鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落情況分析

李亞敏，張 然，支鵬鵬，劉永紅，王 琴

（渤海裝備鉆井裝備能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

隨著現代鉆井技術的快速發展，我國的深井、超深井勘探工作對于鉆柱設備的整體質量提出了更高要求。有些鉆柱的摩擦扭矩較高，較高的摩擦力進一步增加工件表面的磨損壓力，導致鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落，影響接頭整體強度，甚至帶來安全生產隱患。為解決該問題，下面分析鉆桿接頭噴焊工藝的相關情況。

1 鉆桿接頭噴焊工藝概述

隨著我國鉆井生產規模的不斷擴大，對于鉆桿的使用效率與穩定性都提出了更高要求。一般來說，鉆桿磨損最先出現在接頭部分。接頭部分進行的常規硬化處理可在一定程度保護鉆桿接頭避免損壞。根據實際生產經驗，采取表面涂層技術能夠實現工件表面修復，還能節約能源耗材，提升經濟效益，是目前鉆桿接頭表面處理最常用的技術手段。相比于等離子噴焊等技術，氧乙炔火焰噴焊處理技術優勢十分明顯，該技術操作難度小、工藝穩定性強，具有成本相對容易控制等優勢，十分適合現代企業的生產控制需求。

根據相關統計數據，工廠噴焊耐磨帶時主要選擇接頭上噴鎳基金屬合金粉的方式予以處理，能夠實現合金塊、鉆桿的結合，通過氧乙炔火焰處理的方式予以調整。針對耐磨帶實施技術分析，可以獲取其成分（表1）。從表1 可以看出，噴焊層主要的合金粉末為鎳元素，還包括相當比例的鎢元素。這是由于耐磨帶材料在生產過程中添加了碳化物，故該粉末可以稱之為含碳化鎢彌散合金。該合金優勢十分明顯，具有很強的附著性和耐磨性，還兼顧了較強硬度，可以很好地適應鉆桿接頭噴焊層耐磨帶的處理需求。除此之外，經過高溫處理，該材料還可以提升耐磨損與抗氧化性能，針對一些特殊的工況條件也有很好的應用優勢。

表1 合金粉末化學成分

2 鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落原因分析

鉆桿接頭噴焊層耐磨帶一旦脫落，會嚴重影響生產進程，因此要做好前期防護工作。分析鉆桿接頭噴焊層耐磨帶的磨損過程，鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落原因主要來源于表面處理。根據噴焊層獲取試樣的分析測試結果，分別對鉆桿接頭噴焊層耐磨帶進行取樣。隨后進行金相分析以及掃描電鏡分析，獲取合金塊、基體金屬界面形貌，如圖1 所示。

圖1 合金塊、合金粉末、基體結合處金相

采用掃描電鏡進行合金塊與粉末分析，可以獲得相應的金相圖分析結果。對比合金塊與金屬粉末的分析測試情況來看，雖然在界面的結合部位存在明顯的氣泡，但是由于大多數的氣泡屬于分散存在，同時整體氣孔體積較小，因此應該不是引起合金塊脫離的主要原因。進一步分析后發現，合金塊以及基體的結合處不但存在明顯的氣泡，同時也存在一部分裂紋。這些裂紋與氣泡不同，裂紋之間間隙較大，故推測裂紋是最終導致合金塊脫落的主要原因。在上述分析中已經確定，合金粉末的整體耐磨性能雖然尚可，但是對比合金塊依然存在不小差距。因此鉆桿接頭噴焊層耐磨帶工作時，耐磨性主要還是需要合金塊體現。合金粉末選擇鎳基自熔合金，該合金添加了碳化物等物質。在噴焊處理過程中，逐步形成了多個聚合點，分別以鎳基、鎢基為主要特征。根據研究結果不難發現，結合層內部存在大量的氣泡，除此之外，碳化鎢的含量越高，鎳基的含量就會相應降低。此時無法滿足碳化鎢顆粒的包裹，導致外部出現了大部分的粗大碳化物，影響到顆粒度的控制效果。一部分大顆粒碳化物會在高溫影響下逐漸產生化學反應，形成脆硬性較強的碳化鎢，此時材料的整體抗疲勞性能會下降。如果鉆桿接頭噴焊層耐磨帶遭受到疲勞沖擊與磨損影響，則附近的碳化鎢會由于缺口存在嚴重的應力集中，導致耐磨性能下降，出現剝落。這是鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落的主要過程。

3 鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落問題預防控制策略

鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落會嚴重影響生產，由于耐磨帶敷焊在接頭表面，可以保護接頭的穩定性，取得良好生產效益。但是一旦出現接頭脫落，就必須對其進行修復后才能夠繼續工作，既增加生產壓力，也不利于安全生產。為解決鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落問題，就必須調整噴焊處理工藝流程。結合上述鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落原因分析結果，現給出脫落問題的預防控制策略。

3.1 工件預熱與噴焊粉末干燥處理

根據鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落原因，工藝生產過程中沒有做好預熱處理是導致最終脫落的重要原因。由于實際鉆桿接頭噴焊層耐磨帶的使用工況十分復雜，需要同時面對油、水以及鐵銹等多種類型的氧化物，很容易出現夾雜腐蝕的問題。在噴焊處理之前，要對基體進行預處理，去除掉大部分的水和油污，同時做好表面預熱。預熱過程中需要將溫度提升到400 ℃，同時做好保溫控制工作。噴焊粉體如果不進行干燥，也可能會出現大量氣孔。在噴焊過程中，水分會隨著粉體到達噴焊層，此時重熔處理后會分解為氫氣、氧氣兩種不同類型的成分。因此，在水分處理不完全的情況下，同樣會導致大量的氣孔。除此之外，根據實際操作經驗，導致鉆桿接頭噴焊層耐磨帶出現氣孔的其他因素中，合金粉質量也是較為重要的因素。如果出現合金粉熔點過高、黏度過大等問題，都會導致氣孔存在，嚴重影響后期使用效果，需要特別予以關注。

3.2 表面粗糙度調整

鉆桿接頭噴焊層耐磨帶與基體表面本身會存在一定的凹凸不平，這些凹凸不平的表面在加工時基本不要予以處理，以此來提升基體金屬與噴焊層的整體結合效果。但是根據使用經驗，表面粗糙度的存在能夠一定程度提升表面的黏結性，但不是線性增長。也就是說，表面粗糙度不是越高越好。在基體加工過程中，如果出現吃刀量不均勻的問題，會影響切削處理效果，進而影響后期切痕調整。這不利于解決鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落問題。另外，小氣孔不斷閉合也會導致氣孔尺寸增加。較大尺寸的氣孔是導致鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落的重要原因，需要特別做好氣孔串的處理，以此確保整體粗糙度適應設計標準與生產需求。

3.3 提升噴焊技巧

在鉆桿接頭噴焊層耐磨帶工藝實施過程中，受操作者操作習慣和操作能力的影響，往往會不同程度影響鉆桿接頭噴焊層耐磨帶的穩定性。例如，操作者對于噴距控制不精準，停留時間不足等問題都會導致氣孔出現。另外，工件與噴炬的距離過長，也會導致噴焊層的氣體總量較高，噴焊溫度不足則會導致大部分的氣體無法隨時逸出，導致氣泡聚集。根據基本技術原理來看，噴焊溫度較高也不利于氣泡的排出，這是由于內部的液態金屬會翻泡，形成內部氣孔群。鏡面反光問題主要是由于一次噴膜過厚。在重熔過程中加熱不足、火焰移動速度過快等都是導致粉末熔融的重要原因。合金塊、基體表面氧化加劇會進一步影響整體結合強度，導致鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落。為解決這些問題，需要不斷提升操作人員的操作技巧，滿足鉆桿接頭噴焊層耐磨帶工藝技術標準與要求。

4 總結

鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落與噴焊生產的流程密不可分，其不但與加工溫度以及干燥處理流程相關，對于操作人員的生產與噴焊技巧都有一定聯系。為進一步解決鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落的問題，除了做好工件的前期預熱預處理，還需要進一步做好干燥控制，提升表面粗糙度。進一步做好噴焊工作，提升整體生產穩定性，以此來減少微裂孔、氣孔的不利影響，進一步提升鉆桿壽命和生產效益。