石油鉆桿焊縫熱處理與摩擦焊接研究

趙晗，李強，檀雨葭，壽永旺

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司管具與井控技術服務分公司，天津 300280）

石油鉆桿是石油開采工作最重要的設備之一，石油開采鉆井作業(yè)的施工過程是極其復雜的，在石油開采的過程當中，石油鉆桿是需要承受扭，壓，彎的組合負載，如果在開采的過程當中一旦操作不當，就會出現(xiàn)安全隱患。因此，想要保證石油開采絕對安全，就需要保證石油鉆桿的安全性與可靠性。現(xiàn)如今很多的石油鉆桿生產(chǎn)商，都采用了石油鉆桿焊縫熱處理與摩擦焊接工藝，來保證石油鉆桿的安全性與可靠性，減少石油鉆桿焊縫中加厚過渡帶失效的情況。因此，焊縫熱處理與摩擦焊接工藝在石油鉆桿焊接當中，得到了廣泛的應用。

1 API對石油鉆桿焊縫的基本要求

石油鉆桿焊縫工藝的基本要求如下，第一，石油鉆桿焊縫必須要進行奧氏體化處理，處理時的回火溫度不能低于593℃。第二，石油鉆桿焊縫必須使用100%的磁粉對其進行超聲波檢驗。第三，石油鉆桿焊縫實施對焊必須按批進行，石油鉆桿每批的數(shù)量不能超過400根，將一批石油鉆桿焊接完成以后，要在其中抽取一根石油鉆桿進行力學性能解剖。第四，要對石油鉆桿進行拉伸試驗，焊區(qū)截面強度是焊縫屈服強度×焊區(qū)截面積，石油鉆桿管體截面強度是管體屈服強度×管體不加厚部位的截面積。在進行拉伸實驗時焊區(qū)截面強度要大于石油鉆桿管體截面強度。第五，石油鉆桿焊縫的常溫大概在21℃，石油鉆桿焊縫常溫沖擊的要求，是每個接頭抽取三個沖擊樣，這三個沖擊樣的縱向平均沖擊值不能小于16.3J，最小縱向沖擊值不能小于13.6J。第六，在整個石油鉆桿焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，任何的硬度值是不能大于HRC37。

2 石油鉆桿焊力學分析

（1）如果石油鉆桿焊縫焊接縱向沖擊力比較高，過程能力指數(shù)已超過了3.0。這就代表了石油鉆桿焊縫沖擊韌性指標，整體的保障能力較強，在一般情況下是不會出現(xiàn)不合格的情況。相反如果石油鉆桿焊縫焊接縱向沖擊力比較低，那么就代表了整體的保障能力不強，很容易出現(xiàn)不合格的情況。（2）如果石油鉆桿焊縫沖擊韌性指標方差比較小，就代表了石油鉆桿焊縫沖擊韌性的波動比較小，穩(wěn)定性較強，能夠很好的保障鉆桿焊縫的焊接質(zhì)量。如果石油鉆桿焊縫沖擊韌性指標方差比較大，那么石油鉆桿焊縫沖擊韌性的波動就會變大，穩(wěn)定性較低從而導致了焊接質(zhì)量差。（3）在石油鉆桿焊縫沖擊韌性很高的基礎上，石油鉆桿焊縫屈服強度的過程能力指數(shù)能夠達到1.3以上，這就代表了此鋼級鉆桿焊縫屈服強度指標保障能力較高。如果石油鉆桿焊縫屈服強度的過程能力指數(shù)低于1.3，那么就代表了此鋼級鉆桿焊縫屈服強度指標保障能力低。

3 石油鉆桿焊縫熱處理與摩擦焊接的發(fā)展與優(yōu)點

3.1 石油鉆桿焊縫熱處理與摩擦焊接的發(fā)展

弧焊是最早的石油鉆桿對焊技術，在之后的發(fā)展當中閃光對焊就代替了電弧焊的位置。石油鉆桿焊接主要處理工藝，在最早期采用的是電弧焊與閃光焊，由于時代的不斷發(fā)展，電弧焊與閃光焊已經(jīng)滿足不了石油開采的需求。因此，石油鉆桿焊接主要處理工藝變成了驅(qū)動摩擦焊接和慣性摩擦焊接。這兩種石油鉆桿焊接的處理工藝，能夠提高石油鉆桿工作的成型效率，也提能夠高石油開采工作的生產(chǎn)效率。到目前為止，將慣性摩擦焊接與連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接，應用在石油鉆桿焊接工作中，不但提高了石油鉆桿焊接的質(zhì)量以及對焊的生產(chǎn)效率，還提高了鉆桿的穩(wěn)定性與可靠性。現(xiàn)如今石油鉆桿生產(chǎn)當中應用最廣的就是慣性摩擦焊接。

3.2 石油鉆桿焊縫熱處理與摩擦焊接的優(yōu)點

慣性摩擦焊接工藝應用在石油鉆桿焊接工作當中主要有四個優(yōu)勢，第一，焊接速度快，晶粒無法在石油鉆桿焊縫狹窄的熱影響區(qū)內(nèi)長大。第二，節(jié)省能量，慣性摩擦焊接在工作時，實際的操作是不需要剎車的。第三，慣性摩擦焊接效率高，在進行焊接時能比其他焊接方式節(jié)省大約一倍的時間。第四，慣性摩擦焊接在一般情況下不會產(chǎn)生灰斑，而且吧焊接的質(zhì)量還能夠保持一個較高的標準。現(xiàn)如今傳統(tǒng)的石油生產(chǎn)工作當中，采用的石油鉆桿焊縫熱處理，能夠增強石油鉆桿焊縫的抗疲勞能力與斷裂能力。

4 石油鉆桿焊縫的熱處理操作

4.1 石油鉆桿摩擦焊奧氏體化

為了保證石油鉆桿能夠擁有更好的焊接質(zhì)量，在石油鉆桿摩擦焊接結束之后石油鉆桿需要通過淬火工藝以及高溫回火工藝來對焊接結束的焊縫進行調(diào)質(zhì)處理，焊縫材質(zhì)的淬透性能，能夠保證石油鉆桿的整體質(zhì)量。石油鉆桿焊縫奧氏體化，作為石油鉆桿焊縫熱處理工藝的第一道環(huán)節(jié)，需要消耗很大的能量。現(xiàn)如今在進行石油鉆桿焊縫熱處理時，大多數(shù)使用的都是感應加熱方式，通過感應加熱方式能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫奧氏體化。大部分工廠在具體的操作過程當中，水基淬火液與噴淋淬火工藝能在焊接處產(chǎn)出馬氏體組織，其產(chǎn)出率高達90%，在石油鉆桿的焊接縫出現(xiàn)馬氏體組織以后，隨著高溫回火功能對綜合機械性能的提升，能夠使馬氏體組織變成回火索氏體組織。石油鉆桿焊縫奧氏體化加熱的方式與其他加熱方式相比，石油鉆桿焊縫奧氏體化的中頻能夠?qū)訜岬念l率進行感應，而且在正常的情況下焊縫區(qū)的寬窄都會控制在70mm左右，這樣就能使高溫回火工序更好地對奧氏體區(qū)域進行覆蓋。

4.2 鉆桿焊縫淬火工藝

石油鉆桿焊縫淬火的質(zhì)量能否達到相應的標準，與材料冷卻介質(zhì)選擇的是否合適有很大的關系。正常情況下，冷卻處理的主要方式有兩種。其中包括高壓空氣冷卻處理與液體冷卻處理，液體冷卻處理主要包括水冷卻與油冷卻兩種處理方式。在之前石油鉆桿焊縫的淬火介質(zhì)經(jīng)常使用水冷卻，水冷卻處理方式比較容易淬裂。水冷卻處理方式的特性并不理想，在采用水冷卻處理方式時需要快速冷卻，但是區(qū)間冷速速度比較小，而要求慢速冷卻的區(qū)間冷速卻比較大。在實際的操作流程當中，鉆桿焊縫淬火工藝主要使用的是水基淬火液加噴淋淬火的冷卻方式，進行焊縫熱處理。但是水基淬火液處理方式與水冷卻處理方式相比水基淬火液處理方式的冷速速度更快，在通過噴淋淬火的方式對整體的冷卻條件進行一個全面的改善。在進行石油鉆桿焊縫淬火時，如果冷卻速度過快就會產(chǎn)生淬火裂紋，因此，對淬火工藝的有效選擇能夠減少冷卻時間，減少由于冷卻時間過長產(chǎn)生思維淬火裂紋，這樣不但能提升工作效率，還能保證生產(chǎn)質(zhì)量。

4.3 鉆桿焊縫高溫回火工藝

石油鉆桿焊縫進行淬火工藝之后，其內(nèi)應力會變大，而且硬度也會變得比較高，因此在這個時間就要及時實施高溫回火處理工藝，從而提高整體的焊接質(zhì)量。中頻感應加熱已經(jīng)廣泛的應用在高溫回火中工藝當中，中頻感應加熱的電源頻率通常情況下應該控制在600Hz左右，中頻感應加熱電源如果出現(xiàn)頻率過高的情況，就會出現(xiàn)集膚效應，電源如果出現(xiàn)底頻率的現(xiàn)象，那么加熱效率就會急速的下降，從而就會導致焊縫內(nèi)壁與外壁溫度不一致的情況。在進行焊縫高溫回火時，要按照石油鉆桿所使用的材料，來對溫度進行合理的控制，防止在回火的過程當中溫度不合適，從而導致索氏體分解與焊縫截面的硬度達不到相應標準。在進行石油鉆桿焊縫高溫回火時，還可以采用紅外測溫儀來對回火溫度的大小進行測量，并使用計算機對回火溫度進行檔案儲存。

5 石油鉆桿摩擦焊接處理工藝

5.1 石油鉆桿摩擦焊焊前處理

在對石油鉆桿進行焊接之前，要做好焊前的準備工作。在焊接之前需要相應預處理措施，從而保證焊接的質(zhì)量和焊縫的純凈性。要根據(jù)摩擦焊相應的工作標準，將石油鉆桿工具兩端的接口利用平面砂輪打磨光滑，要打磨到表面沒有銹跡與污染物后之后使用。除此以外，還需要在工具公螺紋的根部，印上焊接的年份、月份、鋼級以及生產(chǎn)廠家的名稱。石油鉆桿焊接管端的預處理需要根據(jù)焊尺寸標準，進行車削處理，使石油鉆桿摩擦焊能夠符合工具接頭的對焊要求。除此以外，為了保證石油鉆桿焊面的潔凈程度,還需要去除端面氧化的鐵皮，同時還需要在石油鉆桿端頭鏜內(nèi)孔。

5.2 石油鉆桿摩擦焊焊接工藝注意事項

在石油鉆桿摩擦焊焊接的過程當中，要嚴格控制焊接的輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)。焊接輸入?yún)?shù)包括焊接開始的轉速，頂鍛壓力以及主軸飛輪配重等。焊接輸出參數(shù)包括焊接縮短量，其焊接縮短量的控制是焊接過程當中最重要的，因為焊接是三個參數(shù)的綜合體現(xiàn)。縮短量頂鍛壓力的計算公式是：頂鍛壓力=需要施加在焊接端面上的壓力（管端外徑2-管端內(nèi)徑2）/[2（油缸活塞直徑2-油缸活塞桿直徑2）]。主軸轉速的確定首先需要做焊機參數(shù)的計算工作，要根據(jù)石油鉆桿摩擦焊焊機的特性，將主軸轉速選在1000r/min左右，設置合適的轉速能夠保證石油鉆桿摩擦焊焊機的質(zhì)量，同時也能減輕主軸承的負擔，因為主軸轉速越快，主軸承損壞的概率就越大。為了將石油鉆桿摩擦焊焊接的時間進行縮短，就需要采取大慣量和大壓力的焊接規(guī)范，從而提高焊接效率。摩擦焊焊機的參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，能對焊接縮短量產(chǎn)生直接的影響，如果在進行石油鉆桿摩擦焊焊接時焊機的參數(shù)不符合標準，那么參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)自動報警，從而保證焊接工作的精準程度。為了實現(xiàn)摩擦焊接的可塑性，就需要用計算機技術對其實施全程監(jiān)控。對這些參數(shù)的監(jiān)控是為了方便日后調(diào)查時對這些數(shù)據(jù)的查詢。因此，就需要將監(jiān)控的數(shù)據(jù)資料存儲在算機軟件的硬盤當中。

5.3 石油鉆桿摩擦焊焊接流程

以慣性摩擦焊機為例，在進行石油鉆桿摩擦焊焊接時，由于慣性摩擦機整體配置的不同。因此，在焊接時會出現(xiàn)一定的差異性。在進行石油鉆桿摩擦焊焊接時，第一，將鉆桿管體會被液壓夾具夾在摩擦焊焊接校車上，之后焊接校車上的電動機，就會帶動主工具接頭進行高速旋轉，在旋轉到一定程度之后主軸和電機在電磁離合器的驅(qū)動下就會脫開，之后小車液壓驅(qū)動焊接車就會帶動焊接管體移動到工具接頭處。此時石油鉆桿管體與焊接工具接頭產(chǎn)生大量摩擦熱，導致焊接面金屬急速升溫并且塑化，從而被擠出焊接面，之后會在內(nèi)外形成毛刺，當主軸停止轉動，延時保壓后，焊接結束。有一部分的焊接機器是具有焊接，毛刺去除等使用功能的。當對石油鉆桿焊接結束后，在焊接縫形成的毛刺還沒有冷卻時，可以利用焊機上沖頭將還沒有冷卻的內(nèi)毛刺進行去除，隨后將管體夾具松開，啟動主軸使其帶動已經(jīng)焊好的鉆桿旋轉起來，再使用外毛刺車削刀具將外毛刺去除干凈。有一部的摩擦焊接機是不帶有去毛刺的功能，在對石油鉆桿焊接結束以后，要使用鉆桿焊縫熱處理工藝對摩擦焊接后鉆桿進行退火處理，溫度大概在（680±10）℃，經(jīng)過退火處理后要使用車床對鉆桿焊縫處的毛刺進行去除，之后在進行淬火處理溫度控制在（960±10）℃，然后在進行回火處理溫度在（650±10）℃。

5.4 石油鉆桿摩擦焊工藝要點

（1）在進行石油鉆桿摩擦焊時要采用大壓力，大慣量的硬焊接規(guī)范，這樣不但能充分的縮短石油鉆桿摩擦焊的焊接時間，還能將焊區(qū)窄化，從而為焊縫的調(diào)質(zhì)處理奠定了良好的基礎。（2）在對石油鉆桿焊接前，需要充分的將工具接頭的端面處理干凈，要保證焊接縫的純凈性。（3）摩擦焊焊機的參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)是十分重要的，它能保證焊接縮短量檢測的準確性，同時還能判斷整體數(shù)值能否達標，如果沒有達標系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號，從而提高摩擦焊焊縫焊合的可靠性。（4）在進行石油鉆桿摩擦焊時要對焊接的過程全面監(jiān)控，利用計算機系統(tǒng)對焊接過程當中的主軸轉速時間曲線，頂鍛壓力時間曲線和焊接縮短量時間曲線進行記錄，再將其記錄的數(shù)據(jù)保存在計算機硬盤上，方便以后查詢。

6 結語

綜上所述，石油鉆桿焊縫熱處理工藝主要有石油鉆桿焊縫奧氏體化，石油鉆桿焊縫淬火工藝以及石油鉆桿焊縫高溫回火。在對石油鉆桿進行焊接之前，要做好摩擦焊焊前處理工作，要嚴格控制焊接的輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)，同時還要對石油鉆桿摩擦焊時要對焊接的過程全面監(jiān)控并將數(shù)據(jù)保存在計算機硬盤上，這樣才能保證石油鉆桿整體的安全性與可靠性。