石油鉆桿焊縫熱處理與摩擦焊接研究

趙晗，李強(qiáng)，檀雨葭，壽永旺

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280）

石油鉆桿是石油開采工作最重要的設(shè)備之一，石油開采鉆井作業(yè)的施工過程是極其復(fù)雜的，在石油開采的過程當(dāng)中，石油鉆桿是需要承受扭，壓，彎的組合負(fù)載，如果在開采的過程當(dāng)中一旦操作不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)安全隱患。因此，想要保證石油開采絕對(duì)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(dāng)中，得到了廣泛的應(yīng)用。

1 API對(duì)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(jìn)行奧氏體化處理，處理時(shí)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(duì)其進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)。第三，石油鉆桿焊縫實(shí)施對(duì)焊必須按批進(jìn)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(jìn)行力學(xué)性能解剖。第四，要對(duì)石油鉆桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，焊區(qū)截面強(qiáng)度是焊縫屈服強(qiáng)度×焊區(qū)截面積，石油鉆桿管體截面強(qiáng)度是管體屈服強(qiáng)度×管體不加厚部位的截面積。在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)焊區(qū)截面強(qiáng)度要大于石油鉆桿管體截面強(qiáng)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(gè)接頭抽取三個(gè)沖擊樣，這三個(gè)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(gè)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(xué)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(biāo)，整體的保障能力較強(qiáng)，在一般情況下是不會(huì)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(qiáng)，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(biāo)方差比較小，就代表了石油鉆桿焊縫沖擊韌性的波動(dòng)比較小，穩(wěn)定性較強(qiáng)，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(biāo)方差比較大，那么石油鉆桿焊縫沖擊韌性的波動(dòng)就會(huì)變大，穩(wěn)定性較低從而導(dǎo)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(chǔ)上，石油鉆桿焊縫屈服強(qiáng)度的過程能力指數(shù)能夠達(dá)到1.3以上，這就代表了此鋼級(jí)鉆桿焊縫屈服強(qiáng)度指標(biāo)保障能力較高。如果石油鉆桿焊縫屈服強(qiáng)度的過程能力指數(shù)低于1.3，那么就代表了此鋼級(jí)鉆桿焊縫屈服強(qiáng)度指標(biāo)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(diǎn)

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(duì)焊技術(shù)，在之后的發(fā)展當(dāng)中閃光對(duì)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(shí)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(dòng)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(dòng)摩擦焊接，應(yīng)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(duì)焊的生產(chǎn)效率，還提高了鉆桿的穩(wěn)定性與可靠性?，F(xiàn)如今石油鉆桿生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)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(diǎn)

慣性摩擦焊接工藝應(yīng)用在石油鉆桿焊接工作當(dāng)中主要有四個(gè)優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)大。第二，節(jié)省能量，慣性摩擦焊接在工作時(shí)，實(shí)際的操作是不需要?jiǎng)x車的。第三，慣性摩擦焊接效率高，在進(jìn)行焊接時(shí)能比其他焊接方式節(jié)省大約一倍的時(shí)間。第四，慣性摩擦焊接在一般情況下不會(huì)產(chǎn)生灰斑，而且吧焊接的質(zhì)量還能夠保持一個(gè)較高的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)如今傳統(tǒng)的石油生產(chǎn)工作當(dāng)中，采用的石油鉆桿焊縫熱處理，能夠增強(qiáng)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(jié)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(duì)焊接結(jié)束的焊縫進(jìn)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?，F(xiàn)如今在進(jìn)行石油鉆桿焊縫熱處理時(shí)，大多數(shù)使用的都是感應(yīng)加熱方式，通過感應(yīng)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(dāng)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(dá)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(duì)綜合機(jī)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(jìn)行感應(yīng)，而且在正常的情況下焊縫區(qū)的寬窄都會(huì)控制在70mm左右，這樣就能使高溫回火工序更好地對(duì)奧氏體區(qū)域進(jìn)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(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，與材料冷卻介質(zhì)選擇的是否合適有很大的關(guān)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(shí)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(shí)際的操作流程當(dāng)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(jìn)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(duì)整體的冷卻條件進(jìn)行一個(gè)全面的改善。在進(jìn)行石油鉆桿焊縫淬火時(shí)，如果冷卻速度過快就會(huì)產(chǎn)生淬火裂紋，因此，對(duì)淬火工藝的有效選擇能夠減少冷卻時(shí)間，減少由于冷卻時(shí)間過長(zhǎng)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(jìn)行淬火工藝之后，其內(nèi)應(yīng)力會(huì)變大，而且硬度也會(huì)變得比較高，因此在這個(gè)時(shí)間就要及時(shí)實(shí)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(yīng)加熱已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在高溫回火中工藝當(dāng)中，中頻感應(yīng)加熱的電源頻率通常情況下應(yīng)該控制在600Hz左右，中頻感應(yīng)加熱電源如果出現(xiàn)頻率過高的情況，就會(huì)出現(xiàn)集膚效應(yīng)，電源如果出現(xiàn)底頻率的現(xiàn)象，那么加熱效率就會(huì)急速的下降，從而就會(huì)導(dǎo)致焊縫內(nèi)壁與外壁溫度不一致的情況。在進(jìn)行焊縫高溫回火時(shí)，要按照石油鉆桿所使用的材料，來對(duì)溫度進(jìn)行合理的控制，防止在回火的過程當(dāng)中溫度不合適，從而導(dǎo)致索氏體分解與焊縫截面的硬度達(dá)不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行石油鉆桿焊縫高溫回火時(shí)，還可以采用紅外測(cè)溫儀來對(duì)回火溫度的大小進(jìn)行測(cè)量，并使用計(jì)算機(jī)對(duì)回火溫度進(jìn)行檔案儲(chǔ)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(duì)石油鉆桿進(jìn)行焊接之前，要做好焊前的準(zhǔn)備工作。在焊接之前需要相應(yīng)預(yù)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(yīng)的工作標(biāo)準(zhǔn)，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(jí)以及生產(chǎn)廠家的名稱。石油鉆桿焊接管端的預(yù)處理需要根據(jù)焊尺寸標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行車削處理，使石油鉆桿摩擦焊能夠符合工具接頭的對(duì)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(shí)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(xiàng)

在石油鉆桿摩擦焊焊接的過程當(dāng)中，要嚴(yán)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(zhuǎn)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(dāng)中最重要的，因?yàn)楹附邮侨齻€(gè)參數(shù)的綜合體現(xiàn)?？s短量頂鍛壓力的計(jì)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(zhuǎn)速的確定首先需要做焊機(jī)參數(shù)的計(jì)算工作，要根據(jù)石油鉆桿摩擦焊焊機(jī)的特性，將主軸轉(zhuǎn)速選在1000r/min左右，設(shè)置合適的轉(zhuǎn)速能夠保證石油鉆桿摩擦焊焊機(jī)的質(zhì)量，同時(shí)也能減輕主軸承的負(fù)擔(dān)，因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)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(shí)間進(jìn)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(jī)的參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)焊接縮短量產(chǎn)生直接的影響，如果在進(jìn)行石油鉆桿摩擦焊焊接時(shí)焊機(jī)的參數(shù)不符合標(biāo)準(zhǔn)，那么參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，從而保證焊接工作的精準(zhǔn)程度。為了實(shí)現(xiàn)摩擦焊接的可塑性，就需要用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其實(shí)施全程監(jiān)控。對(duì)這些參數(shù)的監(jiān)控是為了方便日后調(diào)查時(shí)對(duì)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(chǔ)在算機(jī)軟件的硬盤當(dāng)中。

5.3 石油鉆桿摩擦焊焊接流程

以慣性摩擦焊機(jī)為例，在進(jìn)行石油鉆桿摩擦焊焊接時(shí)，由于慣性摩擦機(jī)整體配置的不同。因此，在焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的差異性。在進(jìn)行石油鉆桿摩擦焊焊接時(shí)，第一，將鉆桿管體會(huì)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(dòng)機(jī)，就會(huì)帶動(dòng)主工具接頭進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)到一定程度之后主軸和電機(jī)在電磁離合器的驅(qū)動(dòng)下就會(huì)脫開，之后小車液壓驅(qū)動(dòng)焊接車就會(huì)帶動(dòng)焊接管體移動(dòng)到工具接頭處。此時(shí)石油鉆桿管體與焊接工具接頭產(chǎn)生大量摩擦熱，導(dǎo)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(huì)在內(nèi)外形成毛刺，當(dāng)主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，延時(shí)保壓后，焊接結(jié)束。有一部分的焊接機(jī)器是具有焊接，毛刺去除等使用功能的。當(dāng)對(duì)石油鉆桿焊接結(jié)束后，在焊接縫形成的毛刺還沒有冷卻時(shí)，可以利用焊機(jī)上沖頭將還沒有冷卻的內(nèi)毛刺進(jìn)行去除，隨后將管體夾具松開，啟動(dòng)主軸使其帶動(dòng)已經(jīng)焊好的鉆桿旋轉(zhuǎn)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(jī)是不帶有去毛刺的功能，在對(duì)石油鉆桿焊接結(jié)束以后，要使用鉆桿焊縫熱處理工藝對(duì)摩擦焊接后鉆桿進(jìn)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(duì)鉆桿焊縫處的毛刺進(jìn)行去除，之后在進(jìn)行淬火處理溫度控制在（960±10）℃，然后在進(jìn)行回火處理溫度在（650±10）℃。

5.4 石油鉆桿摩擦焊工藝要點(diǎn)

（1）在進(jìn)行石油鉆桿摩擦焊時(shí)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(shí)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(chǔ)。（2）在對(duì)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(jī)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(cè)的準(zhǔn)確性，同時(shí)還能判斷整體數(shù)值能否達(dá)標(biāo)，如果沒有達(dá)標(biāo)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而提高摩擦焊焊縫焊合的可靠性。（4）在進(jìn)行石油鉆桿摩擦焊時(shí)要對(duì)焊接的過程全面監(jiān)控，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)焊接過程當(dāng)中的主軸轉(zhuǎn)速時(shí)間曲線，頂鍛壓力時(shí)間曲線和焊接縮短量時(shí)間曲線進(jìn)行記錄，再將其記錄的數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)硬盤上，方便以后查詢。

6 結(jié)語(yǔ)

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(duì)石油鉆桿進(jìn)行焊接之前，要做好摩擦焊焊前處理工作，要嚴(yán)格控制焊接的輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)，同時(shí)還要對(duì)石油鉆桿摩擦焊時(shí)要對(duì)焊接的過程全面監(jiān)控并將數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)硬盤上，這樣才能保證石油鉆桿整體的安全性與可靠性。