石油钻杆焊缝热处理与摩擦焊接研究

杨勇平，孙家栋

（渤海装备一机厂 渤海能克钻杆有限公司制造部，河北 青县 062658）

在油井管产品中，由于钻杆要直接承受钻井作业过程中复杂的弯扭压拉组合载荷，其油田服役的安全性显得至关重要。根据油田的使用经验，钻杆的失效，主要体现在焊缝及内加厚过渡带两个部位。在提高焊缝的安全性方面，目前国内外各大钻杆生产厂主要是通过摩擦焊接方法及适当的焊缝热处理工艺，来提高焊缝的安全系数。当然，摩擦焊接工艺的可靠性是至关重要的。

1 石油钻杆摩擦焊接及焊缝热处理技术发展现状

石油钻杆工具接头与管体之间的对焊，从早期的电弧焊、闪光对焊逐步发展到当今的连续驱动摩擦焊接及惯性摩擦焊接，钻杆对焊的生产效率越来越高，焊缝的质量也越来越好。目前，惯性摩擦焊接方法最流行，也是最可靠的钻杆对焊方法。

与其他焊接方法相比，惯性摩擦焊接方法有如下优点：

（1）焊接速度快，焊接热影响区窄，晶粒不容易长大；普通弧焊方式则容易产生宽大的热影响区及晶粒长大现象。

（2）惯性摩擦焊接方法基本上不会产生焊接灰斑；闪光对焊方法较容易产生焊接灰斑而严重影响焊缝质量。

（3）惯性摩擦焊接过程中，由于基本上不用刹车，因此这种方法要比连续驱动摩擦焊接方法更节约能量。

（4）与连续驱动摩擦焊接方法相比，惯性摩擦焊接方法的焊接时间大约是前者的一半，生产效率可大大提高。

另外，为了提高焊缝的强韧性，钻杆对焊焊缝的热处理工艺也逐步由焊后回火工艺向焊后的调质工艺发展。这种焊后热处理方法，显著增加了焊缝的抗疲劳断裂能力。

2 API标准对石油钻杆焊缝力学性能的基本要求

1997年12月的旋转钻柱构件规范（API SPEC 7）的新版标准中，首次将石油钻杆对焊焊缝的工艺及性能要求明确列入其中。其基本要求如下：

（1）焊缝必须要进行奥氏体化处理，而回火温度不低于593℃；

（2）对焊缝必须进行100%的磁粉检验及超声波检验；

（3）钻杆对焊必须按批进行，对每批（不超过400根）焊后的钻杆，抽取1根进行力学性能解剖实验；

（4）做拉伸实验，要求焊区的截面强度（焊缝屈服强度×焊区截面积）大于钻杆管体的截面强度（管体屈服强度×管体不加厚部位的截面积）；

（5）焊缝的常温（21℃）冲击要求为：每个接头取3个冲击样，3个试样的纵向冲击功平均值不小于16.3J，3个试样的最小纵向冲击功不小于13.6J；

（6）在整个焊缝热处理的热影响区范围内，任何一点的硬度值不能大于HRC37（约HV347/HB341）。

3 石油钻杆的摩擦焊接工艺

3.1 工具接头的焊前预处理

为了保证焊缝的纯净，工具接头必须经过预处理后，才可以与预处理后的管体进行配焊。预处理的内容包括：

（1）用平面砂轮对将要进行配焊的工具接头端面进行打磨，目的是为了去除端面上的锈迹及其他污染物；

（2）为了满足API标准的要求，必须在工具接头公螺纹的根部进行压印，注明焊接的年份、月份、钢级及生产厂家的名称。

3.2 管端的预处理

对于经过加厚及整体调质处理的钻杆管体的管端，必须进行加工，使得端面的尺寸达到配焊规定的尺寸。预处理的内容包括：

（1）车削加厚端的外表面，使其接近工具接头焊接处的外径；

（2）对端面进行加工，去除端面的氧化铁皮，确保对焊表面干净；

（3）对钻杆的端头要镗内孔，使其达到配焊的尺寸。

3.3 摩擦焊接基本过程

以惯性摩擦焊机为例，由液压夹具将管体紧紧地夹持在焊接小车上，工具接头由卡套紧紧地夹持在主轴的中心，由电机带动主轴高速旋转，当主轴的转速达到设定值时，电磁离合器动作，将电机与主轴脱开。之后，焊接小车在液压的驱动下，带动管体向工具接头移动并通过焊机液压系统产生的顶锻压力，将管体的端面紧紧地压在工具接头的端面上，从而产生大量的摩擦热，此热量使得焊接面上的金属迅速升温并塑性化，然后在顶锻压力的作用下被挤出焊接面，形成为内、外毛刺。当焊机主轴中贮存的能量消耗完后，主轴停止转动，延时保压后，焊接过程结束。

此种焊机除了具有焊接功能外，还具有除去毛刺的功能，即焊接过程结束后，乘着焊缝内毛刺还未冷却，而用焊机上的冲头将红热的内毛刺基本冲除。之后，管体夹具松开，主轴启动并带动已焊好的钻杆旋转，利用外毛刺车削刀具，将外毛刺基本去除。

渤海能克钻杆有限公司的摩擦焊接机，不具有除去毛刺的功能，钻杆焊缝热处理工艺是钻杆摩擦焊接后先退火，温度是（680±10）℃，然后用车床加工去除钻杆焊缝处的毛刺，接下来淬火，温度是（960±10）℃，然后回火，温度是（650±10）℃。

3.4 焊接过程中需控制的输入和输出参数

（1）输入参数。焊接起始转速、主轴飞轮配重、顶锻压力。

（2）输出参数。焊接缩短量。其中焊接缩短量的控制最为关键，因为焊接缩短量是3个输入参数综合结果的体现。

3.5 摩擦焊接参数的计算

（1）顶锻压力的计算。顶锻压力用公式（1）进行计算。

式中，

P1为顶锻压力（MPa）；

P0为需要施加在焊接端面上的压力（MPa）；

D为管端外径（mm）；

d为管端内径（mm）；

D1为油缸活塞直径（mm）；

d1为油缸活塞杆直径（mm）。

（2）焊机配重的计算。焊机配重用公式（2）进行计算。

式中，

M1为焊机配重（kg·m2）；

M0为主轴转动惯量（kg·m2）；

G0为焊接端面上所需要的能量（J/mm2）；

w为主轴起始转速（r/min）。

（3）主轴起始转速的确定。对于没有生产过的新产品，首先要做焊机的焊接参数计算工作。根据钻杆生产线摩擦焊机的特性，主轴起始转速应选在1 000 r/min左右。这样的转速，既能保证摩擦焊接质量的可靠性，也可适当减轻主轴轴承的负担（转速越高，主轴轴承越容易损坏）。

3.6 石油钻杆焊接工艺要点

（1）尽可能采用大压力、大惯量的硬焊接规范，这样既可以缩短焊接时间，又窄化了焊区，为后道焊缝的调质处理奠定了较好的组织基础。

（2）焊接前对管端及工具接头的端面进行充分的预处理，确保焊缝的纯净。

（3）焊机的参数监控系统很重要，它使得焊接缩短量的检测更加准确，并判断其是否达到设定标准。如果未达到，系统则产生报警信号。通过这种方法，可以大大提高焊缝焊合的可靠性。

（4）对焊接过程应进行全面监视，由计算机系统实时记录下焊接过程的主轴转速—时间曲线、顶锻压力—时间曲线及焊接缩短量—时间曲线，并将这些数据保存在计算机硬盘上，随时备查询。

4 石油钻杆焊缝的热处理

根据APISPEC7标准的要求，石油钻杆在摩擦焊接工艺后，必须对焊缝进行调质处理，即“淬火+高温回火”的处理。石油钻杆采用淬透性能相当好的油淬材质。因此，在钻杆焊缝的热处理冷却环节，即使仅采用高压空气吹冷，也可在焊缝处产生90%以上的马氏体组织，并在随后的高温回火过程中，转化为综合机械性能良好的回火索氏体组织。

4.1 钻杆焊缝的奥氏体化

钻杆焊缝的奥氏体化，是焊缝热处理的第一个重要过程，也是能耗最大的过程。通常考虑采用中频感应加热的方式，进行钻杆焊缝的奥氏体化。中频感应加热方式，不仅加热速度快，而且焊缝热影响区窄，一般情况下不会超过70mm，这样便于后道高温回火工序对奥氏体化区域的覆盖。

4.2 焊缝淬火

钻杆焊缝的淬火，既可以采用水冷也可以采用高压空气冷却。水冷却的优点，是淬透性好，噪声小，但生产场地的环境难以控制；高压空气冷却的优点，是生产场地环境整洁，但淬透性较水冷却要差，而且噪声大。究竟是采用水冷却，还是高压空气冷却，主要取决于钻杆的用材。若钻杆的材质本身是水淬材质，则应当采用水淬方式进行焊缝冷却；若材质本身是油淬材质，则应当采用高压空气冷却方式进行焊缝冷却比较适宜，以防冷却速度过快而产生淬火裂纹。钻杆采用油淬材质，因此采用高压空气吹冷方式。

4.3 钻杆焊缝的高温回火

钻杆焊缝淬火后，硬度很高，内应力也很大，必须及时进行高温回火。通常情况下，高温回火的加热方式也是中频感应加热。一般情况下，中频电源的频率为1 000～2 000 Hz比较适宜。频率过高，会产生“集肤”效应，导致焊缝处内、外壁温度不均匀；频率过低，将使中频加热的效率降低。

高温回火环节中要注意的主要问题有：

（1）根据不同的钻杆材质，回火温度要适当。温度过高，将产生过回火现象（回火索氏体被分解）；温度过低，造成焊缝回火不充分，导致焊缝截面硬度超API标准的上限（HRC37/HV347）。

（2）回火温度的测量和控制都非常重要。温度的测量，最好采用红外测温仪；温度的控制，最好采用计算机闭环控制，并保存好所有生产档案，以备随时追溯。

（3）回火必须要有足够的焊缝宽度，否则将造成奥氏体化区域不能被完全覆盖，有可能产生钻杆的早期断裂失效。

5 石油钻杆焊缝力学性能统计分析

（1）S135石油钻杆焊缝的纵向冲击功非常高，过程能力指数已超过3.0。这说明钻杆的焊缝冲击韧性指标的保证能力很强，几乎不可能产生不合格情况。

（2）冲击韧性指标的方差很小，说明钻杆焊缝冲击韧性的波动小，稳定性好，有利于保证质量。

（3）在保证很高焊缝冲击韧性的前提下，S135石油钻杆的焊缝屈服强度的过程能力指数达到1.3以上，这说明该钢级钻杆焊缝屈服强度指标的保证能力很强。

6 结束语

（1）焊接前，对焊接端面进行充分的预处理，可以有效确保焊缝的纯净。

（2）对于惯性摩擦焊机而言，采用大压力、大惯量的硬焊接规范，可以优化焊后组织。

（3）利用监测装置记录摩擦焊接的过程曲线，使得钻杆的焊接工艺可追溯性大大增强。

（4）采用大功率中频加热，短时间保温的奥氏体化工艺，既可以窄化焊缝热处理热影响区的宽度，又能够有效防止晶粒长大。

（5）S135石油钻杆焊缝的冲击韧性非常高，而且波动小，稳定性好，过程能力指数达到3.0以上。

（6）在保证很高焊缝冲击韧性的前提下，S135石油钻杆焊缝屈服强度的稳定性也很好。

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