加重鉆桿耐磨帶敷焊工藝研究

張紹青，張東民

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，上海 201418)

加重鉆桿耐磨帶敷焊工藝研究

張紹青，張東民

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，上海 201418)

摘要：耐磨帶在套管耐磨承受力中占主導(dǎo)作用，正確選擇和使用耐磨帶不僅可降低鉆桿接頭本身磨損，還可有效降低套管磨損。通過在材料牌號為AISI4145H合金鋼的5 in(1 in=25.4 mm)加重鉆桿上敷焊ARNCO300XTTM耐磨帶，對影響耐磨帶敷焊參數(shù)進(jìn)行研究，并在原有的工藝上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，制定出了更為合理的焊接工藝。實際應(yīng)用證明優(yōu)化后的工藝在滿足設(shè)計要求下保證了焊縫質(zhì)量并提高了產(chǎn)品合格率。

關(guān)鍵詞：耐磨帶；ARNCO300XTTM；工藝

套管固井不居中，鉆井時容易造成鉆具與套管內(nèi)壁的劇烈摩擦進(jìn)而相互產(chǎn)生磨損，修理破損套管的費用很高，套管嚴(yán)重磨損時可導(dǎo)致鉆井報廢。耐磨帶的出現(xiàn)為這一問題提供了解決辦法，耐磨帶將鉆桿接頭本體與套管壁或井壁隔離[1]，減少了鉆具接頭與套管內(nèi)表面或與井壁接觸的總長度，避免了鉆桿與套管壁或與井壁直接接觸，從而降低了套管和鉆具接頭的磨損。耐磨帶與套管內(nèi)壁接觸時的摩擦因數(shù)低，能降低在位移井或大斜度井出現(xiàn)的扭矩和摩擦阻力，并減少燃油消耗。正確選擇和使用耐磨帶至關(guān)重要，如何控制耐磨帶使用規(guī)程會直接影響鉆具接頭的力學(xué)性能。制定合理的焊接工藝方法，選用合理的參數(shù)，并形成規(guī)范指導(dǎo)實際生產(chǎn)，已成為企業(yè)急需解決的問題。

1加重鉆桿耐磨帶敷焊結(jié)構(gòu)及敷焊原理

1.1加重鉆桿耐磨帶敷焊結(jié)構(gòu)特點分析

加重鉆桿作為過渡部件，連接在鉆桿和鉆鋌之間，為改善剛性鉆鋌和柔性鉆桿連接易發(fā)生的疲勞破壞，加重鉆桿的兩端接頭和中間加厚部分常敷焊有耐磨帶，以便提高其抗磨損能力。加重鉆桿總長為(9 450±150) mm，水眼直徑為71.4 mm，耐磨帶敷焊前經(jīng)調(diào)制處理，硬度為285～341 HBW，母材無裂紋缺陷， 各項性能指標(biāo)符合石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。5"加重鉆桿坯材料為AISI4145H合金鋼，該材料淬透性強，熱處理后可獲得高強度與高韌度力學(xué)特性，截面硬度均勻，是鉆桿用鋼優(yōu)選材料[2]。根據(jù)實際需要，加重鉆桿有4處需要敷焊耐磨帶，敷焊直徑分別為：φ168.3 mm×φ71.4 mm、φ139.7 mm×φ71.4 mm、φ139.7 mm×φ71.4 mm和φ168.3 mm×φ71.4 mm，主要集中在公母接頭和中間加厚端，每段耐磨帶總寬度約為75 mm，均勻分為3道，每道約為25 mm，耐磨帶凸出加重鉆桿表面0～0.8 mm，如圖1所示。

圖1　耐磨帶分布簡圖

1.2ARNCO300XTTM耐磨帶敷焊原理

ARNCO300XTTM耐磨帶屬于無鉻金屬的鐵基合金，含有鎳、硼和鈮等元素，能形成很好的熔池效果，具備良好的耐磨性和減摩性，可將套管磨損狀態(tài)降至最低程度，特別適合在極度研磨的裸巖地層鉆進(jìn)[3-4]。ARNCO300XTTM耐磨帶采用直徑為1.6 mm的耐磨藥芯焊絲，用100%CO2作為保護(hù)氣體，用等離子弧堆焊，以藥芯焊絲與被焊接工件之間電弧作為熱源，將焊絲藥芯熔化，在堆焊層表面形成熔渣。焊絲熔化，鉆桿接頭表面形成熔池，隨著焊槍的擺動和工件的相對轉(zhuǎn)動，工件圓周方向生成具有一定均勻?qū)挾群秃穸鹊母綦x帶，即耐磨帶。ARNCO300XTTM耐磨帶硬度>60 HRC，耐磨性好，且具有一定的減磨性，熱裂紋少，原理如圖2所示。

圖2　耐磨帶敷焊簡圖

2影響耐磨帶敷焊質(zhì)量的重要因素

影響耐磨帶敷焊質(zhì)量的因素有很多，除了遵守安科公司提供的工藝守則，日常實際生產(chǎn)經(jīng)驗的積累也非常重要，同一臺設(shè)備在同樣的環(huán)境條件下，最終導(dǎo)致的結(jié)果也會有很大的差異。通過對焊接過程進(jìn)行實時的觀察與調(diào)整，不斷更新改進(jìn)已有工藝并形成規(guī)范，將有助于耐磨帶質(zhì)量控制。

1)焊接電流、電壓。焊接設(shè)備電源應(yīng)提供持久直流(DC)恒壓裝置，采用電焊絲正極(DCEP)反極性焊接法。在小電流和大電流區(qū)，飛濺程度較低，而介于大、小電流之間的飛濺程度比較大，要保證在敷焊過程中小的飛濺，在電流確定后需再匹配適當(dāng)電壓。

2)焊絲伸出長度。焊絲伸出越長，焊接越不穩(wěn)定，飛濺程度越劇烈，應(yīng)根據(jù)實際選擇適中伸出長度。

3)氣體流量。流量過小，排除周圍空氣減弱，保護(hù)效果降低；流量過大，容易發(fā)生紊流現(xiàn)象，易混入空氣。

4)預(yù)熱。無論鋼材的外徑或環(huán)境溫度為多少，必須對需要敷焊部位及周圍進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱，未對母材進(jìn)行充分預(yù)熱可能導(dǎo)致母材或焊接金屬出現(xiàn)不合格裂紋。預(yù)熱可降低焊接金屬和母材金屬熱影響區(qū)冷卻速度，產(chǎn)生一種更有韌度的合金結(jié)構(gòu)，防止裂紋的產(chǎn)生；同時，可將存在的氫無害擴散出去并降低收縮幅度。

5)保溫冷卻。焊接后應(yīng)保證加焊耐磨帶的鉆桿在靜止空氣中緩慢冷卻，為確保達(dá)到慢速降溫焊接部位的目的，需要立即用保溫毯或保溫罐進(jìn)行保護(hù)。車間通風(fēng)扇的循環(huán)氣流應(yīng)避免直接吹向敷焊部位，直到敷焊部位溫度冷卻到<60 ℃。另外，焊槍的擺動角度和送絲機構(gòu)等對耐磨帶敷焊也有一定影響。

雖然因素眾多，但只要把握好主要因素，根據(jù)工藝規(guī)范結(jié)合實際情況操作，焊縫質(zhì)量還是可控的。制定合理的焊接工藝方法，選用合理的參數(shù)，形成規(guī)范指導(dǎo)實際生產(chǎn)，實現(xiàn)低成本高效率且在滿足設(shè)計要求的情況下保證焊縫質(zhì)量并提高產(chǎn)品合格率，已成為目前企業(yè)急需解決的問題。

3加重鉆桿耐磨帶敷焊工藝

3.1焊接設(shè)備檢驗

1)檢查設(shè)備電源是否穩(wěn)定，電流應(yīng)為200～320 A，電壓為24～34 V，CO2純度為100%，且氣體流量表頭指示正確。

2)檢查焊槍頭是否安裝正確，角度和位置應(yīng)準(zhǔn)確，焊槍頭應(yīng)清潔干凈。

3)檢查送絲機構(gòu)是否正常工作，焊絲饋送是否正常且張緊。

3.2材料檢驗

1)觀察鉆桿接頭表面，保證表面干凈，清除各種雜質(zhì)(如粉塵、污物、油脂、油漆和表面涂層等)，清除螺紋處潤滑劑及積存化合物。

2)確保工件在電焊機卡盤位置準(zhǔn)確、找正，確保堆焊部位的同心度≤0.76 mm。

3)用石棉布將鉆桿接頭兩端堵死或者用膠布粘住護(hù)絲扣，阻止內(nèi)部氣體流動。

3.3敷焊耐磨帶

1)按工藝參數(shù)進(jìn)行預(yù)熱，記錄預(yù)熱溫度并確保在規(guī)定范圍，內(nèi)且預(yù)熱應(yīng)該是滲透預(yù)熱，而不是表面預(yù)熱。

2)按工藝參數(shù)調(diào)整焊機進(jìn)行施焊，填寫耐磨帶施焊及外觀檢查記錄，隨時注意冷卻水溫，不得超過50 ℃。

3)控制堆焊耐磨帶鉆桿的冷卻速率。為保證所要求的緩慢冷卻速率，堆焊后的鉆桿應(yīng)立即用保溫毯或者保溫罐包裹，在靜止空氣中自然冷卻。

4)修磨耐磨帶的重疊區(qū)域、飛濺焊渣和焊瘤，使耐磨帶表面平整。打磨工作應(yīng)該在鉆桿冷卻到60 ℃以下時進(jìn)行。

3.4焊接工藝參數(shù)

耐磨帶敷焊工藝參數(shù)見表1和表2。

表1　耐磨帶敷焊工藝參數(shù)(一)

表2　耐磨帶敷焊工藝參數(shù)(二)

3.5焊后檢驗

1)外觀檢測。焊后耐磨帶外觀百分百目測，焊接區(qū)域不應(yīng)存在焊渣、焊濺物、橫越區(qū)高點或突起，若存在需打磨清除，否則視為不合格。

2)尺寸檢驗。最終耐磨帶尺寸應(yīng)符合圖樣尺寸公差要求。

3)ARNCO300XTTM耐磨帶敷焊會有裂紋出現(xiàn)，但裂紋并不影響其使用性能，耐磨帶橫向裂紋通常為38～75 mm，若裂紋空間間隙<38 mm或裂紋寬度>1.6 mm，則此耐磨帶不合格，有任何周向裂紋或剝離傾向裂紋都是不合格的。

4)無損探傷。對耐磨帶兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)熱影響區(qū)表面進(jìn)行100%濕磁粉探傷，要求集體無裂紋，否則視為不合格。

5)耐磨帶過多的空穴(砂眼或氣孔)是不合格的，嚴(yán)重的咬邊也是不合格的。

4加重鉆桿ARNCO300XTTM耐磨帶合格實例

合格ARNCO300XTTM耐磨帶實例如圖3所示，合格100%濕磁粉探傷裂紋狀態(tài)如圖4所示。

圖3　合格ARNCO300XTTM　圖4　合格100%濕磁粉　耐磨帶實例　探傷裂紋狀態(tài)

5結(jié)語

正確選擇和使用耐磨帶對降低套管和鉆桿的磨損至關(guān)重要，影響耐磨帶敷焊質(zhì)量的因素有很多，如焊接電流電壓值、焊絲伸出長度、氣體流量、預(yù)熱以及保溫冷卻等。通過理論結(jié)合實際生產(chǎn)制定合理的焊接工藝方法，選用合理的參數(shù)，不斷改進(jìn)并形成規(guī)范，對指導(dǎo)實際生產(chǎn)有著重要的意義，這也是在滿足設(shè)計要求下保證焊縫質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高耐磨帶敷焊效率及合格率的有效依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫成. 石油鉆桿接頭耐磨帶堆焊材料的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 石油工程建設(shè), 2007,33(4): 55-58.

[2] 黃志宏. AISI4145H鉆鋌用鋼的研制[J]. 上海鋼研, 2005 (4): 34-38.

[3] 衛(wèi)優(yōu)麗. 鉆桿接頭表面耐磨帶堆焊工藝研究與應(yīng)用[D]. 西安：西安石油大學(xué), 2010.

[4] 胡進(jìn). 4145H (42CrMo) 鉆鋌鋼內(nèi)在性能綜合分析[J]. 特鋼技術(shù), 2002, 10(1): 16-22.

責(zé)任編輯鄭練

Research on Hardband Welding Overlaying on Heavy Weight Drill Pipe

ZHANG Shaoqing, ZHANG Dongmin

(Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China)

Abstract:Hardbanding plays a dominant role in undertaking casing wear and endurance, however, correct selection and application of hardfacing can not only reduce the abrasion of tool joint itself, but also effectively reduce the casing’s fray. With ARNCO300XTTMhardbanding overlaying on heavy weight drill pipe by alloy steel material grades for AISI4145H 5 in(1 in=25.4 mm), hardbanding welding parameters were studied and optimized parameters in the original process, finally formulated a more rational welding process, through practical application, optimized technology ensured the welding quality and increased product yield.

Key words:hardbanding, ARNCO300XTTM, process

收稿日期：2014-05-27

作者簡介：張紹青(1989-)，男，碩士研究生，主要從事先進(jìn)制造與裝備技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號：TE 921

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A