孫 咸

（太原理工大學(xué)焊接材料研究所， 太原 030024）

0 前 言

在鉆井工程中， 為了保護(hù)套管并延長(zhǎng)昂貴的鉆具設(shè)備的壽命， 使其在鉆井時(shí)和起下鉆時(shí)免受旋轉(zhuǎn)和軸向力的磨損， 幾十年前就出現(xiàn)了耐磨帶的需要。 耐磨帶是預(yù)先在鉆桿接頭與套管容易發(fā)生接觸摩擦的點(diǎn)或部位， 采用冶金（熔焊） 方法熔敷的一層耐磨金屬。 鉆桿接頭耐磨帶不僅在深井鉆井、 大位移井鉆井和大斜度井鉆井工程中獲得了推廣應(yīng)用， 而且鉆桿接頭耐磨帶技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際重大石油工程項(xiàng)目招標(biāo)中投標(biāo)方中標(biāo)的必備技術(shù)條件之一。 然而， 鉆桿接頭耐磨帶的焊接性并不太理想。 鉆桿接頭的材質(zhì)多為中碳調(diào)質(zhì)鋼， 碳當(dāng)量高； 耐磨帶熔敷層中的合金元素含量高， 堆層淬硬傾向大， 具有較強(qiáng)的裂紋敏感性。雖然現(xiàn)有的焊接材料和配套的焊接工藝基本能滿足耐磨帶施工建設(shè)要求， 但這并不意味著在所有情況下耐磨帶都能獲得滿意的使用性能。 在一些工程應(yīng)用中， 耐磨帶上剝落、 網(wǎng)狀裂紋、 周向裂紋等缺陷時(shí)有發(fā)生[1～2]， 嚴(yán)重影響鉆桿接頭的使用壽命。 另一方面， 耐磨帶的工況條件比較復(fù)雜,性能要求比較苛刻， 還要考慮生產(chǎn)成本， 合理選用焊接材料顯得非常重要。 所謂合理選用焊接材料， 既要考慮結(jié)構(gòu)的工況條件， 又要考慮中碳調(diào)質(zhì)鋼母材的焊接性， 以及熔敷金屬合金系統(tǒng)和匹配方式等因素， 使耐磨帶焊接材料的選用原則有些與眾不同。 具有高耐磨性的焊接材料已在鉆桿接頭耐磨帶工程上推廣應(yīng)用。 這些材料熔敷金屬的合金系統(tǒng)及化學(xué)成分與母材不盡相同， 堆層的顯微組織各異。 這種匹配既不是強(qiáng)度匹配， 也不屬于組織匹配， 只能歸于性能匹配。 有關(guān)鉆桿接頭耐磨帶焊接的文獻(xiàn)逐年增多， 內(nèi)容涉及工藝試驗(yàn)、 性能對(duì)比， 以及焊接材料進(jìn)展等[3-5]， 唯獨(dú)難覓焊接材料選用原則的文獻(xiàn)。 為此， 論文特意以焊接材料為切入點(diǎn), 將焊接材料選擇與鉆桿接頭耐磨帶的焊接性、 焊接材料種類、 工藝方法及工程應(yīng)用相聯(lián)系， 專題性地探討其選用原則。 該項(xiàng)工作對(duì)推動(dòng)鉆桿接頭耐磨帶焊接材料的創(chuàng)新開發(fā)、 配套工藝的銳意改進(jìn)， 以及鉆井建設(shè)工程質(zhì)量的提升， 具有一定的參考價(jià)值和實(shí)用意義。

1 鉆桿接頭耐磨帶焊接性分析

鉆桿接頭耐磨帶是一個(gè)沿接頭圓周方向， 具有一定寬度和一定厚度的隔離帶 （圖1 和圖2）。通過這個(gè)隔離帶， 使鉆桿接頭外壁和套管壁或井壁隔離， 避免鉆桿接頭與套管壁或井壁直接接觸，以保護(hù)鉆桿接頭和套管免遭強(qiáng)烈磨損， 從而延長(zhǎng)鉆具使用壽命。 耐磨帶的工況條件比較復(fù)雜， 性能要求比較苛刻， 應(yīng)當(dāng)具有良好的綜合抗磨性能。

鉆桿接頭用鋼有很多種， 德國(guó)鋼種36CrNiMo4是其中一種， 類似我國(guó)的40CrNiMo 以及美國(guó)的ASTM/AISI 4340。 可以用我國(guó)鋼種的命名法， 將德國(guó)的36CrNiMo4 鋼命名為36CrNiMo， 其化學(xué)成分范圍見表1[6]。 該鋼經(jīng)880 ℃退火， 保溫3～4 h， 爐冷至550 ℃空冷， 可以進(jìn)行粗加工。 然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)（860～880 ℃油淬， 540～650 ℃回火）處理。 熱處理后鋼的力學(xué)性能滿足API SPEC 5DP要求， 在-10 ℃的沖擊功可以達(dá)到100 J。 另一種廣泛應(yīng)用于鉆桿接頭的鋼種是美國(guó)鋼種AISI 4137H， 類似于我國(guó)的35CrMo， 主要區(qū)別是AISI 4137H 的C、 Mn 含量稍高些。 AISI 4137H 的改良型ASTM 4137H 鋼中適當(dāng)增加了Cr、 Mn 和Mo含量， 且鋼液進(jìn)行了鈣處理， 其化學(xué)成分見表1[6]。按照我國(guó)鋼號(hào)編制方法， 可以將改良型ASTM 4137H 鋼、 德國(guó)鋼種37 CrMnMo4H1 的國(guó)產(chǎn)化鋼種命名為37CrMnMo （化學(xué)成分見表1）。 該鋼經(jīng)880 ℃保溫2.5 h 油中淬火、 605～610 ℃保溫4 h回火， 熱處理后鋼的力學(xué)性能見表2[6]。 目前大多數(shù)鉆桿接頭用35CrMnMo 鋼制造（化學(xué)成分見表1）。 其熱處理工藝與鋼種37CrMnMo 差別不大，即870～880 ℃加熱后進(jìn)行水淬， 然后經(jīng)600～610 ℃回火， 可以達(dá)到性能要求。 圖3[7]顯示了JIS-SCM440 鋼 （JIS-SCM440 相當(dāng)AISI 4137H）供貨狀態(tài)的回火馬氏體顯微組織。

表1 鉆桿接頭用鋼種及其化學(xué)成分

表2 37CrMnMo 鋼的力學(xué)性能

鉆桿接頭耐磨帶是在鉆桿接頭鋼上堆焊的金屬保護(hù)層。 鉆桿接頭鋼屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼 （見表1）， 其成分中含碳量高 （0.32%～0.40%）、 合金元素多 （Cr、 Ni、 Mo 等）， 鋼的屈服強(qiáng)度可達(dá)到831～949 MPa， 淬硬傾向大。 所用填充焊絲的成分中 （見表3[3-4，8]） 含碳量更高 （0.30%～0.50%， 0.88%或更高）、 合金元素更多 （Cr、 Ni、Mo、 Nb 等）， 熔敷金屬的淬硬傾向很大。 可以看出， 鉆桿接頭耐磨帶焊接性的主要問題是： ①焊接裂紋傾向嚴(yán)重。 無論母材（鉆桿接頭鋼） 還是焊接材料中的含碳量高和合金元素種類和數(shù)量多，馬氏體相變溫度低， 堆層和HAZ 的淬硬傾向大，冷裂紋敏感性大。 同時(shí)焊縫中含有碳、 鈮等促進(jìn)熱裂紋產(chǎn)生的元素， 因此還具有一定的熱裂紋傾向。 ②HAZ 的脆化和軟化。 由于母材中含碳量高、 合金元素多， 受焊接熱循環(huán)的影響， HAZ 產(chǎn)生了大量馬氏體， 導(dǎo)致該區(qū)嚴(yán)重脆化。 在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時(shí)， 受焊接熱循環(huán)的影響， 在HAZ 將出現(xiàn)強(qiáng)度、 硬度低于母材的軟化區(qū)， 惡化了該區(qū)的力學(xué)性能（影響堆層與母材的結(jié)合強(qiáng)度）。 選用合適的焊接材料和合理的焊接工藝， 是控制和改善鉆桿接頭耐磨帶焊接性的重要技術(shù)手段。

表3 鉆桿接頭耐磨帶用焊絲化學(xué)成分及硬度

2 鉆桿接頭耐磨帶焊接材料的選用原則

堆焊層焊縫實(shí)質(zhì)上是異質(zhì)焊縫。 堆焊焊縫焊接材料的選用， 通常需考慮母材材質(zhì)、 供貨狀態(tài)及堆焊件的工況條件等方面。 具體到鉆桿接頭耐磨帶， 其被堆焊母材為中碳調(diào)質(zhì)鋼 （成分見表1）耐磨帶的工況條件較為復(fù)雜， 性能要求苛刻。 首先自身要耐磨， 也就是說在裸眼鉆井過程中， 耐磨帶與巖石井壁會(huì)發(fā)生持續(xù)摩擦運(yùn)動(dòng)， 耐磨帶必須經(jīng)受住巖石的長(zhǎng)時(shí)間磨損。 為此， 希望耐磨帶的硬度、 耐磨性越高越好。 第二， 必須考慮鉆井過程中耐磨帶與套管不可避免的接觸摩擦， 以致于磨損（見圖4[9]）。 如果耐磨帶的硬度和耐磨性比套管高許多， 那么套管磨損程度一定比耐磨帶大得多。 在這種情況下， 耐磨帶的硬度、 耐磨性越高， 套管磨損程度越嚴(yán)重。 因此， 并不是說耐磨帶的硬度和耐磨性越高越好， 而是應(yīng)當(dāng)綜合考慮， 使其具有良好的綜合抗磨性能。 所謂綜合抗磨性能， 是指在具有較高耐磨性前提條件下， 適當(dāng)降低硬度和耐磨性， 以其適度的減磨性改善套管的磨損性能。 據(jù)此， 鉆桿接頭耐磨帶焊接材料的選用可以采用“性能匹配” 原則。 所謂性能匹配原則， 是在保證耐磨帶具有一定高硬度（比如不低于HRC55） 條件下， 盡量減小套管的被動(dòng)磨損， 同時(shí)允許鉆桿接頭耐磨帶適度磨損。 鉆井工程中普遍追求的 “套管友好型耐磨帶” 特性是：①為了保護(hù)鉆桿接頭需在其上堆焊耐磨帶， 以利耐磨； ②同時(shí)還必須考慮套管免受或少受其磨損， 即耐磨帶需要善待套管， 形成互為依存的套管友好型耐磨帶。 該特性恰好體現(xiàn)并佐證了耐磨帶焊接材料選用原則的合理性。 該原則涉及焊接材料合金系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和合金元素的影響及控制。

從表3 所列堆焊焊接材料的合金系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分析所用合金元素的作用。 這4 種熔敷材料的合金系分別是： ARNCO 100XT 為FeCrNiMo，鳴銳150GH 為FeCrNiMoNb， GD-100 為FeCrNb，鳴銳160GH 為FeCrMoNbVB。 其中主要合金元素的作用如下：

（1） C 元素。 是強(qiáng)烈的奧氏體化形成元素和降低Ms 點(diǎn)元素。 在堆焊材料的設(shè)計(jì)中， C 是最重要的強(qiáng)化元素， 同時(shí)也是致脆元素。 C 具有間隙固溶強(qiáng)化的作用， 增加材料中C 的含量， 將促進(jìn)馬氏體的形成。 碳含量進(jìn)一步提高會(huì)促使碳化物的形成， 并減少碳化物質(zhì)點(diǎn)間距， 增加二次硬化峰值，獲得高的硬度。 但C 含量的增加會(huì)使材料的塑性和韌性下降。 因此， 在能夠滿足性能要求的前提下， 應(yīng)盡量降低材料中所含有的C 含量。 堆層控制w（C）為0.30%， 個(gè)別為0.50%或更高（見表3）。

（2） Cr 元素。 是鐵素體形成元素， 產(chǎn)生固溶強(qiáng)化， 促進(jìn)馬氏體 （M） 形成。 Cr 也是很強(qiáng)的碳化物形成元素， 隨Cr 含量的增加， 可形成（Fe，Cr）3C、（Cr，F(xiàn)e）7C3、（Cr，F(xiàn)e）23C6等碳化物。 Cr增加鋼的淬透性并有二次硬化作用， 提高硬度和拉伸屈服強(qiáng)度。 w（Cr）超過12%時(shí)， 使鋼有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性介質(zhì)腐蝕的作用, 并增加鋼的熱強(qiáng)性， 成為不銹耐酸鋼及耐熱鋼的主要合金化元素。 含量高時(shí)， 易發(fā)生σ 和475 ℃脆性。 堆焊層中控制w（Cr）約為7%～12%。

（3） Mo 元素。 是鐵素體和強(qiáng)碳化物形成元素； 具有固溶強(qiáng)化作用， 提高鋼的淬透性， 可使鐵素體的強(qiáng)度和硬度提高， 并成為貝氏體高強(qiáng)度鋼的重要合金化元素之一。 w（Mo）約0.5%時(shí)， 能降低或抑止其他合金元素導(dǎo)致的回火脆性。 在較髙回火溫度下， 形成彌散分布的特殊碳化物， 有二次硬化作用。 提高鋼的熱強(qiáng)性和蠕變強(qiáng)度， w（Mo）為2%～3%能增加耐蝕鋼抗有機(jī)酸及還原性介質(zhì)腐蝕的能力。 堆焊層中控制w（Mo）約為0.5%～1.25%。

（4） V 元素。 是強(qiáng)鐵素體、 強(qiáng)碳化物及氮化物形成元素。 V 固溶于奧氏體中可提高鋼的淬透性； 但化合物狀態(tài)存在的V， 由于這類化合物的細(xì)小顆粒形成新相的晶核， 將降低鋼的淬透性。V可增加鋼的回火穩(wěn)定性并有強(qiáng)烈的二次硬化作用。 有細(xì)化晶粒作用， 所以對(duì)低溫沖擊韌度有利。焊層中加入一定量的V 形成釩基碳化物， 即形成了高硬的彌散分布的第二相粒子， 對(duì)基體起到彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化作用。 第二相質(zhì)點(diǎn)數(shù)量越多，直徑越小， 彌散度越大， 則其強(qiáng)化效果越明顯。

（5） B 元素。 是縮小奧氏體區(qū)的元素, 使共晶點(diǎn)向左移動(dòng)， 并且B 在奧氏體中的溶解度很小（最大溶解度為0.008%）， 隨著B 添加量的增多， 會(huì)形成較多的硼化物硬質(zhì)相， 呈斷網(wǎng)狀態(tài)分布在初生奧氏體相周圍， 構(gòu)成良好的耐磨骨架。 另外， 由于B 的原子半徑比C 大， 它比C形成硬質(zhì)相的傾向更強(qiáng)， 這對(duì)增強(qiáng)堆焊金屬的耐磨性也是有利的。 在Fe-Cr-C 系耐磨堆焊合金中加入B[10]， 當(dāng)w（B）在0.1%～0.9%時(shí)， 可使表面宏觀硬度顯著提高； 當(dāng)w（B）大于1%時(shí)， 繼續(xù)加入B， 對(duì)宏觀硬度的增加影響較小。

（6） W 元素。 是縮小γ 相區(qū)、 強(qiáng)碳化物形成元素。 W 與C 原子親和力大， 容易形成W2C 、WC， 增加耐磨性。 除了形成碳化物外， W 還部分溶入鐵中形成固溶體， 其作用與鉬相似， 按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算， 一般效果不如Mo 顯著。

（7） Si 元素。 是強(qiáng)鐵素體形成元素, 不形成碳化物。 Si 除在鐵素體和奧氏體中提高固溶強(qiáng)化作用外， 還具有脫氧作用， 降低焊縫中的氧含量， 降低氧對(duì)焊縫金屬的不利作用。 Si 含量較高時(shí)， 對(duì)鋼的焊接性不利， 并易導(dǎo)致冷脆； 對(duì)中高碳鋼回火時(shí)易產(chǎn)生石墨化。 堆焊層中w（Si）約為0.85%～1.20%。

（8） Mn 元素。 是穩(wěn)定奧氏體元素， 可以降低Ms 點(diǎn)， 提高淬透性。 此外， Mn 還是良好的脫氧劑和脫硫劑， Mn 與Si 聯(lián)合脫氧有利于降低焊縫中的氧含量， 與S 結(jié)合形成MnS， 防止形成低熔點(diǎn)的FeS 引發(fā)焊縫中熱裂紋。 Mn 和Fe 能夠形成固溶體， 提高鋼中鐵素體和奧氏體的強(qiáng)度和硬度， 同時(shí)又是弱碳化物形成元素， 取代滲碳體中的部分Fe， 形成復(fù)合滲碳體。 但是過量的Mn含量將使鋼的晶粒粗化,使鋼的延展性降低， 韌性下降。 堆焊層中w（Mn）約為1.05%～1.60%。

（9） Ni 元素。 是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)元素， 不形成碳化物。 Ni 的固溶強(qiáng)化及提高淬透性的作用中等。 能細(xì)化鐵素體晶粒， 在強(qiáng)度相同的條件下， 提高鋼的塑性和韌性, 特別是低溫韌性。 與Cr、 Mo 等聯(lián)合使用， 提高鋼的熱強(qiáng)性和耐蝕性，是熱強(qiáng)鋼及奧氏體不銹耐酸鋼的主要合金元素之一。 堆焊層中w（Ni）約為0.03%～4.0%不等。

綜上， 為了獲得耐磨帶綜合抗磨性能， 焊接材料中合金元素的控制思路是： ①利用Si、 Mn聯(lián)合脫氧， 降低堆焊層中氧的含量； ②必須嚴(yán)格限制其含碳量（0.3%～0.5%， 個(gè)別0.88%）， 以使熔敷金屬有較好的韌性， 防止裂紋發(fā)生； ③采用添加合金元素 （Cr、 Ni、 Mo、 Nb 等） 的方法并配合相應(yīng)的焊接工藝來提高熔敷金屬的硬度， 以彌補(bǔ)碳含量降低所帶來的硬度下降。

3 鉆桿接頭耐磨帶焊接材料的種類及工藝方法

表4[11-16]列出了典型耐磨帶堆焊材料合金系統(tǒng)及其使用性能。 從現(xiàn)階段可以收集到的相關(guān)文獻(xiàn)看， 幾乎所有用于耐磨帶的專用焊材均未被列入有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 如美國(guó)AWS 中查不到相當(dāng)于ARNCO 和其他公司生產(chǎn)的耐磨帶焊絲的牌號(hào)或型號(hào)。 這些耐磨帶專用焊絲產(chǎn)品說明書中也沒有給出焊絲的化學(xué)成分。 表3 所列幾種耐磨帶焊絲的化學(xué)成分是用戶化驗(yàn)所得數(shù)據(jù)， 并非焊材生產(chǎn)企業(yè)出示的技術(shù)數(shù)據(jù)。

表4 耐磨帶典型堆焊材料合金系統(tǒng)及其使用性能

續(xù)表

耐磨帶堆焊材料的種類比較豐富。 這是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所用焊接方法所決定的。 20 世紀(jì)30年代以來, 一些單位采用鐵基 (Fe-50、 Fe-60)或鈷基碳化鎢硬質(zhì)合金耐磨帶。 碳化鎢耐磨帶在棵眼中能較好地保護(hù)鉆桿， 但堆層組織中高硬度的碳化鎢顆粒對(duì)套管產(chǎn)生較大的磨損， 影響鉆井工程進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。 為此， 在國(guó)際鉆井工程招標(biāo)中或國(guó)內(nèi)較深井鉆井中， 碳化鎢硬質(zhì)合金接頭耐磨帶已被明令禁用。

美國(guó)安科公司的堆焊材料多達(dá)5 種[12]。 第一種是20 世紀(jì)90 年代開發(fā)的ARNCO 200XT 第一代藥芯焊絲。 該焊絲采用Fe-Cr-C 合金系，其耐磨帶堆層硬度大于HRC50， 耐磨性較好，磨損率較小。 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明， 在減小鉆桿磨損的前提下， 能有效降低套管的磨損。 該焊絲的不足之處是堆層宏觀熱裂紋數(shù)量較多， 堆層的減磨性尚需改進(jìn)。 2001 年安科公可又推出了ARNCO 100XT 藥芯焊絲。 該焊絲采用Fe-Cr-Mn-Mo 合金系， 是ARNCO 200XT 的改進(jìn)型第二代產(chǎn)品， 焊前工件預(yù)熱溫度為66～316 ℃，其耐磨帶堆層硬度大于HRC50。 該產(chǎn)品具有下列特性： 耐磨帶上無龜裂； 在鉆井過程中， 對(duì)套管的磨損降為最低； 在棵眼井中, 其耐磨性與碳化鎢合金相當(dāng)； 提高鉆桿接頭壽命300%； 套管與鉆桿接頭同時(shí)得到保護(hù)； 可在原先殘存的碳化鎢堆層上加焊100XT； 可在鉆桿原有的100XT 帶上重新補(bǔ)焊； 可用于新舊不同尺寸的鉆桿； 適用于鉆桿、 加重鉆桿、 鉆鋌、 扶正器、減震器， 以及其他各種井下工具。 該焊絲的不足之處是堆層的耐磨性比碳化鎢層稍差。 2003 年安科公司研制成功ARNCO 300XT 第三代耐磨帶藥芯焊絲。 該焊絲采用以B 代C 和多元素綜合強(qiáng)化合金化技術(shù), 其耐磨帶堆層硬度大于HRC60， 耐磨性較以前提高, 減磨性適中, 堆層熱裂紋傾向已大大減小， 該焊絲在高研磨巖性地區(qū)工作時(shí), 已呈現(xiàn)出預(yù)期的優(yōu)越特性。 2009 年安科公司又推出了ARNCO 150XT 第四代耐磨帶藥芯焊絲。 該焊絲采用Fe 基多元素合金系統(tǒng)， 其耐磨帶堆層硬度大于HRC60， 耐磨性最好 （耐磨性是100XT 的4 倍， 耐用性是100XT的2 倍）， 摩擦系數(shù)低， 堆層無裂紋， 可無限次重復(fù)焊接。 該焊絲屬于套管友好型， 集100XT與300XT 優(yōu)點(diǎn)于一身； 焊接過程中煙塵、 飛濺明顯減少， 摩擦系數(shù)低， 抗硫化氫能力卓越。2013 年安科公司再推出ARNCO 350XT 最新耐磨帶藥芯焊絲。 該焊絲采用Fe-Ni-Nb-B 合金系統(tǒng)， 其耐磨帶堆層硬度大于HRC60， 耐磨性比300XT 好， 減磨性更好； 最大限度保護(hù)鉆具接頭， 套管磨損率低， 堆層100%無裂紋； 堆層與基體結(jié)合力強(qiáng)， 無剝落， 無需去除舊耐磨帶,可直接在其上焊接。

表4 中EFD 系列產(chǎn)品是該公司推出的鉆具耐磨帶堆焊材料 （等離子噴焊用藥芯焊絲）[13]。3 種焊絲的研發(fā)目標(biāo)是改進(jìn)ARNCO 200XT 藥芯焊絲, 并克服該焊絲存在的缺點(diǎn) （堆焊層熱裂紋傾向嚴(yán)重； 堆焊層耐磨性中等； 堆焊層減磨性較弱）。 迄今為止， 尚無文獻(xiàn)顯示EFD 系列產(chǎn)品與ARNCO 200XT 的詳盡比較情況。 盡管如此， 該公司認(rèn)為所開發(fā)的EFD 系列藥芯焊絲產(chǎn)品， 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)耐磨帶焊接材料的空白， 達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

PT100 是一種采用高鉻合金系統(tǒng)、 直徑為1.6 mm 的等離子噴焊用藥芯焊絲[11]。 其耐磨帶堆層硬度大于HRC50， 耐磨性居中， 減磨性較好， 主要技術(shù)指標(biāo)明顯超過碳化鎢耐磨帶， 實(shí)現(xiàn)了鉆桿接頭和套管的雙保護(hù)效果。 同時(shí)該焊絲具有價(jià)格便宜、 工藝簡(jiǎn)便、 焊前工件不需預(yù)熱、 焊后工件不必保溫、 可以重復(fù)堆焊等優(yōu)點(diǎn)。

強(qiáng)力邦Tuffband 和久固邦Duraband1 是美國(guó)Postle 公司開發(fā)的耐磨帶焊接材料， 均已獲得Fearnley Procter NS-1TM2 級(jí)資格認(rèn)證[14]。 前者采用Fe-W 合金系統(tǒng)， 其耐磨帶堆層硬度大于HRC50， 耐磨性、 減磨性優(yōu)良， 堆焊層無裂紋。應(yīng)用表明， 即使在最惡劣的鉆井環(huán)境下堆層也不會(huì)剝落； 能延長(zhǎng)鉆桿接頭和套管壽命， 在關(guān)鍵部位最大限度地減少酸性氣體問題， 100%可翻新。 后者采用Fe-Cr 合金系統(tǒng)， 其耐磨帶堆層硬度HRC50-58， 耐磨性卓越、 減磨性優(yōu)良，堆焊層100%無裂紋。 應(yīng)用表明， 卓越的抗磨性能， 避免了高昂的耐磨帶過早翻新費(fèi)用； 即使在惡劣的鉆井環(huán)境下也不太可能產(chǎn)生耐磨帶的剝落。

瑞典ESAB Stoody HB-56 藥芯焊絲之前已獲得NS-1 2 級(jí)認(rèn)證。 Stoody HB-56 對(duì)套管非常友好， 獲準(zhǔn)可用于新的應(yīng)用或?qū)ψ陨碇匦聭?yīng)用。Stoody HB-56 可形成具有出色耐磨性和優(yōu)異焊接性的無裂紋馬氏體堆層。

瑞典ESAB 品牌StoodyR宣布， Stoody HB-64[15]藥芯焊絲已獲得Fearnley Procter NS-1 油田耐磨帶應(yīng)用和再應(yīng)用2 級(jí)認(rèn)證。 Stoody HB-64[15]（洛氏硬度60～64） 是一種用碳化鈮增強(qiáng)， 具有卓越性能和無裂紋耐磨帶的鉆具鋼合金。 其特殊配方的耐磨合金成分在馬氏體基體中產(chǎn)生小的初始金屬碳化物的均勻分布。 Standy HB-64提供低摩擦系數(shù)的焊縫堆層， 以減少鉆具接頭和套管磨損。 它在耐磨帶條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。 Stoody HB-64 根據(jù)NS-1 獲得批準(zhǔn)，可用于新的耐磨帶應(yīng)用 （在新鉆桿接頭上堆焊）以及重新應(yīng)用于自身 （在舊的耐磨帶上重堆）。

英國(guó)Welding Alloys 公司的DRILL-GUARD系列焊絲[16]中， 前兩種采用Fe-Ti-V-Nb 合金系統(tǒng)， 第3 種采用Fe-基多元合金系統(tǒng)， 碳化物種類更多。 3 種焊絲具有高耐磨、 低摩擦系數(shù)、無裂紋、 不剝落等特點(diǎn)； 其耐磨帶對(duì)套管提供了卓越的保護(hù)， 具有與其他耐磨帶堆層高度的兼容性。 此外第3 種焊絲 （DRILL-GUARD CC）也可與碳化鎢一起使用， 以增強(qiáng)底部鉆具組合（bottom hole assembly， BHA） 的保護(hù)。 3 種耐磨帶焊絲DRILL-GUARD Ti、 Nb 和CC， 都獲得了Fearnley ProcterTMNS-1 3 級(jí)認(rèn)證。 該認(rèn)證使Welding Alloys 公司成為唯一一家擁有所有鉆桿耐磨帶焊絲最高水平認(rèn)證的公司。

表4 所列多種耐磨帶焊接材料涉及的焊接方法， 主要有等離子噴焊 （PAW） 和熔化極氣體保護(hù)焊 （GMAW）， GMAW 中包括藥芯焊絲電弧焊 （FCAW）。 焊接材料確定以后， 堆焊工藝是保證耐磨帶使用性能的決定因素。 表5 列出了安科耐磨帶焊接工藝參數(shù)[17]。 安科耐磨帶焊接工藝要點(diǎn)是在主要焊接參數(shù) （電流、 電壓、 極性、 保護(hù)氣體及流量、 焊絲干伸長(zhǎng)、 焊槍與工件相對(duì)位置） 符合要求條件下， 特別強(qiáng)調(diào)工件預(yù)熱溫度 （安科耐磨帶焊接手冊(cè)： 預(yù)熱溫度隨鉆桿直徑增大而提高， 同時(shí)保證在堆焊部位溫度的均勻性， 即管內(nèi)外需熱透） 和焊道層間溫度控制， 工件焊后冷卻方式需符合規(guī)范要求，以及耐磨帶尺寸的保證等工藝規(guī)范。

表5 安科（ARNCO） 耐磨帶焊接工藝參數(shù)

4 鉆桿接頭耐磨帶焊接材料的應(yīng)用

中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司和中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司， 針對(duì)所研發(fā)的鳴銳160GH 石油鉆桿接頭耐磨帶藥芯焊絲進(jìn)行了顯微組織和性能研究及工程應(yīng)用[8]。 采用GMAW 方法， 在執(zhí)行表6中實(shí)例1 所示的工藝要點(diǎn)時(shí)， 從堆層顯微組織特性 （見表7） 揭示了堆層的高硬度和耐磨性能。 川西鉆探公司鉆具井控公司在新都基地采用鳴銳160GH 耐磨帶藥芯焊絲敷焊了Φ127 mm（5 in） S135 鉆桿10 根。 該次敷焊是在原安科ARNCO 350XT 焊絲敷焊過的耐磨帶上進(jìn)行的，鳴銳160GH 耐磨帶焊絲與原耐磨帶有良好的兼容性和野外適用性， 焊道成形平整、 無氣孔、無裂紋； 焊層厚度3 mm， 寬度76 mm； 耐磨帶焊層平均硬度為HRC59.5～HRC60.5。 鳴銳160GH 焊絲敷焊后的鉆桿在龍崗70 井、 雙探8 井、 磨溪022-H4 井進(jìn)行了試用， 入井累計(jì)使用16 820 m。 鉆桿回收后進(jìn)行了尺寸測(cè)量和無損檢測(cè), 敷焊層磨損后的厚度約為2 mm，3 口井使用后未發(fā)生裂紋、 掉塊、 損壞套管的現(xiàn)象， 耐磨層光潔， 磨損量較少。 該焊絲敷焊質(zhì)量和使用效果能夠達(dá)到進(jìn)口焊絲ARNCO 350XT 的水平 （具有套管友好型耐磨帶特性），符合SY/T 6943—2013 《石油鉆具耐磨帶》 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表6 鉆桿接頭耐磨帶焊接工藝要點(diǎn)

表7 鉆桿接頭耐磨帶焊縫組織及性能

大港油田集團(tuán)有限責(zé)任公司， 采用填加EFD-2-22 型藥芯焊絲的等離子（PAW） 噴焊工藝， 開展鉆桿接頭耐磨帶噴焊工藝研究[13]。 在執(zhí)行表6 中實(shí)例2 所示工藝要求時(shí)， 對(duì)已有等離子噴焊設(shè)備進(jìn)行改造， 使其可用焊絲進(jìn)行噴焊； 以最佳工藝參數(shù)匹配進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。 在工程應(yīng)用中， 將EFD-2-55 型焊絲噴涂鉆具140 余根發(fā)往50535 鉆井隊(duì)， 與耐磨帶為FeO 合金粉的鉆具同時(shí)使用。 目前已經(jīng)使用7 口井， 共計(jì)進(jìn)尺16 180 m， 仍在繼續(xù)使用中。 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)EFD-2-55 型耐磨帶各項(xiàng)尺寸磨損量非常小， 仍可以使用多口井。 井隊(duì)人員反映這種耐磨帶的耐磨性非常好， 對(duì)鉆桿接頭的磨損很小 （具有套管友好型耐磨帶特性， 見表8）。 分析表明， EFD-2-55 型耐磨帶具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益， 達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

表8 2 種耐磨帶鉆具使用前后其厚度的變化

5 結(jié) 論

（1） 鉆桿接頭耐磨帶焊接性的主要問題是焊接裂紋傾向嚴(yán)重， 以及HAZ 的脆化和軟化。 選用合適的焊接材料和合理的焊接工藝， 是控制和改善鉆桿接頭耐磨帶焊接性的重要技術(shù)手段。

（2） 鉆桿接頭耐磨帶焊接材料的選用可以采用“性能匹配” 原則， 即在保證耐磨帶具有一定高硬度 （比如不低于HRC55） 條件下， 盡量減小套管的被動(dòng)磨損， 同時(shí)允許鉆桿接頭耐磨帶適度磨損。 該原則涉及焊接材料合金系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和合金元素的影響及控制。

（3） 受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接方法控制， 鉆桿接頭耐磨帶焊接材料的種類較多， 采用的工藝方法各具特色； 國(guó)外知名品牌焊接材料性能優(yōu)良， 鉆桿接頭耐磨帶焊接材料的國(guó)產(chǎn)化工作已經(jīng)取得階段性成果。

（4） 國(guó)產(chǎn)化焊接材料生產(chǎn)的鉆桿接頭耐磨帶已在各類鉆井工程中成功應(yīng)用， 其各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)外知名品牌水平， 發(fā)揮了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。