化處理，而回火溫度不低于593℃；

（2）對焊縫必須進行100%的磁粉檢驗及超聲波檢驗；

（3）鉆桿對焊必須按批進行，對每批（不超過400根）焊后的鉆桿，抽取1根進行力學性能解剖實驗；

（4）做拉伸實驗，要求焊區的截面強度（焊縫屈服強度×焊區截面積）大于鉆桿管體的截面強度（管體屈服強度×管體不加厚部位的截面積）；

（5）焊縫的常溫（21℃）沖擊要求為：每個接頭取3個沖擊樣，3個試樣的縱向沖擊功平均值不小于16.3J，3個試樣的最小縱向沖擊功不小于13.6J；

（6）在整個焊縫熱處理的熱影響區范圍內，任何一點的硬度值不能大于HRC37（約HV347/HB341）。

3 石油鉆桿的摩擦焊接工藝

3.1 工具接頭的焊前預處理

為了保證焊縫的純凈，工具接頭必須經過預處理后，才可以與預處理后的管體進行配焊。預處理的內容包括：

（1）用平面砂輪對將要進行配焊的工具接頭端面進行打磨，目的是為了去除端面上的銹跡及其他污染物；

（2）為了滿足API標準的要求，必須在工具接頭公螺紋的根部進行壓印，注明焊接的年份、月份、鋼級及生產廠家的名稱。

3.2 管端的預處理

對于經過加厚及整體調質處理的鉆桿管體的管端，必須進行加工，使得端面的尺寸達到配焊規定的尺寸。預處理的內容包括：

（1）車削加厚端的外表面，使其接近工具接頭焊接處的外徑；

（2）對端面進行加工，去除端面的氧化鐵皮，確保對焊表面干凈；

（3）對鉆桿的端頭要鏜內孔，使其達到配焊的尺寸。

3.3 摩擦焊接基本過程

以慣性摩擦焊機為例，由液壓夾具將管體緊緊地夾持在焊接小車上，工具接頭由卡套緊緊地夾持在主軸的中心，由電機帶動主軸高速旋轉，當主軸的轉速達到設定值時，電磁離合器動作，將電機與主軸脫開。之后，焊接小車在液壓的驅動下，帶動管體向工具接頭移動并通過焊機液壓系統產生的頂鍛壓力，將管體的端面緊緊地壓在工具接頭的端面上，從而產生大量的摩擦熱，此熱量使得焊接面上的金屬迅速升溫并塑性化，然后在頂鍛壓力的作用下被擠出焊接面，形成為內、外毛刺。當焊機主軸中貯存的能量消耗完后，主軸停止轉動，延時保壓后，焊接過程結束。

此種焊機除了具有焊接功能外，還具有除去毛刺的功能，即焊接過程結束后，乘著焊縫內毛刺還未冷卻，而用焊機上的沖頭將紅熱的內毛刺基本沖除。之后，管體夾具松開，主軸啟動并帶動已焊好的鉆桿旋轉，利用外毛刺車削刀具，將外毛刺基本去除。

渤海能克鉆桿有限公司的摩擦焊接機，不具有除去毛刺的功能，鉆桿焊縫熱處理工藝是鉆桿摩擦焊接后先退火，溫度是（680±10）℃，然后用車床加工去除鉆桿焊縫處的毛刺，接下來淬火，溫度是（960±10）℃，然后回火，溫度是（650±10）℃。

3.4 焊接過程中需控制的輸入和輸出參數

（1）輸入參數。焊接起始轉速、主軸飛輪配重、頂鍛壓力。

（2）輸出參數。焊接縮短量。其中焊接縮短量的控制最為關鍵，因為焊接縮短量是3個輸入參數綜合結果的體現。

3.5 摩擦焊接參數的計算

（1）頂鍛壓力的計算。頂鍛壓力用公式（1）進行計算。

式中，

P1為頂鍛壓力（MPa）；

P0為需要施加在焊接端面上的壓力（MPa）；

D為管端外徑（mm）；

d為管端內徑（mm）；

D1為油缸活塞直徑（mm）；

d1為油缸活塞桿直徑（mm）。

（2）焊機配重的計算。焊機配重用公式（2）進行計算。

式中，

M1為焊機配重（kg·m2）；

M0為主軸轉動慣量（kg·m2）；

G0為焊接端面上所需要的能量（J/mm2）；

w為主軸起始轉速（r/min）。

（3）主軸起始轉速的確定。對于沒有生產過的新產品，首先要做焊機的焊接參數計算工作。根據鉆桿生產線摩擦焊機的特性，主軸起始轉速應選在1 000 r/min左右。這樣的轉速，既能保證摩擦焊接質量的可靠性，也可適當減輕主軸軸承的負擔（轉速越高，主軸軸承越容易損壞）。

3.6 石油鉆桿焊接工藝要點

（1）盡可能采用大壓力、大慣量的硬焊接規范，這樣既可以縮短焊接時間，又窄化了焊區，為后道焊縫的調質處理奠定了較好的組織基礎。

（2）焊接前對管端及工具接頭的端面進行充分的預處理，確保焊縫的純凈。

（3）焊機的參數監控系統很重要，它使得焊接縮短量的檢測更加準確，并判斷其是否達到設定標準。如果未達到，系統則產生報警信號。通過這種方法，可以大大提高焊縫焊合的可靠性。

（4）對焊接過程應進行全面監視，由計算機系統實時記錄下焊接過程的主軸轉速—時間曲線、頂鍛壓力—時間曲線及焊接縮短量—時間曲線，并將這些數據保存在計算機硬盤上，隨時備查詢。

4 石油鉆桿焊縫的熱處理

根據APISPEC7標準的要求，石油鉆桿在摩擦焊接工藝后，必須對焊縫進行調質處理，即“淬火+高溫回火”的處理。石油鉆桿采用淬透性能相當好的油淬材質。因此，在鉆桿焊縫的熱處理冷卻環節，即使僅采用高壓空氣吹冷，也可在焊縫處產生90%以上的馬氏體組織，并在隨后的高溫回火過程中，轉化為綜合機械性能良好的回火索氏體組織。

4.1 鉆桿焊縫的奧氏體化

鉆桿焊縫的奧氏體化，是焊縫熱處理的第一個重要過程，也是能耗最大的過程。通常考慮采用中頻感應加熱的方式，進行鉆桿焊縫的奧氏體化。中頻感應加熱方式，不僅加熱速度快，而且焊縫熱影響區窄，一般情況下不會超過70mm，這樣便于后道高溫回火工序對奧氏體化區域的覆蓋。

4.2 焊縫淬火

鉆桿焊縫的淬火，既可以采用水冷也可以采用高壓空氣冷卻。水冷卻的優點，是淬透性好，噪聲小，但生產場地的環境難以控制；高壓空氣冷卻的優點，是生產場地環境整潔，但淬透性較水冷卻要差，而且噪聲大。究竟是采用水冷卻，還是高壓空氣冷卻，主要取決于鉆桿的用材。若鉆桿的材質本身是水淬材質，則應當采用水淬方式進行焊縫冷卻；若材質本身是油淬材質，則應當采用高壓空氣冷卻方式進行焊縫冷卻比較適宜，以防冷卻速度過快而產生淬火裂紋。鉆桿采用油淬材質，因此采用高壓空氣吹冷方式。

4.3 鉆桿焊縫的高溫回火

鉆桿焊縫淬火后，硬度很高，內應力也很大，必須及時進行高溫回火。通常情況下，高溫回火的加熱方式也是中頻感應加熱。一般情況下，中頻電源的頻率為1 000～2 000 Hz比較適宜。頻率過高，會產生“集膚”效應，導致焊縫處內、外壁溫度不均勻；頻率過低，將使中頻加熱的效率降低。

高溫回火環節中要注意的主要問題有：

（1）根據不同的鉆桿材質，回火溫度要適當。溫度過高，將產生過回火現象（回火索氏體被分解）；溫度過低，造成焊縫回火不充分，導致焊縫截面硬度超API標準的上限（HRC37/HV347）。

（2）回火溫度的測量和控制都非常重要。溫度的測量，最好采用紅外測溫儀；溫度的控制，最好采用計算機閉環控制，并保存好所有生產檔案，以備隨時追溯。

（3）回火必須要有足夠的焊縫寬度，否則將造成奧氏體化區域不能被完全覆蓋，有可能產生鉆桿的早期斷裂失效。

5 石油鉆桿焊縫力學性能統計分析

（1）S135石油鉆桿焊縫的縱向沖擊功非常高，過程能力指數已超過3.0。這說明鉆桿的焊縫沖擊韌性指標的保證能力很強，幾乎不可能產生不合格情況。

（2）沖擊韌性指標的方差很小，說明鉆桿焊縫沖擊韌性的波動小，穩定性好，有利于保證質量。

（3）在保證很高焊縫沖擊韌性的前提下，S135石油鉆桿的焊縫屈服強度的過程能力指數達到1.3以上，這說明該鋼級鉆桿焊縫屈服強度指標的保證能力很強。

6 結束語

（1）焊接前，對焊接端面進行充分的預處理，可以有效確保焊縫的純凈。

（2）對于慣性摩擦焊機而言，采用大壓力、大慣量的硬焊接規范，可以優化焊后組織。

（3）利用監測裝置記錄摩擦焊接的過程曲線，使得鉆桿的焊接工藝可追溯性大大增強。

（4）采用大功率中頻加熱，短時間保溫的奧氏體化工藝，既可以窄化焊縫熱處理熱影響區的寬度，又能夠有效防止晶粒長大。

（5）S135石油鉆桿焊縫的沖擊韌性非常高，而且波動小，穩定性好，過程能力指數達到3.0以上。

（6）在保證很高焊縫沖擊韌性的前提下，S135石油鉆桿焊縫屈服強度的穩定性也很好。

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