楊勇平，孫家棟

（渤海裝備一機(jī)廠 渤海能克鉆桿有限公司制造部，河北 青縣 062658）

在油井管產(chǎn)品中，由于鉆桿要直接承受鉆井作業(yè)過(guò)程中復(fù)雜的彎扭壓拉組合載荷，其油田服役的安全性顯得至關(guān)重要。根據(jù)油田的使用經(jīng)驗(yàn)，鉆桿的失效，主要體現(xiàn)在焊縫及內(nèi)加厚過(guò)渡帶兩個(gè)部位。在提高焊縫的安全性方面，目前國(guó)內(nèi)外各大鉆桿生產(chǎn)廠主要是通過(guò)摩擦焊接方法及適當(dāng)?shù)暮缚p熱處理工藝，來(lái)提高焊縫的安全系數(shù)。當(dāng)然，摩擦焊接工藝的可靠性是至關(guān)重要的。

1 石油鉆桿摩擦焊接及焊縫熱處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

石油鉆桿工具接頭與管體之間的對(duì)焊，從早期的電弧焊、閃光對(duì)焊逐步發(fā)展到當(dāng)今的連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接及慣性摩擦焊接，鉆桿對(duì)焊的生產(chǎn)效率越來(lái)越高，焊縫的質(zhì)量也越來(lái)越好。目前，慣性摩擦焊接方法最流行，也是最可靠的鉆桿對(duì)焊方法。

與其他焊接方法相比，慣性摩擦焊接方法有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）焊接速度快，焊接熱影響區(qū)窄，晶粒不容易長(zhǎng)大；普通弧焊方式則容易產(chǎn)生寬大的熱影響區(qū)及晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。

（2）慣性摩擦焊接方法基本上不會(huì)產(chǎn)生焊接灰斑；閃光對(duì)焊方法較容易產(chǎn)生焊接灰斑而嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量。

（3）慣性摩擦焊接過(guò)程中，由于基本上不用剎車，因此這種方法要比連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接方法更節(jié)約能量。

（4）與連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接方法相比，慣性摩擦焊接方法的焊接時(shí)間大約是前者的一半，生產(chǎn)效率可大大提高。

另外，為了提高焊縫的強(qiáng)韌性，鉆桿對(duì)焊焊縫的熱處理工藝也逐步由焊后回火工藝向焊后的調(diào)質(zhì)工藝發(fā)展。這種焊后熱處理方法，顯著增加了焊縫的抗疲勞斷裂能力。

2 API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)石油鉆桿焊縫力學(xué)性能的基本要求

1997年12月的旋轉(zhuǎn)鉆柱構(gòu)件規(guī)范（API SPEC 7）的新版標(biāo)準(zhǔn)中，首次將石油鉆桿對(duì)焊焊縫的工藝及性能要求明確列入其中。其基本要求如下：

（1）焊縫必須要進(jìn)行奧氏體化處理，而回火溫度不低于593℃；

（2）對(duì)焊縫必須進(jìn)行100%的磁粉檢驗(yàn)及超聲波檢驗(yàn)；

（3）鉆桿對(duì)焊必須按批進(jìn)行，對(duì)每批（不超過(guò)400根）焊后的鉆桿，抽取1根進(jìn)行力學(xué)性能解剖實(shí)驗(yàn)；

（4）做拉伸實(shí)驗(yàn)，要求焊區(qū)的截面強(qiáng)度（焊縫屈服強(qiáng)度×焊區(qū)截面積）大于鉆桿管體的截面強(qiáng)度（管體屈服強(qiáng)度×管體不加厚部位的截面積）；

（5）焊縫的常溫（21℃）沖擊要求為：每個(gè)接頭取3個(gè)沖擊樣，3個(gè)試樣的縱向沖擊功平均值不小于16.3J，3個(gè)試樣的最小縱向沖擊功不小于13.6J；

（6）在整個(gè)焊縫熱處理的熱影響區(qū)范圍內(nèi)，任何一點(diǎn)的硬度值不能大于HRC37（約HV347/HB341）。

3 石油鉆桿的摩擦焊接工藝

3.1 工具接頭的焊前預(yù)處理

為了保證焊縫的純凈，工具接頭必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，才可以與預(yù)處理后的管體進(jìn)行配焊。預(yù)處理的內(nèi)容包括：

（1）用平面砂輪對(duì)將要進(jìn)行配焊的工具接頭端面進(jìn)行打磨，目的是為了去除端面上的銹跡及其他污染物；

（2）為了滿足API標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須在工具接頭公螺紋的根部進(jìn)行壓印，注明焊接的年份、月份、鋼級(jí)及生產(chǎn)廠家的名稱。

3.2 管端的預(yù)處理

對(duì)于經(jīng)過(guò)加厚及整體調(diào)質(zhì)處理的鉆桿管體的管端，必須進(jìn)行加工，使得端面的尺寸達(dá)到配焊規(guī)定的尺寸。預(yù)處理的內(nèi)容包括：

（1）車削加厚端的外表面，使其接近工具接頭焊接處的外徑；

（2）對(duì)端面進(jìn)行加工，去除端面的氧化鐵皮，確保對(duì)焊表面干凈；

（3）對(duì)鉆桿的端頭要鏜內(nèi)孔，使其達(dá)到配焊的尺寸。

3.3 摩擦焊接基本過(guò)程

以慣性摩擦焊機(jī)為例，由液壓夾具將管體緊緊地夾持在焊接小車上，工具接頭由卡套緊緊地夾持在主軸的中心，由電機(jī)帶動(dòng)主軸高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電磁離合器動(dòng)作，將電機(jī)與主軸脫開(kāi)。之后，焊接小車在液壓的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)管體向工具接頭移動(dòng)并通過(guò)焊機(jī)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的頂鍛壓力，將管體的端面緊緊地壓在工具接頭的端面上，從而產(chǎn)生大量的摩擦熱，此熱量使得焊接面上的金屬迅速升溫并塑性化，然后在頂鍛壓力的作用下被擠出焊接面，形成為內(nèi)、外毛刺。當(dāng)焊機(jī)主軸中貯存的能量消耗完后，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，延時(shí)保壓后，焊接過(guò)程結(jié)束。

此種焊機(jī)除了具有焊接功能外，還具有除去毛刺的功能，即焊接過(guò)程結(jié)束后，乘著焊縫內(nèi)毛刺還未冷卻，而用焊機(jī)上的沖頭將紅熱的內(nèi)毛刺基本沖除。之后，管體夾具松開(kāi)，主軸啟動(dòng)并帶動(dòng)已焊好的鉆桿旋轉(zhuǎn)，利用外毛刺車削刀具，將外毛刺基本去除。

渤海能克鉆桿有限公司的摩擦焊接機(jī)，不具有除去毛刺的功能，鉆桿焊縫熱處理工藝是鉆桿摩擦焊接后先退火，溫度是（680±10）℃，然后用車床加工去除鉆桿焊縫處的毛刺，接下來(lái)淬火，溫度是（960±10）℃，然后回火，溫度是（650±10）℃。

3.4 焊接過(guò)程中需控制的輸入和輸出參數(shù)

（1）輸入?yún)?shù)。焊接起始轉(zhuǎn)速、主軸飛輪配重、頂鍛壓力。

（2）輸出參數(shù)。焊接縮短量。其中焊接縮短量的控制最為關(guān)鍵，因?yàn)楹附涌s短量是3個(gè)輸入?yún)?shù)綜合結(jié)果的體現(xiàn)。

3.5 摩擦焊接參數(shù)的計(jì)算

（1）頂鍛壓力的計(jì)算。頂鍛壓力用公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中，

P1為頂鍛壓力（MPa）；

P0為需要施加在焊接端面上的壓力（MPa）；

D為管端外徑（mm）；

d為管端內(nèi)徑（mm）；

D1為油缸活塞直徑（mm）；

d1為油缸活塞桿直徑（mm）。

（2）焊機(jī)配重的計(jì)算。焊機(jī)配重用公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中，

M1為焊機(jī)配重（kg·m2）；

M0為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；

G0為焊接端面上所需要的能量（J/mm2）；

w為主軸起始轉(zhuǎn)速（r/min）。

（3）主軸起始轉(zhuǎn)速的確定。對(duì)于沒(méi)有生產(chǎn)過(guò)的新產(chǎn)品，首先要做焊機(jī)的焊接參數(shù)計(jì)算工作。根據(jù)鉆桿生產(chǎn)線摩擦焊機(jī)的特性，主軸起始轉(zhuǎn)速應(yīng)選在1 000 r/min左右。這樣的轉(zhuǎn)速，既能保證摩擦焊接質(zhì)量的可靠性，也可適當(dāng)減輕主軸軸承的負(fù)擔(dān)（轉(zhuǎn)速越高，主軸軸承越容易損壞）。

3.6 石油鉆桿焊接工藝要點(diǎn)

（1）盡可能采用大壓力、大慣量的硬焊接規(guī)范，這樣既可以縮短焊接時(shí)間，又窄化了焊區(qū)，為后道焊縫的調(diào)質(zhì)處理奠定了較好的組織基礎(chǔ)。

（2）焊接前對(duì)管端及工具接頭的端面進(jìn)行充分的預(yù)處理，確保焊縫的純凈。

（3）焊機(jī)的參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)很重要，它使得焊接縮短量的檢測(cè)更加準(zhǔn)確，并判斷其是否達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。如果未達(dá)到，系統(tǒng)則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。通過(guò)這種方法，可以大大提高焊縫焊合的可靠性。

（4）對(duì)焊接過(guò)程應(yīng)進(jìn)行全面監(jiān)視，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄下焊接過(guò)程的主軸轉(zhuǎn)速—時(shí)間曲線、頂鍛壓力—時(shí)間曲線及焊接縮短量—時(shí)間曲線，并將這些數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上，隨時(shí)備查詢。

4 石油鉆桿焊縫的熱處理

根據(jù)APISPEC7標(biāo)準(zhǔn)的要求，石油鉆桿在摩擦焊接工藝后，必須對(duì)焊縫進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，即“淬火+高溫回火”的處理。石油鉆桿采用淬透性能相當(dāng)好的油淬材質(zhì)。因此，在鉆桿焊縫的熱處理冷卻環(huán)節(jié)，即使僅采用高壓空氣吹冷，也可在焊縫處產(chǎn)生90%以上的馬氏體組織，并在隨后的高溫回火過(guò)程中，轉(zhuǎn)化為綜合機(jī)械性能良好的回火索氏體組織。

4.1 鉆桿焊縫的奧氏體化

鉆桿焊縫的奧氏體化，是焊縫熱處理的第一個(gè)重要過(guò)程，也是能耗最大的過(guò)程。通?？紤]采用中頻感應(yīng)加熱的方式，進(jìn)行鉆桿焊縫的奧氏體化。中頻感應(yīng)加熱方式，不僅加熱速度快，而且焊縫熱影響區(qū)窄，一般情況下不會(huì)超過(guò)70mm，這樣便于后道高溫回火工序?qū)W氏體化區(qū)域的覆蓋。

4.2 焊縫淬火

鉆桿焊縫的淬火，既可以采用水冷也可以采用高壓空氣冷卻。水冷卻的優(yōu)點(diǎn)，是淬透性好，噪聲小，但生產(chǎn)場(chǎng)地的環(huán)境難以控制；高壓空氣冷卻的優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)場(chǎng)地環(huán)境整潔，但淬透性較水冷卻要差，而且噪聲大。究竟是采用水冷卻，還是高壓空氣冷卻，主要取決于鉆桿的用材。若鉆桿的材質(zhì)本身是水淬材質(zhì)，則應(yīng)當(dāng)采用水淬方式進(jìn)行焊縫冷卻；若材質(zhì)本身是油淬材質(zhì)，則應(yīng)當(dāng)采用高壓空氣冷卻方式進(jìn)行焊縫冷卻比較適宜，以防冷卻速度過(guò)快而產(chǎn)生淬火裂紋。鉆桿采用油淬材質(zhì)，因此采用高壓空氣吹冷方式。

4.3 鉆桿焊縫的高溫回火

鉆桿焊縫淬火后，硬度很高，內(nèi)應(yīng)力也很大，必須及時(shí)進(jìn)行高溫回火。通常情況下，高溫回火的加熱方式也是中頻感應(yīng)加熱。一般情況下，中頻電源的頻率為1 000～2 000 Hz比較適宜。頻率過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生“集膚”效應(yīng)，導(dǎo)致焊縫處內(nèi)、外壁溫度不均勻；頻率過(guò)低，將使中頻加熱的效率降低。

高溫回火環(huán)節(jié)中要注意的主要問(wèn)題有：

（1）根據(jù)不同的鉆桿材質(zhì)，回火溫度要適當(dāng)。溫度過(guò)高，將產(chǎn)生過(guò)回火現(xiàn)象（回火索氏體被分解）；溫度過(guò)低，造成焊縫回火不充分，導(dǎo)致焊縫截面硬度超API標(biāo)準(zhǔn)的上限（HRC37/HV347）。

（2）回火溫度的測(cè)量和控制都非常重要。溫度的測(cè)量，最好采用紅外測(cè)溫儀；溫度的控制，最好采用計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制，并保存好所有生產(chǎn)檔案，以備隨時(shí)追溯。

（3）回火必須要有足夠的焊縫寬度，否則將造成奧氏體化區(qū)域不能被完全覆蓋，有可能產(chǎn)生鉆桿的早期斷裂失效。

5 石油鉆桿焊縫力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)分析

（1）S135石油鉆桿焊縫的縱向沖擊功非常高，過(guò)程能力指數(shù)已超過(guò)3.0。這說(shuō)明鉆桿的焊縫沖擊韌性指標(biāo)的保證能力很強(qiáng)，幾乎不可能產(chǎn)生不合格情況。

（2）沖擊韌性指標(biāo)的方差很小，說(shuō)明鉆桿焊縫沖擊韌性的波動(dòng)小，穩(wěn)定性好，有利于保證質(zhì)量。

（3）在保證很高焊縫沖擊韌性的前提下，S135石油鉆桿的焊縫屈服強(qiáng)度的過(guò)程能力指數(shù)達(dá)到1.3以上，這說(shuō)明該鋼級(jí)鉆桿焊縫屈服強(qiáng)度指標(biāo)的保證能力很強(qiáng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）焊接前，對(duì)焊接端面進(jìn)行充分的預(yù)處理，可以有效確保焊縫的純凈。

（2）對(duì)于慣性摩擦焊機(jī)而言，采用大壓力、大慣量的硬焊接規(guī)范，可以優(yōu)化焊后組織。

（3）利用監(jiān)測(cè)裝置記錄摩擦焊接的過(guò)程曲線，使得鉆桿的焊接工藝可追溯性大大增強(qiáng)。

（4）采用大功率中頻加熱，短時(shí)間保溫的奧氏體化工藝，既可以窄化焊縫熱處理熱影響區(qū)的寬度，又能夠有效防止晶粒長(zhǎng)大。

（5）S135石油鉆桿焊縫的沖擊韌性非常高，而且波動(dòng)小，穩(wěn)定性好，過(guò)程能力指數(shù)達(dá)到3.0以上。

（6）在保證很高焊縫沖擊韌性的前提下，S135石油鉆桿焊縫屈服強(qiáng)度的穩(wěn)定性也很好。

[1]張菊琴.鉆桿摩擦焊接過(guò)程參數(shù)控制及焊縫熱處理分析[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，（04）：15-16.

[2]張玉英，王永宏，巴魯軍.鉆桿摩擦焊接及熱處理工藝分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，（01）:26-27.

[3]毛信孚，傅莉，尚高鋒，馮紅超.S135鉆桿摩擦焊接頭熱處理后的組織和性能[J].金屬熱處理，2004，（06）:230-232.

[4]陳祥禧.摩擦焊區(qū)焊熱處理工藝研究 [J].石油機(jī)械，2003，（S1）：38-41.