膨胀波纹管焊接工艺及焊缝膨胀性能分析

2022-06-24王建军陶兴华

石油钻探技术 2022年3期

王建军，陶兴华，邹勇，薛龙

（1.兰州理工大学石油化工学院, 甘肃兰州 730050；2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室, 北京 102206；3.中国石化石油工程技术研究院，北京 102206；4.北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617）

膨胀波纹管是一种在制造时采用机械方式将圆管缩径成为月牙形、8字形、4波峰或6波峰等不同截面形状的异形管。在现场应用时，根据需要将多根膨胀波纹管在地面连接成长管，下至井下设计位置后，利用液压和机械膨胀工具恢复为圆管，主要用于封隔复杂地层[1-3]。膨胀波纹管的管体之间主要采用焊接方式实现连接[4-8]，膨胀波纹管膨胀过程中焊缝和膨胀波纹管本体同时产生较大形变，焊缝质量直接决定膨胀波纹管整体的承压能力，如果膨胀波纹管的整体承压能力达不到要求，会严重影响后续作业，甚至使井眼报废。

截至目前，国内已开展了膨胀波纹管焊接及膨胀性能的系列研究工作，取得了一些研究成果，并进行了应用。陶兴华等人[4-6]研究了膨胀波纹管的自动焊接装备和方法，分析了自动焊接执行机构的运动，并进行了运动仿真，研制出可提高焊接质量的波纹管端头整形装置。刘鹏等人[7-8]引入X射线数字化成像技术，建立了检测波纹管焊缝缺陷的方法，分析了影响波纹管膨胀性能的因素。膨胀性能方面的研究主要有膨胀波纹管膨胀过程力学特性研究、热处理和振动时效工艺对消除膨胀波纹管管残余应力的效果分析、膨胀波纹管抗外齐强度的影响因素分析和提高膨胀波纹管挤毁强度的方法等[9-11]。此外，还研究了弯曲井段下的波纹管膨胀性能，分析了壁厚、井眼直径等对波纹管膨胀性能的影响规律，采用数值模拟与试验方法研究了小口径膨胀波纹管和小井眼下膨胀波纹管的膨胀过程[12-13]。调研分析认为，已有的研究主要针对焊接装备、焊缝检测、膨胀特性或应用仿真，但未见到有关膨胀波纹管焊缝膨胀性能方面的研究。因此，笔者聚焦焊缝膨胀性能分析，介绍了2类膨胀波纹管常用焊接工艺方法，并针对φ149.2 mm 8字形膨胀波纹管，运用弹塑性力学及有限元分析方法，模拟了井下焊缝的膨胀过程，分析了焊缝膨胀性能，评价了焊缝的安全状况，并进行了试验井试验和现场试验验证。

1 膨胀波纹管焊接工艺

膨胀波纹管通过焊接连接，焊接是膨胀波纹管工程应用的关键环节。目前，膨胀波纹管的焊接工艺有手工焊和自动焊2类。无论采用哪种焊接工艺，焊接后均需对焊缝进行保温，以消氢软化淬硬部分，达到改变焊缝组织和性能的目的。保温时间不少于30 min，待焊缝温度降至100 ℃以下，方可入井，进行后续操作。

1.1 手工焊

手工焊是膨胀波纹管传统的焊接工艺，可用钨极氩弧焊（tungsten inert gas，TIG）或焊条电弧焊（shielded metal arc welding，SMAW）[7]。进行手工焊时，膨胀波纹管采用V形坡口，钝边宽为1～2 mm，坡口角度在 60°左右，坡口间隙为 2～3 mm。

采用TIG焊时，焊丝直径2.5mm，钨极直径2.4 mm，钨极伸出喷嘴长度 6～8 mm，焊枪角度 30°左右。焊机采用直流正接方式，焊接电流120 ～145 A，焊接速度 6～8 cm/min，氩气流量约为 9 L/min。焊接时不摆动，实施多层多道焊接。

采用SMAW焊时，焊机采用直流反接方式，焊条直径 3.2 mm，焊接电流 120～145 A，电弧电压22～25 V，焊接速度 8～15 cm/min。焊接时不摆动，实施多层多道焊接。

1.2 自动焊

中国石化石油工程技术研究院与北京石油化工学院、兰州理工大学石油化工学院联合开发了一种膨胀波纹管焊接机器人[4-6]，其自动焊接机构如图1所示，使用齿条式轨道固定在波纹管上，焊接小车沿着轨道绕波纹管运动，通过四轴运动机构夹持微型焊枪，自动焊接膨胀波纹管。

图1 自动焊接机构Fig.1 Automatic welding mechanism

进行自动焊时，可采用V形坡口或单V形坡口。V形坡口角度在50°左右，钝边宽为0.5～1.0 mm，坡口间隙为 1.0～1.5 mm。单 V 形坡口角度在 40°左右。

自动焊采用V形坡口时，采用熔化极活性气体保护焊（metal active gas arc welding ，MAG 焊），焊丝为φ1.0 mm JM-56型实芯焊丝，保护气体为 Ar气与CO2按体积比4∶1混合的气体。采用二层三道的焊接程序，其中根焊1道，盖面焊2道，自动焊的工艺参数见表1。

表1 自动焊的工艺参数Table 1 Technical parameters of automatic welding

2 波纹管膨胀过程中的焊缝性能分析

笔者针对φ149.2 mm 8字形膨胀波纹管（其截面尺寸如图2所示），运用弹塑性力学及有限元分析方法，在ABAQUS软件中建立井眼中的膨胀波纹管模拟模型，模拟φ149.2 mm 膨胀波纹管在井眼中的膨胀过程，对比分析焊缝与膨胀波纹管本体的应力、应变情况，评价焊缝的安全状况。

图2 膨胀波纹管截面结构Fig.2 Section structure of EPL

2.1 井下膨胀波纹管数值模型

不考虑方位角变化的情况下，膨胀波纹管平面弯曲时，井眼直径分别为 165.1 mm/168.0 mm，井眼曲率为10°/30m ，建立井眼和膨胀波纹管的数值模型，如图3所示。

图3 井眼和膨胀波纹管的数值模型Fig.3 Numerical model of the wellbore and EPL

膨胀波纹管由φ168.0 mm×7.5 mm 基管制成，将5根长10 m的膨胀波纹管焊接在一起。膨胀波纹管的屈服强度为 348 MPa，抗拉强度为 476 MPa，延伸率为33.5%。焊缝的屈服强度为434 MPa，抗拉强度为 510 MPa。岩石的弹性模量取 40 GPa，泊松比为0.3。

2.2 膨胀过程中焊缝应力、应变分析

模拟膨胀波纹管在曲率10°/30m的φ165.1 mm井眼中加压至30 MPa时的膨胀，膨胀结束后焊缝等效应力和应变云图见图4。从图4可以看出，膨胀后焊缝的最大应力和应变在波谷处的管壁外侧。

图4 膨胀后焊缝的等效应力和应变云图Fig.4 Equivalent stress and strain nephogram of the weld after expansion

模拟膨胀波纹管在曲率10°/30m的φ168.0 mm井眼中逐渐加压至30 MPa时的膨胀，膨胀波纹管本体及焊缝的等效应力和等效塑性应变随内压变化的曲线如图5所示。

从图5可以看出：内压升至5 MPa过程中，膨胀波纹管本体和焊缝的等效应力随内压升高而快速增大，膨胀波纹管本体和焊缝的等效塑性应变基本不变；内压由5 MPa升至 10 MPa过程中，膨胀波纹管本体和焊缝的等效应力随内压升高而缓慢增大，等效塑性应变随内压增大而快速增大；内压升至10 MPa后，膨胀波纹管本体和焊缝的等效应力和等效塑性应变随内压升高变化缓慢。

图5 膨胀波纹管本体及焊缝的等效应力和等效塑性应随内压变化的曲线Fig.5 Variation curves of equivalent stress and equivalent plastic strain of the EPL body and weld with internal pressure

由以上分析可知，焊缝的应力、应变随内压变化的规律与膨胀波纹管本体完全相同，只是由于膨胀波纹管本体材料的特性与焊缝不同，焊缝的应力始终大于膨胀波纹管本体，其应变也大于膨胀波纹管本体，但其伸长率小于膨胀波纹管本体（0.335），由此可以判定焊缝是安全的。

3 膨胀波纹管膨胀试验

3.1 试验井试验

用焊接好的膨胀波纹管下入试验井进行膨胀试验。膨胀波纹管由3段膨胀波纹管焊接而成，含2条焊缝，两端焊接堵板，一侧堵板上预留进水口和出水口的封头（见图6）。在两端设置限位圈和限位管，以减少膨胀过程中堵板的变形，降低膨胀过程中堵板破裂失效的风险。

图6 膨胀波纹管试样Fig.6 EPL sample

膨胀试验步骤：

1）按图6所示焊接膨胀波纹管试样，焊缝在400～500 ℃ 下保温 30 min。

2）封头连接试压泵，将膨胀管波纹管试样下入试验井，按照液压试验要求加压。

3）试验期间，试验人员要离开试验区，通过监控设备观察膨胀波纹管试样外观变化，观察到其明显膨胀后泄压，测量焊缝附近某一位置的大小径；然后重新下入试验井，压力每升高10 MPa后泄压，测量同一位置的大小径，直至堵板刺漏，终止试验。

试验过程中，当压力升至4.60 MPa时，观察到膨胀波纹管试样开始明显膨胀，压力升至40.67 MPa时，堵板刺漏，终止试验。表2为焊缝附近同一位置升至不同压力下的大小径测量结果。从表2可以看出，随着压力升高，大小径偏差值越来越小，当压力升至40.67 MPa时，大小径相对偏差已接近1.0%，即膨胀波纹管已膨胀至近正圆状态（见图7）。

表2 膨胀波纹管膨胀过程中的形状参数Table 2 Shape parameters of the EPL during expansion

图7 膨胀波纹管试样膨胀后的外观Fig.7 Appearance of the EPL sample after expansion

3.2 现场试验

为解决PG22井煤层和炭质泥岩互层的坍塌问题，在该井 2 877.00～2 986.00 m 井段下入φ149.2 mm 8字形膨胀波纹管，封隔易坍塌的煤层和炭质泥岩互层。下入的膨胀波纹管长109.10 m，有13道焊缝，其中地面焊接9道焊缝，井口焊接4道焊缝。现场检测13道焊缝，其中12道焊缝无缺陷，另外一道焊缝检测有出气孔，重新焊接后再次检测无缺陷。膨胀波纹管下至井深2 986.00 m，先采用液压方式加压至18 MPa膨胀，再采用机械方式将其膨胀至通径149.2 mm。该井后续钻井中，该井段未发生井下故障，表明膨胀波纹管本体及焊缝的性能满足钻井要求。