石油钻杆焊缝热处理与摩擦焊接研究

赵晗，李强，檀雨葭，寿永旺

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司管具与井控技术服务分公司，天津 300280）

石油钻杆是石油开采工作最重要的设备之一，石油开采钻井作业的施工过程是极其复杂的，在石油开采的过程当中，石油钻杆是需要承受扭，压，弯的组合负载，如果在开采的过程当中一旦操作不当，就会出现安全隐患。因此，想要保证石油开采绝对安全，就需要保证石油钻杆的安全性与可靠性。现如今很多的石油钻杆生产商，都采用了石油钻杆焊缝热处理与摩擦焊接工艺，来保证石油钻杆的安全性与可靠性，减少石油钻杆焊缝中加厚过渡带失效的情况。因此，焊缝热处理与摩擦焊接工艺在石油钻杆焊接当中，得到了广泛的应用。

1 API对石油钻杆焊缝的基本要求

石油钻杆焊缝工艺的基本要求如下，第一，石油钻杆焊缝必须要进行奥氏体化处理，处理时的回火温度不能低于593℃。第二，石油钻杆焊缝必须使用100%的磁粉对其进行超声波检验。第三，石油钻杆焊缝实施对焊必须按批进行，石油钻杆每批的数量不能超过400根，将一批石油钻杆焊接完成以后，要在其中抽取一根石油钻杆进行力学性能解剖。第四，要对石油钻杆进行拉伸试验，焊区截面强度是焊缝屈服强度×焊区截面积，石油钻杆管体截面强度是管体屈服强度×管体不加厚部位的截面积。在进行拉伸实验时焊区截面强度要大于石油钻杆管体截面强度。第五，石油钻杆焊缝的常温大概在21℃，石油钻杆焊缝常温冲击的要求，是每个接头抽取三个冲击样，这三个冲击样的纵向平均冲击值不能小于16.3J，最小纵向冲击值不能小于13.6J。第六，在整个石油钻杆焊缝热影响区内，任何的硬度值是不能大于HRC37。

2 石油钻杆焊力学分析

（1）如果石油钻杆焊缝焊接纵向冲击力比较高，过程能力指数已超过了3.0。这就代表了石油钻杆焊缝冲击韧性指标，整体的保障能力较强，在一般情况下是不会出现不合格的情况。相反如果石油钻杆焊缝焊接纵向冲击力比较低，那么就代表了整体的保障能力不强，很容易出现不合格的情况。（2）如果石油钻杆焊缝冲击韧性指标方差比较小，就代表了石油钻杆焊缝冲击韧性的波动比较小，稳定性较强，能够很好的保障钻杆焊缝的焊接质量。如果石油钻杆焊缝冲击韧性指标方差比较大，那么石油钻杆焊缝冲击韧性的波动就会变大，稳定性较低从而导致了焊接质量差。（3）在石油钻杆焊缝冲击韧性很高的基础上，石油钻杆焊缝屈服强度的过程能力指数能够达到1.3以上，这就代表了此钢级钻杆焊缝屈服强度指标保障能力较高。如果石油钻杆焊缝屈服强度的过程能力指数低于1.3，那么就代表了此钢级钻杆焊缝屈服强度指标保障能力低。

3 石油钻杆焊缝热处理与摩擦焊接的发展与优点

3.1 石油钻杆焊缝热处理与摩擦焊接的发展

弧焊是最早的石油钻杆对焊技术，在之后的发展当中闪光对焊就代替了电弧焊的位置。石油钻杆焊接主要处理工艺，在最早期采用的是电弧焊与闪光焊，由于时代的不断发展，电弧焊与闪光焊已经满足不了石油开采的需求。因此，石油钻杆焊接主要处理工艺变成了驱动摩擦焊接和惯性摩擦焊接。这两种石油钻杆焊接的处理工艺，能够提高石油钻杆工作的成型效率，也提能够高石油开采工作的生产效率。到目前为止，将惯性摩擦焊接与连续驱动摩擦焊接，应用在石油钻杆焊接工作中，不但提高了石油钻杆焊接的质量以及对焊的生产效率，还提高了钻杆的稳定性与可靠性。现如今石油钻杆生产当中应用最广的就是惯性摩擦焊接。

3.2 石油钻杆焊缝热处理与摩擦焊接的优点

惯性摩擦焊接工艺应用在石油钻杆焊接工作当中主要有四个优势，第一，焊接速度快，晶粒无法在石油钻杆焊缝狭窄的热影响区内长大。第二，节省能量，惯性摩擦焊接在工作时，实际的操作是不需要刹车的。第三，惯性摩擦焊接效率高，在进行焊接时能比其他焊接方式节省大约一倍的时间。第四，惯性摩擦焊接在一般情况下不会产生灰斑，而且吧焊接的质量还能够保持一个较高的标准。现如今传统的石油生产工作当中，采用的石油钻杆焊缝热处理，能够增强石油钻杆焊缝的抗疲劳能力与断裂能力。

4 石油钻杆焊缝的热处理操作

4.1 石油钻杆摩擦焊奥氏体化

为了保证石油钻杆能够拥有更好的焊接质量，在石油钻杆摩擦焊接结束之后石油钻杆需要通过淬火工艺以及高温回火工艺来对焊接结束的焊缝进行调质处理，焊缝材质的淬透性能，能够保证石油钻杆的整体质量。石油钻杆焊缝奥氏体化，作为石油钻杆焊缝热处理工艺的第一道环节，需要消耗很大的能量。现如今在进行石油钻杆焊缝热处理时，大多数使用的都是感应加热方式，通过感应加热方式能够实现焊缝奥氏体化。大部分工厂在具体的操作过程当中，水基淬火液与喷淋淬火工艺能在焊接处产出马氏体组织，其产出率高达90%，在石油钻杆的焊接缝出现马氏体组织以后，随着高温回火功能对综合机械性能的提升，能够使马氏体组织变成回火索氏体组织。石油钻杆焊缝奥氏体化加热的方式与其他加热方式相比，石油钻杆焊缝奥氏体化的中频能够对加热的频率进行感应，而且在正常的情况下焊缝区的宽窄都会控制在70mm左右，这样就能使高温回火工序更好地对奥氏体区域进行覆盖。

4.2 钻杆焊缝淬火工艺

石油钻杆焊缝淬火的质量能否达到相应的标准，与材料冷却介质选择的是否合适有很大的关系。正常情况下，冷却处理的主要方式有两种。其中包括高压空气冷却处理与液体冷却处理，液体冷却处理主要包括水冷却与油冷却两种处理方式。在之前石油钻杆焊缝的淬火介质经常使用水冷却，水冷却处理方式比较容易淬裂。水冷却处理方式的特性并不理想，在采用水冷却处理方式时需要快速冷却，但是区间冷速速度比较小，而要求慢速冷却的区间冷速却比较大。在实际的操作流程当中，钻杆焊缝淬火工艺主要使用的是水基淬火液加喷淋淬火的冷却方式，进行焊缝热处理。但是水基淬火液处理方式与水冷却处理方式相比水基淬火液处理方式的冷速速度更快，在通过喷淋淬火的方式对整体的冷却条件进行一个全面的改善。在进行石油钻杆焊缝淬火时，如果冷却速度过快就会产生淬火裂纹，因此，对淬火工艺的有效选择能够减少冷却时间，减少由于冷却时间过长产生思维淬火裂纹，这样不但能提升工作效率，还能保证生产质量。

4.3 钻杆焊缝高温回火工艺

石油钻杆焊缝进行淬火工艺之后，其内应力会变大，而且硬度也会变得比较高，因此在这个时间就要及时实施高温回火处理工艺，从而提高整体的焊接质量。中频感应加热已经广泛的应用在高温回火中工艺当中，中频感应加热的电源频率通常情况下应该控制在600Hz左右，中频感应加热电源如果出现频率过高的情况，就会出现集肤效应，电源如果出现底频率的现象，那么加热效率就会急速的下降，从而就会导致焊缝内壁与外壁温度不一致的情况。在进行焊缝高温回火时，要按照石油钻杆所使用的材料，来对温度进行合理的控制，防止在回火的过程当中温度不合适，从而导致索氏体分解与焊缝截面的硬度达不到相应标准。在进行石油钻杆焊缝高温回火时，还可以采用红外测温仪来对回火温度的大小进行测量，并使用计算机对回火温度进行档案储存。

5 石油钻杆摩擦焊接处理工艺

5.1 石油钻杆摩擦焊焊前处理

在对石油钻杆进行焊接之前，要做好焊前的准备工作。在焊接之前需要相应预处理措施，从而保证焊接的质量和焊缝的纯净性。要根据摩擦焊相应的工作标准，将石油钻杆工具两端的接口利用平面砂轮打磨光滑，要打磨到表面没有锈迹与污染物后之后使用。除此以外，还需要在工具公螺纹的根部，印上焊接的年份、月份、钢级以及生产厂家的名称。石油钻杆焊接管端的预处理需要根据焊尺寸标准，进行车削处理，使石油钻杆摩擦焊能够符合工具接头的对焊要求。除此以外，为了保证石油钻杆焊面的洁净程度,还需要去除端面氧化的铁皮，同时还需要在石油钻杆端头镗内孔。

5.2 石油钻杆摩擦焊焊接工艺注意事项

在石油钻杆摩擦焊焊接的过程当中，要严格控制焊接的输入参数与输出参数。焊接输入参数包括焊接开始的转速，顶锻压力以及主轴飞轮配重等。焊接输出参数包括焊接缩短量，其焊接缩短量的控制是焊接过程当中最重要的，因为焊接是三个参数的综合体现。缩短量顶锻压力的计算公式是：顶锻压力=需要施加在焊接端面上的压力（管端外径2-管端内径2）/[2（油缸活塞直径2-油缸活塞杆直径2）]。主轴转速的确定首先需要做焊机参数的计算工作，要根据石油钻杆摩擦焊焊机的特性，将主轴转速选在1000r/min左右，设置合适的转速能够保证石油钻杆摩擦焊焊机的质量，同时也能减轻主轴承的负担，因为主轴转速越快，主轴承损坏的概率就越大。为了将石油钻杆摩擦焊焊接的时间进行缩短，就需要采取大惯量和大压力的焊接规范，从而提高焊接效率。摩擦焊焊机的参数监控系统，能对焊接缩短量产生直接的影响，如果在进行石油钻杆摩擦焊焊接时焊机的参数不符合标准，那么参数监控系统就能够实现自动报警，从而保证焊接工作的精准程度。为了实现摩擦焊接的可塑性，就需要用计算机技术对其实施全程监控。对这些参数的监控是为了方便日后调查时对这些数据的查询。因此，就需要将监控的数据资料存储在算机软件的硬盘当中。

5.3 石油钻杆摩擦焊焊接流程

以惯性摩擦焊机为例，在进行石油钻杆摩擦焊焊接时，由于惯性摩擦机整体配置的不同。因此，在焊接时会出现一定的差异性。在进行石油钻杆摩擦焊焊接时，第一，将钻杆管体会被液压夹具夹在摩擦焊焊接校车上，之后焊接校车上的电动机，就会带动主工具接头进行高速旋转，在旋转到一定程度之后主轴和电机在电磁离合器的驱动下就会脱开，之后小车液压驱动焊接车就会带动焊接管体移动到工具接头处。此时石油钻杆管体与焊接工具接头产生大量摩擦热，导致焊接面金属急速升温并且塑化，从而被挤出焊接面，之后会在内外形成毛刺，当主轴停止转动，延时保压后，焊接结束。有一部分的焊接机器是具有焊接，毛刺去除等使用功能的。当对石油钻杆焊接结束后，在焊接缝形成的毛刺还没有冷却时，可以利用焊机上冲头将还没有冷却的内毛刺进行去除，随后将管体夹具松开，启动主轴使其带动已经焊好的钻杆旋转起来，再使用外毛刺车削刀具将外毛刺去除干净。有一部的摩擦焊接机是不带有去毛刺的功能，在对石油钻杆焊接结束以后，要使用钻杆焊缝热处理工艺对摩擦焊接后钻杆进行退火处理，温度大概在（680±10）℃，经过退火处理后要使用车床对钻杆焊缝处的毛刺进行去除，之后在进行淬火处理温度控制在（960±10）℃，然后在进行回火处理温度在（650±10）℃。

5.4 石油钻杆摩擦焊工艺要点

（1）在进行石油钻杆摩擦焊时要采用大压力，大惯量的硬焊接规范，这样不但能充分的缩短石油钻杆摩擦焊的焊接时间，还能将焊区窄化，从而为焊缝的调质处理奠定了良好的基础。（2）在对石油钻杆焊接前，需要充分的将工具接头的端面处理干净，要保证焊接缝的纯净性。（3）摩擦焊焊机的参数监控系统是十分重要的，它能保证焊接缩短量检测的准确性，同时还能判断整体数值能否达标，如果没有达标系统就会发出报警信号，从而提高摩擦焊焊缝焊合的可靠性。（4）在进行石油钻杆摩擦焊时要对焊接的过程全面监控，利用计算机系统对焊接过程当中的主轴转速时间曲线，顶锻压力时间曲线和焊接缩短量时间曲线进行记录，再将其记录的数据保存在计算机硬盘上，方便以后查询。

6 结语

综上所述，石油钻杆焊缝热处理工艺主要有石油钻杆焊缝奥氏体化，石油钻杆焊缝淬火工艺以及石油钻杆焊缝高温回火。在对石油钻杆进行焊接之前，要做好摩擦焊焊前处理工作，要严格控制焊接的输入参数与输出参数，同时还要对石油钻杆摩擦焊时要对焊接的过程全面监控并将数据保存在计算机硬盘上，这样才能保证石油钻杆整体的安全性与可靠性。