合理解決鉆桿鐵基噴焊層脫落的方法

張鐵軍 何旭

摘要：文中對(duì)鐵基噴焊鉆桿耐磨帶工藝脫落問題進(jìn)行研究，分析表明：噴焊工藝缺陷、未焊透、結(jié)合力差、套管與鉆桿間隙小是造成鉆桿接頭鐵基熔敷層脫落的主要原因。針對(duì)脫落原因，文中從噴焊工藝和噴焊材料兩方面對(duì)鐵基熔覆層脫落問題進(jìn)行分析解決。最終將相同成分的鐵基熔覆合金制備成藥芯焊絲，采用MAG（熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊）的方式有效解決鐵基熔覆層脫落的問題，減少卡鉆事故降低成本。

關(guān)鍵詞：鉆桿接頭;耐磨帶焊絲;敷焊

中圖分類號(hào)：TG457? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0141-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.27

0? ? 前言

目前國(guó)內(nèi)鉆桿接頭耐磨帶噴焊材料主要分為耐磨帶焊絲和等離子噴焊鐵基粉末兩大類。耐磨帶焊絲以TCS、100XT、LoWare等產(chǎn)品為主，采用MIG工藝熔覆層宏觀洛氏硬度HRC55～58，具有良好的抗磨和保護(hù)套管的作用。耐磨帶焊絲熔覆層憑借熔深大結(jié)合力強(qiáng)，無裂紋保護(hù)套管的優(yōu)勢(shì)，主要用于下套管的深井作業(yè)工況。鐵基粉末屬于高碳高鉻合金，含碳量高達(dá)5%，含鉻量高達(dá)30%，采用等離子噴焊于鉆桿接頭表面，形成宏觀洛氏硬度HRC58～62的熔覆層，具有良好的抗磨性能，但存在噴焊后脆性大、易開裂等問題，噴焊后表面有明顯的裂紋，主要用于裸眼井鉆探。2020年5月勝利工程公司某鉆井隊(duì)在山西永和項(xiàng)目部發(fā)生鉆桿接頭鐵基噴焊層脫落導(dǎo)致卡鉆的事故，造成巨大損失。因此如何避免或減少鐵基噴焊層脫落成為目前耐磨帶使用過程中要解決的關(guān)鍵問題。

1 噴焊層脫落原因分析

對(duì)于此次卡鉆事故，工作人員對(duì)井內(nèi)進(jìn)行了磁性打撈，發(fā)現(xiàn)了大量脫落的噴焊耐磨塊。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員分析噴焊層脫落主要原因有以下幾個(gè)方面。

1.1 工藝缺陷

鉆桿噴焊鐵基粉末在20世紀(jì)90年代就開始使用，噴焊層脫落問題一直存在。文獻(xiàn)[1-3]研究表明：脫落是噴焊中比較嚴(yán)重的缺陷之一;噴焊耐磨帶易形成環(huán)狀裂紋，在深井中由于地層溫度高，導(dǎo)致本體與耐磨層變形不一致，鉆井中耐磨帶材料易發(fā)生脫落，損傷套管;同時(shí)也指出，噴焊合金粉末脫落的根本原因是噴焊層抗磨損主要依靠噴焊層中高碳高鉻碳化物硬質(zhì)相，而硬質(zhì)相的存在又會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生割裂作用，因此噴焊層外觀表現(xiàn)為熔深淺、裂紋大、易脫落。

1.2 未焊透

在井場(chǎng)發(fā)現(xiàn)部分噴焊層脫落后可明顯看到殘留噴焊層如圖1所示，這表明熔覆層未完全熔透母材，熔覆層結(jié)合力差，造成脫落。經(jīng)分析造成熔覆層未焊透主要原因有三點(diǎn)：

（1）鉆桿接頭表面殘留熔覆層過厚（≥1 mm）時(shí)，依據(jù)SYT 6948-2013標(biāo)準(zhǔn)要求，需去除殘留熔覆層后進(jìn)行再次噴焊，否則就會(huì)出現(xiàn)未焊透，發(fā)生噴焊層脫落現(xiàn)象，大大增加施工成本。

（2）殘留噴焊層合金含量（屬于高碳高鉻合金）比鉆桿本體高，熔點(diǎn)也高，因此采用相同的工藝參數(shù)在殘留噴焊層上再次噴焊耐磨層時(shí)極易發(fā)生未熔透的現(xiàn)象，造成脫落。

（3）等離子噴焊合金粉末工藝的熔深約為1 mm，與MIG焊相比存在熔深淺、結(jié)合力弱的缺陷，易發(fā)生噴焊層脫落現(xiàn)象。

1.3 噴焊層厚度過大、結(jié)合力差

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)噴焊人員為提高鉆具抗磨性能，采用增加熔覆層厚度的方法，導(dǎo)致噴焊層單邊厚度大于5 mm，甚至部分噴焊層單邊厚度達(dá)到10 mm，如圖2所示。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了SYT 6948-2013標(biāo)準(zhǔn)要求的耐磨帶厚度3 mm的范圍。噴焊層厚度過大會(huì)加劇噴焊層與套管的撞擊，發(fā)生脫落。

以上三個(gè)方面是噴焊層脫落的主要原因。噴焊層脫落造成卡鉆事故最直接的原因就是套管與鉆桿間隙過小，單邊間隙約為10 mm。間隙小會(huì)加劇鉆桿的撞擊，加劇噴焊層脫落，導(dǎo)致脫落的耐磨塊更容易卡鉆。

2 解決方法

針對(duì)鉆桿接頭噴焊層的脫落現(xiàn)象，文中從噴焊工藝和噴焊材料兩方面對(duì)鐵基噴焊層脫落問題進(jìn)行分析解決。

2.1 優(yōu)化噴焊工藝

（1）噴焊層厚度要求符合標(biāo)準(zhǔn)3 mm。

（2）殘留噴焊層厚度大于1 mm時(shí)，不建議再次噴焊，或必須將殘留層去除后再噴焊。

（3）殘留噴焊層厚度小于1 mm再次噴焊時(shí)，噴焊電流、電壓增加10%～20%。目的是增大熱輸入，加深熔池深度，使噴焊層焊透。

（4）制定噴焊操作流程表。

采用以上方法后，噴焊層質(zhì)量顯著改善，但仍有明顯的環(huán)狀裂紋，如圖3所示。優(yōu)化噴焊工藝能夠有效減少噴焊層的脫落，但仍無法徹底解決鐵基噴焊層熔深淺、裂紋大、易脫落的問題。建議采用MAG焊工藝，才能夠?qū)崿F(xiàn)大熔深、抗脫落的目的。

2.2 改進(jìn)熔覆材料

試驗(yàn)采用HC1焊絲用鋼帶，規(guī)格0.5 mm×12 mm。采用高碳鉻鐵、鉬鐵、鈮鐵等鐵基合金粉末（鐵基噴焊粉末主要性能參數(shù)見表1），填充率30%，制備藥芯焊絲，型號(hào)LoWare-F，具體化學(xué)成分如表2所示。考慮到舊鉆桿殘留耐磨層對(duì)熔覆層的滲透作用因素，焊絲合金元素設(shè)計(jì)時(shí)降低了熔覆金屬中C與Cr的含量，減少碳化物的形成數(shù)量;同時(shí)添加Nb、Mo等元素形成高熔點(diǎn)形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化鉻碳化物形貌，使其分布均勻，提高熔覆層結(jié)合力。將制備的焊絲通過鉆桿接頭等離子弧/電弧兩用耐磨帶噴焊機(jī)進(jìn)行噴焊，保護(hù)氣體采用CO2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 熔覆層金相組織

采用LoWare-F藥芯焊絲獲得的熔覆層金相組織如圖4所示，金相組織中有大量六方形鉻的碳化物硬質(zhì)相。通過金相對(duì)比發(fā)現(xiàn)：鐵基噴焊層金相組織中鉻的碳化物粗大，而LoWare-F藥芯焊絲熔覆層鉻碳化物顯著減小。這是由于Nb元素與C元素的自由生成能為140.7 kJ/mol，形成碳化鈮（NbC）能力強(qiáng)，NbC的熔點(diǎn)高達(dá)3 500 ℃，熔池冷卻過程中最先形核，因此鉻的碳化物會(huì)以NbC 為形核質(zhì)點(diǎn)，形成復(fù)合碳化物。同時(shí)NbC的存在限制了鉻碳化物的尺寸，使其分布均勻，降低了宏觀裂紋[4-5]。NbC的尺寸較小一般在10 μm內(nèi)，均勻彌散地分布于基體上，能夠起到細(xì)化晶粒、提高組織抗裂性能的作用。

3.2 熔覆層硬度

依據(jù)GB/T230.1-2018金屬材料洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)要求加工試樣，采用HRC-150型洛氏硬度計(jì)測(cè)量尺寸為57 mm×25 mm×5 mm試樣的焊態(tài)硬度，載荷150 kg （HRC），加載時(shí)間5 s，保荷時(shí)間3 s，每個(gè)試樣連續(xù)測(cè)定5個(gè)點(diǎn)，取算術(shù)平均值。兩壓痕中心間的距離或任一壓痕中心距試樣邊緣的距離不小于3 mm。堆焊層上表面硬度測(cè)量結(jié)果如表3所示。堆焊層硬度平均值為HRC58.8，不同點(diǎn)的硬度值均在HRC57～60之間，數(shù)值偏差小，硬度均勻穩(wěn)定。

4 實(shí)際應(yīng)用

將制備的φ1.6 mm藥芯焊絲LoWare-F在山西永和勝利40587鉆井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行噴焊，5寸舊鉆桿400根，每根鉆桿接頭單層并排噴焊3道，耐磨層厚度2.5～3.5 mm，寬25～30 mm。焊接設(shè)備采用LoWare-

DC600-FC6000鉆桿接頭全自動(dòng)耐磨帶噴焊設(shè)備，焊接電源采用林肯DC600焊機(jī)，焊接電流320A，電壓30V，直流反接，干伸長(zhǎng)20mm，采用Ar80%和CO220%混合氣保護(hù)進(jìn)行噴焊，焊接速度每道3～4分鐘，如圖5所示。共計(jì)使用260 kg焊絲進(jìn)行下井測(cè)試。噴焊后可明顯發(fā)現(xiàn)，耐磨層裂紋減少，無環(huán)狀裂紋。經(jīng)下井測(cè)試，采用藥芯焊絲噴焊的噴焊層抗磨性能與鐵基熔覆層相當(dāng)，但抗脫落性能顯著提高。在測(cè)試的5口井中未發(fā)生噴焊層脫落現(xiàn)象。將鐵基熔覆粉末改為相同成分的熔覆藥芯焊絲可以有效解決鐵基熔覆層熔深淺，易脫落的問題。

5 結(jié)論

（1）鐵基噴焊層脫落的主要原因是：噴焊工藝缺陷、未焊透、結(jié)合力差以及套管與鉆桿間隙小。

（2）通過調(diào)整鐵基噴焊工藝，可以顯著減少噴焊層脫落，但無法徹底解決脫落問題。

（3）通過硬度測(cè)試及金相分析表明，所制備的藥芯焊絲噴焊層洛氏硬度高達(dá)58 HRC，噴焊層中存在大量均勻分布的碳化物硬質(zhì)相，具有高硬度高抗磨的特點(diǎn)。

（4）下井測(cè)試表明，通過采用相同成分藥芯焊絲代替噴焊粉末可徹底解決噴焊層脫落問題。

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