張軍巧 李美華

摘要： 頂驅(qū)上的泥漿連接管是鉆井泥漿循環(huán)通道的一部分，受結(jié)構(gòu)限制，只能焊接而成。為保證焊接質(zhì)量，文中分析了70 MPa連接管材料的焊接性能，計(jì)算了壁厚，給出了焊接工藝參數(shù)，通過(guò)焊前預(yù)熱、控制層間溫度及焊后保溫等手段，獲得了滿意的焊縫，也為類似材料的設(shè)計(jì)及焊接提供了參考。

關(guān)鍵詞： 頂驅(qū); 泥漿連接管; 焊接工藝

中圖分類號(hào)： TG 44

Abstract： Top drive mud connection pipe is a part of drilling mud circulation channel， which is limited by the structure and can only be welded. In order to ensure the welding quality， this paper analyzes the welding property of the 70 MPa material， calculates the wall thickness， and gives the welding parameters. By means of preheating before welding， controlling the temperature between layers and post-welding insulation， satisfactory welds were obtained， which also provides reference for the design and welding of similar materials.

Key words： top drive; mud connection pipe; welding process

0 前言

頂驅(qū)裝置是一種高效的石油鉆井裝備，在鉆定向井、大位移井等復(fù)雜井及解決井下事故方面表現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢(shì)[1]。泥漿連接管是頂驅(qū)裝置泥漿循環(huán)通道的一部分，一端連接水龍帶，一端連接鵝頸管，其作用是輸送高壓鉆井液，額定工作壓力70 MPa，最低環(huán)境溫度-35 ℃。受結(jié)構(gòu)限制，泥漿連接管形狀不規(guī)則，最主要的制作工藝是將各段管子間進(jìn)行焊接。在鉆井過(guò)程中震動(dòng)、鉆井液高壓和腐蝕等因素的作用下，各段管子之間的環(huán)形焊縫是薄弱環(huán)節(jié)，焊縫質(zhì)量的好壞直接影響著鉆井作業(yè)進(jìn)度，涉及到鉆井設(shè)備和作業(yè)人員的安全。因此，需要確定泥漿連接管的焊接工藝，以保證焊接質(zhì)量，提高焊接效率。

1 泥漿連接管材料焊接性分析

用于計(jì)算預(yù)熱溫度的碳當(dāng)量CE經(jīng)驗(yàn)公式[2]如下。

3 焊接坡口形式

所有接頭均為管—管對(duì)接接頭，環(huán)形焊縫，在考慮施焊、加工和全焊透的前提下，焊接坡口形式應(yīng)盡量減小焊接變形，節(jié)省焊條，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本，為此采用 V 形坡口[6]，單面焊接雙面成形。坡口尺寸見(jiàn)圖1，其中，t為接頭壁厚。

4 焊接工藝參數(shù)選擇

根據(jù)API Spec 8C規(guī)定，當(dāng)連接管母材金屬熱處理后有延展性要求、強(qiáng)度要求以及沖擊吸收能量試驗(yàn)要求時(shí)，這些試驗(yàn)也應(yīng)作為焊接工藝評(píng)定的要求，且焊縫和熱影響區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)滿足母材的最低要求，因此焊接工藝評(píng)定的目標(biāo)要素主要有：焊縫表面及內(nèi)部質(zhì)量、抗拉強(qiáng)度、塑性和沖擊吸收能量。

4.1 焊接材料選擇

根據(jù) 35CrMo 材料焊接特點(diǎn)、接頭型式，同時(shí)為防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，保證焊縫接頭強(qiáng)度和低溫沖擊韌性，經(jīng)綜合試驗(yàn)，最終確定使用可降低接頭拘束應(yīng)力和應(yīng)力集中、脫硫脫磷能力強(qiáng)、適用于低溫高韌性全位置焊接的低氫型焊條 E6016-D1。

4.2 焊接方式

泥漿連接管形狀不規(guī)則，屬小批量生產(chǎn)，而手工電弧焊具有操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)，凡焊條能夠達(dá)到的地方都能進(jìn)行焊接。對(duì)單件或小批量不規(guī)則工件和不易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化焊接的焊縫尤其適用，所以采用手工電弧焊。

4.3 焊前準(zhǔn)備

4.3.1 清理坡口

焊接坡口保持平整，不得有裂紋、分層、夾雜等缺陷，形狀和尺寸應(yīng)符合圖紙要求。

將待焊接的坡口邊緣30 mm 范圍內(nèi)的鐵銹、毛刺及油污等清除干凈，使其露出鋼材金屬光澤。

4.3.2 焊前預(yù)熱溫度

合理預(yù)熱溫度不僅可提高氫的擴(kuò)散系數(shù)，還可以增大焊縫和近焊縫區(qū)的冷卻時(shí)間。預(yù)熱溫度的選擇與坡口型式、母材厚度、母材化學(xué)成分、焊接拘束度等因素有關(guān)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定焊前預(yù)熱溫度為 350 ～ 400 ℃，預(yù)熱寬度一般應(yīng)為焊縫區(qū)周圍各三倍壁厚，且不得少于100 mm。層間溫度 350 ～ 400 ℃，焊后保溫緩冷。

4.3.3 焊條烘干

焊條受潮會(huì)使工藝性能變壞，造成電弧不穩(wěn)、飛濺增大，并容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。因此，使用前必須對(duì)焊條進(jìn)行烘干。烘干焊條時(shí)，要避免把冷焊條突然放進(jìn)高溫箱內(nèi)，或從高溫箱中突然取出冷卻，要慢慢加熱，慢慢冷卻，以防止藥皮因驟熱或驟冷而產(chǎn)生開(kāi)裂、脫落等現(xiàn)象。同時(shí)，應(yīng)鋪成層狀，避免焊條烘干時(shí)受熱不均和潮氣不易排除，在 350 ℃下烘烙 2 h。烘干后，放在 100 ～ 150 ℃保溫箱內(nèi)隨用隨取。焊條不能多次反復(fù)烘焙，最多只能烘干 2 次。

4.4 焊接工藝

手工焊條電弧焊的焊接工藝參數(shù)主要包括焊條直徑、焊接電流、電弧電壓和焊接速度等。為避免堿性焊條產(chǎn)生晶間腐蝕和熱裂紋，保證焊接穩(wěn)定性，采用直流反接。

焊接電流是焊條電弧焊的主要工藝參數(shù)，焊工在操作過(guò)程中需要調(diào)節(jié)的只有焊接電流，焊接速度和電弧電壓都是由焊工控制的，所以焊接電流的大小直徑影響著焊接質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。而由焊接電流、電弧電壓和焊接速度決定的熱輸入量大小則影響著熱影響區(qū)母材的硬度和韌性。

確定的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表 1。打底層用3.2 mm 焊條，其余各層直徑4 mm，每一層的厚度不大于4 mm。每焊完一根焊條，馬上錘擊焊道，消除應(yīng)力，焊接過(guò)程中層間溫度控制在 350 ～ 400 ℃，且不低于預(yù)熱溫度。焊接速度要等速，保證焊縫厚度、寬度一致。不在坡口以外的母材上引弧，熄弧時(shí)弧坑一定要填滿，焊縫的引弧和收弧要錯(cuò)開(kāi)30 mm 以上。全部焊完后用角磨機(jī)對(duì)焊接處進(jìn)行修模整理。焊后保溫緩冷，利于擴(kuò)散氫逸出，防止冷裂紋產(chǎn)生。

4.5 焊后取樣及試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭斷面宏觀形貌如圖2所示。30°單V形坡口，6焊道。

焊后對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和靜壓試驗(yàn)，然后取拉伸、側(cè)彎、沖擊試樣進(jìn)行分析[7-8]。

焊縫的目視檢查、磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)結(jié)果顯示：焊縫金屬與母材全焊透和全熔合，無(wú)裂紋，沒(méi)有超過(guò)0.8 mm的圓形顯示，沒(méi)有超過(guò)8 mm線性顯示。

對(duì)焊縫進(jìn)行兩個(gè)周期、每周期3 min、壓力105 MPa的靜壓試驗(yàn)，結(jié)果顯示無(wú)壓力下降、無(wú)滲漏。

對(duì)拉伸試件、側(cè)彎試件和沖擊試樣進(jìn)行試驗(yàn)，檢查其抗拉強(qiáng)度、塑性及沖擊韌性。結(jié)果顯示焊縫抗拉強(qiáng)度為610 MPa和615 MPa，高于母材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度500 MPa。側(cè)彎試樣在 63.5 mm 壓頭直徑作用下，彎曲 180°，在彎曲后的凸面上沿任何方向測(cè)量，顯示焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)完好，無(wú)裂紋。其中側(cè)彎后的一件如圖3所示。-35 ℃下的沖擊試驗(yàn)韌性值52 J，67 J，48 J，高于母材此溫度下：任一值高于20 J、平均值高于27 J的要求。

5 結(jié)論

35CrMo含碳當(dāng)量較高，焊接性差，易出現(xiàn)冷裂紋，通過(guò)確定焊接工藝參數(shù)，控制電弧電壓、預(yù)熱溫度、層間溫度和焊后處理，獲得了綜合性能良好的焊接接頭，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、靜壓力試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性試驗(yàn)，結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王德玉. 頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置平衡系統(tǒng)的分析[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，1995， 24（4）：35-38.

[2] 美國(guó)金屬協(xié)會(huì)主編. 金屬手冊(cè)（第六卷）第九版[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1994.

[3] 魏希旺，羅璇. ZG35CrMo低強(qiáng)度鋼的焊接[J]. 電焊機(jī)， 2005， 6（35）： 63-64.

[4] 倪艷敏. 調(diào)質(zhì)狀態(tài)下35CrMo鋼的焊接[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床， 2005（2）：50-52.

[5] ASME. ASME B31.3. 工藝管道[S]. 北京：中國(guó)石化出版社， 2018.

[6] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 氣焊、焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊和高能束焊的推薦坡口： GB/T985.1-2008[S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7] API Spec 8C. 鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范[S]. 美國(guó)石油協(xié)會(huì)，2012.

[8] ASME BPVC IX.鍋爐和壓力容器規(guī)范地IX卷焊接和釬接評(píng)定[S]. 美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)， 2010.