摩擦焊接及形變熱處理技術在外加厚油管修復中的應用

張朋舉，魏曉娟，張永紅，王 語，殷志杰，張仙文，魏 芳

（1.中國石油吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密839009；2.中國石油吐哈油田公司吐魯番采油廠，新疆 鄯善 838202）

摩擦焊接及形變熱處理技術在外加厚油管修復中的應用

張朋舉1，魏曉娟1，張永紅2，王 語1，殷志杰1，張仙文1，魏 芳1

（1.中國石油吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密839009；2.中國石油吐哈油田公司吐魯番采油廠，新疆 鄯善 838202）

通過對外加厚油管的修復工藝展開分析，設計了摩擦焊接及形變熱處理為關鍵技術的修復工藝，并且選擇了系列修復設備和輔助設施。在此基礎上以φ73.02 mm×5.5 mm規格油管為樣品進行工程試驗，檢測了接頭的微觀組織和力學性能。結果表明，在一定的摩擦焊接參數條件下，φ73.02 mm×5.5 mm規格油管焊縫性能可達到API SPEC 5CT規定的力學性能要求。通過工程試驗，認為該技術在油管修復上的應用是可行的，并且可以成為外加厚油管生產的一種新方法。

摩擦焊接；形變熱處理；油管

油管作為油氣井開發過程中的主要生產通道之一，在油氣開采過程中起到了非常重要的作用。隨著油田開發力度的不斷加大，開發難度和幅度也不斷加大，油管需求量不斷增長，成本控制成為油田關注的首要問題，同時油管的充分利用，不僅能延長其使用壽命，而且會進一步節約開采成本。資料顯示，油管在應用過程中，受軸向載荷及上扣預緊力綜合作用，油管端螺紋處承載最大，油管失效部位99%發生在此處。因此油管修復主要應針對螺紋處，即切掉舊螺紋，重新加工新螺紋［1］。當初次下井的油管經過一定周期的應用后，螺紋端發生失效，就需要針對該處進行修復。需要重新對加厚端進行加厚處理和螺紋加工以后應用。相關文獻顯示，我國石油機械制造業已成功地將摩擦焊技術應用于鉆桿和空心桿生產上［2-11］。筆者結合摩擦焊接技術在鉆桿產品上的技術應用實例，以外加厚油管的摩擦焊接工程試驗為研究對象，分別從工藝設計、設備選型、輔助設施設計、工程試驗驗證及評價4個方面，為油管采用該技術進行修復提供工程價值。

1 工藝設計

外加厚油管修復工藝，首先針對舊油管采用專用裝置進行分選，結合API 5CT標準，以直線度、是否結垢、銹蝕情況、表面質量、接箍端與外螺紋端朝向順序進行分類，經過通徑以及探傷再進行鋸切，完成焊接前期準備工作。根據掌握的摩擦焊接技術，制定如圖1所示的修復工藝。

圖1 油管磨擦焊接修復工藝

在摩擦焊接修復工藝中，摩擦焊接及中頻回火即為形變熱處理工藝。此工藝主要是利用組織和相遺傳原理，對奧氏體進行塑形變形，引起高密度位錯，遺傳給淬火馬氏體［12］。在摩擦對焊過程中，高速旋轉的油管接頭焊縫區的溫度可達鍛造溫度，焊接完成時進行頂端變形，同時噴水淬火，再進行適當回火處理，與普通回火處理相比，在大幅提高強度的情況下，提高了塑、韌性。這種方法利用了剎車能耗和焊接余熱，保證了接頭在焊接過程中得到形變和相變強韌化的效果。

2 設備選型

摩擦焊接設備為MC-40摩擦焊機，其參數為：功率45 kW；轉速1 450 r/min；主軸轉速960 r/min；最大頂鍛力400 kN；旋轉夾具夾緊力400 kN；滑動夾具夾緊力2×600 kN；滑臺最大行程550 mm；液壓系統最高壓力16 MPa。

焊縫回火設備為ZP160型中頻感應裝置，其參數為：電源功率160 kW；電源頻率500～1 000 Hz；輸入電流260 A；輸入電壓3×380 V；輸出電壓750V；工位數2；冷卻水總流量8 m3/h；感應器2匝；加熱寬度20 mm。

車削內外飛邊設備為Q1319管螺紋車床，其參數為：中心高300 mm；主軸孔徑200 mm；主軸檔數（正轉12檔，反轉6檔）；主軸轉速（正轉25～250 r/min，反轉32～320 r/min）；加工鋼管螺紋直徑50～190 mm；加工一半軸、盤類零件直徑50～600 mm；加工端面的不平度0.03 mm；主電機功率7.5 kW。

3 輔助設施設計

輔助設施主要是針對廢舊油管分選裝置、摩擦焊接輔助工作裝置、焊縫回火輔助工作裝置、車床輔助工作裝置及焊縫打磨輔助工作裝置，這些輔助工作裝置的設計和制作，保證了各個工序之間的銜接及工藝的穩定性，提高了生產效率，降低了勞動強度。

3.1 廢舊油管分選裝置

廢舊油管分選裝置如圖2所示。其1#工位為集料工位，在2#工位進行逐根檢測，檢測合格并且完好的油管經過3#制動電機帶動滾輪軸向傳動，移出分選裝置。剩下的4個集料框分別按照舊油管的損傷程度分類收集，其中前3個集料框在收集舊油管過程中，5#擋料機構在6#氣缸作用下，可以實現與7#主梁軌道水平方向的分離，順利落料；當歸類于另一個工位時，擋料機構可以和主梁軌道合一，形成完整軌道，順利實現舊油管滾動至下一個集料框。

圖2 廢舊油管分選裝置

3.2 摩擦焊接及車削飛邊輔助工作裝置

摩擦焊接及車削飛邊輔助工作裝置如圖3所示。待焊接的油管在2#上下料氣缸制動下上料后，1#軸向工作輪氣缸開始工作，使得3#制動滾輪逆時針旋轉90°后，開始軸向進給到摩擦焊接的設定位置，這時3#制動滾輪回位，當油管旋轉時，4#旋轉輔助輪開始工作，配合摩擦焊機實現油管接頭與管體的焊接。車床在車削內外飛邊時，對工作輔助裝置的要求與摩擦焊機的要求類似。

3.3 焊縫回火輔助工作裝置

焊縫回火輔助工作裝置與圖3所示的裝置類似，將圖3中4#油管旋轉輔助輪去掉。依靠2#氣缸工作實現上下料，抵達工作工位，然后1#機構開始起作用，使3#制動滾輪逆時針旋轉90°后，開始軸向進給至焊縫回火線圈的設定位置，當回火加熱工序完成后，3#制動滾輪制動，使得油管退回。3#制動滾輪恢復至原來位置，1#機構工作移除，油管進入下一工位。

圖3 磨擦焊接及車削飛邊輔助工作裝置示意圖

3.4 焊縫打磨工作裝置

焊縫打磨工裝如圖4所示。該裝置主要由4部分組成，當油管進入打磨工位時，1#上下料制動氣缸開始工作，待油管置于合適工位后3#制動電機帶動旋轉滾輪旋轉，實現油管打磨焊縫時所需轉動速度。

圖4 焊縫打磨工裝示意圖

4 工程試驗驗證及評價

4.1 試驗樣品

試驗采用按照API SPEC 5CT標準要求加工的P110鋼級接頭及經過鋸切的N80鋼級修復油管管體。其化學成分見表1和表2。

表1 P110鋼級接頭化學成分 %

表2 N80鋼級管體化學成分 %

其中接頭按照標準中外加厚油管的尺寸加工，如圖5所示。

4.2 試驗過程

按照圖1所示工藝進行修復。在整個生產過程中，關鍵步驟為摩擦焊接及形變熱處理、焊縫回火及去除內外飛邊。

圖5 焊接油管接頭

4.2.1 摩擦焊接

摩擦焊接可分為一級頂鍛、二級摩擦以及后續的機械強力頂鍛。對整個焊接過程實時監控，測量到焊接最高溫度可達1 100℃，在最終頂鍛過程中，有5～6 mm的軸向位移。

因此，摩擦焊接的整個焊接過程實質就是金屬晶粒在摩擦焊接以及強力頂鍛過程中不斷地被擠碎，又不斷地在高溫狀態下形核、長大。在此過程中，對奧氏體化溫度以上的焊縫進行噴水淬火處理，在焊縫部位形成淬火態組織。通過對設備進行調試，確定該試驗的摩擦焊接及水淬參數見表3。

表3 摩擦焊接工藝參數

4.2.2 焊縫回火

根據油管性能，我們利用經驗公式確定焊縫回火溫度及回火時間。

（1） 高溫回火溫度 T=200+12×（60－HRC）℃，HRC為回火后硬度。根據API SPEC 5CT標準及實際加工要求選取23～25 HRC，T=620～644℃， 試驗取值為630℃。

（2）保溫時間為25 s。

4.2.3 焊接飛邊處理

焊接過程中由于管頭和管體之間一直存在較大的接觸壓力，部分處于粘塑性狀態的金屬會被擠出，在焊縫處內外壁形成環狀飛邊。外壁飛邊會造成管體外壁之間局部變大，內壁飛邊會引起管體過流面積減小，影響井下工具的使用，因此要對內、外飛邊進行加工。

（1）外飛邊加工。管頭焊接面處直徑比管體大1 mm，在同軸度≤0.5 mm時，外徑差異能夠抵消同軸度造成的斷面錯位，因此，在清除外飛邊的時候，可以將外飛邊沿著管體完全去除，然后進行打磨。

（2）內飛邊加工。內飛邊的清除屬于深孔加工，為了保證不減少有效的連接面積，同時保證通徑合格，加工方便，內飛邊單邊殘留高度要求不大于0.3 mm。在同軸度為0.5 mm、管體同管頭夾角為0.1°時，內飛邊使用車床清除后，還要使用長柄氣動砂輪機進行打磨，清除尖角和毛刺。

4.2.4 焊接強度在線檢測

以上方法在一定程度上保證了焊接過程按照工藝進行，但是并不能直觀地反映焊接的強度，因此需要對焊接強度進行在線檢測。目前對于焊接強度最直觀、有效的檢測方法是拉拔試驗。應用焊接油管拉拔機，拉拔強度為管體屈服強度下限的80%，對于N80鋼級、規格為φ73 mm的焊接式油管，其拉拔強度為441.6 MPa。這樣就能有效避免虛焊、假焊的油管進入下步工序，也就有效的保證了焊接式油管在現場使用的可靠性。

4.3 試驗結果與分析

為了驗證上述摩擦焊接及焊縫熱處理工藝參數，我們采用8個P110鋼級油管管頭和8件N80舊油管管體，按照工藝參數進行加工檢測。焊接后試樣的力學性能見表4，微觀組織如圖6所示。

根據表4的數據可以發現，8個試樣的平均屈服強度為943 MPa，平均抗拉強度為1 083 MPa，均符合API SPEC 5CT第9版中P110鋼級中規定的要求。8組伸長率數值均超過標準值的15%，并且距離焊縫的位置均為偏向N80管體一側，數值均超過了25 mm，且遠在熱影響區范圍以外。從圖6可以看出，焊縫處的金相組織以典型的回火索氏體為主，組織狀況良好。

表4 焊縫力學性能測試值

圖6 焊縫處顯微組織

5 結 語

通過采用摩擦焊接及形變熱處理技術，確定了外加厚油管的修復工藝，并以此工藝為基礎選擇了專用的設備，設計了專用的輔助設施。在設定的工藝參數條件下，實現了外加厚油管的修復，經檢驗達到了API SPEC 5CT標準的要求。為外加厚油管的修復提供一種可靠的方法，并為新的外加厚油管制造探索了一種新的方法。

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Application of Friction Welding and Thermal-mechanical Treatment Technology in the External Upset Tubing Repairing

ZHANG Pengju1,WEI Xiaojuan1,ZHANG Yonghong2,WANG Yu1,YIN Zhijie1,ZHANG Xianwen1,WEI Fang1
（1.PetroChina Tuha Oilfield Company Machinery Plant， Hami 839009,Xinjiang,China;2.Petrochina Tuha Oilfield Company Turpan Oil Production Plant,Shanshan 838202,Xinjiang,China）

In this article,the analysis on the repair technology of the external upset tubing was carried out，the key technology repair process of friction welding and thermal-mechanical treatment was designed,and chose a series of repair equipment and auxiliary facilities.On this basis， taking φ73.02 mm×5.5 mm tubing as engineering test samples,the microstructure and mechanical properties of joint were detected.The results showed that the performance of tubing with size of φ73.02 mm×5.5 mm can reach the mechanical performance requirements specified in API SPEC 5CT，under certain conditions of friction welding parameters.Through the engineering test,it considered that the technology application in tubing repair is feasible,and can become a new method for external upset tubing production.

friction welding;thermal-mechanical treatment;tubing

TG453.9

B

1001－3938（2015）12-0058-05

張朋舉（1983—），男，工程師，主要從事石油管桿制造與應用研究。

2015-09-17

羅 剛