修井機單片焊接變形控制及矯正

關治悅

摘 要：修井機是修井和井下作業施工中最基本、最主要的動力來源，井架單片作為修井機核心部件井架的主要構成單元，由于井架總成獨特的套裝滑移起升方式，其制造過程具有較高的要求，需要對焊接變形進行嚴格的控制，必要時還需要通過適當的矯正手段，來保障單片的尺寸及行為公差，以期得到合格的井架總成。文章從修井機單片制造過程中大腿號料、組對間隙、工裝保障、焊接控制方面來闡述井架單片在制造過程中的變形控制;對于較大的變形，從生產過程中積累的矯正方法及研究進行了闡述，希望可以提供一些可借鑒的經驗。

關鍵詞：井架單片;修井機;焊接變形;變形矯正

隨著社會的發展，油田的開采逐漸增加，油田設備需求量也在增大，修井設備的好壞直接影響到修井作業的工作效率，先進的生產設備，不僅可以保證油田的產量，同時對我國實行可持續發展戰略有著重大意義[1]。

井架單片，作為修井機井架上下體的主要構成單元，焊接變形控制及變形矯正，為制造過程工藝研究和質量控制的關鍵點和難點。井架單片的變形得到了有效控制，井架總成的產品質量也就得到了強有力的保障。

1 修井機井架單片介紹

修井機井架單片，屬于常規修井機8大系統（見圖1所示）井架及游車系統中井架總成部件。在井架制造過程中，單片制造為首要環節，井架上體的單片型式，可參見圖2所示，井架下體的單片型式，可參見圖3所示。

由于井架為套裝結構，工作時井架上體在井架下體中穿行，因此井架單片的制造有較高的要求，從長期的制造過程經驗中，我們總結有以下幾個控制要點：

（1）單片開檔尺寸E（外大內小），井架上體單片外開檔（上公差0，下公差-2mm），井架下體單片內開檔（上公差+2mm，下公差0）;

（2）直線度：全長范圍 -4mm/1000：1mm ，重合段3米間距內-2mm/1000：1mm。

（3）組對間隙小于2mm（控制焊接變形）。

2 焊接變形控制

2.1 大腿號料

我們通常將單片兩側的兩根主體型材稱之為井架大腿，其長度一般在15米至21米之間，由于市場供料長度有限，修井機的井架大腿通常需要對接已達到所需長度。在井架大腿對接之前，需要對井架大腿進行號料，我們這里講的號料，并非單純的指把已經展開的零件的真實形狀及尺寸，通過樣板、樣箱、樣條或草圖劃在鋼板或型材上的工藝過程，而在傳統號料定義上進行了延伸，包含了對型材的材料、尺寸及行為公差的確認，特別是在變形方面的確認。

井架大腿號料，關鍵在于對變形（直線度）的確認，一根長達15米至21米的型材，單純來講直線度是沒有意義的，因為太長給了型材足夠的柔性，但是需要注意的是，型材不得存在“死彎”，即難以通過相應手段得到短距離范圍內直線度要求的變形。

2.2 組對間隙

產品因受力而產生的形狀變化稱之為變形，在焊接過程中，不均勻溫度場是變形的主要原因，隨溫度變化而變化的稱為焊接瞬時變形，被焊工件完全冷卻到初始溫度時的改變，稱為焊接殘余變形。

要減少產品的焊接變形量，控制焊接過程熱輸入量是最為直接的辦法，畢竟對于大型構件如井架單片，進行反變形控制是難以實現的。而熱輸入量的直接來源，主要來自于焊縫的大小、焊接電壓U、焊接電流I和焊接行進速度V，焊接電壓和電流可以通過焊機來進行調整和控制，而焊縫大小除了設計計算后的要求以外，組對間隙則是最為直接的原因。

組對間隙和坡口大小的控制，也是一個好的鉚工成為大師最為基本的技能要求。在AWSD 1.1《鋼結構焊接規范》中，坡口焊的組對間隙要求通常在0-5mm[2]，井架單片組對時，橫撐和斜撐通過設備加工，完成單片組對后，對接間隙一般控制在0-2mm。

2.3 工裝保障

工裝保障來減小焊接變形，其主要原理是在于對剛性固定的應用。通過剛性固定，可以阻止焊接過程的收縮，來達到減小焊接變形的目的。井架單片控制的兩個要點：開檔和直線度，因為井架單片的長度，決定了單個或少數量的剛性固定是不能滿足單片的整體制造要求的，我們制造過程中使用的單片組對、焊接工裝，是一個全長度范圍內、密集型半固定式半活動工裝，如圖4所示。

單片組對工裝，是由一個大的平板、分布式的固定基準點和可活動式的固定工具（千斤頂、可伸縮式的拉桿）等構成，當組對井架上下體單片時，可綜合利用外側基準點和內側基準點，配合可活動式的固定工具，完成對內、外開檔的剛性固定。

2.4 焊接控制

焊接控制，也是焊接變形控制的一個重要環節，熱輸入量越大，產生的應力越大，其變形也就越大。根據熱輸入量公式：熱輸入量=60UI/V，可知熱輸入量與焊接過程焊接電壓、焊接電流和焊接行進速度有關，焊接電壓、電流越大，焊接行進速度越慢，則熱輸入量越大，反之，則熱輸入量越小。

因此，焊接過程控制，在工藝允許范圍內，盡量使用熱輸入量較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊，使用小電流、小電壓，加快焊接行進速度，熱輸入量越小，則產生的焊接變形的會越小。

當然，采用合理的焊接順序，同樣也可以減小焊接變形量，由于單片長度的特殊性，我們可以將單片的焊縫，近似的看作為兩條沿大腿方向的直焊縫，焊接過程采用對角線焊接、跳焊、自中間向兩側的分段焊接方法，同樣可以減小焊接變形的產生。

3 焊接變形矯正

實踐證明，多數焊接變形的結構件是可以矯正的，而矯正的方法都是通過產生新的變形來抵消已發生的變形。生產過程中，通常采用的矯正方法有機械矯正、火焰矯正和綜合矯正（火焰矯正和機械矯正），井架單片矯正所使用的方法為火焰矯正和機械矯正。

火焰矯正通常有點狀加熱法、線狀加熱法和三角形加熱法三種方法。火焰矯正科根據材質、板厚及加熱方法等不同情況，選擇不同的加熱溫度，可分為低溫加熱、中溫加熱和高溫加熱。低溫加熱溫度控制在500-600℃，適合于矯正含碳量在0.25%以上、板厚在6mm以下的碳素鋼和低合金高強度鋼，允許水冷;中溫加熱溫度控制在600-700℃，適合于矯正含碳量在0.35%以上、板厚在6mm-12mm以內的碳素鋼和低合金高強度鋼，溫度嚴禁超過723℃;高溫加熱溫度控制在723-850℃，適合于矯正板厚在14mm-16mm以內加熱，超過20mm板厚加熱溫度為850℃。不允許矯正含碳量在0.35%以上的碳素鋼和低合金高強度鋼。

3.1 井架下體單片矯正

井架下體單片如圖5所示，Ⅰ區和Ⅱ區由于結構特殊，焊接后變形量大，且產生的焊接變形均是“急彎”，而井架大腿壁薄（10mm左右），采用傳統的機械矯正方法，容易引起大腿開裂，因此一般采用三角加熱矯正法，因為三角加熱產生的變形量最大，矯正效果最好。余下的門框相對而言焊接變形較小，可采用線狀加熱法，加熱點根據實際變形情況選定，一般選取變形量最大的點。火焰校正選用低溫加熱，常溫下自然冷卻，由于大腿為井架的主要受力構件，低溫校正不允許使用澆水冷卻獲取較大的矯正效果，矯正后再常溫下自然冷卻。

3.2 井架上體單片矯正

井架上體單片，如圖2所示，結構較為單一，無特殊之處，焊接后產生的變形較小，只要工裝直線度達到要求，焊接后的井架上體單片基本無變形，用機械矯正基本可以達到要求，如圖6所示。

壓力機矯正時，應在矯正部位下多加厚墊板，施加小的壓力，多位置進行矯正，同時及時目測、檢測直線度。

4 結語

修井機井架單片的焊接變形控制、矯正方法研究，在當前的石油制造行業，仍是一項關鍵技術，也是制約私營企業對是由機械制造進軍發展的一項重要技術。其制造過程的焊接變形控制和矯正技術，同樣可以推廣借用到其他產品的制造上，為提升產品質量起到積極作用。

參考文獻：

[1]葛慶華.油田修井設備的現狀與發展趨勢分析[J].化工管理，2015（33）：129.

[2]AWSD1.1鋼結構焊接規范[M].AWS美國焊接檢驗學會.