（电气工程专业论文）钻杆对焊自动找正及焊区热处理监控系统研究.pdf

钻杆对焊自动找正及焊区热处理监控系统研究 摘要 本论文针对国产钻杆摩擦焊机的特点，找出了影响摩擦焊接质量的关键因素， 在对摩擦焊接原理进行详细研究的基础上，优选了摩擦焊接参数：并详细分析了国 产摩擦焊机的找正机理，研制开发了基于8 0 c 1 9 6 单片机的锚杆对焊接头与管体自 动找正系统，该系统包括信号采集通道，单片机( 8 0 c 1 9 6 ) ，程序、数据存储器扩 展电路，并行i o 口接口电路，a d 、i n t 输入接口电路，控制执行装置，同时采 用了模块化软件设计方法，整个系统运行稳定、性能可靠，有效保证了钻杆焊接同 轴度。 为了有效保证新钻杆的热处理质量，减少人为因素的干扰，还对国产热处理设 备进行了详细分析，找出了影响热处理质量稳定性的主要原因，并针对这些影响因 素，对热处理设备进行自动化改造，研制了对焊钻杆热处理自动监控装置，该装置 采用三台西门子可编程控制器( p l c ) 分别对退火、淬火、回火三个工序的温度进 行现场闭环控制，另由台工控机进行远端生产管理，同时生产管理用的工控机与 另外三台p l c 进行联网，实现了整个对焊钻杆热处理生产的自动化操作。同时，针 对新钻杆热处理工艺的特点，设计了新型感应圈和冷却装置，优选了新钻杆热处理 参数，并通过一系列机械性能试验加以验证，有效保证了新钻杆的热处理质量。 通过对以上几方面的研究改进，极大提高了整个国产钻杆焊接和热处理生产线 的性能，在此基础上试焊了1 0 0 0 余吨新钻杆弗全部发往钻井现场使用，效果良好， 开创了利用国产设备焊接新钻杆的先河。 关键词：钻杆；摩擦焊接；自动找正系统；热处理；监控：自动控制 t h er e s e a r c ho f a u t o a d j u s t o rs y s t e m o f c o a x i a l i t ya n d a u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e mo fh e a tt r e a t m e n tf o rp r o d u c i n g d r i l l i n gp i p e s a b s t r a c t t h e k e y f a c t o rw h i c hi n f l u e n c e sq u a l i t yo ff r i c t i o nw e l dw a sf o u n d e da c c o r d i n gt o a n a l y z a t i o no ft h ec h a r a c t e ro ff r i c t i o nw e l d i n gm a c h i n et h a t m a d ei no u rc o u n t y t h e r e f o r e ，p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n so f f r i c t i o nw e l dw e r em a d eb a s e do nt h er e s e a r c ho f t h et h e o r ya b o u ti t a tt h es a m et i m e ，w ed e v e l o p e do n es e to fs y s t e m ，w h i c hc a nb eu s e d t oa d j u s tt h eh e i o a to f d r i l l i n gp i p eb o d ya c c o r d i n g t ot h a to f d r i l l i n gj o i n ta u t o m a t i c a l l y o nt h ew e l d i n gm a c h i n e t h es o f t w a r eo ft h i ss y s t e mw a sd e s i g n e di nt h em e t h o do f p r o g r a mm o d u l e a n dt h eh a r d w a r e p a r tw a sc o m p o s e do f s c m ( 8 0 c 1 9 6 ) ，i n t e r f a c e c i r c u i t f o ri n t i n p u ta n di o ，a d ，t h ep a s s a g ef o rs i g n a lc o l l e c t i o ne t c w h o l es y s t e m w o r k s w i t hg o o ds t a b i l i t ya n dd e p e n d a b l ef u n c t i o n ，a s s u r i n gt h ec o a x i a l i t yo fw e l d i n gd r i l l p i p e s i no r d e rt oi n s u r et h e q u a l i t y o fh e a tt r e a t m e n tf o rd r i l l p i p e sa n dr e d u c e t h e i n t e r f e r e n c eo fa r t i f i c i a lf a c t o r s ，w ea n a l y z e dh e a t - t r e a t m e n tm a c h i n et h a tm a d ei no u r c o u n t r ya n df o n n do u tt h em a i n r e a s o no fh e a t t r e a t m e n ts t a b i l i t y s ow e d e v e l o p e d o n es e t o f a p p a r a t u s ，w h i c hc a nm o n i t o rt h ep r o t e s so f h e a td r i l l i n gp i p ea u t o m a t i c a l l y , c h a n g e d o l dh e a t t r e a t m e n te q u i p m e n tt ob em o r ea u t o m a t i c i tw a sm a d eo ft h r e ep l c s ( m a d eb y s i e m e n s ) ，o n ei n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dw a sc o n n e c t e dw i t hc o m m u n i c a t i o nw i r e p l c s y q e r ei u d i v i d u a j f yu s e dt qc o n t r o lt h ep r o c e d u r eo fa r m e a l ，q u e n c h ，t e m p e rj u s to nt h e s p o t t h e i n d u s t r i a lc o m p u t e rd i ds o n ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n tw o r kf a ra w a y a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fh e a t - t r e a t m e n tf o rp r o d u c i n gn e wd r i l lp i p e s ，w ed e v e l o p e dan e w t y p eo fi n d u c t i o nh e a t i n ga n dc o o l i n ga p p a r a t u s w e a l s o o p t i m i z e dt h ep a r a m e t e r so f h e a t t r e a t m e n tf o rn e wd r i l l p i f l e s a n dg u a r a n t e e dh e a t t r e a t m e n t q u a n t i t yt h r o u g ht h e v e r i f i c a t i o no fas e r i e so f m e 幽a t t i c a le x p e r i m e n t s a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c ha n dm e n da b o v e ，t h ep e r f o r m a n c eo fw e l d i n ga n dh e a t i n g p r o d u c t i o nl i n ew a si m p r o v e dv a s t l y w ep r o d u c e da b o u t10 0 0m e t r i ct o n sn e wd r i l l i n g p i p ea n dg o tm a n ya p p r o v a l sf r o mu s e r s i ti n d i c a t e dt h a tw e w e r et h ef i r s tt op r o d u c e n e w d r i l l i n gp i p e sb y n a t i v ee q u i p m e n t s k e yw o r d s ：d r i l l i n gp i p e ；f r i c t i o nw e l d ；a u t oa d j u s t o rs y s t e mo fc o a x i a l i t y ；h e a t t r e a t m e n t ；s u p e r v i s i n g ；a u t o m a t i cc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些盔堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：匆匆签字日期：川年喀月j ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金b 墨王些态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权金蟹王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：如岛 签字日期：萨嘭年哆月罗日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 饼崆 签字日期：耖j 年争月哆目 电话 邮编 致谢 在本论文的完成过程中得到了合肥工业大学肖本贤教授的大力帮助和悉心指 导，同时得到了作者单位有关人员的大力支持，在此表示衷心地感谢。 在论文的完成过程中参阅了大量文献资料，对提供文献的单位和个人以及作者 一并表示谢意。 第一章前言 钻具是钴井工程中不可或缺的重要工具。至二十世纪9 0 年代初期，我国的石 油钻具绝大部分是从国外进口的。我国建国以来钻具的引进大致经过了两个阶段： 一是5 0 年代至6 0 年代初，进口钻具多数为r0 c t 标准系列，主要从前苏联、罗 马尼亚等国进口；二是6 0 年代后期开始进口a p i 系列钻具。目前各油田使用的钻 具中，r0 ct 系列已基本淘汰，绝大多数是由日本、美国、德国、法国等国进口 按a p i 标准制造的。 国产钻具经历了开发、试制和批量生产阶段。8 0 年代以来，参照和等效采用 a p i 标准，我国先后制定了一系列有关石油钻具的国家和行业标准。按照这些标准， 国内几个军工厂与油田现场相绔合，经过努力，开发制造的钻铤、加重钴杆已经批 量生产并投入现场使用。目前国内钻铤主要生产厂家为中原特殊钢厂、山西机床厂 和山西风雷机械厂。对于钻杆国内主要有河北青县的渤海能克、江苏曙光格兰特、 上海宝钢三个生产厂家。其中只有宝钢自己生产钻杆管体和接头并实行摩擦焊接， 而渤海能克和格兰特均从日本进口管体进行焊接，目前三家的年生产能力达到三万 吨。三家所用焊接和热处理设备全部为进口设备。 对于石油钻杆，主要由管体和接头两部分组成。钻杆接头以及接头和管体的连 接方式经过了不同的发展阶段，主要有老式接头、热压配合接头及对焊接头三个阶 段。老的接头型式主要有上扣接头、手工焊接接头和普罗听式( p r o t i n ) 或双卡紧 式接头。在普罗听式接头广泛采用的同时，瑞德( r e e d ) 牙轮钻头公司发明了热压 配合接头，其特点是接头的镗孔部分加工成直线的。在安装接头时，接头的镗孑l 部 分需要加热，用手将扣拧紧，冷却并在挤压机上把扣上紧。而对于对焊接头，早在 1 9 3 8 年，i 列光对焊接头就已介绍到石油工业中使用，后来逐步发展到摩擦对焊接头， 目前这种接头是a p i 标准中采用的唯一的接头型式。 摩擦焊是一种不需要填充金属、焊剂和气体的热压焊接方法。当今世界上新钻 杆制造厂几乎全部是用摩擦焊的方法把管体和接头对焊起来，如美国休斯公司、格 兰特公司、德国曼尼斯曼公司、日本钢管公司、新日铁公司、大同公司等都相继建 立了摩擦焊接生产线。我国各油田现场修复钻杆中的切头后，对焊新接头己全部改 用摩擦焊方法了。 我国各油田所用的焊接和热处理设备全部为国产设备，截止目前尚未有利用国 产设备焊接新钻杆的先例。而胜利油田自8 0 年代初便开始采用摩擦对焊方法来焊 接修复钻杆，但主要以焊接修复e 7 5 钢级钻杆为主，对于g 1 0 5 等高钢级钻杆也按 低钢级( e 7 5 ) 的性能要求进行焊接修复。针对当今6 1 0 5 钻杆使用量目益增多的趋势， 要求油田自己能够具备焊接6 1 0 5 钻杆的能力，特别是具有焊接6 1 0 5 新钻杆的能力。 如果油田自己能够焊接g 1 0 5 新钻杆，不仅可以节约大量用于购买新钻杆的资金， 还可以大大降低钻井成本。 由于多年来胜利油圈一直从事旧钻杆的修复焊接，在钻杆对焊和热处理工艺上 具有一定的经验，但是焊接新钻杆与焊接修复旧钻杆的性能要求不同，因此需要对 焊接和热处理工艺参数进行重新研究、制定；同时，由于所用国产c 1 2 0 一a 摩擦焊 机长期以来直存在着钻杆对焊接头与管体中心对中偏差较大的问题，影响着钻杆 对焊质量。过去对焊钻杆找正是通过操作手动按钮来调节动夹具的上下运动，用眼 看手摸来检验接头和管体的偏差进行对中。这样不仅造成人员和时间上的浪费，而 且效率低下，对中质量难以保证，不能满足市场经济条件下高质量、高效益、自动 化批量生产的需要。为了提高对焊钻杆的焊接质量，保证为井队提供优质钻杆，需 要研制钻杆对焊接头与管体自动找正装置。 另外，要焊接新钻杆，焊接和热处理设备的性能必须稳定而可靠。而胜利油田 所用的热处理设备是在八十年代土法上马的设备，所有的操作全部为人工手动操 作，并且没有钻杆加热状态监测装置。该热处理设备主要存在以下缺点： 1 由于所有操作均为人工操作，热处理过程中各项参数受人为因素影响较大， 这样容易造成热处理性能不稳定，影响钻杆最终质量。 2 感应圈制作不规范，结构不合理，影响热处理效果。 3 ，喷雾圈使用时间过长，喷雾冷却能力下降，影响冷却效果。 4 热处理小车定位不精确，热处理操作过程中难以精确对准焊缝进行热处理， 影响焊缝区的热处理质量。 5 原中频结构复杂、技术落后，易发生故障且不宜排除，严重影响生产效率。 6 钻杆驱动采用端部驱动方式，对钻杆直线度要求过高。 以上缺点严重影响热处理质量和生产效率，无法满足焊接新钻杆的生产需要。 本课题针对上述问题，结合油田自己使用的国产连续驱动摩擦焊机和热处理设 备的特点，经过大量研究和试验，确定了由1 2 7 m m g l 0 5 新钻杆焊接和热处理工艺及 参数，研制了钻杆对焊接头与管体自动找正装置和对焊钻杆热处理自动监控装置， 从而有效保证了新钻杆焊接生产质量，开创了利用国产设备焊接新钻杆的先河。 第二章钻杆焊接及热处理工艺技术研究 在现代石油钻井过程中，钻杆受力十分复杂，主要承受拉伸、压缩、弯曲、扭 转等多种载荷的综合作用。随着当今钻井技术的迅猛发展，定向井、水平井、大位 移井、超深井日益增多，钻杆受力更加恶劣，加之钻井液腐蚀等其它因素的综合作 用，往往导致钻杆发生断裂刺穿失效。 根据资料统计，钻杆断裂刺穿失效的多发部位是：钻杆接头螺纹、钻杆9 q 。吊 卡台肩与管体接合部位、钻杆加厚过渡区消失处以及钻杆摩擦焊接热影响区。钻杆 摩擦焊接焊缝区断裂失效的类型主要是疲劳断裂、低应力脆性断裂、应力腐蚀断裂 和过载断裂，其中焊缝区的低应力脆性断裂比较常见。 对于摩擦焊接钻杆，其发生失效的主要原因是焊接区韧性降低和焊后热处理的 热影响区边界强度下降所造成的。针对这两种情况，传统的解释认为一是焊后近焊 缝区得到的是不均匀、不完全的淬硬组织；二是摩擦焊工艺本身使近焊缝区发生了 激烈形变，金属流线沿着近似阿基米德螺旋轨迹改变，与母材相比，由纵向分布变 为近似于横向分布，重新分布的纤维组织因其各向异性导致焊合区的韧性比母材有 较大的降低，当杂质含量尤其硫化物较多时相差会更大。此外，由于在摩撩焊的热 机械条件处理下，钻杆摩擦焊接区存在着不同程度的内应力以及产生诸如过热脆性 和马氏体转变脆性等焊接脆化现象，从而造成焊接区在焊态下的组织和性能难以达 到要求，所以必需对焊后钻杆的焊接区进行热处理，以消除应力、改善组织、提高 性能。因此摩擦焊和焊后热处理过程是实现高强度钻杆焊接区强韧性能的重要环 节。 近年来，国内有关泊刚、高校、研究院所针对钻杆焊接区强韧性能控制方面存 在的问题进行了不同层次、不同深度和广度的研究，现将研究现状分别进行综述。 2 。1 摩擦焊接工艺的研究发展状况 高强度钻杆摩擦焊接区塑性和韧性降低的原因，除与焊后热处理质量控制水平 有关外，还与摩擦焊接质量控制水平直接相关。摩擦焊接过程出现的诸如：1 ) 焊接 区中存在的灰斑缺陷；2 ) 焊合区存在的大量外来夹杂物；3 ) 摩擦焊塑流区中形成的 金属纤维组织( 流线) 等焊接缺陷将大大降低接头性能。此外，在摩擦焊热机械作用 下还可能产e 过热脆性、马氏体转变脆性等焊接脆化现象，以及在焊缝和塑流区中 形成粗大的长条状非命属夹杂物也是影响接头韧性的重要原因。 钻杆管体和钻杆接头经摩擦焊接后，通常不经正火或调质之类的预备热处理， 即以焊态组织作为原始组织直接进行后续的感应加热淬火。由于感应加热条件下原 始组织对奥氏体的形成速度、起始晶粒的大小及其均匀性，以及淬火马氏体的形态 和性能等都具有重要的影响。因此对钻杆摩擦焊接头焊态组织要加以控制，其主要 目的是获得尽可能细的组织，防止因过热而粗化，同时还可在一定程度上防止因奥 氏体成分不均匀促使孪晶马氏体的形成，以及淬火裂纹的发生。 有关人员针对摩擦焊接区“灰斑”缺陷的形成机制的断裂行为，以及焊接区金 属纤维组织对其强韧性能的影响进行了研究。焊接区灰斑缺陷在断口上主要表现为 少塑性变形的平坦区，微观上看，“灰斑”是以焊接区中破碎或未破碎的夹杂物与 基体金属的界面为空穴形成核心，在外力作用下不断扩展，最终聚合形成密集细小 的浅韧窝。这种微观上的细小密集浅韧窝型断裂特征，宏观上表现为脆性断裂。普 遍认为，摩擦焊合区的灰斑夹杂物大多为氧化物，其类型和性质由钢材本身的化学 成分和冶金状况所决定，与焊接工艺条件无关，但焊接接头中出现的“灰斑”等弱 结合缺陷与焊前接头准备质量和焊接参数选择有关。焊接端面清理不当，原端面夹 杂物在轴向应力和摩擦扭矩的共同作用下，随摩擦粘着一剪切一体积塑变等微观过 程的进行，被引入到高温粘塑性金属层中，并以夹杂物的形式分布于焊接区，在随 后的摩擦变形过程中不断破碎、细化，随高温粘塑性金属的径向流动被挤入飞边。 因此，微观上的夹杂物间距受控于焊接参数匹配和焊前接头准备质量。采用钻杆摩 擦界面污物清除率公式可以将摩擦焊接工艺与焊接缺陷控制联系起来，在预估焊接 参数方面具有一定的应用价值，其表达式为： n = 卜( 1 - s f k f ) 2 e “2 “ 其中：n 一界面污物自清除率： s r 一摩擦变形量； s f - 顶锻变形量； h 。一摩擦变形塑性区宽度； h 。广顶锻变形起始时刻塑性区宽度。 可见，钻杆摩擦焊接过程中界面污物自清除率与摩擦变形量、顶锻变形量、摩 擦变形塑性区宽度和顶锻变形起始时亥6 塑性区宽度之间存在函数关系，对钻杆摩擦 焊接而言，只要r l 达到9 6 ，即可防止接头出现“灰斑”缺陷。 摩擦焊接区中灰斑缺陷对断裂机理的影响的研究结果表明，在载荷作用下，夹 杂物与基体的界面空穴为高应力集中区，因而裂纹总是沿氧化物与基体的界面萌 生。断口金相分析表明，灰斑缺陷对裂纹扩展的阻力很小，起着裂纹扩展通道的作 用；在裂纹扩展后期和瞬断区灰斑比较明显，而且其断裂寿命与灰斑的存在与否关 系很大；另外，灰斑对材料性能也有较大的影响，这不仅取决于灰斑面积，同时取 决于灰斑区夹杂物的数量、分布状态和存在位置等，而且与基体的组织状态和强韧 性能也有很大关系。此外，随着钻杆构件使用应力或强度的增加，钻杆构件的疲劳 寿命对灰斑缺陷的敏感性增加。 有学者通过研究摩擦焊接头弱结合界面的断口形貌形成机理，采用平均法测定 了正常断口和异常断口断裂表面上夹杂物的有效体积分数，分析了弱结合区的常规 断裂力学行为，为摩擦焊缝中灰斑缺陷控制提供了理论依据。 4 钻杆母材中存在的杂质、化合物和铸造结晶时的偏析等在摩擦焊接过程热机械 作用下，会在焊接表面沿焊接热塑性主变形方向形成平行于焊缝的纤维组织，这是 摩擦焊接本身的固有缺点，它使焊接区力学性能在不同方向上出现明显的差异，使 横向性能特别是韧性指标降低。试验表明，通过对钻杆母材的“纯化”控制和焊接 热塑性变形程度( 即轴向缩短量) 的控制，可在一定程度上对金属流线的分布状态进 行控制，并减轻其对横向性能带来的不良影响。 国外资料研究表明，摩擦焊接过程中压力与钻杆疲劳强度有着密切的关系。在 顶锻压力小时，疲劳强度稍有降低，增大顶锻压力，焊接区疲劳强度稍有增大，而 抗拉强度基本不受顶锻压力的影响；当顶锻压力合适时，焊接区疲劳强度可达到母 材水平。此外该文献研究了摩擦焊接头疲劳强度与抗拉强度的关系，认为由于焊接 规范不同时，焊接区疲劳强度有些差别，但疲劳强度有随抗拉强度成比例增加的趋 势、疲劳强度与抗拉强度的比值在0 4 3 0 5 0 范围内。 为提高钻杆摩擦焊接区力学性能，在焊接工艺中可采取以下主要措施：1 ) 确保 摩擦焊焊前的清理质量，尽可能减轻它们对摩擦焊接头塑流区的污染和外来非金属 夹杂物的数量；2 ) 适当增大顶锻焊接阶段的顶锻压力，即锻压比，以期碎化可能存 在于塑流区中的较粗大的非金属夹杂物，减小其尺寸，并使之呈弥散分布状态，同 时可通过飞边金属的高速塑性流动，将存在于塑性区中的非金属夹杂物挤出，使钻 杆摩擦焊接头塑流区得到一定程度的“纯化”处理。 针对石油钻杆摩擦焊接过程质量可靠性保证的要求，国内许多单位相继开展了 摩擦焊接过程控制技术的研究工作，如采用计算机闭环控制技术或单片机自校正控 制技术来获得高性能和高可靠性的摩擦焊接头。目前国内有关单位研制开发了摩擦 焊接参数计算机实时检测与闭环控制系统，该系统与经技术改造的c 1 2 0 型钻杆摩 擦焊机联机投运，实现了g 1 0 5 高强度钻杆摩擦压力和顶锻压力的恒压控制，以及 摩擦加热阶段的恒变形量和恒变形速度控制，并采用s m i t h 预估算法，对轴向压力 和变形速度进行p i d 调节。实践考核表明，该系统具有良好的抗干扰能力和控制稳 定性，能获得较好的控制效果。 2 2 焊后热处理工艺的研究发展状况 钻杆摩擦焊接头热处理，美国休斯公司采用了所谓“t u f w e l d ”法，实际是采 用中频感应加热淬火，然后工频感应加热回火。e 级钴杆的热处理方式通常为正火 十高温回火；x 级，g 级和s 级钻杆则为淬火十高温回火，以期获得满意的接头性 能。 早期淬火介质及冷却方式多采用高压气流冷却( 即气流淬火) ，由于这种淬火冷 却方式的冷却强度不足，难以获得淬火马氏体组织，实际上仍是一个正火过程。随 后出现了介质喷雾冷却( 即喷雾淬火) 方式，实践表明，喷雾淬火的冷却强度和均匀 性都较气流淬火为优，但因受其冷却强度的限制，难以获得沿钻杆截面整体淬透的 5 效果。为获得足够大的冷却强度和均匀的冷却效果，并使钻杆沿壁厚方向淬透，采 用了水介质喷射冷却( 即喷射淬火) 的冷却方式，钻杆钢管内外表面同时冷却。在采 用水介质进行喷射淬火的情况下，还要对水压、水量、水温、喷水角度、钻杆转速 度等提出较严格的要求。 关于淬火和回火加热，以及淬火冷却的方式，对g 1 0 5 钻杆来说，国外石油钻 杆制造厂都认为应采用感应加热器中加热，水介质压力喷射淬火十感应加热高温回 火热处理工艺，是目前世界上公认的一种较先进的焊接钻杆热处理工艺。 淬火感应加热采用的电源频率多为中频( 1 0 0 0 、1 5 0 0 、2 5 0 0 赫) ，西德 m a n n e s c h m a n n 公司的热处理特点是，淬火、回火加热均采用2 0 0 0 h z 中频。为了使 钻杆全长上的壁厚和头尾部都能获得均匀加热，尚可采用双频( 1 8 0 赫及1 0 0 0 赫) 。 回火加热采用中频或工频，工频加热可以进一步增强回火的效果。淬火加热的奥氏 体化温度主要取决于钻杆管材的化学成分和加热速度，一般选在9 0 0 左右，回火 温度选用较高，一般控制在6 5 0 左右。 摩擦焊接钻杆热处理温度控制的准确性主要取决于感应加热温度测量的准确 性。感应加热温度大多采用非接触式测量方法，使用的测温仪器以辐射高温计、红 外线高温计居多。有的焊接钻杆制造厂，如美国休斯公司远东分公司，为检测和校 准钻杆回火热处理所规定的温度，还采用了示温涂料的测温方法。国内各有关油田 均采用非接触光学测温的方法来检测钻杆焊接区感应热处理时钻杆表面的温度，以 便调整电源的规范参数，监视和评定热处理过程的状态。 在采用可控硅中频电源作为感应加热电源的情况下，为实现控制温度的目的， 根据被调量的不同，有三种方案，即：温度自动调节系统；电压调节系统；功率调 节系统。其中通常以温度为被调量，故以温度作为反馈信号的温度闭环控制系统是 最为直接的，同时也是较为先进的控温技术。 目前，国外熟处理温度的控制普遍采用p i d 微机控制，这是一种用微型计算机 实现p i d 控制规律的控制方法，温度的波动范围很窄，可以窄化到l 或2 的 范围内。淬火、回火工艺参数由微机控制，并根据管材实际化学成分，由微机自动 精确调整，从而得到最佳的淬火、回火工艺参数。 随着计算机技术的发展，应用计算机可以实现热处理温度的集中或分散的分级 控制。如：日本川崎钢铁公司的感应热处理生产线，其加热温度的控制就是由许多 辐射高温计进行监测，并传送到控制中心的计算机来完成的。此外，水温控制也要 求相当严格；在要求更高的情况下，水量应根据水温来控制。 国外焊接钻杆的生产实践表明，在钻杆管材含碳量过高、淬硬性过强、冶金质 量过差( 如粗大的非金属夹杂物、晶粒过粗等) ，以及淬火工艺控制不当( 如淬火温 度过高、冷却过强或不匀均等) 的情况下，钻杆断面上常常会产生淬火裂纹。因此， 焊后可预先进行一次去应力退火，温度控制在6 0 0 6 5 0 为宜；同时必须强化淬火 工艺控制，使终冷温度高于i 0 0 ；此外，对钻杆管材冶金质量进行控制，并对钻 杆管体和工具接头的表面损伤予以严格检查，从而防止淬火裂纹的发生。 在高强度钻杆焊后热处理工艺中的另个问题是管体或钻杆接头母材的失强 软化现象，即在钻杆摩擦焊接头沿轴向的硬度和强度分布曲线上，出现了与失强软 化区位置相对应的低硬度和低强度的“谷点”，从而限制了焊接接头强度的充分利 用。研究表明，由于钻杆管体和钻杆接头原始热处理状态不同，软化区的温度范围 和软化程度也有很大差别。原来回火温度愈低，软化区的温度范围就越大，相对于 母材的软化程度也愈大；反之，原来回火温度愈高，软化的温度区间就愈小，软化 程度也愈小。 目前，各国在焊后普遍采用对焊接接头进行局部调质热处理来提高韧性，但这 样会部分损失焊接区强度，并且调质后在接头两侧热处理的影响区边缘又产生强度 低谷。摩擦焊接过程是一个伴随有摩擦加热、高温形变及连续冷却的热力循环过程， 在高温形变与相变过程中形成的摩擦焊接头中，形变和相变的双重影响是肯定的， 在当前国内外普遍应用的焊后常规热处理中，摩擦焊的形变区所能提供的使焊接区 强韧化的作用非但没有加以利用，而且由于焊后空冷乃至焊接区重新淬火加热的软 化过程使形变作用消失殆尽，所以这种常规方法在提高焊接区韧性的能力上受到限 制。因此，可采用形变热处理技术或称焊接余热处理技术，来进一步提高钻杆焊接 区强韧性能。 摩擦焊接区形变热处理技术的实质是及时通过相变把摩擦焊形变所引起的大 量位错牢固地钉扎起来，从而获得高强度高韧性的结合，而焊后只作回火处理。试 验证明，这不仅保留了摩擦焊接过程中形成的形变区，并避免了焊后热处理时产生 的热影响区，在很宽的参数范围内都能收到显著提高焊接接头韧性的效果。所以， 摩擦焊接形变热处理工艺可以在不降低焊接接头强度的前提下，使其韧性接近或达 到调质母材韧性的水平。 在钻杆管体制造中，采用形变强化与相变强化结合的形变热处理工艺，其中包 括高温形变淬火、高温形变贝氏体处理等，这种先进的热处理方法使钻杆具有了更 高的强度、塑性、韧性和最佳的力学性能组合。 目前，除胜利油田外，国内其它油田全部是焊接修复低钢级钻杆，且摩擦焊工 艺的开展状况均不如胜利油田好。 2 3 钴杆对焊工艺研究 2 3 1 摩擦焊机简介 自从对焊钻杆开始应用以来，钻杆的焊接方法主要经历了手工对焊、闪光对焊 和摩擦对焊三个阶段，目前世界各国广泛采用的是摩擦对焊的方法。但是各国所采 用的焊接工艺和焊接设备却不尽相同。 对于焊接工艺和设备，主要调研了美国和日本几个钻杆生产厂家及国内各大油 田钻杆焊接情况。国外各厂家全部是焊接生产新钻杆，主要使用的摩擦焊机型号为 美国的m o d e l 系列和日本的w f 系列，多数为连续驱动式摩擦焊机，部分为惯性摩 擦焊机。国内各大油田使用的摩擦焊机为c 1 2 0 一a 和太重i i 型两种类型，其中长春 产c 1 2 0 一a 占多数，这两种焊机均为连续驱动式。我们国内生产的焊机，从保证高 而稳的焊接质量、工作平稳无噪音、无机震、结构简单、维修和操作方便等方面考 虑，均比不上国外焊机，但从生产需要上看，还是能够满足要求的。 国产c 1 2 0 - a 摩擦焊机可以焊接直径为7 3 1 4 0 m m 、长度为8 一1 2 5 m 的石油钻 杆，也可用于其它行业零件的焊接。该机由主机、接头上料装置、钻杆上下料装置、 液压系统和电气系统组成。 主机由床身1 、主轴2 、滑台3 、控制装置4 、传动装置5 等主要零部件组成， 如图2 1 所示。 a 向 图2 - 1c 1 2 0 a 摩擦焊机主机结构简图 传动装置通过三角皮带带动主机上的主轴，从而带动焊件( 接头) 旋转，滑台 上装有滑动夹具用于夹紧另一焊件( 钻杆) ，借助子安装在主轴箱上的顶锻油缸的 带动，滑台可沿床身的导轨做往复运动，并进行摩擦和顶锻。 主轴箱的功用是带动钻杆接头旋转和刹车及冲内飞边，并由装在其箱上的顶锻 油缸带动滑台移动进行摩擦和顶锻加压。 主轴箱主要由箱体i 、顶锻油缸2 、旋转夹具3 、平衡油缸4 、皮带轮5 、离合 器6 、回转给油器9 、制动座7 和刹车油缸8 以及主轴、轴承等零部件组成，如图 2 2 所示。 旋转夹其用于夹紧钻杆接头，其工作原理是由装于法兰上油缸里的活塞带动五 个楔形卡爪沿斜面做往复运动，从而将工件夹紧和松开。 油缸的供油是通过安装在主轴后端的回转给油器，经主轴上的油孔实现的。焊 机备有各种规格的楔形卡爪，焊接不同规格的钻杆时，可更换相应的卡爪，卡爪上 有号码，注意对号入座。 主轴的旋转与停止借助于离合器实现。离合器采用圆锥形离合器，由装于制动 座上的油缸8 带动离合器沿花键套往复运动，当离合器和皮带轮接合时，主轴转动； 当离合器和皮带轮脱开而与制动座接合时，主轴被制动。 图2 - 2 摩擦焊机主轴箱结构示意图 图2 - 3 平衡油缸作用示意图 两个顶锻油缸分装在主轴两侧，缸体通过半圆键与箱体联接，顶锻缸工作压力 最高1 5 7 m p a ，摩擦和顶锻压力由装于主轴箱内两个推力向心球面滚子轴承9 0 3 9 4 4 0 9 承受。为使两轴承负荷相等，加装了平衡油缸。如图2 3 所示，平衡油缸后腔面积 f l 等于顶锻油缸前腔面积f 1 ，平衡油缸前腔面积f 2 等于顶锻油缸后腔面积f 2 ， 而在油路联接上，顶锻缸的前腔与平衡缸后腔连通，顶锻缸的后腔与平衡缸前腔连 通，这样当两个顶锻缸施加摩擦和顶锻压力2 p 时，平衡油缸即以相当于一个顶锻 油缸的力量p 向前推进，此力作用于后止推轴承上。由力的平衡原理可知，前止推 轴承必然也承受一p 力，因此两推力轴承受力相等。装配时，通过螺母将两止推轴 承预紧。 图2 - 4 焊机滑台结构不惫图 滑台由滑台体l 、夹紧装置2 、对中调正油缸3 、锁紧油缸4 和刀架5 等组成， 如图2 4 所示。其工作原理是夹紧缸的活塞由m 3 6 螺钉与下夹头联接，缸体通过4 个m 6 4 螺栓与上夹头联接，当缸体下油腔进入压力油时，缸体下降活塞上升，从而 带动上下夹头，抱合夹紧钻杆。夹紧后为使钻杆中心与主轴同心，通常做法是按下 述两种情况调整：当一批钻杆外径相差不太时，可调节对中油缸活塞杆上端的调节 螺母达到同心。即装卡第一根钻杆后，使对中油缸活塞杆下落到调节螺母紧靠油缸 上端面的下限位罱，这时若钻杆中心低于主轴中心，可正方向旋转调节螺母，将钻 杆上提；若钻杆中心高于主轴中心，可反方向旋转调节螺母，使钻杼下降，调至与 主轴同心后将调节螺母锁死，这样每次夹紧后，对中油缸都自动降到下极限位置， 1 0 从而保证钻杆与主轴同心；当一批钻杆外径相差悬殊时，可用调节螺母调节，使每 次夹紧后钻杆中心低于主轴中心几毫米，然后用对中油缸调其同心。 上述对中方法是通过操作手动按钮来调节动夹具的上下运动，完全依靠人工用 眼看手摸的方法来检验接头和管体的偏差进行对中，一直存在着钻杆对焊接头与管 体中心对中偏差较大的问题，影响着钻杆对焊质量。这样不仅造成人员和时间上的 浪费，而且效率低下，对中质量难以保证，不能满足高质量、高效益、自动化批量 生产的需要。 为了提高对焊钻杆的焊接质量，保证为井队提供优质钻杆，经过反复调研论证， 设计开发了钻杆对焊接头与管体自动找正装置。 另外，由于国产焊机与国外焊机的结构性能均存在较大差异，无法照搬国外焊 接工艺参数：并且国内也无成熟经验可以借鉴，因此对g 1 0 5 新钻杆焊接参数做了 大量研究和试验。 2 3 2 摩擦焊接原理 钻杆摩擦焊接原理就是利用钻杆接头与管体在定摩擦压力下相对旋转产生 的热量将摩擦接触表面加热到很高的温度( 约1 2 0 0 1 3 0 0 。c ) ，使金属处于热塑状 态，然后施加一定的顶锻力。由于接头和管体焊接面上的原予互相渗透、扩散再结 晶，形成一个具有一定厚度金属相互镶嵌的空间结构的坚固结合面。其焊接基本过 程如图2 - 5 所示。 摩擦焊接过程可分为摩擦加热过程和顶锻过程两部分，前一部分可分为四个阶 段，后一过程可分为两个阶段，分别为：1 ) 初始摩擦阶段( t ) ，2 ) 不稳定摩擦阶段 ( t z ) ，3 ) 稳定摩擦加热阶段( t 。) ，4 ) 停车阶段( t 。) ，5 ) 顶锻阶段( t ；) ，6 ) 顶锻维持阶 段( t 。) 一保压阶段( 如图2 6 所示) 。 e 二三e 三i ：三三三三三三三三出髓 ( d ) 图2 - 5 钻杆与接头摩擦对焊过程 ( a ) 工件旋转；( b ) 不旋转的钻杆前进与旋转的接头接触并施加摩擦压力： ( c ) 加热阶段。在规定的时间内保持压力和旋转；( d ) 顶锻阶段。停l t 转动施加顶锻压力并保 持一段时间。 l融，：l。，矿 ；一 所1 一 渺一一 o 书0 鞲 il ； 。 ! 廿 。；，。l挂 、 ，| _ 图2 - 6 摩擦焊接备参数曲线 n 一接头旋转；n 摩擦加热功率：p - 一摩擦压力；p 2 一顶锻压力：t 一摩擦时间；1 ：一摩擦位移 量：a1z 一顶锻变形量；n 。一摩擦加热峰值：t r 一名义摩擦时间：t “一实际摩擦时间；t u - 顶锻时间 各阶段特点如下： 1 ) 初始摩擦阶段( t 。) 从接头与管体开始接触的a 点起，到摩擦加热功率显著增大的b 点止。由于摩 擦压力逐渐增大加之工件摩擦表面不平以及存在氧化膜、铁锈、油污、灰尘和吸附 的一些气体，摩擦系数很小，摩擦加热功率缓慢增加。同时，摩擦变形量逐渐增加， 最后摩擦表面温度升高到2 0 0 3 0 0 。c 左右。 2 ) 不稳定摩擦阶段( t ：) 从b 点起，越过功率峰值c 点到功率稳定值d 点止。在这一阶段中，开始时由 于摩擦压力增大，摩擦破坏了焊接金属表面，使纯净的金属接触。当焊接表面随摩 擦而温度升高时，金属强度下降不大，而塑性和韧性有很大提高。同时焊接表面的 真实接触面积增大。这些因素都促使摩擦系数增大，摩擦加热功率迅速增高，而强 度和韧性大大下降，摩擦加热功率迅速达到稳定点d 。因此在c 点出现了一个极大 值n 摩擦表面温度由2 0 0 3 0 0 。c 升高到1 i 0 0 1 3 0 0 。c 。功率极值出现在6 0 0 7 0 0 左右。 不稳定加热阶段是摩擦加热过程的一个主要阶段，在这一过程中，摩擦变形量 不断增大，并以飞边的形式出现。 3 ) 稳定摩擦加热阶段( t 。) 从d 点起到接头形成最佳温度分布的e 点为止。这里的e 点和钻杆接头开始停 止旋转的e 点和顶锻力开始上升的f 点，以及顶锻变形的开始点，它们在时间上 是重合的。在稳定摩擦阶段中，各焊接工艺参数的变化趋于稳定。只有摩擦变形量 增大，飞边增大，接头的热影响区变宽。e 点的具体位黄是根据焊接工艺要求确定 的。这一阶段也是摩擦加热过程的一个重要阶段。 4 ) 停车阶段( t 。) 从主轴和工件一起开始减速的e 点起，到主轴停止转动的g 点止。虽然选定 的名义摩擦时间是从a 点开始，到e ( 或e ) 结束，即t r = t + t t a 。但实际的摩擦 加热时间是从a 点开始，到g 点结束。即t h = t ，+ t z + t 3 + t 。 e 点、e 点和f 点是重合的，尽管顶锻压力是从f 点开始施加，但在g 以前 的压力实际上还是属于摩擦压力。可是由于轴向压力的增大，接头的摩擦扭矩增大， 高温金属被大量挤出，变形量增大，因此，刹车阶段仍有顶锻焊接过程的特点，将 直接影响焊接的质量，还应深入进行研究，以确定刹车时间。 5 ) 纯顶锻时间( t 。) 从主轴停止转动的g ( g ) 点开始，到顶锻力上升到最大值h 点止。足够大的顶 锻压力，以及由此引起足够大的顶锻变形量和顶锻速度是保证焊接质量的关键。 6 ) 顶锻维持阶段( t 。) 一保压阶段 从顶锻压力的h 点起，到焊接部位冷却到规定值以下的i 点为止。实际顶锻时 间t 。= t 5 + t 。名义顶锻时间为t 4 + t t 。计算顶锻时间通常用t 4 + t j 。这里和摩擦压力 p 、顶锻压力p ：相对应的轴向变形量，是摩擦变形量l 。和顶锻变形量l 。之和。 而通常计算的平均摩擦变形速度为1 t t ，平均顶锻速度为l ：( t 4 + t 5 ) 。 2 3 3 钻杆焊接工艺参数的优选 2 3 3 1 工艺参数对焊接质量的影响 在摩擦焊接过程中，各工艺参数的选择恰当与否直接影响着焊接质量。这是因 为在焊接过程中，接触面高速摩擦所形成的塑性变形层不仅仅是热源，还直接影响 着摩擦加热过程，而且这个变形层的厚度、温度、氧化情况及其邻近的高温区以及 它们在顶锻后的状态将直接决定着焊缝的质量。焊接工艺选择不同就会有不同的高 速摩擦塑性变形层，所以要保证焊接高质量的钻杆，就必须合理优选焊接参数。因 此就焊接参数对焊接质量的影响进行了仔细分析研究。 1 ) 主轴转速和功率。 主机转速代表着工件摩擦的线速度。转速越高，焊缝的温度才越高；扭矩越低， 塑性变形层越薄。摩擦速度小，接头飞边小而对称，变形层金属越易氧化。转速低， 变形层厚，塑性区扩大，变形层中的高温金属非常容易流出摩擦面以外，形成不对 称的肥大飞边。 因此，石油钻杆摩擦焊有一个摩擦线速度的界限。低于此速度，难以达到预定 的摩擦温度：转速过高，金属可能过热。根据试验，一般取3 3 3 m s 较合适。 按此线速度，国内外的石油钻杆摩擦焊机的主轴转速一般定在8 ，3 转秒，对于 c 1 2 0 一a 摩擦焊机，根据大量试验，转速一般选在9 6 转秒。一旦选定了焊机，主 轴转速就固定下来了，所以这一参数在焊接中是不可调的。 主机功率应满足摩擦加热的需要，根据实测和经验，一般单位焊接面积耗功为 1 2 1 4 w m r a 3 。 2 ) 摩擦压力。 摩擦压力的大小将直接影响摩擦扭矩、摩擦加热功率、摩擦面的温度和焊缝区 的温度分布以及变形层的厚度。 为了保证产生足够大的摩擦加热功率和使焊接表面的金属全面接触，摩擦压力 不能太小。当摩擦压力增大时，摩擦扭矩将增大，摩擦加热功率升高，摩擦变形速 度增大，塑性变形层加厚，深塑区增宽并向外圆移动，形成粗大而不对称的飞边， 焊缝区的温度梯度大，变形层金属不易氧化。在实际焊接过程中，摩擦压力通常是 一个常数。为了减小峰值功率，应采用两级加压方式。这是因为当摩擦压力很大， 开始时工件刚接触还没达到塑性时，扭矩很大，摩擦功率大于主机功率时，会造成 “闷车”。采取两级加压可以在开始选摩擦压力小些，第二级摩擦压力选大些。即 使如此，当第一级摩擦压力选择不当时，仍可能出现“闷车”现象。 摩擦压力和一定