钻杆接头喷焊层耐磨带脱落情况分析

李亚敏，张 然，支鹏鹏，刘永红，王 琴

（渤海装备钻井装备能克钻杆有限公司，河北沧州 062658）

0 引言

随着现代钻井技术的快速发展，我国的深井、超深井勘探工作对于钻柱设备的整体质量提出了更高要求。有些钻柱的摩擦扭矩较高，较高的摩擦力进一步增加工件表面的磨损压力，导致钻杆接头喷焊层耐磨带脱落，影响接头整体强度，甚至带来安全生产隐患。为解决该问题，下面分析钻杆接头喷焊工艺的相关情况。

1 钻杆接头喷焊工艺概述

随着我国钻井生产规模的不断扩大，对于钻杆的使用效率与稳定性都提出了更高要求。一般来说，钻杆磨损最先出现在接头部分。接头部分进行的常规硬化处理可在一定程度保护钻杆接头避免损坏。根据实际生产经验，采取表面涂层技术能够实现工件表面修复，还能节约能源耗材，提升经济效益，是目前钻杆接头表面处理最常用的技术手段。相比于等离子喷焊等技术，氧乙炔火焰喷焊处理技术优势十分明显，该技术操作难度小、工艺稳定性强，具有成本相对容易控制等优势，十分适合现代企业的生产控制需求。

根据相关统计数据，工厂喷焊耐磨带时主要选择接头上喷镍基金属合金粉的方式予以处理，能够实现合金块、钻杆的结合，通过氧乙炔火焰处理的方式予以调整。针对耐磨带实施技术分析，可以获取其成分（表1）。从表1 可以看出，喷焊层主要的合金粉末为镍元素，还包括相当比例的钨元素。这是由于耐磨带材料在生产过程中添加了碳化物，故该粉末可以称之为含碳化钨弥散合金。该合金优势十分明显，具有很强的附着性和耐磨性，还兼顾了较强硬度，可以很好地适应钻杆接头喷焊层耐磨带的处理需求。除此之外，经过高温处理，该材料还可以提升耐磨损与抗氧化性能，针对一些特殊的工况条件也有很好的应用优势。

表1 合金粉末化学成分

2 钻杆接头喷焊层耐磨带脱落原因分析

钻杆接头喷焊层耐磨带一旦脱落，会严重影响生产进程，因此要做好前期防护工作。分析钻杆接头喷焊层耐磨带的磨损过程，钻杆接头喷焊层耐磨带脱落原因主要来源于表面处理。根据喷焊层获取试样的分析测试结果，分别对钻杆接头喷焊层耐磨带进行取样。随后进行金相分析以及扫描电镜分析，获取合金块、基体金属界面形貌，如图1 所示。

图1 合金块、合金粉末、基体结合处金相

采用扫描电镜进行合金块与粉末分析，可以获得相应的金相图分析结果。对比合金块与金属粉末的分析测试情况来看，虽然在界面的结合部位存在明显的气泡，但是由于大多数的气泡属于分散存在，同时整体气孔体积较小，因此应该不是引起合金块脱离的主要原因。进一步分析后发现，合金块以及基体的结合处不但存在明显的气泡，同时也存在一部分裂纹。这些裂纹与气泡不同，裂纹之间间隙较大，故推测裂纹是最终导致合金块脱落的主要原因。在上述分析中已经确定，合金粉末的整体耐磨性能虽然尚可，但是对比合金块依然存在不小差距。因此钻杆接头喷焊层耐磨带工作时，耐磨性主要还是需要合金块体现。合金粉末选择镍基自熔合金，该合金添加了碳化物等物质。在喷焊处理过程中，逐步形成了多个聚合点，分别以镍基、钨基为主要特征。根据研究结果不难发现，结合层内部存在大量的气泡，除此之外，碳化钨的含量越高，镍基的含量就会相应降低。此时无法满足碳化钨颗粒的包裹，导致外部出现了大部分的粗大碳化物，影响到颗粒度的控制效果。一部分大颗粒碳化物会在高温影响下逐渐产生化学反应，形成脆硬性较强的碳化钨，此时材料的整体抗疲劳性能会下降。如果钻杆接头喷焊层耐磨带遭受到疲劳冲击与磨损影响，则附近的碳化钨会由于缺口存在严重的应力集中，导致耐磨性能下降，出现剥落。这是钻杆接头喷焊层耐磨带脱落的主要过程。

3 钻杆接头喷焊层耐磨带脱落问题预防控制策略

钻杆接头喷焊层耐磨带脱落会严重影响生产，由于耐磨带敷焊在接头表面，可以保护接头的稳定性，取得良好生产效益。但是一旦出现接头脱落，就必须对其进行修复后才能够继续工作，既增加生产压力，也不利于安全生产。为解决钻杆接头喷焊层耐磨带脱落问题，就必须调整喷焊处理工艺流程。结合上述钻杆接头喷焊层耐磨带脱落原因分析结果，现给出脱落问题的预防控制策略。

3.1 工件预热与喷焊粉末干燥处理

根据钻杆接头喷焊层耐磨带脱落原因，工艺生产过程中没有做好预热处理是导致最终脱落的重要原因。由于实际钻杆接头喷焊层耐磨带的使用工况十分复杂，需要同时面对油、水以及铁锈等多种类型的氧化物，很容易出现夹杂腐蚀的问题。在喷焊处理之前，要对基体进行预处理，去除掉大部分的水和油污，同时做好表面预热。预热过程中需要将温度提升到400 ℃，同时做好保温控制工作。喷焊粉体如果不进行干燥，也可能会出现大量气孔。在喷焊过程中，水分会随着粉体到达喷焊层，此时重熔处理后会分解为氢气、氧气两种不同类型的成分。因此，在水分处理不完全的情况下，同样会导致大量的气孔。除此之外，根据实际操作经验，导致钻杆接头喷焊层耐磨带出现气孔的其他因素中，合金粉质量也是较为重要的因素。如果出现合金粉熔点过高、黏度过大等问题，都会导致气孔存在，严重影响后期使用效果，需要特别予以关注。

3.2 表面粗糙度调整

钻杆接头喷焊层耐磨带与基体表面本身会存在一定的凹凸不平，这些凹凸不平的表面在加工时基本不要予以处理，以此来提升基体金属与喷焊层的整体结合效果。但是根据使用经验，表面粗糙度的存在能够一定程度提升表面的黏结性，但不是线性增长。也就是说，表面粗糙度不是越高越好。在基体加工过程中，如果出现吃刀量不均匀的问题，会影响切削处理效果，进而影响后期切痕调整。这不利于解决钻杆接头喷焊层耐磨带脱落问题。另外，小气孔不断闭合也会导致气孔尺寸增加。较大尺寸的气孔是导致钻杆接头喷焊层耐磨带脱落的重要原因，需要特别做好气孔串的处理，以此确保整体粗糙度适应设计标准与生产需求。

3.3 提升喷焊技巧

在钻杆接头喷焊层耐磨带工艺实施过程中，受操作者操作习惯和操作能力的影响，往往会不同程度影响钻杆接头喷焊层耐磨带的稳定性。例如，操作者对于喷距控制不精准，停留时间不足等问题都会导致气孔出现。另外，工件与喷炬的距离过长，也会导致喷焊层的气体总量较高，喷焊温度不足则会导致大部分的气体无法随时逸出，导致气泡聚集。根据基本技术原理来看，喷焊温度较高也不利于气泡的排出，这是由于内部的液态金属会翻泡，形成内部气孔群。镜面反光问题主要是由于一次喷膜过厚。在重熔过程中加热不足、火焰移动速度过快等都是导致粉末熔融的重要原因。合金块、基体表面氧化加剧会进一步影响整体结合强度，导致钻杆接头喷焊层耐磨带脱落。为解决这些问题，需要不断提升操作人员的操作技巧，满足钻杆接头喷焊层耐磨带工艺技术标准与要求。

4 总结

钻杆接头喷焊层耐磨带脱落与喷焊生产的流程密不可分，其不但与加工温度以及干燥处理流程相关，对于操作人员的生产与喷焊技巧都有一定联系。为进一步解决钻杆接头喷焊层耐磨带脱落的问题，除了做好工件的前期预热预处理，还需要进一步做好干燥控制，提升表面粗糙度。进一步做好喷焊工作，提升整体生产稳定性，以此来减少微裂孔、气孔的不利影响，进一步提升钻杆寿命和生产效益。