黃志敏 白淑媛(天津市渤海石油裝備中成機械制造有限公司,天津 300280)

石油鉆桿摩擦焊工藝及質量控制

黃志敏 白淑媛(天津市渤海石油裝備中成機械制造有限公司,天津 300280)

在勘探和開采石油的過程中，石油鉆桿是十分重要的工具，其主要由帶螺紋的工具接頭和管端經過加厚的管體經過摩擦焊接而成。由于在實際鉆井的過程中，鉆桿需要承受十分復雜的力學狀況，因此要求鉆桿具備較高的強度、韌性以及耐腐蝕性等。對于石油鉆桿而言，摩擦焊是其生產中的重要工序之一。因此文章重點就石油鉆桿摩擦焊工藝及質量控制展開探討。

石油鉆桿；摩擦焊工藝；質量控制

1 摩擦焊工藝概述

1.1 摩擦焊工藝原理

摩擦焊起源于20世紀50年代，其作為一種新型的焊接工藝，主要是運用焊接件接觸端面，利用其在相對旋轉運動中摩擦中所產生的熱，促使端部達到熱塑性狀態(tài)，并迅速頂鍛，這樣能夠促使高溫狀態(tài)下的焊接件接觸面間的原子迅速擴散開，進而實現焊接目的的一種對焊辦法。摩擦焊的種類較多，單純就石油鉆桿來說，主要包括了慣性摩擦焊和連續(xù)驅動摩擦焊兩種類型。

1.2 摩擦焊工藝條件

要想順利實現摩擦焊，需具備轉速、摩擦壓力、頂鍛壓力、頂鍛量、摩擦時間和頂鍛時間這幾個工藝條件。各個工藝條件的具體作用機理為：需確保摩擦對焊的時候，焊接件的加熱溫度以及溫度梯度適宜，既不能讓焊縫金屬易于產生塑性變形和擴散，也不能使得金屬過于熱，影響需要選定合理的摩擦壓力和摩擦時間。同時，還應該確保具備足夠大的頂鍛壓力、頂鍛速度以及適宜的頂鍛變形量，不然難以對焊接表面上的原有氧化膜進行有效破壞，以及難以阻止焊縫金屬出現繼續(xù)氧化現象，只有這樣，才可以確保得到理想的接頭金屬組織以及力學性能。此外，還應該確保摩擦壓力、頂鍛壓力、摩擦時間、頂鍛速度等要適宜，以便于不對焊接接頭的各項性能產生影響。實踐證實，頂鍛壓力和頂鍛時間對于頂鍛速度的確定作用甚大。針對不同鋼級以及不同規(guī)格的鉆桿而言，需要依據生產經驗來適當調整摩擦時間。

2 石油鉆桿摩擦焊質量控制措施

以下以5"G105石油鉆桿為例，探討采用320BX慣性摩擦焊機進行摩擦焊接的質量控制措施。

2.1 焊前準備

2.1.1 管體準備

精心選擇接頭達到了報廢標準的且管體為一級的鉆桿（帶有內涂層），并將舊接頭切除。同時切頭需要將舊焊縫切除且將部分剩余長度精心加厚，厚度需超過50mm，外徑控制在128.50-130.50，內徑控制在90.00-91.00。

2.1.2 接頭準備

明確規(guī)定鉆桿接頭的化學成分、加工工藝、機械性能等，并和接頭生產廠家簽訂《石油鉆桿接頭技術質量協議》，保障各項參數都能夠達到相關質量標準。

2.2 摩擦對焊

為確保鉆桿質量達標，需嚴格把關摩擦對焊環(huán)節(jié)，并合理確定焊接各項工藝參數。結合管端尺寸，對焊接參數進行確定，要求平均縮短量能夠達到0.625英寸。開始進行對焊前，應及時清潔干凈對接頭和管體端面，尤其要重點進行除銹處理，避免出現“灰斑”缺陷。

2.3 焊后處理

2.3.1 去內外飛邊

由于320BX慣性摩擦焊接自身帶的有內剪切裝置。因此當焊接結束后，可以在焊縫內飛邊尚未冷卻的時候自動將內飛邊進行剪切。此外，當完成退火工序之后，就可以開始進行去外飛邊作業(yè)，此時需要密切關注找正，并要避免扎刀、產生臺階以及外圓環(huán)槽。

2.3.2 熱處理

退火+淬火+回火是摩擦對焊鉆桿熱處理工藝的主要內容，其多運用中頻感應加熱。此種加熱方式的加熱速度較快，焊縫熱影響區(qū)相對較窄。一般來說，當焊接結束之后需要立即進行退火工藝。主要原因在于摩擦對焊時，加熱的穩(wěn)定較高，焊接的應力也很大。如果在冷卻之后不能立即對應力進行消除，則就極為容易產生較大的焊接冷裂紋。同時，之所以進行退火工藝，還有助于降低焊接件的硬度，使其更容易進行切削加工，以便于為后序去飛邊工序提供便利。淬火工藝能夠顯著提升焊縫的強度以及硬度。要想實現淬火，需確保加熱溫度高于臨界點之上，以便于獲取奧氏體組織。而且其冷卻速度也必須要比臨界冷卻速度快，以便于奧氏體化之后能夠獲取盡可能多的馬氏體。在該石油鉆桿焊接過程中，主要運用的是北京G50淬火液冷卻，以便于降低馬氏體轉變區(qū)域的冷卻速度，避免出現開裂。完成淬火之后需要立即進行回火處理。運用高溫回火，不僅能夠清除淬火的內應力，還可以將淬火組織進行改變，以便于獲取較細的回火索氏體組織，提升焊區(qū)的綜合力學性能。

2.3.3 硬度檢測

需對每一個焊區(qū)表面硬度進行檢測，并確保其硬度值不能超過37HRC或者等效值。

2.3.4 彎曲試驗

對于每一根鉆桿都應該開展彎曲試驗，嚴禁在焊縫的外表面上出現裂紋現象。

2.3.5 無損探傷檢測

對于焊區(qū)，還應該進行磁粉和超聲波探傷檢驗，嚴禁存在肉眼可見的裂紋和其他相應的缺陷。

2.3.6 質量抽檢

選取相同鋼級的，相同熱處理工藝的石油鉆桿，以每200根為一批，從中抽取1根送到專業(yè)檢測機構進行質量檢驗。

3 實踐結果

經過上述工藝加工的5"G105石油鉆桿，后經過實際應用，未出現任何質量問題。由此可見，采用320BX慣性摩擦焊機焊接之后的石油鉆桿，可以滿足5000米井深的使用要求。

總之，文章簡要分析了石油鉆桿摩擦焊工藝以及質量控制措施，期望能夠起到一定的借鑒作用。

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