（材料加工工程专业论文）超短半径水平井生产管全位置焊接技术打底焊工艺的研究.pdf

论文题目：超短半径水平井生产管全位置焊接技术打底焊工艺的研究 专业：材料加工工程 硕士生：翼运涛( 签名) 墨盛羞 指导教师：石凯( 签名) 殛趣 摘要 超短半径水平井系统( 简称u r r s ) 是一种新型的钻采方法，特别适合于我国东部4 万余口老井的单井增产、老井重入、提高采收率。在u r r s 中，生产管扮演着十分重要的 角色，使得“生产管的选材及其焊接技术”成为u r r s 内容中的关键技术之一。u r r s 生 产管及其焊接技术经过十几年的研究，已经可以用手工半自动化焊接方法完成生产管的现 场焊接。但是由于该方法存在着一些不足，如对焊接操作人员的技能水平要求特别高，需 要进一步改迸。 在此背景下，本文以u r r s 生产管为研究对象，采用全位置脉冲t i g 焊方法及单面焊 双面成形技术，进行了生产管全位置自动化焊接技术的研究和探讨。本文首先分析了生产 管手工半自动焊方法的工艺规范，找出了保证焊缝成形的关键参数及各参数间的相互关 系。然后采用德国0 r b i b a t i g 全位置管焊机，通过多组正交试验和单参数试验，找出了 工艺参数对焊缝成形的影响规律，最终确定了生产管全位置自动焊方法的工艺规范。最后， 通过金相试验及力学性能试验等手段对焊接接头的质量性能作了综合评定，优化了焊接工 艺参数。 研究结果表明，设计坡口时应尽量避免最小电压原理的影响，否则会出现焊缝内成形 下凹等缺陷。在脉冲t i g 焊中，脉冲电流、坡口钝边、脉宽比及脉冲持续时间是影响焊缝 成形的关键参数，其中脉冲电流的影响最为敏感。通过曲线拟合，回归出了脉冲电流与钝 边、壁厚之间的关系方程式。研究同时表明，在全位置焊接时，起弧位置放在1 ：3 0 处较好， 焊接区段的划分以5 7 段为宜，并且从第一区开始脉冲电流按1 0 0 ，9 8 ，9 3 ，9 5 的比例进行设置，较容易控制焊缝成形。这些理论将对同种焊接方法下，各类管子的全位 置焊接有指导意义。 关键词：超短半径水平井生产管全位置脉冲t i g 焊焊接工艺 论文类型：应用研究 ( 本文得到中国石油天然气集团公司“十五”科技发展计划重点科研项目( 9 1 0 5 0 2 2 ) 研究 资金的资助) s u b j e c t ： a s t u d yo nt h ef u l l - p o s i t i o na u t o m a t i cb a c k i n gw e l d i n go ft h eu l t r a s h o r t - r a d i u sr a d i a ls y s t e m s p e c i a l t y ： n a m e ： l n s t i u c t o r ： a b s t r c a r t h eu l t r as h o r t r a d i u sr a d i a ls y s t e mi san e wm e t h o do fd r i l l i n ga n d e x p l o i t i n g i t e s p e c i a l l ys u i t sf o rt h ef o 啊t h o u s a n dw e l l si no u rc o u n t r y , i m p r o v i n gt h eo u t p u to f s e p a r a t ew e l l r e u s i n go ft h eu s e dw e l l sa n di m p r o v i n gt h er a t e i nt h ew h o l ew o r k i n gs y s t e mo fu r r s ，t h e p r o d u c i n gp i p ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l e ，a n dm a k e st h e “c h o o s i n go f m a t e r i a la n dw e l d i n gs k i l l s o f p r o d u c i n gp i p e ”o n e o f t h e k e y s n l l so f t h eu r r s a f t e rm o r et h a nt e n s r e s e a r c h ，t h eu r r s p r o d u c i n gp i p ea n di t sw e l d i n gs y s t e mc a nd ot h ep r e s e n tw e l d i n gb yt h ew a yo fh a n da n d s e m i a u t o m a t i cw a y b u tt h em e t h o dh a sah i 曲r e q u i r e m e n tf o rt h eq u a l i t yo ft h ew o r k e ra n d o t h e rd e f e c t s ，s oi tn e e d sf u r t h e r i m p r o v e m e n t u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rm a k e ss y s t e m a t i c a ls t u d yo fa u t o m a t i cw e l d i n go f p r o d u c i n gp i p e ，b ya p p l y i n g t h et e c h n o l o g yo f f u l l - p o s i t i o np u l s e dt i ga n dd o u b l e - s i d es h a p e b y s i n g l ew e l d i n g t h ep a p e ra n a l y z e s t h ep r e s e n ts k i l l sr e g u l a t i o no f t h eh a n da n ds e m i a u t o m a t i c ， a n dg e t st h ek e yp a r a m e t e rt h a tc a nw e l lg u a r a n t e et h ea p p e a r a n c eo f w e l d i n g ， i t sr a n g eo ft h e a c c e p t a b l ed a t a ，a n dt h er e l a t i o no f t h ep a r a m e t e r s i tm a k e st h ep a r a m e t e ro f w e l d i n g s k i l l s b e t t e rb yu s i n gt h em e c h a n i c a lc a p a b i l i t ya n dm e t a lg r a p h i ct e s t s t h ep a p e rs h o w st h a tt h eg r o o v e d e s i g ns h o u l dt r yt oa v o i d t h ea f f e c t i o no ft h e p r i n c i p l eo f m i n i m u m v o l t a g e ，o r i tw i l ll e a dt os a gi nt h ew e l d i n gt h r o a t i nt h ep u l s e dt i g ，t h ep u l s ec t t r r e n t , b e v e ls h o u l d e ra n dt h el a s t i n gt i m eo f t h e p u l s e a r et h ek e y p a r a m e t e r s t h a ta f f e c tt h ea p p e a r a n c e o fw e l d i n g ，a n dt h ep u l s ec u r r e n ti st h em o s ts e n s i t i v eo n e t h es t u d ya l s os h o w st h a ti n f u l l p o s i t i o nw e l d i n g ，i ti sb e t t e rt op u tt h ep o s i t i o no fs t a r t i n gc u r r e n ta t1 ：3 0a n d i ti sb e t t e rt o d i v i d et h ew e l d i n gz o n e si n t of i v et os e v e np a r t s s e x i n gt h ep u l s ec a l lg e tt h eb e t t e ra p p e a r a n c e c u r r e n ta tr a t i oo f10 0 ，9 8 ，9 3 a n d9 5 f r o mt h eb e g i n n i n gp a r t k e y w o r d s ：t h eu l t r as h o d r a d i u sr a d i a ls y s t e m ，p r o d u c i n gp i p e ，f u l l p o s i t i o np u l s e d t i g w e l d i n g ，w e l d i n gp a r a m e t e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yt h em a j o rp r o j e c t ( 9 1 0 5 0 2 2 1 sr e s e a r c hf o u n d a t i o no f t h et e n t hf i v e y e a rp l a nf o rs & t o fc n p c 学位论文创新性声明 0 6 0 5 4 0 5 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另u d i ：i 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 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 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名萋望盎日期：力啊么皇劣 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：墨垫叠 导师签名：丕熟 日期：加影曩巧 f 1 期：! 垒z 型! 多 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题意义 1 1 1 研究目的 超短半径径向辐射水平井系统，t h eu l t r as h o r t - r a d i u sr a d i a ls y s t e m ( 简 称u r r s 或超短半径水平井) 是一种新型钻采方法。其特点是采用水力喷射 钻井，井眼由垂直方向转向水平方向的弯曲半径0 3 米，可以在一个水平面 上完成多个水平辐射井眼。因而特别适合于我国东部4 万余口老井的单井增 产、老井重入、提高采收率。为适应石油工业稳定东部，开发西部的战 略方针，中国石油天然气集团公司( c n p c ) 在八五、九五和十五 期间分别将u r r s 技术列为重点前沿技术储备和开发应用项目川。 u r r s 系统由许多单元系统组成，生产管系统在其中扮演着十分重要的角 色。生产管在施工中与其它系统配伍，作为高压喷射水力的载体，承受着拉、 压、扭、弯、挤和冲刷等恶劣的工况条件，因而对其管体母材以及焊接接头 的性能提出了极高的要求，使得“生产管的选材及其焊接技术”成为u r r s 内容中的重要关键技术之一雌。 u r r s 生产管及其焊接技术经过十几年的研究、开发和数百次的室内试 验、现场施工焊接，已经取得了突破性的成果，解决了u r r s 生产管国产化 的问题，得到了与之相匹配的质量检测技术和评定标准，并形成了u r r s 生 产管现场手工半自动焊的完整技术，技术性能指标达到u r r s 系统中生产管 的使用要求。但是手工半自动焊方法对焊接操作人员的技能水平要求特别高， 并且受诸多外界因素的影响，生产效率低，不利于大规模的推广应用。因此， 为了进一步提高焊接接头的质量稳定性和安全可靠性，降低由操作人员的技 能水平和人为因素引起的质量波动，缩短现场操作工期，降低施工成本，避 免由于焊接接头质量问题引起的经济损失，本课题对u r r s 生产管的自动化 焊接技术进行了研究。 生产管对接焊采用全位置自动化焊接方法完成，不仅可以解决手工半自 动焊方法中的一些不足，而且全位置焊接时工艺参数对焊缝成形的影响规律， 西安石油大学硕士学位论文 调控方法及实现等研究内容将对其它管子的全位置自动化焊接起理论指导作 用。研究还将涉及到生产管焊接工艺因素、组织结构和力学性能三者之间的 相互关系的全面分析。 1 1 2 研究意义 ( 1 ) 应用全位置自动化焊接技术，可以降低对焊接操作人员的技能水平 要求，降低劳动强度，提高生产效率，有效地保证焊接接头的质量稳定性和 安全可靠性，减少安全隐患和经济损失。该课题的研究成果将直接应用到工 程实际中去，促进超短半径水平井的应用与推广。 ( 2 ) 该课题的研究成果，会大大缩短u r r s 现场操作工期，提高生产效 率，节省大量的人力、物力，降低施工成本，具有相当可观的经济效益和社 会效益。 ( 3 ) 研究结果所得到的全位置焊接时工艺参数对焊缝成形的影响规律、 脉冲电流与壁厚或钝边之间的回归方程及焊接规范的选定方法将对其它管子 的全位置对接焊提供理论指导，有重要的参考价值和借鉴意义。 因而，该课题不仅具有实际工程应用价值和可观的经济价值，而且具有 一定的理论研究价值。 1 1 3 课题来源 本课题属于中国石油天然气集团公司“十五”科技发展计划重点科研项 目径向水平井提高油气井采收率技术研究( 9 1 0 5 0 2 2 ) 的主要研究内容及 关键技术。 1 2 研究现状 1 2 1 水平井钻井的分类 水平井技术是本世纪9 0 年代日趋完善的一项综合性配套技术。水平井技 术是以提高油气产量或提高油气采收率为根本目标的一种油气钻采方法，已 经投产的水平井绝大多数都产生了十分巨大的经济效益，因此水平井技术被 誉为石油工业发展过程中的一项“重大突破”。由于水平井使泄油面积增大， 一口井可以穿过几个油气层，并能开发用常规方法无法开采或效益差的油气 藏，还可以改造和利用老井、废井，所以极大地提高了钻井的经济效益、原 西安石油大学硕士学位论文 油产量和采收率，成为今后一个时期提高油气产量、增加可能储量的重要技 术。在国内，从1 9 9 0 年开始，中国石油天气总公司主持并领导了国家“八五， 重点科技攻关项目“石油水平井钻井成套技术研究”。五年间，共有6 个油田 和5 个院校的7 6 2 名科技人员参加了这一攻关，取得了丰硕的技术成果和巨 大的经济效益。截至1 9 9 7 年底，我国已在陆上的1 4 个油田完成各类水平井 共计1 5 7 口，预计水平井钻井将带动整个油田开发技术的发展，成为提高原 油产量和最终采收率的重要手段口7 3 。 水平井是最大井斜角保持在9 0 。左右，并在目的层中维持一定角度水平井 段的特殊井。水平井钻井是指在地下某一深度的地层中沿水平方向钻出一段 水平井眼的工艺过程。水平井钻井技术是常规定向钻井技术的延伸和发展。 水平井钻井的分类方法很多，其中按水平井钻进过程中由垂直转向水平方向 的曲率半径大小可分为：长曲率半径水平井、中等曲率半径水平井、短曲率 半径水平井和超短半径水平井四种，具体数据见表卜1 1 。 表| - 1水平井钻井的分类 曲率半径井长 方法完井测井 ( f t )( f t ) 超短曲率半径 l 21 0 0 2 0 0 射开油管或砾石充填无 短曲率半径 2 0 4 05 0 7 0 0裸眼或割缝衬管无 中等曲率半径 3 0 0 5 0 05 0 0 1 5 0 0 裸眼或割缝衬管有 长曲率半径 6 0 0 2 0 0 01 0 0 0 3 0 0 0割缝衬管或选择性完井有 1 2 2 超短半径水平井钻井系统及生产管工作情况 超短半径水平井是曲率半径在i m 左右甚至接近于零的特殊水平井。超短 半径水平井和常规的水平井钻井技术相比，该方法的优点主要表现在以下几 个方面： ( 1 ) 定向工艺简单，方向和位置准确，中靶误差小。它采用特殊的转向 器和钻井方法，可避免常规长、中、短曲率半径水平井钻井所需的频繁造斜、 定向等工艺。 西安石油大学硕士学位论文 ( 2 ) 可在已不产油的老井和旧井中，利用套管开窗技术，在同一个水平 段完成多个不同方向的辐射井以及在一个井眼垂直方向的不同水平段进行钻 井。能使死井复活，老井更新，延长油井的使用寿命，并大幅度提高油井产量 和原油采集率。 ( 3 ) 该方法抛弃了靠钻头旋转破岩的传统钻井施工方式，采用了高压水 射流破岩的新工艺技术，因此不需要通过钻杆给钻头施压，从而彻底解决了 常规水平井钻井所遇到的一系列负载问题，因而特别适合于老井特别是稠油 老井的恢复及采收率的提高。 ( 4 ) 可采用清水作为钻井液，对储层损害较小，有利于钻采中对其它资 源的开采和综合利用“。 图1 _ 1 超短半径径向水平钻井系统荷图 u r r s 最早见到报道是1 9 8 9 年，在1 9 9 1 年1 9 9 2 年期间，美国、加拿 大的石油公司来我国介绍了有关u r r s 的应用情况。至今美国已打u r r s 井 数百眼，进尺上万米，平均每眼进尺约1 6 米，但是全部的有关技术内容严格 保密。此后，我国有关技术人员和课题组成员多次到国外了解情况，均无结 果，在此期间c n p c 也曾与国外有关公司接触，联系部分引进u r r s 技术， 西安石油大学硕士学位论文 但是对方表示不转让技术，仅做服务，并要求在油田划出特别区块，封闭作 业，按井眼收费，由于条件苛刻，无法接受。总体上，从国外研究开发进程 分析，u r r s 目前还处于工业性试验阶段，正在不断完善，未见规模性推广的 报道。“。 超短半径水平井钻井系统主要组成部分如图卜l 所示： 井上部分有修井机、缆绳车、地面机泵组、速度控制装置、测量控制装 置和密封光杆。 井下部分由钻头( 射流喷嘴) 、生产管、转向器( 斜向器) 、方向控制系 统和完井系统等组成。 超短半径水平井钻井工艺技术相对常规的钻井工艺技术有着十分明显的 特点。它主要用于老井、旧井的更新，其工艺过程可归纳为以下几个步骤： ( 1 ) 磨铣套管目的是将老井眼中对应着生产层位置的油层套管磨铣掉 一段，以便下一步扩孔开窗。磨铣套管的方法很多，其中种为先下入造斜 器( 起开窗造斜作用) ，然后下入钻杆，钻杆前端与钻铣工具一铣锥连接，由 铣锥通过造斜器导向在套管壁上钻铣开窗。使用的工具有造斜器、钻杆、铣 锥或磨鞋等。 ( 2 ) 扩孔开窗扩孔开窗的方法也很多，有机械方法和水力喷射方法等， 其中水力喷射方法的施工过程为：起出套管磨铣工具及造斜器，进行水力扩 孔，水力喷射器尾端与油管连接，下入窗口处，采用高压水或混合磨料喷射 扩孔。目的是在窗口处扩出足够空间，使转向器能够在其中正常工作。使用 的工具有水力喷射器、油管、高压水泵及磨料车等。 ( 3 ) 洗井、测井用高压水泵将清水加压后打入井底，通过环形空间把 井底的岩石和铁屑返上地面，使井内干净畅通，没有岩石和铁屑堵塞。然后， 用测量工具测量窗口的具体位置及大小，如果不符合要求，应进行二次扩孔。 使用的工具有测量控制装置、高压水泵、水车和油管等，其中测量控制装置 主要用于测量井斜、方位和井深等数据。 ( 4 ) 下转向器接着用高压油管下入专用转向器到扩眼段，并将转向器 的上端与油层套管通过卡瓦固定在一起。转向器是超短半径水平井钻井过程 西安石油大学硕士学位论文 中的核心部件之一，转向器功能是使生产管在井内弯转9 0 0 ，为此转向器装在 井底被扩大的空间内。它由弯曲导向管、侧向板和转换连接装置组成，可使 弯曲导管在横向钻井方位产生反向弯曲，因而仅需要相对较小直径( o 6 1 m ) 的扩眼空间。使用工具有高压油管、转向器及密封等。 ( 5 ) 下生产管将生产管及与之连接在一起的钻头( 射流喷嘴) 下入高 压油管内，井口由密封光杆悬挂。生产管的种类很多，但要求和相应的转向 器配合，前端装有钻头。钻头内有固定导向叶轮可以迫使流经的液体产生扭 曲旋转。密封光杆位于井口，上部与井架钢丝绳连接，下部通过密封悬挂着 整个控制杆的生产管系统，由优质调制钢制成。使用工具有钻头、生产管、 防沙管、密封光杆及油管等。 ( 6 ) 水力喷射钻进首先转向器在液体压力的作用下，由垂直状态变为 弯曲状态( 曲率半径为0 3 m m ) ，然后随着泵压的升高，液压推动着钻头和生 产管进入并通过转向器完成转向，同时高压液体通过喷嘴以极高的速度射出， 冲击破碎岩石，形成水平井眼。通过调节高压液体的压力，缆绳的拉力来控 制和调节钻井的速度。通过速度控制机构调节钻井速度，控制和调节钻井方 向。使用工具有地面机泵组、缆绳车、速度控制系统及压力传感器等，其中 地面机泵组包括钻机和高压泵两部分。 ( 7 ) 完井完井方法很多，以下方法较为常用，即钻完水平段后不将生 产管起出，进行完井。完井的步骤是：a 、用电化学方法割掉钻头；b 、进行 砾石填充；c 、沿水平井段内的生产管进行电化学射孔；d 、在生产管内下入 柔性割缝衬管或滤网；e 、割断生产管，使在水平井段内的部分留在井内，保 持永久通道。 ( 8 ) 提起和收回转向器如果在同一个位置的不同方向上再钻另一水平 井眼的话，只需将转向器转动一个方向即可重新开始钻进。否则便可将转向 器起出井眼。使用工具有钻机、缆绳车等。 生产管在水平钻井过程中扮演的角色为：生产管前端与水力喷射钻头连 接，后端与高压泥浆喷射液入1 2 1 及钻进运动控制杆件系统连接，通过焊接手 段构成一体，是实现水力喷射超短半径水平井钻井的最重要构件之一。该构 西安石油大学硕士学位论文 件作为钻柱和水力能量的载体( 即能量转换器) 下入井中。在管内承压5 0 7 0 m p a 下通过密封，进入转向器，在连续送进过程中，承受着冲刷、胀径、挤 压、冷弯、摩擦及校直的弹塑性变形，以0 3 米的弯曲半径由垂直转向水平， 伴随着前端喷嘴的水力破岩和生产管连续送进，实现水平钻井“5 1 。 因此，生产管的工况条件十分恶劣，处于多种变化复杂的应力和变形状 态下，生产管出现的任何质量问题，如失稳、渗漏、刺穿、断裂等都会引起 井下、井上事故，轻者损坏井下、井场设备，重者可能会造成油井报废和人 员伤亡，带来巨大的经济损失。所以生产管管体包括焊接接头的质量稳定性 和安全可靠性被认为是保证u r r s 系统正常工作的关键因素之一。 生产管焊接的主要技术指标。2 町为： ( 1 ) 生产管的焊缝外壁光滑、平整，可顺利通过外部密封并且密封可靠。 ( 2 ) 管体内壁均匀，连接焊缝处的内通径 9 5 ，平均焊高不大于0 5 m m 。 ( 3 ) 焊缝处综合机械性能与管体母材接近，在内部液压 7 0 m p a ，连续 弯曲半径3 0 0 m m 条件下，整体生产管可i v 孵t j 进出相应转向器3 次以上。 ( 4 ) 安全拉伸载荷9 吨。 综上所述，恶劣的工况条件，苛刻的性能指标，在现场环境下的高精度、 高质量和高安全系数要求对生产管的材质、焊接技术及质量保证体系提出了 一系列前所未有的挑战。 1 2 3 生产管的种类 现今在u r r s 中使用的生产管有连续油管和无缝钢管两种类型。连续油 管( c o i l e dt u b i n g ) 又常称为盘管和柔性生产管，是一种缠绕在大滚筒上，可以 连续下入或起出油井的一整根无螺纹连接的长油管，是一种由钢带成型，经 电阻直缝焊焊接后得到的焊接管，在常规条件下主要用于修井中的冲井和测 井等井下作业。现在连续油管外径也已由原来的由1 2 7 m m 发展到现在4 j 1 2 7 i i l i n 由1 1 4 3 m m 十几种规格。无缝管是一种对化学成分和机械性能都有严 格要求的低合金钢管，标准长度6 8m 。国内目前在u r r s 中与转向器配套 使用的生产管是外径3 1 7 5 m m 的连续油管和外径3 2 m m 的国产无缝管。1 。”1 。 国外使用的连续油管为连续中直缝电阻焊长管，我国由于设备和材料原 西安石油大学硕士学位论文 因，不生产该类焊接管，同时即使有了长管，在施工中也会遇到连接问题。 并且连续油管工作时必须与相应的转向器配合，而国内转向器不能与之匹配， 故国内采用的生产管是国产无缝钢管乜”2 “。 1 2 4 生产管的焊接技术 由于国外连续油管在我国不适用，因此对于生产管焊接的研究，主要是 针对国产无缝钢管进行的。 在国内，生产管的手工半自动焊接技术已经基本成熟，其焊接特点如下： ( 1 ) 焊接设备和装置 焊接设备和装置主要有脉冲钨极氩弧焊电弧焊两用焊机、三维可调焊 接电弧弧长控制及摆动系统、自动送丝系统、现场焊接自动旋转控制装备、 现场无损探伤仪器、现场焊接区保护装置和坡口加工机等。 焊机为w s m - - 2 5 0 焊机，由焊接电源，控制箱，焊炬三部分组成。 主要技术性能：焊接电源为z x 5 2 5 0 可控硅整流弧焊机，具有垂直陡降 的电源外特性。试验用焊枪为：j s w 一1 0 0 a 气冷焊枪，最大焊接电流1 0 0 a ，采 用气体冷却枪体。 ( 2 ) 生产管对接焊手工半自动化焊接工艺规范 规范参数为：焊接速度5 5 6 0 秒转；喷嘴巾1 4 r a m ；钨极为由1 6 m m 磨 光铈钨极；氩气流量1 0 1 2 l m i n ；弧长1 2 1 5 r a m ；钝边l m m ；不留间隙； 焊接电流8 5 a 左右。由于起弧与搭接中存在热积累问题，焊接过程中电流要 作相应调整，具体调节方法见表卜2 。 表卜2 生产管对接焊过程中规范变化表 超焊焊接过程搭接重叠后在1 5 秽内 管子规格焊接电流电弧弧长焊接电流电弧弧长焊接电流电弧弧长 ( a )( m m )( a )( m m )( a )( m m ) 由3 2 38 51 58 5 1 5 变为i 28 5 变为3 0 1 2 ( 3 ) 手工半自动焊的打底焊工艺路线 a 、坡口加工； b 、焊前将管内外坡口两侧1 0 m m 内的油、水、锈仔细清理，露出金属光泽； c 、装卡对中，装卡时两管中间不留间隙，以坡口根部的钝边为对中基线，对 西安石油大学硕士学位论文 中后，管子一端与旋转电机联接； d 、启动旋转电机，使管子按预调的转速旋转： e 、用焊枪移动装置进行钨极对中和弧长调整； f 、启动焊机，预通保护气，引弧开始焊接； g 、在焊接过程中按表卜2 进行规范变化； h 、结束打底焊。 采用上述工艺和工艺路线得到的焊缝内成形，平整光滑，焊道宽度均匀。 ( 4 ) u r r s 生产管的质量检验和工艺评定 a 、生产管管坯的外观检查和筛选 核对材料、管径、壁厚，并复验外观尺寸。具体要求是壁厚公差小于0 3 m m ， 椭圆长短轴差小于0 5 m m ，管坯内外表面不得有氧化皮、褶皱及深度大于o ，5 砌 的腐蚀坑，管坯不得由于运输引起的深度大于0 3 m m 、长度5 0 r a m 以上的划痕。 b 、焊缝的外观检查 焊缝的外观表面应平整光滑，无焊接缺陷，焊道略高于管体0 5 m m ，以保 证修整时不出现管体外表面下凹；管内平整光滑，无焊接缺陷，内通径不小 于原通径的9 2 。 c 、焊接接头的显微组织 在光学显微镜下进行组织形态和晶粒度的观察。组织应均匀，不得有魏 氏体和马氏体组织，焊缝及焊接热影响区的组织细小。 d 、u r r s 生产管的机械性能 u r r s 生产管对接焊的焊接接头机械性能指标见表卜3 。 表1 _ 3u r r s 生产管对接焊的焊接接头机械性能指标 i 规格 延伸率正反弯曲角度下压量内径爆破压力 断裂( 开裂) ( 。) m p a 位置 l 3 2 x 32 31 5 01 0 01 2 5母材 通过生产管手工半自动化焊接工艺规范的分析研究，可以对下一步生产 管全位置自动化焊接工艺的研究工作有理论指导和借鉴意义。 第二章国产l # 管可焊性分析与总体方案设计 第二章国产l f 管可焊性分析与总体方案设计 2 1 国产l # 管的可焊性 目前国内使用的生产管材料为国产1 # 管，其化学成分和机械性能由于保 密原因，此处不能详细给出。在进行手工半自动焊工艺研究时，对该材料的 可焊性已经做了大量而深入的研究，并且该材料还在不断地改进、完善之中。 因此，下面对其可焊性作简要介绍： 国产1 # 管是利用我国富有的锰、硅元素合金化的低合金高强钢，由于锰 的固溶强化作用，国产1 # 管的屈服强度比相同含碳量低碳钢高5 0 左右，热 轧状态供货，不需要热处理。 ( 1 ) 冷裂纹敏感性 碳当量c e q 法是用钢材的化学成分间接评价焊接热影响区冷裂纹敏感性 最常用的方法之一。一般c e q 越大，h a z 冷裂倾向也越大，可焊性差，经验 表明c e q ，0 4 0 ，将产生淬硬组织，易引起h a z 冷裂。采用国际焊接学会i i w 和日本w e j 标准规定的碳当量公式计算出国产1 # 管的c e q 。 i i w c e q 计算公式： c e q = c + 警+ 丁c v + m o + v + 学畅) j i s 和w e s c e q 计算公式： c e q = c + i m n + 西s i + 丽n i + 了c r + t m o + 吾畅) 公式( 2 - 1 ) 公式( 2 - 2 ) 国产1 # 管碳当量为0 4 2 0 4 3 ，淬硬倾向较大，塑性差，焊接时冷裂倾 向也就大些。所以在焊接时可采用相应的焊接工艺或焊后热处理工艺来降低 和消除淬硬组织。 ( 2 ) 热裂纹敏感性 热裂纹( 主要指结晶裂纹) 形成机理研究表明，产生热裂纹的主要原因 有两点： 冶金因素结晶时脆性温度区的大小和低熔点共晶物的形态及数量为 1 n 西安石油大学硕士学位论文 导致热裂纹的冶金因素。焊缝结晶过程中脆性温度区越大，低熔点共晶物越 多，且呈薄膜状越易产生热裂纹。 力学因素焊接时焊缝结晶冷却收缩产生的拉应力是导致热裂纹的力 学因素。它与结构刚度、焊接位置、工艺、材料物理性能等有关，产生的拉 应力越大，越易导致裂纹。 因而防止热裂纹产生的一个根本冶金措施是严格限制材料中的s 、p 、c 含量。用于焊接结构的钢材，硫的含量要控制在0 0 3 以下，磷的含量要在 0 0 4 以下。对所选用的国产1 群管有少量的热裂纹倾向，但由于此焊接结构壁 厚仅3 m m ，刚度较小，在焊接工艺上采取一些措施，将会很好的防治热裂纹 的产生。 ( 3 ) 焊接接头的组织与性能 国产1 # 管焊接接头的组织与性能与所采用的焊接方法、焊接材料及工艺 规范参数有关。如果线能量小，低温或大刚度构件条件下焊接，将有淬硬组 织出现，在焊缝和h a z 都有可能出现裂纹和撕裂。如果线能量过大，冷却缓 慢时，容易在焊缝和h a z 产生魏氏体组织，严重的魏氏体组织将降低接头强 度和抗裂性。 由于焊接热过程在各点作用的不同，使得整个焊接接头成为一个组织不 均匀和性能不均匀体，这是焊接过程的特点。另外，h a z 的不完全重结晶区 组织是粗大铁素体+ 珠光体，晶粒大小不均匀，使得机械性能不均匀，成为焊 接接头的一个薄弱区。为保证整个焊接接头的机械性能，必须对焊接工艺规 范参数进行认真选择和严格控制。”。 综上所述，国产l # 管可焊性良好，在焊接过程中认真选择和控制工艺规 范，配以合适的焊接材料或热处理避免和减少淬硬组织、魏氏体组织和粗大 的铁素体组织的出现，焊接接头可达到和接近母材的机械性能。 2 2 总体方案设计 本文将以u r r s 生产管为研究对象，采用全位置脉冲t i g 焊方法及单面 焊双面成形技术，进行生产管对接焊工艺规范的研究。焊接材料为国产1 # 管， 焊接设备采用德国o r b i b a t i g 全位置管焊机。研究涉及到焊接参数问关系的 西安石油大学硕士学位论文 确定、焊接质量评定和全位置焊接规范的确定等方面内容。 由于u r r s 生产管手工半自动焊方法和全位置自动焊方法都是采用脉冲 钨极氩弧焊技术完成，因此两者有许多相同之处和紧密联系。又由于u r r s 生产管手工半自动焊方法已经形成了一套完整技术，因此接下来应严格参照 着手工半自动焊工艺规范进行研究，减少试验的盲目性，缩小试验范围。 由于手工半自动焊方法采用的是焊枪不动，管子转动；全位置自动焊方 法是管子不动，焊枪转动，与之相反。所以，两者工艺参数对焊缝成形的影 响规律又有明显区别。因此，研究过程将按内容分为以下几个步骤进行： 第一步，对原有手工半自动焊工艺规范( 详见本文第一章1 2 4 节) 进行 分析，找出保证焊缝成形的关键参数及各参数之间的相互关系；其它对焊缝 成形不敏感的工艺参数严格在手工半自动焊工艺规范附近选取，为下一步焊 接试验做好准备； 第二步，德国o r b i b a t i g 全自动管焊机的调试和试焊，设计一套生产管 对中装置。掌握德国o r b i b a t i g 全自动管焊机的主要功能和操作规程，熟悉 编程方法、要领及安全控制，熟悉编程中各参数间的关系。 第三步，总体方案的设计。 考虑到焊接工况的复杂性和焊接过程的不可预知性，我们讨论了多种可 实施的备用方案。考虑德国o r b i b a t i g 全位置管焊机两种机头的特点和应用 场合，此次焊接试验可实施的焊接方法大体可分为三个方案： a 、填丝多层焊：利用填丝的方法进行焊接，可以很好的保证成形美观及 焊接质量，但是它需要有一套切实可行并简单实用的对中夹具相配合，以确 保对中性、不错边。 b 、不填丝单道焊：采用较大的焊接线能量，不用填丝，直接施焊，一次 成形，即单面焊双面成形。但是此方法，线能量的大小不易把握，太小就会 焊不透；而过大，又会使成形不美观或焊穿。 c 、两者结合：先用t i g 焊打底，单面焊双面成形，保证底部焊透和成形 良好；然后再用t i g 焊+ 填丝方法填充盖面，完成焊接接头，以确保成形美观、 质量稳定。但此方法有些过于繁琐。 西安石油大学硕士学位论文 最终使用何种焊接方案还要视试验的具体情况而定。 第四步，对关键参数进行多组生产管室内焊接试验，并记录数据，确定 其取值范围和对焊缝成形的影响规律。根据焊缝成形的具体情况，对非不敏 感参数进行验证、调整。通过力学性能试验、金相试验等手段，参照u r r s 生产管手工半自动焊工艺的质量评定标准( 详见本文第一章1 2 4 节) ，对焊 接接头做综合质量评定，优化焊接工艺参数。确定最终焊接方案，总结试验 要领及注意事项，完成u r r s 生产管的全位置自动化焊接。 第五步，整理试验数据，分析试验结果，归纳全位置下焊缝成形的规律 及工艺参数调节方法，总结试验过程中的经验教训，为下一步深入研究提供 理论基础和试验依据。 2 3 焊接设备及工装 2 3 1 焊接设备的特点 生产管对接焊采用全位置脉冲钨极氩弧焊方法完成，使用的焊接设备为 德国o r b i m a t i c 管一管自动焊接机。这个焊机的主要组成部分有：主电源 o r b i m a t 2 5 0 c 、开敞式焊头m 11 5 ( 适用范围o d 2 5 i1 5 m m ) 、封闭式精密 焊头o w 3 8 s ( 适用范围o d 3 3 8 m m ) 。主电源照片见图2 1 。 图2 - 1 全位置自动氩弧焊管机o r b i m a t2 5 0 c 全封闭式焊头o w 3 8 s ，特别的冷却流道设计，确保焊头冷却良好，负载 能力高；封闭式结构使焊接区域始终处于氩气保护下，最大限度的避免焊缝 西安石油大学硕士学位论文 氧化；焊头夹紧精确可靠，拆卸简单快捷，确保焊接高效质优；焊头手柄上 内置命令开关，无须# l - 3 n 遥控器，操作方便。 开敞式焊头m 1 1 5 ，精确的三爪定位系统，调节方便，定位牢固准确，在 整个焊头使用范围内无级调节；焊接时焊枪在全封闭的轨道内平稳移动，防 止污染。迷你型送丝机直接安装在焊头上并靠近焊枪，确保与脉冲电流响应 同步送丝，从而克服其他牌子设备使用遥控送丝机长距离推拉式送丝导致的 送丝与脉冲电流不同步响应的问题；t i g 焊枪角度可旋转4 5 9 0 。，因此本 焊头可以焊接管平口对接外，还可以焊接角焊缝、t 型接头和法兰；精确地微 型十字滑块，即使在焊接期问也可以对电机进行精确微调；个微型的旋转 带位移的焊丝导向机构确保焊丝稳定的从最合适的角度将焊丝送进熔池中。 两个焊头照片见图2 2 和图2 3 。 图2 2 封闭式精密焊头0 w 3 8 s 图2 3 开敞式焊头m 11 5 该主电源的主要特点有瞳”“： ( 1 ) 微机控制、结构紧凑该设备是当今最先进的微机智能型管焊机， 采用稳定可靠的逆变技术，输出电流精确稳定；直流脉冲输出电流使本设备 可焊接不锈钢、碳钢、高强合金、耐热合金等各种金属，是新材料焊接工艺 开发研究、精密管件焊接的理想设备。焊机结构紧凑轻便( 含冷却水箱4 7 公 斤) ，不但适合室内大批量焊接生产，也非常适合野外现场施工使用。 ( 2 ) 人机对话、操作简单设备具有人机对话功能，允许用户通过面板 内设置键盘或外置标准键盘输入、修改、存储或删除焊接参数或程序，并可 在授权范围内在线调整焊接参数。自动化程控系统使得操作非常简单，即使 西安石油大学硕士学位论文 无经验人员使用均可应用自如，仅输入待焊管子直径及焊接速度，系统自动 计算出转速、完成时间、任意时刻焊接点位置等。 ( 3 ) 分段编程、存储方便焊接电源通过9 英寸可视屏幕显示可进行9 9 段焊接参数编程，每段电流延时平滑过渡、可选用不同的脉冲功能，并可将 操作者姓名、钨极直径、母材材料、尺寸等特征参数作为焊接程序的一部分 保存在机内存储器上或存储于软盘、硬盘或刻度光盘上。标准内存可存储3 0 0 个焊接程序，所有焊接参数可通过内置打印机或外部标准打印机实时打印。 ( 4 ) 送丝平稳、状态可选焊头转动及送丝均可选择平稳或脉动方式， 利于控制焊缝深宽比，保证焊接质量。系统可在两种状态下工作：调整状态 或生产状态，两者通过钥匙开关选择。调整状态，允许通过面板键盘或遥控 器修改或有选择性地存储和删除焊接参数。生产状态，可通过设置不同的权 限等级，限制操作人员使用、变动、修改焊接参数的范围，以免误修改既定 焊接规范。 ( 5 ) 安全可靠、点焊方便设备内置气体流量、冷却水压、温度传感器， 保障其安全运行。标准软件包含点焊功能。可根据需要设定点焊数、点焊时 间、点焊完成后是否自动进入既定的焊接程序。 ( 6 ) 功率大小、适焊范围在进行焊机调试时，通过分析内部自带的专 家系统及参数预置情况知：对于封闭式精密焊头o w 3 8 s 可焊接的管子外径为 中3 3 8 m m ；要求一次焊透时只能焊接壁厚在2 4 m m 以下的管子，焊头最大 许用电流为1 0 0 a 。焊机的输出电流为5 2 5 0 a 。 2 3 2