膨脹波紋管焊接工藝及焊縫膨脹性能分析

王建軍， 陶興華， 鄒 勇， 薛 龍

（1.蘭州理工大學石油化工學院, 甘肅 蘭州 730050；2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室, 北京 102206；3.中國石化石油工程技術研究院，北京 102206；4.北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617）

膨脹波紋管是一種在制造時采用機械方式將圓管縮徑成為月牙形、8字形、4波峰或6波峰等不同截面形狀的異形管。在現(xiàn)場應用時，根據(jù)需要將多根膨脹波紋管在地面連接成長管，下至井下設計位置后，利用液壓和機械膨脹工具恢復為圓管，主要用于封隔復雜地層[1-3]。膨脹波紋管的管體之間主要采用焊接方式實現(xiàn)連接[4-8]，膨脹波紋管膨脹過程中焊縫和膨脹波紋管本體同時產生較大形變，焊縫質量直接決定膨脹波紋管整體的承壓能力，如果膨脹波紋管的整體承壓能力達不到要求，會嚴重影響后續(xù)作業(yè)，甚至使井眼報廢。

截至目前，國內已開展了膨脹波紋管焊接及膨脹性能的系列研究工作，取得了一些研究成果，并進行了應用。陶興華等人[4-6]研究了膨脹波紋管的自動焊接裝備和方法，分析了自動焊接執(zhí)行機構的運動，并進行了運動仿真，研制出可提高焊接質量的波紋管端頭整形裝置。劉鵬等人[7-8]引入X射線數(shù)字化成像技術，建立了檢測波紋管焊縫缺陷的方法，分析了影響波紋管膨脹性能的因素。膨脹性能方面的研究主要有膨脹波紋管膨脹過程力學特性研究、熱處理和振動時效工藝對消除膨脹波紋管管殘余應力的效果分析、膨脹波紋管抗外齊強度的影響因素分析和提高膨脹波紋管擠毀強度的方法等[9-11]。此外，還研究了彎曲井段下的波紋管膨脹性能，分析了壁厚、井眼直徑等對波紋管膨脹性能的影響規(guī)律，采用數(shù)值模擬與試驗方法研究了小口徑膨脹波紋管和小井眼下膨脹波紋管的膨脹過程[12-13]。調研分析認為，已有的研究主要針對焊接裝備、焊縫檢測、膨脹特性或應用仿真，但未見到有關膨脹波紋管焊縫膨脹性能方面的研究。因此，筆者聚焦焊縫膨脹性能分析，介紹了2類膨脹波紋管常用焊接工藝方法，并針對φ149.2 mm 8字形膨脹波紋管，運用彈塑性力學及有限元分析方法，模擬了井下焊縫的膨脹過程，分析了焊縫膨脹性能，評價了焊縫的安全狀況，并進行了試驗井試驗和現(xiàn)場試驗驗證。

1 膨脹波紋管焊接工藝

膨脹波紋管通過焊接連接，焊接是膨脹波紋管工程應用的關鍵環(huán)節(jié)。目前，膨脹波紋管的焊接工藝有手工焊和自動焊2類。無論采用哪種焊接工藝，焊接后均需對焊縫進行保溫，以消氫軟化淬硬部分，達到改變焊縫組織和性能的目的。保溫時間不少于30 min，待焊縫溫度降至100 ℃以下，方可入井，進行后續(xù)操作。

1.1 手工焊

手工焊是膨脹波紋管傳統(tǒng)的焊接工藝，可用鎢極氬弧焊（tungsten inert gas，TIG）或焊條電弧焊（shielded metal arc welding，SMAW）[7]。進行手工焊時，膨脹波紋管采用V形坡口，鈍邊寬為1～2 mm，坡口角度在 60°左右，坡口間隙為 2～3 mm。

采用TIG焊時，焊絲直徑2.5mm，鎢極直徑2.4 mm，鎢極伸出噴嘴長度 6～8 mm，焊槍角度 30°左右。焊機采用直流正接方式，焊接電流120 ～145 A，焊接速度 6～8 cm/min，氬氣流量約為 9 L/min。焊接時不擺動，實施多層多道焊接。

采用SMAW焊時，焊機采用直流反接方式，焊條直徑 3.2 mm，焊接電流 120～145 A，電弧電壓22～25 V，焊接速度 8～15 cm/min。焊接時不擺動，實施多層多道焊接。

1.2 自動焊

中國石化石油工程技術研究院與北京石油化工學院、蘭州理工大學石油化工學院聯(lián)合開發(fā)了一種膨脹波紋管焊接機器人[4-6]，其自動焊接機構如圖1所示，使用齒條式軌道固定在波紋管上，焊接小車沿著軌道繞波紋管運動，通過四軸運動機構夾持微型焊槍，自動焊接膨脹波紋管。

圖1 自動焊接機構Fig.1 Automatic welding mechanism

進行自動焊時，可采用V形坡口或單V形坡口。V形坡口角度在50°左右，鈍邊寬為0.5～1.0 mm，坡口間隙為 1.0～1.5 mm。單 V 形坡口角度在 40°左右。

自動焊采用V形坡口時，采用熔化極活性氣體保護焊（metal active gas arc welding ，MAG 焊），焊絲為φ1.0 mm JM-56型實芯焊絲，保護氣體為 Ar氣與CO2按體積比4∶1混合的氣體。采用二層三道的焊接程序，其中根焊1道，蓋面焊2道，自動焊的工藝參數(shù)見表1。

表1 自動焊的工藝參數(shù)Table 1 Technical parameters of automatic welding

2 波紋管膨脹過程中的焊縫性能分析

筆者針對φ149.2 mm 8字形膨脹波紋管（其截面尺寸如圖2所示），運用彈塑性力學及有限元分析方法，在ABAQUS軟件中建立井眼中的膨脹波紋管模擬模型，模擬φ149.2 mm 膨脹波紋管在井眼中的膨脹過程，對比分析焊縫與膨脹波紋管本體的應力、應變情況，評價焊縫的安全狀況。

圖2 膨脹波紋管截面結構Fig.2 Section structure of EPL

2.1 井下膨脹波紋管數(shù)值模型

不考慮方位角變化的情況下，膨脹波紋管平面彎曲時，井眼直徑分別為 165.1 mm/168.0 mm，井眼曲率為10°/30m ，建立井眼和膨脹波紋管的數(shù)值模型，如圖3所示。

圖3 井眼和膨脹波紋管的數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of the wellbore and EPL

膨脹波紋管由φ168.0 mm×7.5 mm 基管制成，將5根長10 m的膨脹波紋管焊接在一起。膨脹波紋管的屈服強度為 348 MPa，抗拉強度為 476 MPa，延伸率為33.5%。焊縫的屈服強度為434 MPa，抗拉強度為 510 MPa。巖石的彈性模量取 40 GPa，泊松比為0.3。

2.2 膨脹過程中焊縫應力、應變分析

模擬膨脹波紋管在曲率10°/30m的φ165.1 mm井眼中加壓至30 MPa時的膨脹，膨脹結束后焊縫等效應力和應變云圖見圖4。從圖4可以看出，膨脹后焊縫的最大應力和應變在波谷處的管壁外側。

圖4 膨脹后焊縫的等效應力和應變云圖Fig.4 Equivalent stress and strain nephogram of the weld after expansion

模擬膨脹波紋管在曲率10°/30m的φ168.0 mm井眼中逐漸加壓至30 MPa時的膨脹，膨脹波紋管本體及焊縫的等效應力和等效塑性應變隨內壓變化的曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：內壓升至5 MPa過程中，膨脹波紋管本體和焊縫的等效應力隨內壓升高而快速增大，膨脹波紋管本體和焊縫的等效塑性應變基本不變；內壓由5 MPa升至 10 MPa過程中，膨脹波紋管本體和焊縫的等效應力隨內壓升高而緩慢增大，等效塑性應變隨內壓增大而快速增大；內壓升至10 MPa后，膨脹波紋管本體和焊縫的等效應力和等效塑性應變隨內壓升高變化緩慢。

圖5 膨脹波紋管本體及焊縫的等效應力和等效塑性應隨內壓變化的曲線Fig.5 Variation curves of equivalent stress and equivalent plastic strain of the EPL body and weld with internal pressure

由以上分析可知，焊縫的應力、應變隨內壓變化的規(guī)律與膨脹波紋管本體完全相同，只是由于膨脹波紋管本體材料的特性與焊縫不同，焊縫的應力始終大于膨脹波紋管本體，其應變也大于膨脹波紋管本體，但其伸長率小于膨脹波紋管本體（0.335），由此可以判定焊縫是安全的。

3 膨脹波紋管膨脹試驗

3.1 試驗井試驗

用焊接好的膨脹波紋管下入試驗井進行膨脹試驗。膨脹波紋管由3段膨脹波紋管焊接而成，含2條焊縫，兩端焊接堵板，一側堵板上預留進水口和出水口的封頭（見圖6）。在兩端設置限位圈和限位管，以減少膨脹過程中堵板的變形，降低膨脹過程中堵板破裂失效的風險。

圖6 膨脹波紋管試樣Fig.6 EPL sample

膨脹試驗步驟：

1）按圖6所示焊接膨脹波紋管試樣，焊縫在400～500 ℃ 下保溫 30 min。

2）封頭連接試壓泵，將膨脹管波紋管試樣下入試驗井，按照液壓試驗要求加壓。

3）試驗期間，試驗人員要離開試驗區(qū)，通過監(jiān)控設備觀察膨脹波紋管試樣外觀變化，觀察到其明顯膨脹后泄壓，測量焊縫附近某一位置的大小徑；然后重新下入試驗井，壓力每升高10 MPa后泄壓，測量同一位置的大小徑，直至堵板刺漏，終止試驗。

試驗過程中，當壓力升至4.60 MPa時，觀察到膨脹波紋管試樣開始明顯膨脹，壓力升至40.67 MPa時，堵板刺漏，終止試驗。表2為焊縫附近同一位置升至不同壓力下的大小徑測量結果。從表2可以看出，隨著壓力升高，大小徑偏差值越來越小，當壓力升至40.67 MPa時，大小徑相對偏差已接近1.0%，即膨脹波紋管已膨脹至近正圓狀態(tài)（見圖7）。

表2 膨脹波紋管膨脹過程中的形狀參數(shù)Table 2 Shape parameters of the EPL during expansion

圖7 膨脹波紋管試樣膨脹后的外觀Fig.7 Appearance of the EPL sample after expansion

3.2 現(xiàn)場試驗

為解決PG22井煤層和炭質泥巖互層的坍塌問題，在該井 2 877.00～2 986.00 m 井段下入φ149.2 mm 8字形膨脹波紋管，封隔易坍塌的煤層和炭質泥巖互層。下入的膨脹波紋管長109.10 m，有13道焊縫，其中地面焊接9道焊縫，井口焊接4道焊縫?，F(xiàn)場檢測13道焊縫，其中12道焊縫無缺陷，另外一道焊縫檢測有出氣孔，重新焊接后再次檢測無缺陷。膨脹波紋管下至井深2 986.00 m，先采用液壓方式加壓至18 MPa膨脹，再采用機械方式將其膨脹至通徑149.2 mm。該井后續(xù)鉆井中，該井段未發(fā)生井下故障，表明膨脹波紋管本體及焊縫的性能滿足鉆井要求。

4 結 論

1）膨脹波紋管焊縫膨脹模擬結果表明，膨脹后焊縫應力和應變的最大點都在波谷處管壁外側；焊縫應力、應變隨內壓變化的規(guī)律與膨脹波紋管本體相同。

2）膨脹波紋管膨脹過程中，焊縫的應力和應變始終大于膨脹波紋管本體，加壓至30 MPa時，焊縫和膨脹波紋管本體的應變依然在安全范圍內；膨脹試驗加壓至30 MPa時，膨脹波紋管無泄露，與模擬結果一致。

3）試驗井試驗結果表明，內壓加至40 MPa時，膨脹波紋管已膨脹至近正圓狀態(tài)?，F(xiàn)場試驗表明，采用液壓方式加壓至18 MPa，膨脹波紋管已膨脹至滿足機械膨脹要求。