210mm隨鉆電阻率鉆鋌對接焊接工藝

趙 曦

（中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，天津 300452）

0 引言

世界石油定向井行業普遍使用CrMnN不銹鋼作為隨鉆電阻率材料，如P550、P530、15-15H等。這類無磁不銹鋼能保證電阻率設備的非磁使用環境，但可焊性通常較差。常規的電弧焊、鎢極氬弧焊會導致該類鋼中氮的燒損，進而導致奧氏體的穩定性下降、磁導率上升，相對磁導率超過1.01。脈沖激光焊接是以聚焦的激光束作為能源照射焊件表面，利用產生的熱量進行焊接的。面對210mm電阻率鉆鋌生產制造的需求，該文研發了P550無磁高強度不銹鋼鉆鋌對接焊接的材料與工藝。

1 210mm隨鉆電阻率鉆鋌對接焊接材料工藝

1.1 焊接材料的選定

采用對接焊接的210mm隨鉆電阻率鉆鋌的材質是P550奧氏體不銹鋼，其成分如表1所示。利用X-MET光譜儀對原材料進行檢測，材料性能符合標準要求。

表1 P550Cr-Mn-N不銹鋼的化學成分

對合金元素對不銹鋼奧氏體穩定性的影響，該文選用以Inconel625合金作為焊材脈沖激光焊熔敷接頭的打底層。Inconel625是一種含有大量Cr、Mo、Nb的鎳鐵基材料，具有較好的力學性能及耐蝕性，在堿水、鹽水、淡水、中性鹽和空氣中幾乎不發生腐蝕，因此在石油、化工等領域得到了廣泛應用。再在脈沖激光焊接增材Inconel625合金打底層上以Inconel625合金焊絲-鎢極氬弧焊，逐層完成接頭的焊接。

1.2 焊接材料與工藝

根據對電阻率本體材料及焊料的選定，結合焊接的方式，設定主要焊接工藝如下。

將焊接部位（自距焊縫兩端各150mm，計354mm的區域）用電熱帶加熱，要求預熱至70℃以上開始焊接。

打底層要求厚度不小于12mm，使用脈沖激光焊方式。脈寬選擇10ms～12ms，加熱時間短，焊接熔池存在時間極短，能有效防止氮的燒損。焊材選用Inconel625焊絲。

使用脈沖激光焊方式，焊接厚度為1.5mm。

使用鎢極氬弧焊方式，焊材選用Inconel625焊絲。

使用滲透探傷檢測方式（以下簡稱PT）及超聲探傷方式（以下簡稱UT）。

PT探傷：每層焊厚度為8mm～10mm，焊接完畢進行無損滲透探傷，確認無缺陷后可繼續下一層焊接。UT探傷：當焊至焊縫寬度大于25mm（滿足UT探傷最小外徑），開始超聲波探傷，每層焊厚度為8mm～10mm。

使用PT探傷加UT探傷方式，確認焊接無缺陷后可繼續焊接，直至滿焊。

2 接頭承載應力計算

首先對鉆鋌進行受力分析，鉆鋌在井下受到扭力、拉壓力及彎折力等多種力的合力影響。根據鉆鋌的實際工況及安全系數，確定鉆鋌承受的最大載荷為扭矩M=102000N·m、最大拉伸載荷6720kN、內部承受內壓150MPa。

2.1 鉆鋌承載載荷計算

按所提供Collar承受的最大載荷，即扭矩M=102000N·m，最大拉伸載荷6720kN計算。

焊接接頭外徑焊縫承載計算如下：焊接連接Collar的焊縫承擔全部載荷，兩件連接的焊縫尺寸為儀器外徑=209mm，儀器內徑=209-2×59.66mm=89.68mm。

計算扭矩導致焊縫承受的應力，即扭矩102000N·m作用導致焊縫外徑承受的切應力=58.899MPa；最大拉伸載荷6720kN導致焊縫承受拉應力=240MPa；按最大拉應力強度準則，得出承受應力如公式（1）所示。

按第四強度理論（von mises理論），得出承受應力如公式（2）所示。

2.2 焊接接頭外徑強度及其許用應力計算

為確保試驗效果，特選用同件材料，同樣工藝加工試驗樣件2件，該樣件焊接接頭根部打底層（厚度12mm）為脈沖激光焊，打底層上部直至鉆鋌的外緣的焊縫均為以Inconel625合金作為填充材料的鎢極氬弧焊。測試結果見表2。

表2 樣件的力學性能測試（天津質量監督十五站測試）

為保障加工性能，提高安全閾值，強度值可參考測試結果較低者，即抗拉強度R=792MPa，屈服強度R=501MPa。

參照API650關于許用應力的確定方式，計算該鉆鋌氬弧焊對接焊外徑處的承載許用應力[]。

2/5抗拉強度的計算如公式（3）所示。

焊接接頭的許用應力[]為316.8MPa。

2/3屈服強度的計算如公式（4）所示。

焊接接頭的許用應力[]為334MPa。

2.3 安全性評估

將鉆鋌承載對接焊縫外徑按最大拉應力強度準則的承受應力與該鉆鋌氬弧焊對接焊外徑處的承載許用應力[]進行對比可得：

[] =316.8MPa≥ 253.67MPa是安全的 ；[] =334MPa≥253.67MPa是安全的。

將鉆鋌承載導致對接焊縫外徑按第四強度理論承受應力與該鉆鋌氬弧焊對接焊外徑處的承載許用應力[]進行對比，可得：[]=316.8MPa≥260.78MPa是安全的；

[]=334MPa≥ 260.78MPa是安全的。

所以，在保證焊縫無缺陷的情況下該鉆鋌Inconel625合金氬弧焊對接焊縫外徑處的承載是安全的。

3 接頭承載內外壓計算

該類鉆鋌設計的最高承受內壓載荷為150MPa，也即150N/mm。

3.1 在鉆鋌的內外表面承受的載荷應力

在鉆鋌的外表面承受的載荷應力如公式（5）所示。

式中：為儀器壓力限值；為電阻率鉆鋌外徑；為電阻率鉆鋌外進（下同）。

在鉆鋌的內表面承受的載荷應力如公式（6）所示。

內表面導致的應力σ=217.5MPa，遠高于外表面承受的應力σ=67.71MPa。

按照第四強度理論計算內表面的載荷應力強度如公式（7）所示。

3.2 接焊縫內壁區的許用應力[σi]計算

鉆鋌對接焊接接頭根部（內表面）打底層（厚度12mm）為以Inconel625合金作為填充金屬脈沖激光焊。經SGS測試，該P550鋼對接接頭抗拉強度（參見SGS測試報）見表3。

表3 抗拉強度測試結果表

參照API650關于許用應力的確定方式，以脈沖激光焊接頭強度結果中較低的強度值（抗拉強度=857MPa）計算許用應力 []。

2/5抗拉強度的計算如公式（8）所示。

焊接接頭的許用應力為342.8MPa。

2/3屈服強度的計算如公式（9）所示。

焊接接頭的許用應力為507.3MPa。

3.3 許用應力安全性評估

與按照第四強度理論計算內表面的應力強度σ=320.05MPa 相 比，[]=2/5Tensile Strength=342.8MPa≥320.05MPa，所以以Inconel625合金作為填充材料的脈沖激光焊焊接接頭強度是安全的。

4 工藝實施步驟

按照第1.2節設計的焊接工藝逐步開始焊接工作，保證焊接質量，并通過無損探傷方式檢驗焊接效果。

4.1 脈沖激光焊接工藝

使用脈沖激光焊工藝對焊接部位基層進行焊接工作，如圖2所示，脈沖激光焊焊道細密，排布規則。完成8mm～10mm時，對焊接表面進行滲透探傷，檢測焊接部分是否存有焊接裂紋（如圖3所示），要求使用脈沖激光焊接，厚度不小于12mm。

圖2 脈沖激光焊焊道形貌

圖3 PT探傷結果確認無缺陷

4.2 氬弧焊工藝堆焊焊接

使用氬弧焊工藝開始堆焊焊接時可以看見氬弧焊焊道呈明顯的魚鱗狀排布（如圖4所示），對焊接表面進行滲透探傷，檢測焊接部分是否存有焊接裂紋（如圖5所示）。

圖4 第1層氬弧焊焊道形貌

圖5 PT探傷結果確認焊接無缺陷

對鉆挺本體進行逐序加工，焊口面積逐漸加大。當焊口寬度大于25mm時，可以使用超聲裝置對整個焊口的焊接質量進行井周確認。UT檢測的最大困難是超聲波的強烈衰減和雜波的影響，因此需要對焊口表面進行精密加工，保障測量效果（如圖6所示）。當內部有裂紋時，通過顯示器能觀察到異常的回波顯示界面（如圖7所示），顯示回波界面穩定，焊接質量合格。

圖6 焊道表面機械加工

圖7 UT探傷-回波顯示穩定

4.3 焊后檢測

焊接表面精密機械加工完畢，進行磁導率檢測。相對磁導率測試結果表明：基體金屬（P550不銹鋼）的相對磁導率為1.003，焊縫金屬的相對磁導率為1.004（如圖8所示），焊接熔合區的相對磁導率為1.004，滿足API SPECIFICATION 7-1對無磁鉆鋌相對磁導率低于1.01的要求。說明該文所制定的焊接材料工藝可滿足無磁鉆鋌對接焊接接頭相對磁導率的要求。

圖8 焊縫金屬的相對磁導率為1.004

5 結論

該文所涉儀器為國內首支通過對接焊工藝完成本體加工的5.3m（210in)隨鉆電阻率儀器，該儀器對接兩端的鉆鋌長度分別為3.5m及2.5m。經過1年的使用觀察，該設備累計完成500+小時的井下工作，工具性能良好。每次出井后對該設備對接焊部位進行無損滲透探傷檢查，未發現有裂紋跡象，證明該工藝能有效保障設備的井下安全，并為國產儀器設計提供了新的思路。