趙旭， 劉天祥

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319）

1 引 言

采油井口是主要石油裝備產(chǎn)品之一，因此提高采油井口的質(zhì)量是當(dāng)前十分重要的目標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，影響采油井口質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)就是采油井口的主體廢品率。采油井口的主體，例如油管頭體、大四通等部分，通常采用鑄造方法生產(chǎn)，鑄造本身就有很多不確定性，常常會(huì)有在鑄造過(guò)程中留下缺陷，例如氣孔、砂眼等。采油井口是承壓件，對(duì)鑄件的要求很高，要求所有鑄件要滿(mǎn)足壓力容器質(zhì)量要求，不但要求材料致密，而且不允許有鑄造缺陷，因?yàn)橐坏┌l(fā)生了鑄造缺陷問(wèn)題，只能采取作廢處理。在實(shí)際生產(chǎn)中為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低鑄件廢品率，降低生產(chǎn)成本，一般采用無(wú)損檢測(cè)，超聲波或X 射線(xiàn)檢測(cè)，確定缺陷的位置，再用開(kāi)坡口的方式去除裂紋及缺陷等，然后再采用焊接修復(fù)的方法，熔合至鑄件表面，再采用無(wú)損檢測(cè)的方式檢測(cè)，直至達(dá)到要求。

本文主要討論采油井口的主體補(bǔ)焊修復(fù)方法。在井口的設(shè)計(jì)和制造中，企業(yè)遵循API 標(biāo)準(zhǔn)，其中60K 的采油井口很多采用35CrMo 低合金高強(qiáng)鋼，由于35CrMo 屬于合金結(jié)構(gòu)鋼,碳當(dāng)量較高，焊接性能差，本文主要探討采用焊條電弧焊補(bǔ)焊35CrMo 的方法。

2 焊接性能分析

針對(duì)上述情況，專(zhuān)門(mén)對(duì)該件采用焊條電弧焊補(bǔ)焊的修復(fù)方法進(jìn)行研究，35CrMo 的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量的計(jì)算公式，計(jì)算得到60K 的碳當(dāng)量為0.375%，可知其焊接性很差：

（1）冷裂傾向嚴(yán)重：35CrMo 鋼為低合金高強(qiáng)鋼，Cr、Mo 元素含量比較高，焊接接頭淬硬傾向明顯。特別是厚壁焊件，焊接后焊件的內(nèi)應(yīng)力較大，如果焊件冷卻速度過(guò)快，焊件中的氫來(lái)不及逸出，極易產(chǎn)生裂紋。

為此，在焊接過(guò)程中必須嚴(yán)格控制好預(yù)熱溫度和焊縫的層間溫度，焊接完成后應(yīng)立即進(jìn)行消氫處理或采用其它熱處理方法消除應(yīng)力。

（2）回火參數(shù)的影響：焊后熱處理方法對(duì)35CrMo 鋼焊接接頭質(zhì)量有很大影響，既可以降低焊接接頭的硬度，消除焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，又可以獲得有較好韌性的焊接接頭。所以，焊接完成后的熱處理溫度和時(shí)間選擇要適當(dāng)，選擇為580℃～600℃左右，保溫時(shí)間在3.2～3.5h。

表1 35CrMo 的化學(xué)成分 /%

3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

為滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量的要求，按照API 及ASME 標(biāo)準(zhǔn)，在組織焊接生產(chǎn)前首先要進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)。

（1）焊接材料的選擇：焊條選用J857Cr。焊接材料到廠(chǎng)后進(jìn)行化學(xué)成分的檢驗(yàn)，其熔敷金屬化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，焊接材料滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（2）焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)：據(jù)本產(chǎn)品的尺寸大小，按照ASME Ⅺ《焊接和釬焊評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》2001 版執(zhí)行，方法為焊條電弧焊，母材為35CrMo，試件的規(guī)格為500mm×300mm×40mm，要求在坡口設(shè)計(jì)時(shí)在t40 的試件開(kāi)U 型坡口，鈍邊20mm，背部附帶墊襯，以便模擬鑄件的補(bǔ)焊工況，坡口形式見(jiàn)圖1。

試板焊接前需要進(jìn)行預(yù)熱處理，試板的預(yù)熱溫度為240℃左右，焊縫的層間溫度控制在200℃左右，具體的焊接參數(shù)見(jiàn)表3，焊后需要立即進(jìn)行消氫處理，焊接后焊件整體均勻加熱至580℃～600℃左右，保持3.2～3.5h，再對(duì)焊縫進(jìn)行射線(xiàn)探傷。

表2 焊材熔敷金屬化學(xué)成分檢驗(yàn) /%

圖1 焊接評(píng)定試板坡口示意圖

表3 焊接參數(shù)

焊接工藝評(píng)定力學(xué)性能試板加工的具體數(shù)量見(jiàn)表4，注意都是采用冷加工方法，不能采用熱切割，會(huì)影響到試板的性能。

試件的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表5，彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表6。

表4 焊接工藝評(píng)定試板的力學(xué)性能試樣數(shù)量

表5 試件拉伸性能試驗(yàn)

表6 試件彎曲性能試驗(yàn)

由表5、表6 中的試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，焊接工藝評(píng)定結(jié)果為合格，符合ASME Ⅺ《焊接和釬焊評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》2001 版。根據(jù)以上焊接工藝評(píng)定結(jié)果，制定了35CrMo 的補(bǔ)焊工藝方案。

4 補(bǔ)焊工藝方案

4.1 焊前準(zhǔn)備

（1）清理：根據(jù)缺陷的大小、形狀采用碳弧氣刨或風(fēng)動(dòng)銑刀清除所有缺陷，開(kāi)U 型坡口，坡口角度30°，半徑5mm，用角向磨光機(jī)或手動(dòng)小砂輪打磨表面光滑，呈現(xiàn)金屬光澤。

（2）探傷：對(duì)清除缺陷的部位進(jìn)行100%著色探傷，確定無(wú)缺陷存在。如有缺陷存在，繼續(xù)清理至著色探傷確定無(wú)缺陷。

（3）焊前預(yù)熱、烘干：采用箱式加熱爐對(duì)工件進(jìn)行整體預(yù)熱，預(yù)熱溫度240℃左右。在焊件均勻熱透后，才能取出，取出時(shí)工件成深藍(lán)色為最佳狀態(tài)。焊條350℃～400℃烘干，保溫1～2h，烘干后放在保溫箱里150℃保溫隨用隨取。

4.2 焊接

（1）打底焊：選用ZX-400 弧焊機(jī)，選用經(jīng)烘干的φ4.0mm的E8515 焊條，直流反接，電流140～180A，電壓22～28V，由熟練焊工操作，焊接速度保持在150～170mm/min。焊后仔細(xì)檢查焊道，清除焊接缺陷。

（2）填充焊：將打底焊道清理干凈，注意層間溫度200℃左右。第一層，選用φ4.0mm 的E8515 焊條，直流反接，電流140～180A，電壓22～28V，焊接速度150～170mm/min，熄弧采用回轉(zhuǎn)熄弧法，避免產(chǎn)生弧坑裂紋。

焊接過(guò)程中應(yīng)注意焊條在熔合邊緣的停留時(shí)間，必須保證既要焊件不能出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象，又要保證焊條熔池與母材充分熔合。焊接時(shí)需要采用短弧、多層、窄道焊的焊接方法，要求每條焊道的引弧處、熄弧處都必須錯(cuò)開(kāi)，同時(shí)道間的溫度要保持在250℃左右，并盡量減少熱量的輸入。

4.3 后熱處理

焊接后整體均勻加熱至580℃～600℃左右，保持3.2～3.5h，其主要作用是促進(jìn)焊縫金屬擴(kuò)散氫加速逸出，降低焊縫金屬中熱影響區(qū)的含氫量，減少裂紋和延遲裂紋的產(chǎn)生。

5 結(jié) 論

35CrMo 鋼的焊接性能比較差，材料的淬硬傾向比較嚴(yán)重，極易產(chǎn)生冷裂紋。焊接過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格控制好材料的預(yù)熱溫度和層間溫度，在焊接完成后應(yīng)該立即進(jìn)行消氫處理或采用消除應(yīng)力其它熱處理方法去除焊接應(yīng)力。尤其是在鑄件補(bǔ)焊過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制好每道工序，才能確保補(bǔ)焊的質(zhì)量。通過(guò)改進(jìn)以往的焊接工藝，選用合適的焊接條件及材料，完成補(bǔ)焊生產(chǎn)的新要求，此方法既提高了產(chǎn)品的成品率，節(jié)約成本，同時(shí)也提高采油井口的質(zhì)量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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