石油鉆具熱處理工藝與改進(jìn)措施范文
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摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，工業(yè)化程度也越來(lái)越高，對(duì)能源的需求也越來(lái)越大，石油作為主要的工業(yè)能源之一，在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)乃至社會(huì)生活中發(fā)揮著不可替代的作用，因此，必須要保證石油資源的有效供應(yīng)。在石油鉆井工作中，鉆桿是使用的主要工具，近些年鉆桿的用量也不斷地增加，而每年的待報(bào)廢鉆桿的數(shù)量隨著時(shí)間的推移以及鉆井市場(chǎng)的開發(fā)還會(huì)持續(xù)增加。由于此類鉆桿大多是由于接頭的磨損，但管體的磨損較小，仍符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以通過焊接修復(fù)進(jìn)行二次開發(fā)，避免造成浪費(fèi)。文章就對(duì)于鉆桿摩擦焊的熱處理工藝進(jìn)行總結(jié)分析并提出了一定的改進(jìn)措施。
石油資源可以說(shuō)是目前工業(yè)社會(huì)最為重要的原料，大部分的運(yùn)輸工具由石油驅(qū)動(dòng)，另外，在工業(yè)上還可以利用石油進(jìn)行發(fā)電，被稱為“黑色金子”。對(duì)于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展來(lái)說(shuō)，起著舉足輕重的作用，毫不夸張的說(shuō)，石油資源對(duì)于國(guó)家工業(yè)的發(fā)展或是人們的日常生產(chǎn)生活都有著密不可分的關(guān)系。而在石油的開采過程中，需要運(yùn)用專業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備以及開采技術(shù)對(duì)油田進(jìn)行開采，相關(guān)設(shè)備以及所運(yùn)用技術(shù)的先進(jìn)性、合理性直接影響著原油的開采率。在石油鉆井工作中，鉆桿是主要使用的設(shè)備，近些年來(lái)隨著對(duì)于石油需求的增大，鉆桿的用量也逐年增長(zhǎng)。但由于在鉆井作業(yè)的過程中鉆桿承受著較為復(fù)雜的彎扭壓拉組合載荷，保證鉆桿在服役階段的安全性尤為重要。根據(jù)多年來(lái)鉆井作業(yè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)鉆桿由于接頭的磨損超過標(biāo)準(zhǔn)而報(bào)廢，但桿體的磨損實(shí)際不大仍在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，因此通過對(duì)此類桿體的焊接修復(fù)可以節(jié)約資源，從而大大降低油田的開采成本。經(jīng)過鉆井行業(yè)多年的摸索，在上個(gè)世紀(jì)80年代末，開始出現(xiàn)了將摩擦焊技術(shù)應(yīng)用與對(duì)石油鉆桿的修復(fù)過程中，在近些年通過對(duì)摩擦焊機(jī)、熱處理設(shè)備以及熱處理工藝的改進(jìn)與革新，極大的提高了鉆桿的修復(fù)水平。通過對(duì)石油鉆桿進(jìn)行摩擦焊以及熱處理工藝的修復(fù)，可以有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)積壓鉆桿的二次利用，并使鉆桿的性能得到強(qiáng)化，降低了因鉆具失效而產(chǎn)生的事故頻率，減少了新鉆具購(gòu)置成本，提升了企業(yè)鉆井的速度，并節(jié)省了成本。
1石油鉆桿摩擦焊接技術(shù)概述
摩擦焊這一焊接工藝是在二十世紀(jì)50年展起來(lái)的，其工作原理為焊接件的接觸端面通過進(jìn)行相對(duì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行摩擦產(chǎn)生熱量，使端部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴軤顟B(tài)再進(jìn)行頂鍛，從而使兩個(gè)焊接件之間的接觸面完成焊接。而將摩擦焊技術(shù)應(yīng)用到鉆桿的修復(fù)過程中近些年國(guó)內(nèi)外都有了極大的研究成果[1]。
1.1國(guó)內(nèi)情況
關(guān)于將摩擦焊應(yīng)用在石油鉆桿中的研究，我國(guó)起步較早，是世界上最早進(jìn)行相關(guān)研究的國(guó)家之一。最初主要是在石油鉆桿的修復(fù)中應(yīng)用，修復(fù)指的是使用焊接的方式將新接頭替換失效的接頭。1972年，我國(guó)第一臺(tái)石油鉆桿專用摩擦焊及研制成功并應(yīng)用與大港油田中，很快這項(xiàng)技術(shù)普遍應(yīng)用于全國(guó)其他油田的鉆桿修復(fù)工作中，并逐漸取代了傳統(tǒng)工藝。但由于受到當(dāng)時(shí)我國(guó)的技術(shù)水平所限，摩擦焊在石油鉆桿修復(fù)中的應(yīng)用還存在一定的問題，在實(shí)際應(yīng)用過程中生產(chǎn)穩(wěn)定性較差，并存在如焊接裂紋、流痕斷口等缺陷。而近些年隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提高，科技水平也得到了很大的發(fā)展，相較于往日，自動(dòng)化水平得到了很大的發(fā)展。同時(shí)摩擦焊工藝的相關(guān)參數(shù)以及所用材料也有了進(jìn)一步的優(yōu)化，也積累了豐富的摩擦焊應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此更加先進(jìn)成熟的摩擦焊技術(shù)在石油鉆桿的制造、修復(fù)中又得到了進(jìn)一步的推廣。目前在我國(guó)較大的油田如大慶油田、勝利油田中都有廣泛的應(yīng)用，并創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
1.2國(guó)外情況
在國(guó)外摩擦焊技術(shù)首先由蘇聯(lián)學(xué)者首次提出并應(yīng)用，隨后摩擦焊因其優(yōu)質(zhì)、高效、低能耗、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)逐漸得到了一些工業(yè)強(qiáng)國(guó)的重視，并經(jīng)過漫長(zhǎng)時(shí)間的研究以及發(fā)展摩擦焊技術(shù)逐漸成熟并得到了推廣應(yīng)用，其中在石油鉆桿的生產(chǎn)制造中應(yīng)用最多。目前在國(guó)外的石油鉆桿摩擦焊機(jī)主要分為連續(xù)驅(qū)動(dòng)于慣性兩種方式。不僅實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)以及系列化，還應(yīng)用了較為先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)。為了保證焊接過程的質(zhì)量，研究開發(fā)出了一系列的控制技術(shù)，包括有時(shí)間控制、變形量控制、特殊過程控制技術(shù)等。并且在此基礎(chǔ)上通過一些外圍設(shè)備的使用實(shí)現(xiàn)了焊接過程的自動(dòng)化。
1.3存在的問題及發(fā)展方向
雖然近些年石油鉆桿摩擦焊修復(fù)工藝有了很大的發(fā)展并得到了廣泛的應(yīng)用，但由于石油鉆桿的較為惡劣復(fù)雜的工作環(huán)境，往往對(duì)強(qiáng)度、韌性等有較高的要求，單靠摩擦焊工藝很難達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)，為了使其達(dá)到提高強(qiáng)度韌性從而達(dá)到要求，會(huì)對(duì)摩擦焊接頭進(jìn)行熱處理，一般采用感應(yīng)加熱的方式。目前摩擦焊以及熱處理技術(shù)應(yīng)用在石油鉆桿修復(fù)過程中主要會(huì)產(chǎn)生如下幾個(gè)問題：首先摩擦焊過程中會(huì)產(chǎn)生灰斑的缺陷?；野呷毕菀话闶侵冈诤附舆^程中摩擦焊接兩個(gè)接觸面之間異常區(qū)內(nèi)形成的一個(gè)平面薄膜?；野叩漠a(chǎn)生及存在，會(huì)對(duì)焊接表面金屬的結(jié)合造成不良的影響，大大地降低了石油鉆桿的塑性以及韌性疲勞強(qiáng)度，不僅如此，一定程度上還會(huì)促使早期裂紋的產(chǎn)生，從而加劇了對(duì)石油鉆桿的脆性破壞。其次，在應(yīng)用摩擦焊技術(shù)于石油鉆桿的修復(fù)的過程中，需要對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算設(shè)計(jì)，稍有偏差會(huì)在焊縫與接頭、焊縫與母材之間產(chǎn)生熔合不良的問題。最后，當(dāng)摩擦焊接工作完成后，應(yīng)采取相應(yīng)的熱處理進(jìn)一步的加強(qiáng)石油鉆桿的性能。但由于相關(guān)的熱處理工藝較為復(fù)雜，需要操作人員具備相關(guān)的專業(yè)知識(shí)以及操作經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)熱處理工藝不當(dāng)時(shí)，會(huì)造成殘余馬氏體的產(chǎn)生，從而使石油鉆桿的硬脆性加強(qiáng)降低了塑性，使淬火裂紋、彎曲斷裂問題產(chǎn)生。根據(jù)以上對(duì)石油鉆桿摩擦焊以及熱處理的研究以及應(yīng)用的總結(jié)分析，可以得出其基本對(duì)目前的鉆井施工所提出的要求滿足，但目前在石油鉆井的研究領(lǐng)域逐漸向深層井發(fā)展，對(duì)鉆桿的強(qiáng)度、韌性提出了更高的要求，因此，需要更加高效的摩擦焊以及熱處理工藝技術(shù)來(lái)滿足新的更高的要求。
2焊后熱處理工藝研究
熱處理的目的是通過改變金屬以及合金內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)達(dá)到使材料滿足性能要求的目的，熱處理過程一般包括有加熱、保溫以及冷卻三個(gè)階段。應(yīng)用再摩擦焊接石油鉆桿修復(fù)工作中的熱處理工藝一般來(lái)說(shuō)采用退火、淬火加回火，使用中頻感應(yīng)的方式進(jìn)行加熱。中頻感應(yīng)的方式在加熱速度較快這一優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上兼具焊縫熱影響小的特性，一般來(lái)說(shuō)小于70毫米。在熱處理的過程中，通過退火工藝，使化學(xué)成分均勻，并對(duì)機(jī)械性能有一定的改善，對(duì)于材料的內(nèi)應(yīng)力也可以減小甚至消除，得到珠光體類這合適的內(nèi)部組織。由于摩擦焊接較高加熱溫度會(huì)帶來(lái)極大的焊接應(yīng)力，因此焊接完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行退火處理，從而消除掉內(nèi)應(yīng)力，否則會(huì)產(chǎn)生焊接冷裂紋造成對(duì)石油鉆桿的破壞。保溫過程可以消除焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以及魏氏組織。另外退火處理可以使石油鉆桿的硬度降低，為后續(xù)的切削加工去除飛邊創(chuàng)造了良好條件。在進(jìn)行退火工藝時(shí)，應(yīng)注意對(duì)加熱溫度的控制，防止其過高或者過快冷卻，從而產(chǎn)生過燒、過熱、較高硬度等缺陷。淬火在熱處理中是最為重要的一道工序，對(duì)于焊縫強(qiáng)度以及硬度的提高有顯著的作用。淬火過程應(yīng)注意加熱溫度應(yīng)控制在臨界點(diǎn)上，從而得到奧氏體組織，隨后冷卻速度必須高于臨界的冷卻速度，從而得到較多的馬氏體。但由于淬火后生成的馬氏體組織硬脆性較大，并存在一定的內(nèi)應(yīng)力，因此在淬火后及時(shí)進(jìn)行回火處理，以防止裂紋的產(chǎn)生。通過高溫回火，既可以消除內(nèi)應(yīng)力又可以改善淬火組織，得到回火索氏體組織。通過三種熱處理方式的綜合運(yùn)用以及配合，使焊區(qū)的力學(xué)性能有效提高[2]。
3焊后熱處理工藝改進(jìn)
焊后熱處理的工藝是提高鉆桿沖擊韌性的較為有效的方式，經(jīng)過多年的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的累積以及相關(guān)的科學(xué)研究總結(jié)得出對(duì)焊后熱處理工藝改進(jìn)的方法。其中退火工藝也較明顯的影響摩擦焊接頭的沖擊韌性，并且對(duì)后續(xù)的車削外飛邊工作也提供了條件。而產(chǎn)生彎曲斷裂的主要原因是由于淬火馬氏體分解不徹底，存在比較多的殘留，因此，應(yīng)在回火處理中，提高回火的溫度以及回火保溫的時(shí)間，從而充分分解淬火馬氏體，達(dá)到降低強(qiáng)度提高塑性的目的。
4結(jié)語(yǔ)
綜上所述，為了使石油鉆桿更好的適應(yīng)在復(fù)雜地質(zhì)條件下工作，并實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)廢鉆桿的二次利用，采用摩擦焊以及熱處理的方式對(duì)石油鉆桿進(jìn)行修復(fù)可以有效地提高鉆桿的工作性能，并且有效地節(jié)約了企業(yè)進(jìn)行鉆井作業(yè)的成本，有極高的推廣價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
[1]姚進(jìn).石油鉆桿摩擦焊及熱處理工藝技術(shù)研究與應(yīng)用[D].大慶：東北石油大學(xué),2017.
[2]黃志敏,白淑媛.石油鉆桿摩擦焊工藝及質(zhì)量控制[J].化工管理,2017(6).
作者：張穎 遲林 單位：川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井總公司西安長(zhǎng)慶石油工具制造有限責(zé)任公司
