关于钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷的改进方法研究

支鹏鹏，马韦华，杨文付，李竹滨

（渤海能克钻杆有限公司，河北 沧州 062650）

ARC8P耐磨带焊机是由美国ARC公司研制出来的，其属于敷焊石油钻具耐磨带专用的装置，ARC8P耐磨带焊机常用在加重钻杆与其它井下工具表面耐磨带自动敷焊当中，其耐磨带的作用主要是提高钻杆耐磨强度，并延长使用时间。ARC8P耐磨带焊机的自动化水平非常高，这主要是因为运用的是PLC控制技术，并且核心控制单元采用的是OMRON公司CPM1系列的PLC，所以自动化水平特别强。因为ARC8P耐磨带焊机主要运用的是PLC控制技术，所以ARC8P耐磨带焊机属于PLC产品构成的控制系统，这便给改进工作带来了很大的帮助。因为ARC8P耐磨带焊机被广泛用于石油钻具生产当中，属于常用的钻杆耐磨带焊机，所以对ARC8P耐磨带焊机焊缝凹槽缺陷进行改进研究，能够良好解决钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷，给钻杆耐磨带的发展带来很大的帮助，使我国钻杆耐磨带运行更加安全可靠，给石油开采带来更大的帮助。

1 钻杆耐磨带的主要作用

耐磨带主要用于钻杆的接头、钻铤以及加重钻杆处，能够形成一层硬化层，此硬化层可以使钻杆接头和套管、井壁相互隔离，从而能够有效保护钻杆的接头。同时因为耐磨带的摩擦因数较低，能够显著降低套管的磨损程度，一般耐磨带会运用惰性气体保护焊技术将其固定于钻杆的接头末端。钻杆耐磨带是从20世纪30年代产生的，主要用于保护钻杆以及其余一些设施，防止钻杆因摩擦而损伤，从而增加钻杆的使用时间。不过由于复杂井越来越多，如大位移井、水平井以及高温高压井等，使得钻杆耐磨带的问题越来越多，损伤越来越严重，尤其是焊缝凹槽缺陷，不仅引发了很多的事故，而且还给油田维修以及开采带来了很大的阻碍，同时还影响了耐磨带的外观，增加了油田开采的成本，所以必须有效解决钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷问题。另外，为了减少钻杆在旋转钻进以及起下钻对套管的摩擦阻力，使得耐磨带对钻杆的保护效果明显下降，无法良好发挥耐磨带的作用。在20世纪的90年代时，因为钻杆价格以及运输成本的变化，使得人们非常关注钻杆耐磨带的保护功能，所以就大力研发高效、稳定的耐磨带，经过20多年的不断研究，如今钻杆耐磨带已能够良好保护钻杆，有效解决了套管、隔水管与钻杆的磨损问题。对于钻杆耐磨带的材料来说，应该具有三种特性，分别为：首先，耐磨性。钻杆耐磨带应当有效抵抗地层岩石的摩擦。其次，减摩性。钻杆耐磨带应当良好控制与套管的磨损程度，让其保持在合理范围中。最后，摩擦因数。一般耐磨带的摩擦因数和减摩性具有很大的关系，如果摩擦因数较小，则其和套管的摩擦力就较小，因此耐磨带和套管的磨损程度也就很小；如果摩擦因数较大，则其和套管的摩擦力就较大，因此耐磨带和套管的磨损程度也就较大。由此可见，摩擦因数越小，钻杆的转矩与起下钻阻力越小，能够良好延长钻杆耐磨带的使用时间。

2 钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷问题

通常钻杆耐磨带焊机的运行流程为：首先钻杆耐磨带焊机运行的时候，会使钻杆以及石油钻具的管体匀速旋转，然后焊枪启弧之后，会垂直在管体的上面，使其往复运动，当管体360度旋转完成，焊机就会发出管体旋转一周的信号，同时发送到PLC上，当PLC接收到信号，就会让焊枪跳至下一条耐磨带的焊接处，也可能停止堆焊，并且暂停管体旋转，从而使敷焊完成，此时耐磨带的起始和结束部位是重合的，这就完成了接缝。对于ARC8P型焊机来说，其设计具有很多不足之处，其中最大的就是焊缝凹槽缺陷，因为钻杆耐磨带在敷焊完成以后，敷焊带环的接缝位置上焊丝较少，就产生了凹槽，此凹槽不仅会影响耐磨带的功能，而且还会影响外观，所以必须良好解决此缺陷问题。在此主要借助钻杆耐磨带焊机的PLC控制系统来改进钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷。要想有效解决钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷，就必须等钻杆管体旋转一周以后，再停止管体旋转，并且在耐磨带环的接缝位置多堆一些焊丝。具体的改进流程为：当PLC接到管体已经旋转一周的信号之后，不要立即跳转至下一条耐磨带敷焊处或者停止敷焊运行，应当停止管体旋转过段时间后，再跳转至下一条耐磨带敷焊处或者停止堆焊运行。不过增大延时情况，还会存在另外一个问题，就是不同类型的钻杆耐磨带其敷焊技术均不相同，因此对单条耐磨带的宽度要求也不相同，所以钻杆耐磨带对延时的要求也不相同，由此在改进的时候，应该注意敷焊的延时情况，对不同技术采用不同的延时标准，如此才可充分达到实际需求有效解决钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷。

3 钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷改进方法

钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷改进方法有两个，分别为：改进PLC外围电路和改进PLC程序。对于改进PLC外围电路来说，其主要就是在PLC外围电路处采用延时定义开关，这样就能利用延时定义开关设置多个状态，借助开关的不同档位实现不同钻杆耐磨带的敷焊延时时间。对于改进PLC程序来说，当PLC接收到管体旋转一周的信号之后，不会立刻跳转至下一条耐磨带处以及暂停焊机运行，会先停止管体旋转，焊枪继续往复敷焊，然后依据外部的延时情况设置开关状态，从而实现延时功能，通过延时之后，再跳转至下一条耐磨带或者停止焊机运行。运用这两个方法能够有效解决钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷，延长钻杆耐磨带的使用时间，保证钻杆耐磨带稳定安全的运行。

4 钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷改进方法的实施

经过对PLC控制电路的I/O接口分析之后能够发现三个空闲数字输入点，其接口的地址为：0.09、1.13和1.15，通过这三个输入点就能判断八种状态，经过查看备件库，就有4位编码开关能够运用，不过在实际运用过程中，只需要其中的三位，分别为：bit2、bit1和bit0，它们分别对应着PLC的三个输入接口，即0.09、1.13和1.15。通常bit2、bit1和bit0位的编码组合会根据二进制的编码形式展开编码，其状态会由000到007，状态会和敷焊延时相对应，因此编码开关状态000-007就是PLC的延时档，即0-7档，延时的范围为0.0-4.0s，其中000表示PLC没有敷焊延时。在此ARC8P型钻杆耐磨带焊机所使用的改进PLC程序为OMRON公司的CX-Programmer软件，此软件的使用效果非常好，利用软件就能读出和写入PLC的控制程序，经过读出之后改进了焊机PLC程序，改进的内容主要为：当PLC接到钻杆旋转一周的信号（1.10）之后，编码开关就会对应输入的端口，即0.09、1.13和1.15的编码状态，从而在PLC程序里加入相应的延时段。不过通过现场调试状态可知，编码开关的八种编码未和延时相对应，所以为了得到最佳的应用状态，就对实际技术测定调试展开了研究，得到的结果如下：000对应的是0.0s、001对应的是0.5s、010对应的是1.5s、011对应的是2.0s、100对应的是2.5s、101对应的是3.0s、110对应的是3.5s、111对应的是4.0s。延时之后可以利用定时器启动后期的运行，让焊枪跳至下一条耐磨带敷焊处以及停止敷焊运行，从而有效解决钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷。

5 钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷改进的效果

经过对钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷改进之后的效果和钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷改进之前的效果比较探究，能够发现钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷被良好的解决。在此解决的主要方法有两个，一个是改进PLC外围电路，另一个是改进PLC程序，它们都是利用调试不同的技术来优化延迟时间，以使延时档位更加符合要求，能够有效用于不同类型的钻杆、加重钻杆耐磨带敷焊当中，从而发挥良好的作用。经过对此次改进后的钻杆耐磨带焊机和国外新型的钻杆耐磨带焊机相比较，能够发现它们的敷焊效果几乎一样，具有同等的功能，并且改进后的钻杆耐磨带焊机和国外进口的钻杆耐磨带焊机相比，不仅显著节约了成本，而且还很大程度的改善了钻杆耐磨带焊缝凹槽缺陷，使钻杆耐磨带的运行更加稳定、可靠，并且应用寿命更加长久。由此可见，此次钻杆耐磨带焊机改进非常的成功，具有很大的应用价值，给钻杆耐磨带的发展带来了很大的帮助。

6 结语

通过上述内容可知，我国钻杆耐磨带的研究还较少，对于材料的研究只处于基础阶段，应当进一步加大研究的力度，借助国外先进的钻杆耐磨带材料，使钻杆耐磨带更加的耐磨、高效和稳定，并向着高重焊性方面大力的研究。在此通过对ARC 8P型钻杆耐磨带焊机的大力研究可知，ARC 8P型钻杆常被用于加重钻杆与石油钻具等方面当中，属于耐磨带自动敷焊设施，因为钻杆耐磨带焊机在敷焊的时候，其耐磨带环的接口位置会具有严重的凹槽问题，不仅会影响耐磨带的使用寿命，而且还会严重影响外观，所以必须对此缺陷问题展开良好的解决，具体的解决方法有两个，分别为：改进PLC外围控制电路和改进PLC程序，对于改进焊机PLC外围控制电路来说，其主要就是在PLC外围电路应用延时定义开关，如此就能借助延时定义开关来控制多个状态，通过不同档位达到不同钻杆耐磨带的敷焊延时效果；对于改进PLC程序来说，主要就是在PLC接收到管体旋转一周的信号之后，不会立刻跳转至下一条耐磨带以及暂停焊机运行，仅停止管体旋转，随后根据延时状况来设定开关状态，以到达延时的效果，经过一段时间再跳至下一条耐磨带或者停止焊机运行。通过对钻杆耐磨带焊机的改进之后能够发现，钻杆耐磨带的焊缝凹槽情况显著改善，说明改进非常成功，可大力推广使用，以使钻杆耐磨带运行更加稳定，使用时间更长，充分发挥保护钻杆的作用。