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石油钻杆的摩擦焊接和焊缝热处理工艺研究 2010-09-01 14:30 在油井管产品中，钻杆由于要直接承受打井作业过程中复杂的弯扭组合载荷，其油田服役的安全性显得至关重要。根据油田的使用经验，钻杆的失效主要体现在焊缝及内加厚过渡带两个部位。在提高焊缝的安全性方面，目前国内外各大钻杆生产厂家主要是通过摩擦焊接方法及适当的焊缝热处理工艺来提高焊缝的安全系数，当然，摩擦焊接工艺的可靠性是至关重要的。钻杆的生产流程如图1示。 2、钻杆摩擦焊接及焊缝热处理技术发展现状 钻杆工具接头与管体之间的对焊从早期的电弧焊、闪光对焊逐步发展到当今的连续驱动摩擦焊接及惯性摩擦焊接，钻杆对焊的生产效率越来越高，焊缝的质量却是越来越好。目前，惯性摩擦焊接方法是最流行，也是最可靠的钻杆对焊方法。与其他焊接方法相比，惯性摩擦焊接方法有如下优点： 2.1 惯性摩擦焊接方法焊接速度快，焊接热影响区窄，晶粒不容易长大，而普通弧焊方式则容易产生宽大的热影响区及晶粒长大现象。 2.2 惯性摩擦焊接方法基本上不会产生焊接灰斑，而闪光对焊方法却较容易产生焊接灰斑而严重影响焊缝质量。 2.3 惯性摩擦焊接过程中由于基本上不用刹车，因此这种方法要比连续驱动摩擦焊接方法更节约能量。 2.4 与连续驱动摩擦焊接方法相比，惯性摩擦焊接方法的焊接时间大约是前者的一半，生产效率可以大大提高。 另外，为了提高焊缝的强韧性，钻杆对焊焊缝的热处理工艺也逐步由焊后回火工艺向焊后焊缝的调质工艺发展。这种焊后热处理方法显著增加了焊缝的抗疲劳断裂能力。 3、API 标准对钻杆焊缝力学性能的基本要求[1] 1997年12月的API SPEC 7的新版标准中，首次将钻杆对焊焊缝的工艺及性能要求明确地列入了标准中。其基本要求如下： 3.1 焊缝必须要进行奥氏体化处理，而且其回火温度不可以低于593oC。 3.2 为了保证焊接质量，对焊缝还必须进行100%的磁粉检验及超声波检验。 3.3 钻杆对焊必须按批进行，对于每批（不超过400根）焊后的钻杆抽取1根进行力学性能解剖实验。 3.4 做拉伸实验，要求焊区的截面强度（焊缝屈服强度*焊区截面积）大于钻杆管体的截面强度（管体屈服强度*管体不加厚部位的截面积）。 3.5 焊缝的常温（21oC）冲击要求：a、每个接头取3个冲击样；b、3个试样的冲击平均值不小于16.3J;c、3个试样的最小冲击值不小于13.6J。 3.6 整个焊缝热处理的热影响区范围内，其任何1点的硬度值不能大于37HRC(约347HV/341HB)。 4、钻杆的摩擦焊接工艺 4.1 工具接头及管端的焊前预处理 4.1.1 工具接头的预处理 为了保证焊缝的纯净，工具接头必须经过预处理后，才可以与预处理后的管体进行配焊。预处理的内容包括：a、用平面砂轮对将要进行配焊的接头端面进行打磨，其目的是为了去除接头端面上的锈迹及其它污染物；b、为了满足API标准的要求，必须在工具接头公螺纹的根部进行压印，注明焊接的年份、月份、钢级及生产厂家的名称。 4.1.2 管体的预处理 对于经过加厚及整体调质处理的钻杆管体的管端必须进行管端加工，使得端面的尺寸达到配焊规定的尺寸。其预处理的内容包括：a、车削加厚端的外表面，使其接近工具接头焊接处的外径；b、对端面进行加工，去除端面的氧化铁皮，确保对焊表面干净。c、对钻杆的端头要镗内孔，使其达到配焊的尺寸。 4.2 摩擦焊接基本过程 以宝钢的惯性摩擦焊机为例，由液压夹具将管体紧紧地夹持在焊接小车上，工具接头由卡套紧紧地夹持在主轴的中心，由电机带动主轴高速旋转，当主轴的转速达到设定值时，电磁离合器动作，将电机与主轴脱开。之后，焊接小车在液压的驱动下，带动管体向工具接头移动并通过焊机液压系统产生的顶锻压力将管体的端面紧紧地压在工具接头的端面上，从而产生大量的摩擦热，此热量使得焊接面上的金属迅速升温并塑性化，然后在顶锻压力的作用下被挤出焊接面，形成为内、外毛刺。当焊机主轴中贮存的能量消耗完后，主轴停止转动，延时保压后焊接过程结束。 此台焊机除了具有焊接功能外，还具有粗去毛刺的功能，即焊接过程结束后，乘着焊缝内毛刺还未冷却而用焊机上的冲头将红热的内毛刺基本冲除。之后，管身夹具松开，主轴启动并带动已焊好的钻杆旋转，利用外毛刺车削刀具将外毛刺基本去除。 4.3 焊接过程中需控制的输入、输出参数 输入参数有： 焊接起始转速(输入)， 主轴飞轮配重(输入)， 顶锻压力(输入)。 输出参数有： 焊接缩短量(输出)。 其中，焊接缩短量的控制最为关键，因为焊接缩短量是三个输入参数综合结果的体现。 4.4 摩擦焊接参数的计算 4.4.1 顶锻压力的计算 P1=Po*(D2-d2)/(2*(D12-d12)) 注：P1:顶锻压力（Kg/cm2）;Po