王維亮， 余 晗，宋紅兵， 王和平， 汪海濤，鮮林云

（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任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

連續(xù)管全位置自動對接焊工藝和接頭性能研究*

王維亮1,2， 余 晗1,2，宋紅兵1,2， 王和平1,2， 汪海濤1,2，鮮林云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任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了進一步提高連續(xù)管在油田現(xiàn)場的使用價值和經(jīng)濟效益，設(shè)計了一種連續(xù)管全位置自動對接焊 （自動TIG焊）工藝。采用該焊接工藝對Φ38.1 mm×3.4 mm規(guī)格CT80連續(xù)管進行了管－管對接焊，并對其焊接接頭的強度、塑性、硬度及疲勞壽命進行了檢測。檢測結(jié)果表明，采用該焊接工藝獲得的連續(xù)管管－管對焊接頭，其內(nèi)外焊縫成形良好，具有優(yōu)良的強塑性和抗彎曲變形能力，具有較高的疲勞壽命，能滿足作業(yè)現(xiàn)場的使用要求。

連續(xù)管；自動TIG焊；焊接工藝；焊接性能

Abstract:In order to further improve the usage value and economic benefit of coiled tubing in oil field,a kind of all-position automatic butt welding process(automatic TIG welding)was designed.By using this welding technology to conduct pipe-pipe butt welding for Φ38.1 mm × 3.4 mm CT80 coiled tubing,and the strength of the welded joint,plasticity,hardness,and fatigue life were tested.Test results showed that for the coiled tubing pipe-pipe butt welding joint obtained by this welding technology,the inside and outside welds are well formed,the weld joints possess good plasticity and strong ability to resist bending deformation,can meet usage requirements in working site.

Key words:coiled tubing;automatic TIG welding;welding process;welding performance

連續(xù)管（coiled tubing,簡稱CT）也稱撓性油管、蛇形管或盤管，是采用特殊微合金材料和獨特制造工藝技術(shù)生產(chǎn)的一種強度高、塑性好的連續(xù)焊接鋼管，單根長度可達數(shù)千米，成品纏繞在卷筒上運輸交付使用，主要用于油氣田修井、測井、鉆井、完井、油氣輸送等領(lǐng)域。連續(xù)管在油田現(xiàn)場服役過程中不斷承受拉伸、彎曲、擠壓、磨損等復合載荷作用，易出現(xiàn)裂紋、損傷或斷脫等情況，影響了管體的正常使用。為了進一步提高連續(xù)管的使用價值和經(jīng)濟效益，將存在缺陷的部分管段截取下來，再將其余完好的管體兩端重新對接，以便重復使用。另一方面，由于井深增加導致現(xiàn)有連續(xù)管管體長度不夠，也需要將兩根完好的連續(xù)管進行對接，以滿足使用要求。目前，國內(nèi)常用的對接焊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[1-4]。連續(xù)管在油田現(xiàn)場多采用手工焊進行對接，但手工對接焊容易受人為因素影響，焊接穩(wěn)定性差。為了提高連續(xù)管對接焊的穩(wěn)定性，獲得良好的焊接接頭，本研究采用一種全自動TIG焊進行連續(xù)管對接焊。自動TIG焊是一種焊槍旋轉(zhuǎn)、管體固定、自動填絲的焊接方法。焊接時，收弧、引弧以及弧長均由焊機自動控制，避免了人為因素引起的質(zhì)量缺陷，焊接穩(wěn)定性及再現(xiàn)性較好，易獲得成形良好、質(zhì)量穩(wěn)定的焊接接頭[5-7]。

1 焊接工藝試驗研究

1.1 試驗材料及接頭設(shè)計

試驗材料為Φ38.1 mm×3.4 mm規(guī)格CT80連續(xù)管，其力學性能見表1。填充材料為寶雞石油鋼管有限責任公司自主研發(fā)的焊絲，規(guī)格為Φ1.5 mm。

表1 Φ38.1 mm×3.4 mm規(guī)格CT80連續(xù)管的力學性能

Φ38.1 mm×3.4 mm規(guī)格CT80連續(xù)管對接接頭坡口設(shè)計如圖1所示，采用V形坡口，坡口角度α為70°～100°， 鈍邊尺寸δ為 0.8～1.5 mm，對中間隙B為0。為了獲得良好的對接焊縫成形效果，采取了分區(qū)焊接的工藝方法，焊接區(qū)間劃分如圖2所示。

圖1 Φ38.1 mm×3.4 mm規(guī)格CT80連續(xù)管對接接頭V形坡口設(shè)計

圖2 焊接區(qū)間劃分示意圖

焊接設(shè)備采用自主研發(fā)的全位置自動對接焊系統(tǒng)，主要包括MUIV焊接接頭和PS406－2焊接電源、工作臺、矯直裝置、整圓裝置、坡口機、冷卻塊等設(shè)備。

1.2 焊前準備

自動TIG焊屬于精密焊接，焊前準備工作要求較高，比如開坡口、清理、對中等一系列工作，確保達到相應精度，否則嚴重影響焊接質(zhì)量。

焊前準備[8-9]主要包括切管、平端面、矯直、脹圓、開坡口、管端內(nèi)外清理、管口對中、冷卻塊夾持等8項內(nèi)容。

（1）切管、平端面。切除管子兩端有損傷的部位，管子上有裂紋、機械壓痕坑和腐蝕斑坑、機械劃溝的部分也要切除掉，以免對后續(xù)工作造成影響。

（2）矯直。將管子待焊處左右各1 m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。脹管時要求管徑不能增大，脹后管端直徑之差不能超過0.1 mm。

（4）開坡口。本次試驗選用V形坡口，如圖3所示。由于連續(xù)管位置固定無法轉(zhuǎn)動，故將坡口機刀頭圍繞管子旋轉(zhuǎn)來開坡口。首先將管端修平且與管軸線垂直，然后加工坡口，坡口角度α為40°， 鈍邊δ為0.8 mm。

圖3 V形坡口示意圖

（5）管端內(nèi)外清理。將管端30 mm內(nèi)外表面用角磨機清理干凈，露出金屬光澤，用蘸有丙酮的脫脂棉擦洗打磨后的管端，直至脫脂棉干凈。

（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，且不允許有錯邊。

（7）冷卻塊夾持。焊接時在坡口兩側(cè)夾冷卻塊，使其位于距坡口邊緣15 mm左右處。

（8）機頭夾持。調(diào)整鎢極和焊絲，使其位于對接口正上方，準備焊接。

采用自動TIG焊對接連續(xù)管，焊前準備就緒的實物照片如圖4所示。

圖4 焊前準備完整狀態(tài)

1.3 焊接工藝

焊接過程分為兩層焊，第一層為填絲打底焊，第二層為填絲蓋面焊，焊接參數(shù)見表2。打底焊完成后，待焊縫溫度降到室溫，徹底清理焊縫及周圍氧化皮，并用蘸有丙酮的脫脂棉徹底擦干凈，然后進行蓋面焊。采用該焊接工藝可得到良好的內(nèi)外焊縫成形效果，實物照片如圖5所示。

表2 連續(xù)管對接焊工藝參數(shù)

圖5 連續(xù)管對焊接頭焊縫成形效果

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學性能

對連續(xù)管焊接接頭進行力學性能檢測。試驗設(shè)備選用ZIWCK電子萬能試驗機和WE－30B液壓萬能試驗機。拉伸試驗采取整管拉伸。彎曲試驗進行焊縫橫向取樣，采用彎軸直徑為7 mm的彎頭，將焊縫位于彎矩中間，進行正、反彎，壓至貼合。

連續(xù)管對接接頭拉伸與彎曲試驗結(jié)果見表3和圖6。由表3和圖6可見，焊接接頭的抗拉強度為730 MPa，比管體685 MPa的強度高7%左右，滿足強度性能要求；彎曲時，焊縫、母材均未出現(xiàn)可見裂紋，說明焊縫和母材均具有良好的塑性。

表3 連續(xù)管對接接頭拉伸與彎曲試驗結(jié)果

圖6 連續(xù)管對接接頭拉伸與彎曲后試樣

2.2 硬度檢測

對連續(xù)管焊接接頭進行硬度檢測，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，焊縫、熱影響區(qū)、母材硬度控制基本合理，硬度值均小于248HV0.5，且硬度值波動較小，滿足性能要求。

2.3 疲勞試驗

連續(xù)管在現(xiàn)場服役過程中要經(jīng)歷多次的彎曲，為了更加準確地評價其服役性能，采用疲勞試驗機測試連續(xù)管的疲勞壽命。

疲勞試驗在焊縫處于壓縮面、內(nèi)壓34.47 MPa、彎曲模半徑1 219.2 mm的條件下進行。疲勞試驗結(jié)果見表4和圖8。由表4和圖8可見，在同等試驗條件下，對焊接頭的疲勞壽命分別為115和109次，母管的疲勞壽命為223次。可見，對焊接頭的疲勞壽命達到了管體疲勞壽命的50%。根據(jù)國外文獻，一般要求管－管自動對接接頭的疲勞壽命達到母管的45%就能滿足性能要求。因此，該自動TIG焊對接接頭的抗疲勞性能優(yōu)異，能滿足現(xiàn)場服役的要求。

表4 疲勞試驗檢測結(jié)果

圖8 對焊接頭疲勞試驗后的試樣

3 結(jié) 論

（1）對于全位置自動焊，焊前準備工作如開坡口、清理、對中等是影響焊接質(zhì)量不容忽視的重要因素。

（2）采用自主研發(fā)的全位置自動對接焊設(shè)備及焊絲，開發(fā)出了連續(xù)管管－管自動對接焊工藝，采取該工藝獲得了成形良好的內(nèi)外焊縫。

（3）通過對自動對焊接頭性能檢測，結(jié)果表明焊接接頭具有優(yōu)良的強塑性和抗彎曲變形能力，同時具有較高的疲勞壽命，可滿足現(xiàn)場使用要求。

[1]李建軍，修長征，茹慧靈，等.管道焊接技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007：235.

[2]韓勤.TIG，MIG/MAG及等離子弧精密自動焊接系統(tǒng)[J].焊接技術(shù)，2006，35（4）：50-53.

[3]姜煥中.焊接方法及設(shè)備—電弧焊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981：34-89.

[4]楊文杰.電弧焊方法及設(shè)備[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2007：156-158.

[5]辛希賢.管線鋼的焊接[M].西安：陜西科學技術(shù)出版社，1997： 59-62.

[6]顧紀清，陽代軍.管道焊接技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社， 2005： 21-22.

[7]彭尚宇，李麗紅.CASE－2199鋼材小徑管焊接工藝[J].焊接技術(shù)， 2002， 31 （4）： 50-51.

[8]李頌宏.管道自動焊與坡口形式[J].電焊機，2004，34（5）：143-148.

[9]張啊妮，石凱.連續(xù)油管管－管對接焊焊前準備工作的探討[J].現(xiàn)代焊接， 2010， 88 （4）： 10-12.

編輯：謝淑霞

Research on Coiled Tubing All-position Butt Welding Process and Joint Performance

WANG Weiliang1,2,YU Han1,2,SONG Hongbing1,2,WANG Heping1,2,WANG Haitao1,2,XIAN Linyun1,2
（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）

TG441.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.004

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）”（項目編號2011ZX05036）。

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

2017-02-17