修井機(jī)單片焊接變形控制及矯正

關(guān)治悅

摘 要：修井機(jī)是修井和井下作業(yè)施工中最基本、最主要的動(dòng)力來源，井架單片作為修井機(jī)核心部件井架的主要構(gòu)成單元，由于井架總成獨(dú)特的套裝滑移起升方式，其制造過程具有較高的要求，需要對焊接變形進(jìn)行嚴(yán)格的控制，必要時(shí)還需要通過適當(dāng)?shù)某C正手段，來保障單片的尺寸及行為公差，以期得到合格的井架總成。文章從修井機(jī)單片制造過程中大腿號(hào)料、組對間隙、工裝保障、焊接控制方面來闡述井架單片在制造過程中的變形控制;對于較大的變形，從生產(chǎn)過程中積累的矯正方法及研究進(jìn)行了闡述，希望可以提供一些可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：井架單片;修井機(jī);焊接變形;變形矯正

隨著社會(huì)的發(fā)展，油田的開采逐漸增加，油田設(shè)備需求量也在增大，修井設(shè)備的好壞直接影響到修井作業(yè)的工作效率，先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，不僅可以保證油田的產(chǎn)量，同時(shí)對我國實(shí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重大意義[1]。

井架單片，作為修井機(jī)井架上下體的主要構(gòu)成單元，焊接變形控制及變形矯正，為制造過程工藝研究和質(zhì)量控制的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。井架單片的變形得到了有效控制，井架總成的產(chǎn)品質(zhì)量也就得到了強(qiáng)有力的保障。

1 修井機(jī)井架單片介紹

修井機(jī)井架單片，屬于常規(guī)修井機(jī)8大系統(tǒng)（見圖1所示）井架及游車系統(tǒng)中井架總成部件。在井架制造過程中，單片制造為首要環(huán)節(jié)，井架上體的單片型式，可參見圖2所示，井架下體的單片型式，可參見圖3所示。

由于井架為套裝結(jié)構(gòu)，工作時(shí)井架上體在井架下體中穿行，因此井架單片的制造有較高的要求，從長期的制造過程經(jīng)驗(yàn)中，我們總結(jié)有以下幾個(gè)控制要點(diǎn)：

（1）單片開檔尺寸E（外大內(nèi)?。苌象w單片外開檔（上公差0，下公差-2mm），井架下體單片內(nèi)開檔（上公差+2mm，下公差0）;

（2）直線度：全長范圍 -4mm/1000：1mm ，重合段3米間距內(nèi)-2mm/1000：1mm。

（3）組對間隙小于2mm（控制焊接變形）。

2 焊接變形控制

2.1 大腿號(hào)料

我們通常將單片兩側(cè)的兩根主體型材稱之為井架大腿，其長度一般在15米至21米之間，由于市場供料長度有限，修井機(jī)的井架大腿通常需要對接已達(dá)到所需長度。在井架大腿對接之前，需要對井架大腿進(jìn)行號(hào)料，我們這里講的號(hào)料，并非單純的指把已經(jīng)展開的零件的真實(shí)形狀及尺寸，通過樣板、樣箱、樣條或草圖劃在鋼板或型材上的工藝過程，而在傳統(tǒng)號(hào)料定義上進(jìn)行了延伸，包含了對型材的材料、尺寸及行為公差的確認(rèn)，特別是在變形方面的確認(rèn)。

井架大腿號(hào)料，關(guān)鍵在于對變形（直線度）的確認(rèn)，一根長達(dá)15米至21米的型材，單純來講直線度是沒有意義的，因?yàn)樘L給了型材足夠的柔性，但是需要注意的是，型材不得存在“死彎”，即難以通過相應(yīng)手段得到短距離范圍內(nèi)直線度要求的變形。

2.2 組對間隙

產(chǎn)品因受力而產(chǎn)生的形狀變化稱之為變形，在焊接過程中，不均勻溫度場是變形的主要原因，隨溫度變化而變化的稱為焊接瞬時(shí)變形，被焊工件完全冷卻到初始溫度時(shí)的改變，稱為焊接殘余變形。

要減少產(chǎn)品的焊接變形量，控制焊接過程熱輸入量是最為直接的辦法，畢竟對于大型構(gòu)件如井架單片，進(jìn)行反變形控制是難以實(shí)現(xiàn)的。而熱輸入量的直接來源，主要來自于焊縫的大小、焊接電壓U、焊接電流I和焊接行進(jìn)速度V，焊接電壓和電流可以通過焊機(jī)來進(jìn)行調(diào)整和控制，而焊縫大小除了設(shè)計(jì)計(jì)算后的要求以外，組對間隙則是最為直接的原因。

組對間隙和坡口大小的控制，也是一個(gè)好的鉚工成為大師最為基本的技能要求。在AWSD 1.1《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》中，坡口焊的組對間隙要求通常在0-5mm[2]，井架單片組對時(shí)，橫撐和斜撐通過設(shè)備加工，完成單片組對后，對接間隙一般控制在0-2mm。

2.3 工裝保障

工裝保障來減小焊接變形，其主要原理是在于對剛性固定的應(yīng)用。通過剛性固定，可以阻止焊接過程的收縮，來達(dá)到減小焊接變形的目的。井架單片控制的兩個(gè)要點(diǎn)：開檔和直線度，因?yàn)榫軉纹拈L度，決定了單個(gè)或少數(shù)量的剛性固定是不能滿足單片的整體制造要求的，我們制造過程中使用的單片組對、焊接工裝，是一個(gè)全長度范圍內(nèi)、密集型半固定式半活動(dòng)工裝，如圖4所示。

單片組對工裝，是由一個(gè)大的平板、分布式的固定基準(zhǔn)點(diǎn)和可活動(dòng)式的固定工具（千斤頂、可伸縮式的拉桿）等構(gòu)成，當(dāng)組對井架上下體單片時(shí)，可綜合利用外側(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)和內(nèi)側(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，配合可活動(dòng)式的固定工具，完成對內(nèi)、外開檔的剛性固定。

2.4 焊接控制

焊接控制，也是焊接變形控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，熱輸入量越大，產(chǎn)生的應(yīng)力越大，其變形也就越大。根據(jù)熱輸入量公式：熱輸入量=60UI/V，可知熱輸入量與焊接過程焊接電壓、焊接電流和焊接行進(jìn)速度有關(guān)，焊接電壓、電流越大，焊接行進(jìn)速度越慢，則熱輸入量越大，反之，則熱輸入量越小。

因此，焊接過程控制，在工藝允許范圍內(nèi)，盡量使用熱輸入量較小的焊接方法，如CO2氣體保護(hù)焊，使用小電流、小電壓，加快焊接行進(jìn)速度，熱輸入量越小，則產(chǎn)生的焊接變形的會(huì)越小。

當(dāng)然，采用合理的焊接順序，同樣也可以減小焊接變形量，由于單片長度的特殊性，我們可以將單片的焊縫，近似的看作為兩條沿大腿方向的直焊縫，焊接過程采用對角線焊接、跳焊、自中間向兩側(cè)的分段焊接方法，同樣可以減小焊接變形的產(chǎn)生。

3 焊接變形矯正

實(shí)踐證明，多數(shù)焊接變形的結(jié)構(gòu)件是可以矯正的，而矯正的方法都是通過產(chǎn)生新的變形來抵消已發(fā)生的變形。生產(chǎn)過程中，通常采用的矯正方法有機(jī)械矯正、火焰矯正和綜合矯正（火焰矯正和機(jī)械矯正），井架單片矯正所使用的方法為火焰矯正和機(jī)械矯正。

火焰矯正通常有點(diǎn)狀加熱法、線狀加熱法和三角形加熱法三種方法。火焰矯正科根據(jù)材質(zhì)、板厚及加熱方法等不同情況，選擇不同的加熱溫度，可分為低溫加熱、中溫加熱和高溫加熱。低溫加熱溫度控制在500-600℃，適合于矯正含碳量在0.25%以上、板厚在6mm以下的碳素鋼和低合金高強(qiáng)度鋼，允許水冷;中溫加熱溫度控制在600-700℃，適合于矯正含碳量在0.35%以上、板厚在6mm-12mm以內(nèi)的碳素鋼和低合金高強(qiáng)度鋼，溫度嚴(yán)禁超過723℃;高溫加熱溫度控制在723-850℃，適合于矯正板厚在14mm-16mm以內(nèi)加熱，超過20mm板厚加熱溫度為850℃。不允許矯正含碳量在0.35%以上的碳素鋼和低合金高強(qiáng)度鋼。

3.1 井架下體單片矯正

井架下體單片如圖5所示，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)由于結(jié)構(gòu)特殊，焊接后變形量大，且產(chǎn)生的焊接變形均是“急彎”，而井架大腿壁?。?0mm左右），采用傳統(tǒng)的機(jī)械矯正方法，容易引起大腿開裂，因此一般采用三角加熱矯正法，因?yàn)槿羌訜岙a(chǎn)生的變形量最大，矯正效果最好。余下的門框相對而言焊接變形較小，可采用線狀加熱法，加熱點(diǎn)根據(jù)實(shí)際變形情況選定，一般選取變形量最大的點(diǎn)?；鹧嫘Ｕx用低溫加熱，常溫下自然冷卻，由于大腿為井架的主要受力構(gòu)件，低溫校正不允許使用澆水冷卻獲取較大的矯正效果，矯正后再常溫下自然冷卻。

3.2 井架上體單片矯正

井架上體單片，如圖2所示，結(jié)構(gòu)較為單一，無特殊之處，焊接后產(chǎn)生的變形較小，只要工裝直線度達(dá)到要求，焊接后的井架上體單片基本無變形，用機(jī)械矯正基本可以達(dá)到要求，如圖6所示。

壓力機(jī)矯正時(shí)，應(yīng)在矯正部位下多加厚墊板，施加小的壓力，多位置進(jìn)行矯正，同時(shí)及時(shí)目測、檢測直線度。

4 結(jié)語

修井機(jī)井架單片的焊接變形控制、矯正方法研究，在當(dāng)前的石油制造行業(yè)，仍是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是制約私營企業(yè)對是由機(jī)械制造進(jìn)軍發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。其制造過程的焊接變形控制和矯正技術(shù)，同樣可以推廣借用到其他產(chǎn)品的制造上，為提升產(chǎn)品質(zhì)量起到積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛慶華.油田修井設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J].化工管理，2015（33）：129.

[2]AWSD1.1鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[M].AWS美國焊接檢驗(yàn)學(xué)會(huì).