王維亮，余 晗，常永樂，鮮林云，李鴻斌，汪海濤，張國超

(1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008)

連續(xù)管管-管對接自動焊技術(shù)研究*

王維亮1,2，余 晗1,2，常永樂2，鮮林云1,2，李鴻斌1,2，汪海濤1,2，張國超1,2

(1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008)

為了提高連續(xù)管管-管對接焊的焊縫性能，得到高質(zhì)量的對接焊縫，在分析連續(xù)管管-管對接焊方法及特點的基礎(chǔ)上，對鎢極、保護氣體以及填充材料的選用原則和焊前準備工作做了簡單介紹，并結(jié)合連續(xù)管自身特點和焊接工藝，提出了采用多層多道焊控制線能量、層間溫度，加速冷卻及熱處理等措施，達到焊縫晶粒細化、改善焊接接頭性能的目的。最后指出，目前國內(nèi)連續(xù)油管的對接自動焊技術(shù)仍不成熟，還需要繼續(xù)加大研究，不斷完善。

焊接；連續(xù)管；焊接材料；線能量；加速冷卻；焊接性能

連續(xù)管(coiled tubing，簡稱CT)是一種單根長度達幾千米并可以反復(fù)彎曲、實現(xiàn)多次塑性變形的新型石油管材，主要用于油田修井、測井、鉆井、完井等作業(yè)，也可作為管線管應(yīng)用于井場或海洋的油氣輸送[1]。與常規(guī)油管作業(yè)相比，連續(xù)管作業(yè)具有節(jié)省時間、減少地層傷害和帶壓作業(yè)等優(yōu)點。目前，連續(xù)管作業(yè)幾乎涉及了所有的常規(guī)油管作業(yè)，應(yīng)用前景十分廣闊[2]。

連續(xù)管對接焊技術(shù)作為20世紀90年代國外大力研究和發(fā)展起來的熱門技術(shù)之一，是石油天然氣勘探開發(fā)中一項具有廣泛應(yīng)用價值的先進技術(shù)[3-4]。即使在連續(xù)管已被譽為“萬能作業(yè)”的今天，連續(xù)管管-管對接焊的焊縫性能仍然是連續(xù)管性能最薄弱的區(qū)域，它直接影響了連續(xù)管技術(shù)效能的發(fā)揮，嚴重制約了連續(xù)管技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[5-7]。由于連續(xù)管在作業(yè)過程中要承受拉、壓、扭、彎等復(fù)合載荷作用以及反復(fù)的彎曲變形，并且要承受井下高溫、高壓和腐蝕介質(zhì)的損傷，必要時必須將損壞部位切斷，并重新進行焊接修復(fù)。因此，連續(xù)管管-管對接焊技術(shù)成為一個非常重要的研究課題。

1 連續(xù)管對接焊方法及特點

1.1 焊接方法

目前國內(nèi)管-管對接焊的焊接方法主要有手工電弧焊、金屬極氣體保護焊(MIG/MAG)、等離子弧焊、電阻焊和鎢極惰性氣體保護焊(TIG)等[8-9]。比較各種焊接方法后發(fā)現(xiàn)，TIG焊在所有電弧焊中電弧最穩(wěn)定，且能有效保護焊縫金屬免予燒損，可實現(xiàn)單面焊雙面成形，易于控制和實現(xiàn)自動化，特別適用于全位置焊接。

連續(xù)管自動TIG焊是焊槍旋轉(zhuǎn)，管子固定，采用自動填絲的工藝方法。引弧、收弧以及弧長均由焊機控制，可以避免人為因素引起的質(zhì)量缺陷，其穩(wěn)定性以及再現(xiàn)性好，可以形成質(zhì)量優(yōu)良的焊接接頭，所以采用自動TIG焊進行管-管對接有很大的優(yōu)勢。

1.2 焊接特點

(1)單面焊雙面成形技術(shù)。在連續(xù)管的焊接過程中，打底焊采用的是單面焊雙面成形技術(shù)，就是在保證焊口根部焊透、無任何焊接缺陷的情況下，獲得平整光滑的焊縫內(nèi)成形。

(2)精密的對中裝置。連續(xù)管管體長，管壁較薄，在使用過程中管體易變形，導(dǎo)致管端具有一定的橢圓度，造成焊接時對中困難，如果對中質(zhì)量得不到保障，將會給連續(xù)管焊接質(zhì)量留下潛在隱患。所以，一定要有精密的焊接對中裝置。

(3)全位置焊接。全位置焊接包含平焊、立焊、仰焊、上坡焊及下坡焊等。在整個焊接過程中，各點熔池在各個方向上的受力不同，熔池液態(tài)金屬受表面張力、重力、電弧吹力等多種力的綜合作用，在不同的空間位置所受合力不同，使焊縫成形變化顯著，焊接的熱作用也不同，影響到焊接接頭成形的一致性和組織性能的均勻性[10-11]。為保證整個焊接成形的一致性和獲得合格的接頭組織性能，必須對焊接工藝規(guī)范進行認真選擇和嚴格分區(qū)控制。

(4)小線能量多層焊。連續(xù)管晶粒細小，細化晶粒是保證其優(yōu)質(zhì)接頭性能的基本特點。因而在焊接過程中，要嚴格控制線能量，在保證熔合焊透的條件下，盡可能選用小的線能量，特別是打底焊時。為了降低或消除焊接應(yīng)力，改善組織，細化晶粒，連續(xù)管對接焊應(yīng)盡可能采用多層焊，故連續(xù)管焊接一般采用小線能量多層焊原則。

2 焊接材料選擇

2.1 鎢極

表1列出了鎢極不同尖端尺寸及推薦電流范圍[12]。

表1 鎢極尖端尺寸和電流范圍(直流正接)

實踐表明，鎢極端頭的形狀、夾角對電弧的穩(wěn)動性、鎢極的使用壽命以及焊縫的形狀都有影響。鎢極磨錐后，尖端直徑應(yīng)適當，太大時，電弧不穩(wěn)；太小時，容易熔化，一般要根據(jù)焊接電流來確定。鎢極末端形狀對電弧狀態(tài)的影響如圖1所示。

當焊接電流較小時，可采用小直徑的鎢極并將其末端磨成尖角(約20°)，這樣使得電弧容易引燃和穩(wěn)定；但當焊接電流較大時，就應(yīng)該使用平底錐形的鎢極(見圖1(b))，這樣可使電弧斑點穩(wěn)定，電弧挺力提高，集中對焊件加熱，使焊縫成形均勻。如果仍用尖錐角，會因電流密度過大而使鎢極尖角過熱熔化并燒損，使電弧不穩(wěn)而影響焊縫成形，更有甚者，使焊縫金屬產(chǎn)生夾鎢缺陷。

圖1 鎢極末端形狀對電弧狀態(tài)的影響

2.2 保護氣體

在連續(xù)管焊接過程中，為了保護焊縫成形和焊縫及電極不被氧化，所以通入Ar作為保護氣體。保護氣體由兩部分組成：一是從焊槍噴嘴里噴出的保護氣流；二是充入連續(xù)管內(nèi)的保護氣體。

從焊槍噴嘴連續(xù)噴出的保護氣體，將焊接區(qū)的空氣排除掉，使電極、電弧、熔池以及焊縫與近縫區(qū)處于氬氣的保護范圍內(nèi)，從而達到對焊接區(qū)及熱影響區(qū)的保護，避免焊縫成形及接頭性能受到影響。在實際焊接條件下，從焊槍噴嘴噴出的氣體是一種柔性的保護氣套，容易受到其他因素的干擾而變形，影響保護效果[14]。這些因素包括氣流量、噴嘴的直徑、噴嘴端面到焊件表面的距離、焊接速度、焊接接頭形式等。一般自動焊保護氣體流量為10～12 L/min，噴嘴端面到焊件表面的距離為5～10mm。為了確保焊縫良好的內(nèi)成形，避免焊縫出現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷，所以給焊縫背面通入內(nèi)保護氣體，流量一般為3～5 L/min。

2.3 填充材料

連續(xù)管在焊接時對填充材料的選擇主要是從焊縫的力學(xué)性能方面進行考慮。一般要求填充材料與母材滿足等強匹配原則，而在這種情況下一般會導(dǎo)致焊縫的強度高于母材，降低了焊縫的塑性和韌性。由于連續(xù)管在焊接過程中要不斷受到熱循環(huán)作用，這樣會在焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)一個脆化區(qū)，由于焊縫強度較高，使焊縫耐沖擊性能低于母材，焊縫與母材的性能不一致，影響了連續(xù)管的使用壽命[15-16]。所以為了提高焊縫的塑性及韌性，可適當降低焊縫的設(shè)計強度。寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司已開發(fā)了與其產(chǎn)品匹配的焊接填充材料，實踐證明，這種低強匹配的填充材料使得焊縫的韌性和塑性得到了很大的提高，還降低焊縫的彈性模量和拘束應(yīng)力，提高了焊縫的承載能力，使其在很大范圍內(nèi)具有與母材較一致的應(yīng)變能力，因而提高了連續(xù)管的疲勞次數(shù)，延長了它的使用壽命。

3 焊前準備

自動TIG焊是一種精密焊接，對焊前的準備工作要求比較高，比如開坡口、清理、對中等工作一定要達到一定的精度，否則會嚴重影響焊接質(zhì)量。焊前主要從以下幾個方面進行準備：

(1)切管、平端面。將管子兩端有損傷的部位切除掉，將有裂紋、機械壓坑、劃痕和腐蝕斑坑等部位切除掉，以免對后續(xù)工作造成影響。

(2)矯直。將管子待焊處左右各10m內(nèi)用矯直機矯直，以便在對中、焊接時處于自由狀態(tài)，避免應(yīng)力過大影響焊接。

(3)脹圓。將切斷后的管端放置于工作臺，待焊管端在除去內(nèi)焊余高后用脹管器脹圓，要求管徑不能增大，脹后管端直徑之差不能超過0.1mm。

(4)開坡口。連續(xù)管管-管對接焊對于壁厚不大于3.5mm的管子，一般采用V形坡口；當壁厚大于3.5mm時，選用U形坡口。坡口形式如圖2所示。由于連續(xù)管纏繞在滾筒上，無法轉(zhuǎn)動，所以坡口機采用刀頭圍繞管子旋轉(zhuǎn)的方法，并將管端修平與管軸線垂直，鈍邊為1～1.2mm。

(5)管端內(nèi)外清理。將管端50mm內(nèi)外表面用角磨機清理干凈，露出金屬光澤。用脫脂棉蘸丙酮擦洗，直至脫脂棉干凈為止。

圖2 焊接坡口示意圖

(6)管口對中。通過調(diào)整工作臺及兩側(cè)支撐，使兩側(cè)連續(xù)管在無拘束、自由條件下對中，確保管內(nèi)不能存在應(yīng)力，且不允許有錯邊。對中間隙約0～1mm。

(7)通氣體。為了防止焊縫被空氣氧化，影響焊縫成形及性能，所以給管內(nèi)通保護氣體。

(8)搭建防風(fēng)帳篷。氬弧焊對于氣流比較敏感，環(huán)境風(fēng)速不得高于2m/s，在有較強空氣流動的環(huán)境下必須采取保護措施。另外，如果環(huán)境溫度過高或過低，或有雨雪等都必須進行保護后焊接。

4 焊接成形及性能控制方法

連續(xù)管屬于小直徑的薄壁管，熱積累效應(yīng)比較明顯，為了確保焊縫的成形和性能，主要從以下幾方面進行控制。

4.1 線能量的控制

連續(xù)管在開始焊接時管體較冷，為了使管子能夠焊透可采用較大的線能量，由于熱循環(huán)作用，特別是在焊接后期，熱積累現(xiàn)象特別明顯，所以要嚴格控制線能量，在保證熔合焊透的條件下，盡可能選用小線能量，特別是打底焊時，原則上不超過2kJ/cm。這樣可以避免后焊區(qū)域由于熱累積或線能量過大而使組織嚴重長大粗化，引起接頭性能下降。因而合理地調(diào)整和控制線能量，可在很大程度上改善焊縫金屬的韌性。采用較小的線能量，可以有效減小焊接HAZ的寬度，使焊接接頭在承受拉力作用時，更大程度發(fā)揮兩側(cè)高強度母材對焊接接頭的塑性拘束效應(yīng)，提高焊接接頭的整體強度。

4.2 多層多道焊

多層多道焊對改善焊接性能有著特殊作用，在接頭或坡口形式一定的條件下，與單道焊相比，小截面焊道的多層多道焊可細化組織，減小殘余應(yīng)力，顯著改善焊縫金屬的塑性和韌性。這是因為每一次后續(xù)熱循環(huán)，能使加熱區(qū)組織和性能發(fā)生相變重結(jié)晶，形成細小的等軸晶，使塑性和韌性得到改善；每道焊縫總量減少，相應(yīng)地降低了晶粒長大傾向；前一道焊縫對后一道焊縫有一定的預(yù)熱作用，后一道焊縫對前一道焊縫引起的殘余應(yīng)力進行了去應(yīng)力退火[17]。因此多層多道焊接頭性能比單道焊接頭性能要優(yōu)越得多。

4.3 焊縫保護

保護分兩大類：一是用惰性氣體進行內(nèi)外保護，這種保護有利于內(nèi)焊成形的改善，也防止了有益元素的燒損；二是機械清理保護，即每道焊接完成，在開始下一道焊接前采用機械清理方法清理焊道，清除氧化皮，露出金屬光澤。

4.4 層間溫度控制

層間溫度是指多層多道焊時，當焊接后道焊縫時前道焊縫的最低溫度?？刂茖娱g溫度，一是可促使擴散氫逸出焊接區(qū)，有利于防止裂紋的產(chǎn)生；二是可避免焊縫過熱造成晶粒嚴重長大，影響接頭性能。

層間溫度對熱影響區(qū)韌性的影響類似于焊接線能量，隨著層間溫度升高，焊縫金屬和熱影響區(qū)低溫韌性降低，而熱影響區(qū)是焊接接頭組織最薄弱的地方，焊縫質(zhì)量在相當程度上決定于熱影響區(qū)。通過對層間溫度的控制，可以適當?shù)臏p小焊接線能量，防止晶粒長大，并有利于減少焊接應(yīng)力、熱影響區(qū)的熱塑性應(yīng)變量以及熱應(yīng)變脆化的程度。

為了使連續(xù)管焊接接頭的綜合力學(xué)性能與母材接近或一致，采取多層多道焊來控制接頭的組織性能，同時每層焊之間還要控制層間溫度，層間溫度一般控制在100℃以下。

4.5 改善應(yīng)力

連續(xù)管的壁厚比較薄，剛度比較小，但是管-管對接時為保證裝配精度和滿足焊接工藝的要求，均采用剛性裝配。焊接時，特別是焊接初期，由于管壁較冷，焊縫冷卻速度比較快，使焊接應(yīng)力很大，對冷、熱裂紋的產(chǎn)生都有引發(fā)和促進作用。焊接應(yīng)力的存在同時會降低管體的承載能力和抗疲勞性能。

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因是由于焊縫冷卻收縮造成的。所以，焊后用小錘輕敲焊縫及其鄰近區(qū)域，使金屬展開，可起到改善接頭應(yīng)力狀態(tài)、細化表層金屬晶粒的作用。

4.6 加快冷卻速度

加快冷卻速度具有調(diào)節(jié)HAZ的溫度及溫度場分布、減小軟化區(qū)寬度、調(diào)節(jié)組織的作用。連續(xù)管屬于小直徑薄壁管，由于小直徑鋼管本身散熱能力弱，焊接過程的熱積累作用使得管端整體溫度上升，增加了工藝調(diào)整的難度，影響焊縫成形，并會導(dǎo)致熱影響區(qū)擴大和近縫區(qū)組織明顯粗大，所以提高焊縫冷卻速度非常重要。采用銅制冷卻塊，使用冷循環(huán)水在焊接過程中不斷冷卻，抑制晶粒的長大。

4.7 焊后熱處理

為了進一步改善焊接接頭的性能，通常需要對焊完后的接頭進行熱處理。熱處理工藝往往根據(jù)現(xiàn)場需要各有不同，使連續(xù)管管-管對接焊縫組織得到優(yōu)化，同時達到消除焊接應(yīng)力的目的。將焊接接頭加熱到奧氏體相變點以上的合適溫度，使接頭組織重新結(jié)晶，打亂焊縫具有方向性的柱狀晶組織，使接頭組織晶粒得到細化，焊接應(yīng)力予以消除。

5 結(jié)束語

隨著油氣勘探開發(fā)難度的日益增加和油田降低作業(yè)成本的需要，連續(xù)油管對接焊技術(shù)已在各大油田得到了廣泛的使用。連續(xù)油管管-管對接焊采用無間隙、窄坡口全自動鎢極氬弧焊進行焊接，通過合理的焊絲匹配原則，采用小線能量多層焊、控制層間溫度、改善應(yīng)力、加快冷卻及熱處理等控制手段，達到細化晶粒、改善焊接接頭性能的目的。但是，目前國內(nèi)連續(xù)油管管-管對接自動焊技術(shù)仍不成熟，還有很多工作如焊接參數(shù)的優(yōu)化、焊接接頭的熱處理等問題需要繼續(xù)加大研究，不斷完善。

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Automatic Welding Technology Research on Coiled Tubing Butt Welding

WANG Weiliang1,2,Yu Han1,2,CHANG Yongle2,XIAN Linyun1,2,LI Hongbin1,2,WANG Haitao1,2,ZHANG Guochao1,2
(1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

In order to increase the weld performance of coiled tubing butt welding,get high quality butt weld,based on the analysis of tube-tube butt welding method and characteristics,it briefly introduced the selection principle of the tungsten electrode,shielding gas and filling material,as well as preparing work before welding.Combined with the characteristics of coiled tubing and welding process,it put forward some measures,including adopting multi-layer and multi-pass welding to control heat input,interlayer-temperature,accelerated cooling and heat treatment,to achieve the purpose of weld grain refining,improving the welded joint performance.Finally,it pointed that the current domestic automatic welding of coiled tubing technology is still not mature,still need to continue to increase research and keep improving.

welding； coiled tubing； welding material； heat input； accelerated cooling； welding performance

TG444.74

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.003

國家重大科技專項“36-煤層氣鉆井工程技術(shù)及裝備研制(二期)”(項目號2011ZX05036)。

王維亮(1978—)，女，碩士，工程師，主要從事連續(xù)管焊接方面的研究工作。

2016-03-13

修改稿收稿日期：2016-09-12

羅 剛