采油井口35CrMo的補焊修復方法研究

趙旭， 劉天祥

（黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶163319）

1 引 言

采油井口是主要石油裝備產品之一，因此提高采油井口的質量是當前十分重要的目標。在實際生產中，影響采油井口質量的一個重要指標就是采油井口的主體廢品率。采油井口的主體，例如油管頭體、大四通等部分，通常采用鑄造方法生產，鑄造本身就有很多不確定性，常常會有在鑄造過程中留下缺陷，例如氣孔、砂眼等。采油井口是承壓件，對鑄件的要求很高，要求所有鑄件要滿足壓力容器質量要求，不但要求材料致密，而且不允許有鑄造缺陷，因為一旦發生了鑄造缺陷問題，只能采取作廢處理。在實際生產中為了提高產品質量，降低鑄件廢品率，降低生產成本，一般采用無損檢測，超聲波或X 射線檢測，確定缺陷的位置，再用開坡口的方式去除裂紋及缺陷等，然后再采用焊接修復的方法，熔合至鑄件表面，再采用無損檢測的方式檢測，直至達到要求。

本文主要討論采油井口的主體補焊修復方法。在井口的設計和制造中，企業遵循API 標準，其中60K 的采油井口很多采用35CrMo 低合金高強鋼，由于35CrMo 屬于合金結構鋼,碳當量較高，焊接性能差，本文主要探討采用焊條電弧焊補焊35CrMo 的方法。

2 焊接性能分析

針對上述情況，專門對該件采用焊條電弧焊補焊的修復方法進行研究，35CrMo 的化學成分見表1。

根據國際焊接學會推薦的碳當量的計算公式，計算得到60K 的碳當量為0.375%，可知其焊接性很差：

（1）冷裂傾向嚴重：35CrMo 鋼為低合金高強鋼，Cr、Mo 元素含量比較高，焊接接頭淬硬傾向明顯。特別是厚壁焊件，焊接后焊件的內應力較大，如果焊件冷卻速度過快，焊件中的氫來不及逸出，極易產生裂紋。

為此，在焊接過程中必須嚴格控制好預熱溫度和焊縫的層間溫度，焊接完成后應立即進行消氫處理或采用其它熱處理方法消除應力。

（2）回火參數的影響：焊后熱處理方法對35CrMo 鋼焊接接頭質量有很大影響，既可以降低焊接接頭的硬度，消除焊接產生的內應力，又可以獲得有較好韌性的焊接接頭。所以，焊接完成后的熱處理溫度和時間選擇要適當，選擇為580℃～600℃左右，保溫時間在3.2～3.5h。

表1 35CrMo 的化學成分 /%

3 焊接工藝評定試驗

為滿足產品質量的要求，按照API 及ASME 標準，在組織焊接生產前首先要進行工藝評定試驗。

（1）焊接材料的選擇：焊條選用J857Cr。焊接材料到廠后進行化學成分的檢驗，其熔敷金屬化學成分檢驗結果見表2，焊接材料滿足設計要求。

（2）焊接工藝評定試驗：據本產品的尺寸大小，按照ASME Ⅺ《焊接和釬焊評定標準》2001 版執行，方法為焊條電弧焊，母材為35CrMo，試件的規格為500mm×300mm×40mm，要求在坡口設計時在t40 的試件開U 型坡口，鈍邊20mm，背部附帶墊襯，以便模擬鑄件的補焊工況，坡口形式見圖1。

試板焊接前需要進行預熱處理，試板的預熱溫度為240℃左右，焊縫的層間溫度控制在200℃左右，具體的焊接參數見表3，焊后需要立即進行消氫處理，焊接后焊件整體均勻加熱至580℃～600℃左右，保持3.2～3.5h，再對焊縫進行射線探傷。

表2 焊材熔敷金屬化學成分檢驗 /%

圖1 焊接評定試板坡口示意圖

表3 焊接參數

焊接工藝評定力學性能試板加工的具體數量見表4，注意都是采用冷加工方法，不能采用熱切割，會影響到試板的性能。

試件的拉伸試驗結果如表5，彎曲試驗結果如表6。

表4 焊接工藝評定試板的力學性能試樣數量

表5 試件拉伸性能試驗

表6 試件彎曲性能試驗

由表5、表6 中的試驗檢測數據可以看出，焊接工藝評定試驗中的各項技術指標均滿足設計技術要求，焊接工藝評定結果為合格，符合ASME Ⅺ《焊接和釬焊評定標準》2001 版。根據以上焊接工藝評定結果，制定了35CrMo 的補焊工藝方案。

4 補焊工藝方案

4.1 焊前準備

（1）清理：根據缺陷的大小、形狀采用碳弧氣刨或風動銑刀清除所有缺陷，開U 型坡口，坡口角度30°，半徑5mm，用角向磨光機或手動小砂輪打磨表面光滑，呈現金屬光澤。

（2）探傷：對清除缺陷的部位進行100%著色探傷，確定無缺陷存在。如有缺陷存在，繼續清理至著色探傷確定無缺陷。

（3）焊前預熱、烘干：采用箱式加熱爐對工件進行整體預熱，預熱溫度240℃左右。在焊件均勻熱透后，才能取出，取出時工件成深藍色為最佳狀態。焊條350℃～400℃烘干，保溫1～2h，烘干后放在保溫箱里150℃保溫隨用隨取。

4.2 焊接

（1）打底焊：選用ZX-400 弧焊機，選用經烘干的φ4.0mm的E8515 焊條，直流反接，電流140～180A，電壓22～28V，由熟練焊工操作，焊接速度保持在150～170mm/min。焊后仔細檢查焊道，清除焊接缺陷。

（2）填充焊：將打底焊道清理干凈，注意層間溫度200℃左右。第一層，選用φ4.0mm 的E8515 焊條，直流反接，電流140～180A，電壓22～28V，焊接速度150～170mm/min，熄弧采用回轉熄弧法，避免產生弧坑裂紋。

焊接過程中應注意焊條在熔合邊緣的停留時間，必須保證既要焊件不能出現咬邊現象，又要保證焊條熔池與母材充分熔合。焊接時需要采用短弧、多層、窄道焊的焊接方法，要求每條焊道的引弧處、熄弧處都必須錯開，同時道間的溫度要保持在250℃左右，并盡量減少熱量的輸入。

4.3 后熱處理

焊接后整體均勻加熱至580℃～600℃左右，保持3.2～3.5h，其主要作用是促進焊縫金屬擴散氫加速逸出，降低焊縫金屬中熱影響區的含氫量，減少裂紋和延遲裂紋的產生。

5 結 論

35CrMo 鋼的焊接性能比較差，材料的淬硬傾向比較嚴重，極易產生冷裂紋。焊接過程中應該嚴格控制好材料的預熱溫度和層間溫度，在焊接完成后應該立即進行消氫處理或采用消除應力其它熱處理方法去除焊接應力。尤其是在鑄件補焊過程中，必須嚴格控制好每道工序，才能確保補焊的質量。通過改進以往的焊接工藝，選用合適的焊接條件及材料，完成補焊生產的新要求，此方法既提高了產品的成品率，節約成本，同時也提高采油井口的質量，取得了良好的經濟效益。

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