连续管全位置自动对接焊工艺和接头性能研究*

王维亮， 余 晗，宋红兵， 王和平， 汪海涛，鲜林云

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

连续管全位置自动对接焊工艺和接头性能研究*

王维亮1,2， 余 晗1,2，宋红兵1,2， 王和平1,2， 汪海涛1,2，鲜林云1,2

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

为了进一步提高连续管在油田现场的使用价值和经济效益，设计了一种连续管全位置自动对接焊 （自动TIG焊）工艺。采用该焊接工艺对Φ38.1 mm×3.4 mm规格CT80连续管进行了管－管对接焊，并对其焊接接头的强度、塑性、硬度及疲劳寿命进行了检测。检测结果表明，采用该焊接工艺获得的连续管管－管对焊接头，其内外焊缝成形良好，具有优良的强塑性和抗弯曲变形能力，具有较高的疲劳寿命，能满足作业现场的使用要求。

连续管；自动TIG焊；焊接工艺；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

连续管（coiled tubing,简称CT）也称挠性油管、蛇形管或盘管，是采用特殊微合金材料和独特制造工艺技术生产的一种强度高、塑性好的连续焊接钢管，单根长度可达数千米，成品缠绕在卷筒上运输交付使用，主要用于油气田修井、测井、钻井、完井、油气输送等领域。连续管在油田现场服役过程中不断承受拉伸、弯曲、挤压、磨损等复合载荷作用，易出现裂纹、损伤或断脱等情况，影响了管体的正常使用。为了进一步提高连续管的使用价值和经济效益，将存在缺陷的部分管段截取下来，再将其余完好的管体两端重新对接，以便重复使用。另一方面，由于井深增加导致现有连续管管体长度不够，也需要将两根完好的连续管进行对接，以满足使用要求。目前，国内常用的对接焊方法主要有手工电弧焊、金属极气体保护焊 （MIG/MAG）、等离子弧焊、电阻焊和钨极惰性气体保护焊（TIG）等[1-4]。连续管在油田现场多采用手工焊进行对接，但手工对接焊容易受人为因素影响，焊接稳定性差。为了提高连续管对接焊的稳定性，获得良好的焊接接头，本研究采用一种全自动TIG焊进行连续管对接焊。自动TIG焊是一种焊枪旋转、管体固定、自动填丝的焊接方法。焊接时，收弧、引弧以及弧长均由焊机自动控制，避免了人为因素引起的质量缺陷，焊接稳定性及再现性较好，易获得成形良好、质量稳定的焊接接头[5-7]。

1 焊接工艺试验研究

1.1 试验材料及接头设计

试验材料为Φ38.1 mm×3.4 mm规格CT80连续管，其力学性能见表1。填充材料为宝鸡石油钢管有限责任公司自主研发的焊丝，规格为Φ1.5 mm。

表1 Φ38.1 mm×3.4 mm规格CT80连续管的力学性能

Φ38.1 mm×3.4 mm规格CT80连续管对接接头坡口设计如图1所示，采用V形坡口，坡口角度α为70°～100°， 钝边尺寸δ为 0.8～1.5 mm，对中间隙B为0。为了获得良好的对接焊缝成形效果，采取了分区焊接的工艺方法，焊接区间划分如图2所示。

图1 Φ38.1 mm×3.4 mm规格CT80连续管对接接头V形坡口设计

图2 焊接区间划分示意图

焊接设备采用自主研发的全位置自动对接焊系统，主要包括MUIV焊接接头和PS406－2焊接电源、工作台、矫直装置、整圆装置、坡口机、冷却块等设备。

1.2 焊前准备

自动TIG焊属于精密焊接，焊前准备工作要求较高，比如开坡口、清理、对中等一系列工作，确保达到相应精度，否则严重影响焊接质量。

焊前准备[8-9]主要包括切管、平端面、矫直、胀圆、开坡口、管端内外清理、管口对中、冷却块夹持等8项内容。

（1）切管、平端面。切除管子两端有损伤的部位，管子上有裂纹、机械压痕坑和腐蚀斑坑、机械划沟的部分也要切除掉，以免对后续工作造成影响。

（2）矫直。将管子待焊处左右各1 m内用矫直机矫直，以便在对中、焊接时处于自由状态，避免应力过大影响焊接。

（3）胀圆。将切断后的管端放置于工作台，待焊管端在除去内焊余高后用胀管器胀圆。胀管时要求管径不能增大，胀后管端直径之差不能超过0.1 mm。

（4）开坡口。本次试验选用V形坡口，如图3所示。由于连续管位置固定无法转动，故将坡口机刀头围绕管子旋转来开坡口。首先将管端修平且与管轴线垂直，然后加工坡口，坡口角度α为40°， 钝边δ为0.8 mm。

图3 V形坡口示意图

（5）管端内外清理。将管端30 mm内外表面用角磨机清理干净，露出金属光泽，用蘸有丙酮的脱脂棉擦洗打磨后的管端，直至脱脂棉干净。

（6）管口对中。通过调整工作台及两侧支撑使两侧连续管在无拘束、自由条件下对中，且不允许有错边。

（7）冷却块夹持。焊接时在坡口两侧夹冷却块，使其位于距坡口边缘15 mm左右处。

（8）机头夹持。调整钨极和焊丝，使其位于对接口正上方，准备焊接。

采用自动TIG焊对接连续管，焊前准备就绪的实物照片如图4所示。

图4 焊前准备完整状态

1.3 焊接工艺

焊接过程分为两层焊，第一层为填丝打底焊，第二层为填丝盖面焊，焊接参数见表2。打底焊完成后，待焊缝温度降到室温，彻底清理焊缝及周围氧化皮，并用蘸有丙酮的脱脂棉彻底擦干净，然后进行盖面焊。采用该焊接工艺可得到良好的内外焊缝成形效果，实物照片如图5所示。

表2 连续管对接焊工艺参数

图5 连续管对焊接头焊缝成形效果

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

对连续管焊接接头进行力学性能检测。试验设备选用ZIWCK电子万能试验机和WE－30B液压万能试验机。拉伸试验采取整管拉伸。弯曲试验进行焊缝横向取样，采用弯轴直径为7 mm的弯头，将焊缝位于弯矩中间，进行正、反弯，压至贴合。

连续管对接接头拉伸与弯曲试验结果见表3和图6。由表3和图6可见，焊接接头的抗拉强度为730 MPa，比管体685 MPa的强度高7%左右，满足强度性能要求；弯曲时，焊缝、母材均未出现可见裂纹，说明焊缝和母材均具有良好的塑性。

表3 连续管对接接头拉伸与弯曲试验结果

图6 连续管对接接头拉伸与弯曲后试样

2.2 硬度检测

对连续管焊接接头进行硬度检测，结果如图7所示。由图7可见，焊缝、热影响区、母材硬度控制基本合理，硬度值均小于248HV0.5，且硬度值波动较小，满足性能要求。

2.3 疲劳试验

连续管在现场服役过程中要经历多次的弯曲，为了更加准确地评价其服役性能，采用疲劳试验机测试连续管的疲劳寿命。

疲劳试验在焊缝处于压缩面、内压34.47 MPa、弯曲模半径1 219.2 mm的条件下进行。疲劳试验结果见表4和图8。由表4和图8可见，在同等试验条件下，对焊接头的疲劳寿命分别为115和109次，母管的疲劳寿命为223次。可见，对焊接头的疲劳寿命达到了管体疲劳寿命的50%。根据国外文献，一般要求管－管自动对接接头的疲劳寿命达到母管的45%就能满足性能要求。因此，该自动TIG焊对接接头的抗疲劳性能优异，能满足现场服役的要求。

表4 疲劳试验检测结果

图8 对焊接头疲劳试验后的试样

3 结 论

（1）对于全位置自动焊，焊前准备工作如开坡口、清理、对中等是影响焊接质量不容忽视的重要因素。

（2）采用自主研发的全位置自动对接焊设备及焊丝，开发出了连续管管－管自动对接焊工艺，采取该工艺获得了成形良好的内外焊缝。

（3）通过对自动对焊接头性能检测，结果表明焊接接头具有优良的强塑性和抗弯曲变形能力，同时具有较高的疲劳寿命，可满足现场使用要求。

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编辑：谢淑霞

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

国家重大科技专项“36－煤层气钻井工程技术及装备研制（二期）”（项目编号2011ZX05036）。

王维亮（1978—），女，硕士，工程师，主要从事连续管焊接技术的研究工作。

2017-02-17