李亞敏，張 然，支鵬鵬，劉永紅，王 琴

（渤海裝備鉆井裝備能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

隨著現(xiàn)代鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，我國的深井、超深井勘探工作對(duì)于鉆柱設(shè)備的整體質(zhì)量提出了更高要求。有些鉆柱的摩擦扭矩較高，較高的摩擦力進(jìn)一步增加工件表面的磨損壓力，導(dǎo)致鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落，影響接頭整體強(qiáng)度，甚至帶來安全生產(chǎn)隱患。為解決該問題，下面分析鉆桿接頭噴焊工藝的相關(guān)情況。

1 鉆桿接頭噴焊工藝概述

隨著我國鉆井生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)于鉆桿的使用效率與穩(wěn)定性都提出了更高要求。一般來說，鉆桿磨損最先出現(xiàn)在接頭部分。接頭部分進(jìn)行的常規(guī)硬化處理可在一定程度保護(hù)鉆桿接頭避免損壞。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，采取表面涂層技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)工件表面修復(fù)，還能節(jié)約能源耗材，提升經(jīng)濟(jì)效益，是目前鉆桿接頭表面處理最常用的技術(shù)手段。相比于等離子噴焊等技術(shù)，氧乙炔火焰噴焊處理技術(shù)優(yōu)勢十分明顯，該技術(shù)操作難度小、工藝穩(wěn)定性強(qiáng)，具有成本相對(duì)容易控制等優(yōu)勢，十分適合現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)控制需求。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，工廠噴焊耐磨帶時(shí)主要選擇接頭上噴鎳基金屬合金粉的方式予以處理，能夠?qū)崿F(xiàn)合金塊、鉆桿的結(jié)合，通過氧乙炔火焰處理的方式予以調(diào)整。針對(duì)耐磨帶實(shí)施技術(shù)分析，可以獲取其成分（表1）。從表1 可以看出，噴焊層主要的合金粉末為鎳元素，還包括相當(dāng)比例的鎢元素。這是由于耐磨帶材料在生產(chǎn)過程中添加了碳化物，故該粉末可以稱之為含碳化鎢彌散合金。該合金優(yōu)勢十分明顯，具有很強(qiáng)的附著性和耐磨性，還兼顧了較強(qiáng)硬度，可以很好地適應(yīng)鉆桿接頭噴焊層耐磨帶的處理需求。除此之外，經(jīng)過高溫處理，該材料還可以提升耐磨損與抗氧化性能，針對(duì)一些特殊的工況條件也有很好的應(yīng)用優(yōu)勢。

表1 合金粉末化學(xué)成分

2 鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落原因分析

鉆桿接頭噴焊層耐磨帶一旦脫落，會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)程，因此要做好前期防護(hù)工作。分析鉆桿接頭噴焊層耐磨帶的磨損過程，鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落原因主要來源于表面處理。根據(jù)噴焊層獲取試樣的分析測試結(jié)果，分別對(duì)鉆桿接頭噴焊層耐磨帶進(jìn)行取樣。隨后進(jìn)行金相分析以及掃描電鏡分析，獲取合金塊、基體金屬界面形貌，如圖1 所示。

圖1 合金塊、合金粉末、基體結(jié)合處金相

采用掃描電鏡進(jìn)行合金塊與粉末分析，可以獲得相應(yīng)的金相圖分析結(jié)果。對(duì)比合金塊與金屬粉末的分析測試情況來看，雖然在界面的結(jié)合部位存在明顯的氣泡，但是由于大多數(shù)的氣泡屬于分散存在，同時(shí)整體氣孔體積較小，因此應(yīng)該不是引起合金塊脫離的主要原因。進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，合金塊以及基體的結(jié)合處不但存在明顯的氣泡，同時(shí)也存在一部分裂紋。這些裂紋與氣泡不同，裂紋之間間隙較大，故推測裂紋是最終導(dǎo)致合金塊脫落的主要原因。在上述分析中已經(jīng)確定，合金粉末的整體耐磨性能雖然尚可，但是對(duì)比合金塊依然存在不小差距。因此鉆桿接頭噴焊層耐磨帶工作時(shí)，耐磨性主要還是需要合金塊體現(xiàn)。合金粉末選擇鎳基自熔合金，該合金添加了碳化物等物質(zhì)。在噴焊處理過程中，逐步形成了多個(gè)聚合點(diǎn)，分別以鎳基、鎢基為主要特征。根據(jù)研究結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)合層內(nèi)部存在大量的氣泡，除此之外，碳化鎢的含量越高，鎳基的含量就會(huì)相應(yīng)降低。此時(shí)無法滿足碳化鎢顆粒的包裹，導(dǎo)致外部出現(xiàn)了大部分的粗大碳化物，影響到顆粒度的控制效果。一部分大顆粒碳化物會(huì)在高溫影響下逐漸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成脆硬性較強(qiáng)的碳化鎢，此時(shí)材料的整體抗疲勞性能會(huì)下降。如果鉆桿接頭噴焊層耐磨帶遭受到疲勞沖擊與磨損影響，則附近的碳化鎢會(huì)由于缺口存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，導(dǎo)致耐磨性能下降，出現(xiàn)剝落。這是鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落的主要過程。

3 鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落問題預(yù)防控制策略

鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)，由于耐磨帶敷焊在接頭表面，可以保護(hù)接頭的穩(wěn)定性，取得良好生產(chǎn)效益。但是一旦出現(xiàn)接頭脫落，就必須對(duì)其進(jìn)行修復(fù)后才能夠繼續(xù)工作，既增加生產(chǎn)壓力，也不利于安全生產(chǎn)。為解決鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落問題，就必須調(diào)整噴焊處理工藝流程。結(jié)合上述鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落原因分析結(jié)果，現(xiàn)給出脫落問題的預(yù)防控制策略。

3.1 工件預(yù)熱與噴焊粉末干燥處理

根據(jù)鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落原因，工藝生產(chǎn)過程中沒有做好預(yù)熱處理是導(dǎo)致最終脫落的重要原因。由于實(shí)際鉆桿接頭噴焊層耐磨帶的使用工況十分復(fù)雜，需要同時(shí)面對(duì)油、水以及鐵銹等多種類型的氧化物，很容易出現(xiàn)夾雜腐蝕的問題。在噴焊處理之前，要對(duì)基體進(jìn)行預(yù)處理，去除掉大部分的水和油污，同時(shí)做好表面預(yù)熱。預(yù)熱過程中需要將溫度提升到400 ℃，同時(shí)做好保溫控制工作。噴焊粉體如果不進(jìn)行干燥，也可能會(huì)出現(xiàn)大量氣孔。在噴焊過程中，水分會(huì)隨著粉體到達(dá)噴焊層，此時(shí)重熔處理后會(huì)分解為氫氣、氧氣兩種不同類型的成分。因此，在水分處理不完全的情況下，同樣會(huì)導(dǎo)致大量的氣孔。除此之外，根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致鉆桿接頭噴焊層耐磨帶出現(xiàn)氣孔的其他因素中，合金粉質(zhì)量也是較為重要的因素。如果出現(xiàn)合金粉熔點(diǎn)過高、黏度過大等問題，都會(huì)導(dǎo)致氣孔存在，嚴(yán)重影響后期使用效果，需要特別予以關(guān)注。

3.2 表面粗糙度調(diào)整

鉆桿接頭噴焊層耐磨帶與基體表面本身會(huì)存在一定的凹凸不平，這些凹凸不平的表面在加工時(shí)基本不要予以處理，以此來提升基體金屬與噴焊層的整體結(jié)合效果。但是根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，表面粗糙度的存在能夠一定程度提升表面的黏結(jié)性，但不是線性增長。也就是說，表面粗糙度不是越高越好。在基體加工過程中，如果出現(xiàn)吃刀量不均勻的問題，會(huì)影響切削處理效果，進(jìn)而影響后期切痕調(diào)整。這不利于解決鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落問題。另外，小氣孔不斷閉合也會(huì)導(dǎo)致氣孔尺寸增加。較大尺寸的氣孔是導(dǎo)致鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落的重要原因，需要特別做好氣孔串的處理，以此確保整體粗糙度適應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與生產(chǎn)需求。

3.3 提升噴焊技巧

在鉆桿接頭噴焊層耐磨帶工藝實(shí)施過程中，受操作者操作習(xí)慣和操作能力的影響，往往會(huì)不同程度影響鉆桿接頭噴焊層耐磨帶的穩(wěn)定性。例如，操作者對(duì)于噴距控制不精準(zhǔn)，停留時(shí)間不足等問題都會(huì)導(dǎo)致氣孔出現(xiàn)。另外，工件與噴炬的距離過長，也會(huì)導(dǎo)致噴焊層的氣體總量較高，噴焊溫度不足則會(huì)導(dǎo)致大部分的氣體無法隨時(shí)逸出，導(dǎo)致氣泡聚集。根據(jù)基本技術(shù)原理來看，噴焊溫度較高也不利于氣泡的排出，這是由于內(nèi)部的液態(tài)金屬會(huì)翻泡，形成內(nèi)部氣孔群。鏡面反光問題主要是由于一次噴膜過厚。在重熔過程中加熱不足、火焰移動(dòng)速度過快等都是導(dǎo)致粉末熔融的重要原因。合金塊、基體表面氧化加劇會(huì)進(jìn)一步影響整體結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落。為解決這些問題，需要不斷提升操作人員的操作技巧，滿足鉆桿接頭噴焊層耐磨帶工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與要求。

4 總結(jié)

鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落與噴焊生產(chǎn)的流程密不可分，其不但與加工溫度以及干燥處理流程相關(guān)，對(duì)于操作人員的生產(chǎn)與噴焊技巧都有一定聯(lián)系。為進(jìn)一步解決鉆桿接頭噴焊層耐磨帶脫落的問題，除了做好工件的前期預(yù)熱預(yù)處理，還需要進(jìn)一步做好干燥控制，提升表面粗糙度。進(jìn)一步做好噴焊工作，提升整體生產(chǎn)穩(wěn)定性，以此來減少微裂孔、氣孔的不利影響，進(jìn)一步提升鉆桿壽命和生產(chǎn)效益。