巴魯軍

(渤海管具公司，山東 東營 257200 )

無磁耐磨帶焊絲性能研究及應用

巴魯軍

(渤海管具公司，山東 東營 257200 )

從硬度、金相、磁導率及耐磨性能等方面對無磁耐磨帶焊絲堆焊層進行了分析，結果表明：由于無磁耐磨帶堆焊層金相組織中存在微米級別的碳化鈮硬質相，彌散分布的碳化鈮硬質相既提高了耐磨帶的耐磨性能，又增強了耐磨帶的抗裂性能，因此無磁耐磨帶的洛氏硬度和耐磨性能明顯優(yōu)于無磁鋼PT530。

無磁鉆具 無磁耐磨帶 堆焊

0 序 言

隨著國內外石油鉆井技術的不斷發(fā)展和進步，定向井、水平井、叢式井越來越多，無磁鉆具的使用量也隨之增大。在鉆井時需要使用測量儀器來測定井眼的方位、軌跡和垂直度等。測量儀器工作時，感應的是井眼的大地磁場，因而需要一個無磁環(huán)境[1-2]。無磁鉆具主要包括：無磁鉆鋌、無磁承壓鉆桿、無磁穩(wěn)定器三部分，目前，隨鉆測量設備大多選用磁導率低于1.010的鈹青銅、不銹鋼、蒙乃爾合金等無磁系列合金制造[3-4]，由于無磁系列合金的組織主要是奧氏體組織，通常采用冷作硬化提高其硬度，硬度較低一般布氏硬度在200～300 HB，低硬度的奧氏體組織導致無磁鉆具在使用中磨損嚴重。目前對于磨損后的無磁鉆具常用的方法是將磨損部位去掉，把直徑大、長度長的無磁鉆具縮徑截短變?yōu)闊o磁短接再次使用，直至報廢。無磁鉆具一般采購價格較高，一根無磁承壓鉆桿市場售價數萬元甚至十多萬元(取決于外徑大小及長度)，因此對無磁鉆具進行防磨保護從而提高無磁鉆具的使用壽命，成為了無磁鉆具使用者普遍關心的問題。普通鉆桿、加重鉆桿一般采用堆焊耐磨帶來提高其耐磨性[5-6]。 而無磁鉆具因其對磁導率的要求較高，當普通耐磨帶材料覆焊于無磁鉆具上時，若表面溫度高于400 ℃，會使其產生磁性，溫度過低則會導致藥芯焊絲無法與無磁鉆具基體有效融合，會出現裂紋及塊狀剝落。

隨著材料學的不斷發(fā)展，通過向無磁鉆具易磨損部位直接覆焊無磁耐磨帶焊絲能夠有效解決無磁鉆具的磨損問題。國內外已經研究出幾種適合無磁鉆具覆焊耐磨帶的藥芯焊絲。如美國的No-Mag，Ultraband及國產的WanHai等。文中對WanHai無磁耐磨帶進行了焊接工藝研究及實際下井應用檢驗，為無磁鉆具防磨提供一種有效的解決辦法。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用國無磁耐磨帶焊絲，牌號WanHai,直徑1.6 mm，具體成分見表1。焊接設備為通用鉆桿接頭耐磨帶覆焊機，純氬氣保護。

表1 主要化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

試樣母材為無磁PT530鋼，堆焊后加保溫桶緩冷。冷卻后采用線切割方法，將堆焊耐磨帶的接頭切取尺寸為57 mm×25 mm×5 mm和200 mm × 150 mm×20mm的試樣若干塊。

采用HRC-150型洛氏硬度計測量57 mm×25 mm×5 mm試樣塊焊態(tài)硬度，試樣為經打磨、拋光的金相試樣。載荷為150 kg，加載時間為5 s，保荷時間為3 s，每個試樣連續(xù)測定7個點，取算術平均值。兩壓痕中心間的距離或任一壓痕中心距試樣邊緣的距離≥3 mm。磨粒磨損試驗采用MLS-225型濕式橡膠輪磨粒磨損試驗機，為典型的三體磨粒磨損：磨粒(石英砂)在橡膠輪和試件表面流動從而引起磨損。試驗參數如下：橡膠輪轉速為240 r/min、橡膠輪硬度60(邵爾硬度)、載荷分別為100 N，磨料為0.212～0.425 mm的石英砂、預磨1 000 r，精磨4 000 r。材料的耐磨性能用磨損的失重來衡量，在試驗前后，將試件放入盛有丙酮溶液的燒杯中，在超聲波清洗儀中清洗5 min，干燥后用精度為0.1 mg的塞多利斯BS224S型電子天平稱量。算出磨損前后試件的重量差，即為失重量。取3個試樣的平均值衡量涂層的耐磨性。試驗時選用無磁PT530作為對比標準。相對耐磨性等于標準試樣磨損量/試驗磨損量。

2 試驗結果及討論

2.1 堆焊層金相組織分析

堆焊層金相組織如圖1所示，在大量奧氏體組織上彌散分布白色方形碳化鈮(NbC)硬質相，其顯著提高了堆焊層的宏觀硬度與耐磨性能。Nb元素與C元素的自由生成能為140.7 kJ/mol，碳化物生產能力強。因此Nb與C在焊接熔池中可直接形成NbC硬質相，硬度可達400 HV2[7]，且NbC的尺寸較小一般在10 μm內，均勻彌散的分布于奧氏體基體上對基體起到強化作用。能夠在磨損過程中充當耐磨相，保護基體并起到耐磨減磨的作用。NbC的熔點高達3 500 ℃，熔池冷卻過程中最先形核，起到細化晶粒提高組織綜合性能作用。

圖1 堆焊層金相組織

2.2 堆焊層硬度分析

將堆焊層上表面進行洛氏硬度測試，所測量的硬度點符合國家測量標準，硬度值如表2所示，堆焊層硬度平均值為HRC 51.4，不同點的硬度值均在HRC50以上，而且數值偏差很小。無磁鋼本體材料為奧氏體不銹鋼組織硬度只有280～320 HB。堆焊層具有均勻較高的洛氏硬度主要是因為堆焊層中含有高硬度的碳化鈮硬質相(顯微硬度400 HV2)，碳化鈮硬質相均勻分布于奧氏體基體上，顯著提高了整體宏觀硬度。

表2 硬度測量 HRC

2.3 磁導率試驗

為了減少無磁鉆具在測井使用中地球磁場的干擾，要求所使用的耐磨帶堆焊材料具有低的磁導率。為了檢測堆焊層是否達到無磁鋼要求，將堆焊層采用線切割工藝，切割為1 cm3的試樣，送到國家磁性材料研究院進行檢測。測試使用的主要計量器具為振動試樣磁強計，當磁場單位H=200 Oe(奧斯特)時，試樣相對磁導率測試結果為1.003 14。符合API對無磁鉆具磁導率的要求。

2.4 濕砂橡膠輪式耐磨試驗

從表3所測的磨耗量可以看出，WanHai試塊的磨損量明顯小于用PT530型堆焊的試塊，在相同載荷下，WanHai堆焊后的耐磨帶與PT530鋼樣塊型相比，耐磨性提高4倍。文獻[8]指出磨料磨損不僅決定于材料的硬度Hm，而且更主要的決定于材料硬度Hm和磨料中磨粒的硬度Ha比值，當Hm/Ha < 0.8時，磨損進入高磨損區(qū)，當材料硬度Hm與磨料硬度Ha比值為Hm/Ha接近1時，將不發(fā)生磨損，因此在物料硬度不變的情況下，如何提高材料硬度，是提高鉆具易磨損部位耐磨性能的關鍵。WanHai堆焊層中高硬度碳化鈮顯微硬度達到2 400 HV，碳化鈮的加入使堆焊層宏觀硬度得到顯著提高，同時碳化鈮彌散分布于基體上，形成耐磨骨架，抵抗物料對奧氏體基體磨損。

表3 試塊的磨損量對比

3 實際使用效果比較

為了對比鉆具耐磨堆焊層的耐磨效果，文中對一根未堆焊WanHai耐磨帶的無磁承壓鉆桿在勝利油田渤海鉆井樁中的使用情況進行了連續(xù)跟蹤和回收，通過統(tǒng)計鉆桿使用損耗量以便于對耐磨帶的耐磨效果進行定量評估。表4為上井前鉆桿外徑原始尺寸。

表4 無耐磨帶無磁承壓鉆桿上井前接頭尺寸 mm

上井使用后，具體磨損情況：總進尺19 352 m; 外螺紋接頭總磨損量1.8 mm；內螺紋接頭總磨損量1.9 mm。無磁承壓鉆桿中部加厚區(qū)磨損總量：總進尺19 352 m；加厚區(qū)A總磨損量1.6 mm；加厚區(qū)B總磨損量1.7 mm。試驗中發(fā)現當進尺達到20 000 m左右時，鉆具本體的磨損量是較大的，安全性和可靠性進一步降低，使用壽命和使用效率也大打折扣。為了進行有效的對比分析，勝利石油管理局渤海鉆井管具公司采用1根覆焊WanHai無磁耐磨帶的無磁承壓鉆桿進行實際應用檢驗。無磁承壓鉆桿WanHai無磁耐磨帶材料的實際施焊效果進行了應用檢驗。無磁承壓鉆桿與普通鉆桿的耐磨帶堆焊工藝相似，現有的耐磨帶堆焊機能夠滿足堆焊設備要求，具體焊接工藝見表5。

表5 實際堆焊工藝參數

堆焊過程中，飛濺小，焊后表面無裂紋，焊縫平整，美觀如圖2所示。堆焊完成后，使用RC-2型弱磁材磁導率測量儀測量磁導率，用RCY-2弱磁場梯度測量儀測量磁感強度梯度。實測結果見表6。

圖2 無磁耐磨帶堆焊實物

類別相對磁導率100mm磁感強度梯度dH/dx標準值≤1.01≤0.05外螺紋接頭1.000.04內螺紋接頭0.990.03

通過表6可以看出：堆焊后無磁承壓鉆桿的磁導率μr≤1.01，沿內孔任意相距100 mm的磁感強度梯度μt≤0.05，均滿足“無磁性”要求。

該根覆焊了WanHai無磁耐磨帶的無磁承壓鉆桿隨后被發(fā)送到井隊進行正常的生產使用，并對其連續(xù)使用情況進行跟蹤，直至回收。無磁承壓鉆桿耐磨帶處外徑的具體磨損情況見表7～8。

表7 接頭耐磨帶處外徑的磨損情況

表8 加厚區(qū)耐磨帶處外徑的磨損情況

從實際使用效果可以看出，在耐磨性方面，堆焊WanHai無磁耐磨帶能有效保護本體，延長無磁工具的使用壽命，提高使用效率。無磁鉆具價格昂貴，勝利油區(qū)幾乎每口井都在使用，在沒有防磨措施的條件下，一根無磁承壓鉆桿正常使用3年左右就磨損到報廢，使用時間遠遠低于加重鉆桿6年的平均使用壽命。通過無磁鉆具焊接耐磨帶技術，可以有效延長無磁鉆具的服役期限，節(jié)省大量的鉆具購置資金。按照2014～2016年每年平均購置20根無磁承壓鉆桿計算，每年可節(jié)省購置無磁承壓鉆桿10根，節(jié)省購置費用95萬元。

通過向無磁鉆具表面覆焊無磁耐磨帶能夠有效的解決無磁鉆具的磨損過快問題，無需額外購置新設備，投入少見效快，具有很高的推廣價值。

4 結 論

(1)通過硬度測試及金相分析表明：文中所用無磁耐磨帶洛氏硬度高達51 HRC，高于無磁鋼PT530。堆焊層中由于分布有大量碳化鈮硬質相，因此與PT530相比具有高硬度高抗磨的特點。

(2)通過磁導率試驗表明：WanHai耐磨帶磁導率為1.003 14，符合API無磁材料要求。

(3)通過實際下井應用表明：向無磁鉆具表面易磨損部位覆焊無磁耐磨帶是解決無磁磨損問題的有效方法。

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2017-04-07

TG455

巴魯軍，1964年出生，高級工程師。主要從事鉆具技術科研和管理工作。