關于鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷的改進方法研究

支鵬鵬，馬韋華，楊文付，李竹濱

（渤海能克鉆桿有限公司，河北 滄州 062650）

ARC8P耐磨帶焊機是由美國ARC公司研制出來的，其屬于敷焊石油鉆具耐磨帶專用的裝置，ARC8P耐磨帶焊機常用在加重鉆桿與其它井下工具表面耐磨帶自動敷焊當中，其耐磨帶的作用主要是提高鉆桿耐磨強度，并延長使用時間。ARC8P耐磨帶焊機的自動化水平非常高，這主要是因為運用的是PLC控制技術，并且核心控制單元采用的是OMRON公司CPM1系列的PLC，所以自動化水平特別強。因為ARC8P耐磨帶焊機主要運用的是PLC控制技術，所以ARC8P耐磨帶焊機屬于PLC產品構成的控制系統，這便給改進工作帶來了很大的幫助。因為ARC8P耐磨帶焊機被廣泛用于石油鉆具生產當中，屬于常用的鉆桿耐磨帶焊機，所以對ARC8P耐磨帶焊機焊縫凹槽缺陷進行改進研究，能夠良好解決鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷，給鉆桿耐磨帶的發展帶來很大的幫助，使我國鉆桿耐磨帶運行更加安全可靠，給石油開采帶來更大的幫助。

1 鉆桿耐磨帶的主要作用

耐磨帶主要用于鉆桿的接頭、鉆鋌以及加重鉆桿處，能夠形成一層硬化層，此硬化層可以使鉆桿接頭和套管、井壁相互隔離，從而能夠有效保護鉆桿的接頭。同時因為耐磨帶的摩擦因數較低，能夠顯著降低套管的磨損程度，一般耐磨帶會運用惰性氣體保護焊技術將其固定于鉆桿的接頭末端。鉆桿耐磨帶是從20世紀30年代產生的，主要用于保護鉆桿以及其余一些設施，防止鉆桿因摩擦而損傷，從而增加鉆桿的使用時間。不過由于復雜井越來越多，如大位移井、水平井以及高溫高壓井等，使得鉆桿耐磨帶的問題越來越多，損傷越來越嚴重，尤其是焊縫凹槽缺陷，不僅引發了很多的事故，而且還給油田維修以及開采帶來了很大的阻礙，同時還影響了耐磨帶的外觀，增加了油田開采的成本，所以必須有效解決鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷問題。另外，為了減少鉆桿在旋轉鉆進以及起下鉆對套管的摩擦阻力，使得耐磨帶對鉆桿的保護效果明顯下降，無法良好發揮耐磨帶的作用。在20世紀的90年代時，因為鉆桿價格以及運輸成本的變化，使得人們非常關注鉆桿耐磨帶的保護功能，所以就大力研發高效、穩定的耐磨帶，經過20多年的不斷研究，如今鉆桿耐磨帶已能夠良好保護鉆桿，有效解決了套管、隔水管與鉆桿的磨損問題。對于鉆桿耐磨帶的材料來說，應該具有三種特性，分別為：首先，耐磨性。鉆桿耐磨帶應當有效抵抗地層巖石的摩擦。其次，減摩性。鉆桿耐磨帶應當良好控制與套管的磨損程度，讓其保持在合理范圍中。最后，摩擦因數。一般耐磨帶的摩擦因數和減摩性具有很大的關系，如果摩擦因數較小，則其和套管的摩擦力就較小，因此耐磨帶和套管的磨損程度也就很小；如果摩擦因數較大，則其和套管的摩擦力就較大，因此耐磨帶和套管的磨損程度也就較大。由此可見，摩擦因數越小，鉆桿的轉矩與起下鉆阻力越小，能夠良好延長鉆桿耐磨帶的使用時間。

2 鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷問題

通常鉆桿耐磨帶焊機的運行流程為：首先鉆桿耐磨帶焊機運行的時候，會使鉆桿以及石油鉆具的管體勻速旋轉，然后焊槍啟弧之后，會垂直在管體的上面，使其往復運動，當管體360度旋轉完成，焊機就會發出管體旋轉一周的信號，同時發送到PLC上，當PLC接收到信號，就會讓焊槍跳至下一條耐磨帶的焊接處，也可能停止堆焊，并且暫停管體旋轉，從而使敷焊完成，此時耐磨帶的起始和結束部位是重合的，這就完成了接縫。對于ARC8P型焊機來說，其設計具有很多不足之處，其中最大的就是焊縫凹槽缺陷，因為鉆桿耐磨帶在敷焊完成以后，敷焊帶環的接縫位置上焊絲較少，就產生了凹槽，此凹槽不僅會影響耐磨帶的功能，而且還會影響外觀，所以必須良好解決此缺陷問題。在此主要借助鉆桿耐磨帶焊機的PLC控制系統來改進鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷。要想有效解決鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷，就必須等鉆桿管體旋轉一周以后，再停止管體旋轉，并且在耐磨帶環的接縫位置多堆一些焊絲。具體的改進流程為：當PLC接到管體已經旋轉一周的信號之后，不要立即跳轉至下一條耐磨帶敷焊處或者停止敷焊運行，應當停止管體旋轉過段時間后，再跳轉至下一條耐磨帶敷焊處或者停止堆焊運行。不過增大延時情況，還會存在另外一個問題，就是不同類型的鉆桿耐磨帶其敷焊技術均不相同，因此對單條耐磨帶的寬度要求也不相同，所以鉆桿耐磨帶對延時的要求也不相同，由此在改進的時候，應該注意敷焊的延時情況，對不同技術采用不同的延時標準，如此才可充分達到實際需求有效解決鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷。

3 鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷改進方法

鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷改進方法有兩個，分別為：改進PLC外圍電路和改進PLC程序。對于改進PLC外圍電路來說，其主要就是在PLC外圍電路處采用延時定義開關，這樣就能利用延時定義開關設置多個狀態，借助開關的不同檔位實現不同鉆桿耐磨帶的敷焊延時時間。對于改進PLC程序來說，當PLC接收到管體旋轉一周的信號之后，不會立刻跳轉至下一條耐磨帶處以及暫停焊機運行，會先停止管體旋轉，焊槍繼續往復敷焊，然后依據外部的延時情況設置開關狀態，從而實現延時功能，通過延時之后，再跳轉至下一條耐磨帶或者停止焊機運行。運用這兩個方法能夠有效解決鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷，延長鉆桿耐磨帶的使用時間，保證鉆桿耐磨帶穩定安全的運行。

4 鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷改進方法的實施

經過對PLC控制電路的I/O接口分析之后能夠發現三個空閑數字輸入點，其接口的地址為：0.09、1.13和1.15，通過這三個輸入點就能判斷八種狀態，經過查看備件庫，就有4位編碼開關能夠運用，不過在實際運用過程中，只需要其中的三位，分別為：bit2、bit1和bit0，它們分別對應著PLC的三個輸入接口，即0.09、1.13和1.15。通常bit2、bit1和bit0位的編碼組合會根據二進制的編碼形式展開編碼，其狀態會由000到007，狀態會和敷焊延時相對應，因此編碼開關狀態000-007就是PLC的延時檔，即0-7檔，延時的范圍為0.0-4.0s，其中000表示PLC沒有敷焊延時。在此ARC8P型鉆桿耐磨帶焊機所使用的改進PLC程序為OMRON公司的CX-Programmer軟件，此軟件的使用效果非常好，利用軟件就能讀出和寫入PLC的控制程序，經過讀出之后改進了焊機PLC程序，改進的內容主要為：當PLC接到鉆桿旋轉一周的信號（1.10）之后，編碼開關就會對應輸入的端口，即0.09、1.13和1.15的編碼狀態，從而在PLC程序里加入相應的延時段。不過通過現場調試狀態可知，編碼開關的八種編碼未和延時相對應，所以為了得到最佳的應用狀態，就對實際技術測定調試展開了研究，得到的結果如下：000對應的是0.0s、001對應的是0.5s、010對應的是1.5s、011對應的是2.0s、100對應的是2.5s、101對應的是3.0s、110對應的是3.5s、111對應的是4.0s。延時之后可以利用定時器啟動后期的運行，讓焊槍跳至下一條耐磨帶敷焊處以及停止敷焊運行，從而有效解決鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷。

5 鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷改進的效果

經過對鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷改進之后的效果和鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷改進之前的效果比較探究，能夠發現鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷被良好的解決。在此解決的主要方法有兩個，一個是改進PLC外圍電路，另一個是改進PLC程序，它們都是利用調試不同的技術來優化延遲時間，以使延時檔位更加符合要求，能夠有效用于不同類型的鉆桿、加重鉆桿耐磨帶敷焊當中，從而發揮良好的作用。經過對此次改進后的鉆桿耐磨帶焊機和國外新型的鉆桿耐磨帶焊機相比較，能夠發現它們的敷焊效果幾乎一樣，具有同等的功能，并且改進后的鉆桿耐磨帶焊機和國外進口的鉆桿耐磨帶焊機相比，不僅顯著節約了成本，而且還很大程度的改善了鉆桿耐磨帶焊縫凹槽缺陷，使鉆桿耐磨帶的運行更加穩定、可靠，并且應用壽命更加長久。由此可見，此次鉆桿耐磨帶焊機改進非常的成功，具有很大的應用價值，給鉆桿耐磨帶的發展帶來了很大的幫助。

6 結語

通過上述內容可知，我國鉆桿耐磨帶的研究還較少，對于材料的研究只處于基礎階段，應當進一步加大研究的力度，借助國外先進的鉆桿耐磨帶材料，使鉆桿耐磨帶更加的耐磨、高效和穩定，并向著高重焊性方面大力的研究。在此通過對ARC 8P型鉆桿耐磨帶焊機的大力研究可知，ARC 8P型鉆桿常被用于加重鉆桿與石油鉆具等方面當中，屬于耐磨帶自動敷焊設施，因為鉆桿耐磨帶焊機在敷焊的時候，其耐磨帶環的接口位置會具有嚴重的凹槽問題，不僅會影響耐磨帶的使用壽命，而且還會嚴重影響外觀，所以必須對此缺陷問題展開良好的解決，具體的解決方法有兩個，分別為：改進PLC外圍控制電路和改進PLC程序，對于改進焊機PLC外圍控制電路來說，其主要就是在PLC外圍電路應用延時定義開關，如此就能借助延時定義開關來控制多個狀態，通過不同檔位達到不同鉆桿耐磨帶的敷焊延時效果；對于改進PLC程序來說，主要就是在PLC接收到管體旋轉一周的信號之后，不會立刻跳轉至下一條耐磨帶以及暫停焊機運行，僅停止管體旋轉，隨后根據延時狀況來設定開關狀態，以到達延時的效果，經過一段時間再跳至下一條耐磨帶或者停止焊機運行。通過對鉆桿耐磨帶焊機的改進之后能夠發現，鉆桿耐磨帶的焊縫凹槽情況顯著改善，說明改進非常成功，可大力推廣使用，以使鉆桿耐磨帶運行更加穩定，使用時間更長，充分發揮保護鉆桿的作用。