连续油管焊接

金属焊接大作业（2013-2014学年 第一学期）学院 石油工程学院专业班级储运11101班学生姓名戚本杨学号/序号201100961 / 28 目 录第1节 ：连续油管性质. 3第2节 :油管焊前准备.4第3节 ：焊接方法选用 . 6第4节 ：焊接工艺特点 . 7第5节 ：焊接技术要求. 9第6节 ：油管焊接过程 .11 第7节 ：油管焊接应用与发展 . 13 连续油管焊接摘要：连续油管焊接技术作为20世纪90年代国外大力研究和发展起来的热门钻井技术之一 ，是石油天然气勘探开发中一项具有广泛应用价值的先进技术。在连续油管技术的生产应用中,管体失效、损伤等情况出现时，都需要采用焊接方法解决。于用螺纹连接下井的定尺常规而言的，一般几百米至几千米，又称为挠性油管、蛇形管或盘管。 连续油管的管一管现场对接焊技术是连续油管技术中不可或缺的关键技术之一。国外对于连续油管生产应用中的焊接核心技术严密封锁，现有的国外可供参考的连续油管焊接文献很少。国外连续油管生产和应用中可能采用活性气体保护焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊等焊接方法。本文主要介绍油管的焊接方法，工艺，以及应用。Abstract: the coiled tubing welding technology to study abroad in the 1990 s and developed one of the hot drilling technology, is a widely used in oil and gas exploration and development of a value of advanced technology. In the production of coiled tubing technology applications, the tube body failure, the circumstance such as damage occurs, all need welding method is used to solve. Under with threaded connections from the perspective of the scale of conventional Wells, generally a few hundred meters to thousands of meters, also known as flexible tubing, coil, or coil.Coiled tubing at the scene of the （一）连续油管性质连续油管是一种单根长 度达几千米并可反复弯曲、实现多次塑性变形的连续油管新型石油管材。连续油管主要用于油阳修井、测井、钻井、完井等作业，也可作为管线管应用于质井场或海洋的油气输送。由于连续油管作业的多样性、快捷性和可靠性，连续油管是连续油管作业中的关键部件，由于在作业中要反复弯曲变形，并承受井下高温、高压和腐蚀介质、固体流体介质的冲蚀，以及拉、压、扭、弯等复合载荷作用，对其性能和质量要求高，制造技术难度大。被称作“万能作业机”。在国外特别是美国、加拿大等国家。连续油管已成为油田作业中必不可少的石油装备连续油管的概念最早起源于第二次世界大战时期，当时盟军为实现快速敷设海上油管线，将一根根短管通过焊接方式对接起来并缠绕在滚筒上可在海上快速打开，用于燃油供给。1962年，美国加利福尼亚石油公司和Bowen公司研制出了世界上第一台连续油管作业机同 时采用对接的方法将长度为152 m的短管对接 成1卷4 573 m长的连续管并用于墨西哥湾 油气井的冲砂解堵，实现了真正意义上的连续 油管井下作业。20世纪70年代，由于材料的韧 性强度不够和焊接接头性能等问题。连续油管 在应用中事故频出，发展一度处于“停滞”阶 段。20世纪90年代以后，特别是近年来，随着 材料冶金技术的发展和制管技术的创新。连续管 制造技术和产品质量不断提高进一步推动了连 续油管作业技术的快速发展。 经过几十年的发展，连续油管产品从最初的短管对接发展到能直接生产几千米长的单根连续油管，材料已从普通碳素钢发展成高强度低合金钢，钢级已从最初的CT55发展到CT90对应 屈服强度级别为483689 MPa，产品性能(强度、 塑性、抗腐蚀性以及疲劳寿命等)也发生了根本性 改变。目前美国已研制开发出了CTll0超高强度 的连续油管2-31。同时，根据酸性介质和特殊服役 要求，还开发出了16Cr、钛合金等抗腐蚀性连续 油管以及玻璃纤维和碳纤维复合连续油管。 连续油管还具有以下特点：（1）：设备操作集中、方便，自动化程度高， 大大减轻了作业工人的劳动强度。（2）：作业安全可靠，可带压力连续进行作 业，避免因压井而伤害地层。（3）：节省费用。由于上述优点使其作业成本同 比节约131陀。连续油管除作为油井管以外，还可 作为陆上或海上油气输送管线而得到广泛应用。13 高性能连续油管开发 随着连续油管应用范围和领域的不断扩大。 （二）油管焊前准备 在现场连续油管管-管对接焊中焊前准备工作主要包括选材、校直、整圆、开坡口、组对等工作，实际操作时也应按上述顺序进行。 一：焊接材料的选择原则是保证焊缝金属的合金成分、强度性能与母材基本一致焊接材料中碳的质量分数应略低于母材 。若二者成分相差很大，则焊接接头在长期高温条件下工作时，会因成分不均匀而导致合金元素扩散，使焊接接头的高温性能不稳定；焊缝强度不能选得过高，以免使焊缝塑性变差，甚至产生冷裂纹。，其wc0.12，但不得低于0.07，否则会造成焊缝金属的冲击韧度、热强性等降低。焊接材料在使用前应作适当的预处理。埋弧焊丝用光焊丝，表面要清理干净。镀铜焊丝应将表面积尘和污垢仔细清理。焊条和焊剂要妥善保管，在使用前，应严格按工艺规程的规定进行烘干。 二：校直。在油田现场环境中，连续油管经过盘卷运输或在使用过程中挤压等情况，使得连续油管会挤压变形或是管端有弧弯等情况，如图1所示。由于盘卷在连续油管作业车上或是滚轮上的连续油管两端有不同曲率的弧弯，导致两端不能很好地对中，如果强制对中，那焊接接头将会存在应力，影响焊接接头质量。因此，除了对被焊管体进行检查，去除有裂纹、机械压痕坑和台、腐蚀斑坑。 三：整圆。因连续油管在作业过程中反复缠绕、发生断裂时断口两端的受力不同、受到挤压等原因会造成管体截面变形时会出现管端椭圆度不一致导致后续加工坡口及焊接困难。一方面影响坡口加工，使钝边不均匀，由于氩弧焊的小规范特点，往往造成局部未焊透；另一方面其对点固造成影响，会造成局部错边，影响焊缝成形。即使强制扭转管体对中，管口可能出现错边或焊后应力集中过大等问题，增加安全隐患，影响连续油管的工作可靠性。附表1为现场施工时不同位置处连续油管截面尺寸。表明在管体同一位置不同方向其直径差异是非常明显的，所以对管端进行整圆是非常必要的。 四：开坡口：坡口的型式和尺寸是焊接的基础,更是自动焊接的重要基础坡口的型式和尺寸对焊接质量和焊接效率均产生关键性的影响。在国家标准和行业标准中对坡口型式及尺寸均有较明确的规定。在绝大部分的焊接试验和焊接工艺评定中，也是先规定了坡口型式及尺寸，然后进行焊接试验和焊接管-管对接环焊缝经试验 研究对比分析，认为采用V型坡口能 够满足质量要求且加工方便，易于实 现现场施工，如图2。V形坡口是应用最为广泛的一种坡口型式，V形坡口主要特点：适用范围广，可适用于各种厚度的对接接头；加工简单，加工成本低；通过调节坡口角度，较易得到不同宽度的坡口。V形坡口尺寸和组装要求，见图2。 图1图4中D是管径，是单边坡口角度，是钝边尺寸，b是对口间隙。 图2 五：对中。对中时错边量不得大于管壁厚的10，且04mm。为降低应力，对中时尽可能使对焊两管处于自由状态。严禁在管子拉扯状态下对中固定。 六：坡口清理。再次清理油管焊接坡口，管内通时气保护，准备焊接。 （三）焊接方法选用 连续油管常用有如下几种方法。一：手工电弧焊。它是一种非常普遍、易使用的 (1)焊缝金属与母材的强韧性配合。为了使连 焊接方法。其不足之处表现在电弧长度决定于人手 续油管焊接接头达到与母材相近的综合力学性能， 焊接时电弧易出现不稳定现象，且容易出现气孔、咬 应选用等强匹配或高强匹配的焊接材料。边、夹渣等焊接缺陷。同时，对于连续油管焊接来说。在焊接材料选择时，除考虑焊缝 电弧焊虽易于现场操作，但焊接接头的质量不稳定。 金属与母材的强度配合外。把焊缝中缺陷的数量和 (2)MIGMAG焊。它是一种高电流密度焊接 尺寸控制在有关规范规定的范围之内，并尽量减少 方法，可获得较高的焊接速度和熔敷率，焊接过程易 焊缝金属中扩散氢含量是十分重要的。环形焊缝中主 于实现自动化。由于连续油管对接焊需要小线能 ，要缺陷是气孔、夹杂、夹渣和根部区的咬边。一般焊缝 量、热源集中的焊接方法。以防止HAZ过大影响调整 中出现的气孔、成型差的关键因素是焊接材料中Mn、Si 个焊接接头性能。MIGMAG焊一方面焊接速度较 元素的含量，因此，必须使焊缝材料保持适当的 快，熔敷率较高。 二：等离子电弧焊。等离子是一种压缩程度很高的 (3)熔敷率。不同的类型和规格的焊接材料的 离子气流，其方向性好，弧柱中心温度可达8000一- 熔敷率是不同的。熔敷率的大小影响着焊接速度，间 10000。但在收弧时为了避免弧坑产生，需要加少 接影响工作效率。统计数据表明，焊丝的熔敷率可达 量填充金属，等离子弧焊的成本高，目前等离子弧的 90，而焊条的熔敷率通常为50一55，自保护药 稳定性 三：TIG焊。TIG焊的优点是嘲：电弧可见、焊接 (4)工艺性能。焊接材料的T艺性能包括引弧 质量易于控制、焊接线能量小、热量集中、HAZ窄、 和稳弧性能、电弧吹力、铁水的流动性、熔渣的粘度、 熔池较小、焊接应力和变形小、焊接接头美观，易于 吸潮性、全位置的成形情况、脱渣性及飞溅率等。T艺 实现机械化和自动化：适用于薄板焊接、生产率高、 性能的好坏。一定程度上影响焊接接头的质量。因此， 可焊范围广。特别适用于对接接头质量要求较高的 在焊接接头理化性能符合要求的前提下还有待进一步提高。 芯焊丝的熔敷率一般为75左右。筛选出工艺 场合。 性能良好的焊接材料对控制焊接质量十分重要。 四：埋弧焊因采用较大的焊接电流，所以在第一层焊接时，液态熔渣和金属会从间隙中流失，造成焊缝成形不良，严重时甚至无法焊接。因此在正面焊接时，反面一定要采取防漏措施，常用的措施有：在熔剂垫上焊接、在临时工艺垫板上焊接。 通过上述对比分析发现，TIG焊在所有电弧焊中 熔合比。焊缝的力学性能决定于焊缝实际 电弧最稳定且有效保护焊缝金属免予烧损、可单面 的化学成分与组织。同一焊材焊接同一管材时，坡口 焊双面成形、易于控制和实现机械化、自动化，特别适 形式不同。导致熔合比不同，进而使得焊缝的化学成 用于全位置焊。而全位置自动焊接就是指在管子相对 分、组织、性能不同，因而选择焊接材料时要考虑熔 固定的情况下焊接小车带动焊枪沿轨道围绕管壁运 合比对焊缝质量的影响。进而获得理想的力学性能。 动，从而实现全位置自动焊接同。全位置自动焊具有： 综上考虑，由于连续油管对接焊属于环形焊缝，为了 焊接质量高而稳定，对焊T技术要求低；焊接工艺参 达到与母材相近的综合力学性能应选用等强匹配 数由储存器输入，可保证工艺参数的准确性；电弧燃 或高强匹配的焊丝。 （四）：焊接工艺特点根据相关试验研究连续油管管一管对接焊应采用小线能量、多层焊接技术。其焊接工艺特点如下：（1）：控制成形。采用直流TIG焊打底，并通内 保护气体，进行单面焊双面成形完成管子环焊缝的 内成形控制；采用脉冲TIG焊填丝。完成管子环焊 缝的外成形控制。(2)：小线能量。连续油管在焊接过程中由于管 径较小，在全位置的焊接过程中存在热累积问题特 别是在后期可崩于改善组织性能手段较少的管一管 对接焊，在保证熔合、焊透的条件下，要严格控制线 能量，应尽可能选用小时线能量。(3)多层焊。多层焊具有后道焊缝对前道焊缝有 充分的同火作用前道焊缝的余热对后道焊缝起一定 的预热作用，为了降低或消除焊接应力、改善组织、细 化晶粒，连续油管对接焊应采用多层焊进行焊接。(4)内、外保护。采用两种内、外保护方式：一是 用惰性气体进行内外保护，这种保护有利于内成形的 改善，也防止了有益元素的烧损：二是机械清理保护， 即每道焊接完成。在开始下一道焊接前要用机械清理 方法进行焊道清理。除净氧化层露出金属光泽。为了获得优良的焊缝成形及焊接质量，应根据焊件的技术要求，还需要注意以下问题。(1) 焊接方法及焊接材料选用：由于 CT 盘绕使管体 呈不规则椭圆， 因而开发适于现场 CT 的焊接方法 及与之配套的焊接材料是关键技术之一。 需要研究 的有：CT 焊接性研究、 热处理工艺、 焊接热过程分 析、耐蚀性能评定、焊接材料(焊条、焊丝)的选择等。 (2) 配套的 CT 现场焊接工艺及设备：焊接过程中 需配备必要的工装以满足焊接质量的需要。 除焊接设 备外，配套设备主要包括管体整圆装置、管-管组对对 中装置、焊接过程内外保护装置、焊后热处理装置等。 (3) 焊接成型的控制：通过焊接熔池形成及流动 性、填充材料熔滴过渡、焊接层数的安排等方面的工 艺参数调节及控制，控制管体焊接接头的内外成型。 (4) 焊 接 接 头 与 管 体 综 合 性 能 的 一 致 性 及 控 制，这是质量关键技术。包括材料力学性能的综合评 定 各种焊接方法在 的焊接材料必须与母材相匹配。因此。选用焊接材 连续点会影响到连续油管的 MnSi比值。一般认为MnSi2对焊缝韧性不利【lq。 （ 五）：焊接技术要求 为了保证焊接质量，需做到如下几点：（1.） 焊接现场应无侧向风和外界气流扰动；（2）正面和背面保护心气纯度在99999999范围之内；（3）雨天或者风大的天气在未采取有效措施之前，不得在室外焊接。Z过大影响整 中出现气孔、成型差的关键因素是焊接材料中Mn、Si 个焊接接头性能。MIGMAG焊一方面焊接速度较 快，熔敷率较高。大电流的特点会影响到连续油管的焊接质量 。 同时，还必须使焊缝材料保持适当的 元素的含量 MnSi比值。一般认为MnSi2对焊缝韧性不利 ，当进行室外焊接时，由于熔滴过 焊缝缺陷是影响焊缝金属所需要的韧性值的最重要渡易受外界因素影响，焊接质量较难保证。因素为此应尽量选择工艺性能良好的焊材。 例如， CT 用钢必须有良好的强韧性 匹配，以保证较高的低周疲劳寿命。 高强度 CT 的优 点是可以延长 CT 的长度和提高承载能力 (包括拉 伸、扭转、内压等载荷)，因而 可以扩大其 应用范围 。 但其缺点是降低了韧性和抗腐蚀能力。因此，在开发 新一代高强度 CT 材料时，应在保证强度的情况下， 注意克服其局限性，提高材料的综合性能，从而改进CT 的性能，提高 CT 的使用寿命。 精密管公司的一 项阶段性研究成果表明， 强度为 482 和 552MPa 的 CT 具 有 良 好 的 抗 硫 化 应 力 腐 蚀 能 力 ， 而 强 度 为621MPa 的 CT 则具有极好的抗硫化应力腐蚀能力。CT 强度高、壁厚薄，一般采用氩弧焊或其它气 体保护焊对接， 但由于 CT 特殊的使用环境及工作 条件，要求焊接接头不仅具有较高的强度，还必须有 好的塑性和耐蚀性。因此，有如下要求：(1) 焊缝与母材满足等强匹配原则。 CT 在井下 作业中，管体要承受拉伸、压缩、扭转、流体内压及自 重等多种力的作用，为保证其可靠性，要求管体对接 焊缝强度不小于母材强度，以保证不在焊缝处断裂。 (2) 焊缝与母材有较好的塑性。 CT 的主要特点 是具有较高的塑性或柔性，一般情况下，一卷 CT 可 以反复作业 30 次以上才可能发生失效。0 出 ，CT 具 有 较 高 的 伸 长 率 和 低 屈 强 比 。 依 据 ASTMA370 标准对 38.1 mm (1.5 in)CT 进行拉伸试 验结果显示，CT70 级 CT 伸长率可达 35%， 屈强比 为 0.81。 试验研究表明，管体承受的内压不同，发生 塑性变形时的弯曲半径不同， 则 CT 在疲劳试验时 弯曲循环次数不同。 内压越高，弯曲半径越小，管子 越容易失效。为了保证整体管的使用性能，焊接接头 作为管子的一部分也应该具有较好的塑性。(3) 焊缝具有较好的耐蚀性。 由于 CT 通常用于 井下作业， 在储存及使用过程中要受到 H2S、CO2 及其它腐蚀介质的侵蚀，容易发生氢致开裂、应力定向 氢致开裂、表面微裂纹开裂、硫化物应力腐蚀开裂等， 以上各种腐蚀形式均会对 CT 的使用性能造成较大 影响。CT 管-管对接中，由于焊缝组织硬度相对较高， 加之焊接和成型残余应力的存在等，焊缝的抗腐蚀性 是一个重要指标，在焊缝中要考虑耐蚀元素(如 Cr、Ni 为了更好保证焊接质量，还需要注意以下问题（1）：避免气孔。产生原因是氩气纯度低或氩气管路内有水分、漏气等；焊丝或母材坡口附近焊前未清理干净或清理后又被污物、水分等沾污；焊接电流和焊速过大或过小；熔池保护欠佳，电弧不稳，电弧过长，钨极伸出过长等。防止措施 保证氩气的管路，选择认真清理焊丝、焊件，清理后及时焊接，并防止再次污染。更新送气管路，选择合适的气体流量，调整好钨极伸出长度；正确选择焊接工艺参数。必要时，可以采取预热工艺，焊接现场装挡风装置，防止现场有风流动。（2）：注意裂缝：产生原因 是焊丝合金成分选择不当。当焊缝中的镁含量小于3%，或铁、硅杂质含量超出规定时，裂纹倾向增大。焊丝的熔化温度偏高时，会引起热影响区液化裂纹；结构设计不合理，焊缝过于集中或受热区温度过高，造成接头拘束应力过大；高浊停留时间长，组织过热；弧坑没填满，出现弧坑裂纹等。 防止措施 所选焊丝的成分与母材要匹配；加入引弧板或采用电流衰减装置填满弧坑；正确设计焊接结构，合理布置焊缝，使焊缝尽量避开应力集中处，选择合适的焊接顺序；减小焊接电流或适当增加焊接速度。（3）：未焊透。由于焊接速度过快，弧长过大，焊件间隙、坡口角度、焊接电流均过小，钝边过大；工件坡口边缘的毛刺、底边的污垢焊前没有除净；焊炬与焊丝倾角不正确。防止措施 正确选择间隙、钝边、坡口角度和焊接工艺参数；加强氧化膜、熔剂、熔渣和油污的清理；提高操作技能等。（4）：焊缝夹钨是 接触引弧所致；钨极末端形状与焊接电流选择得不合理，使尖端脱落；填丝触及到热钨极尖端和错用了氧化性气体。防止措施 采用高频高压脉冲引弧；根据选用的电流，采用合理的钨极尖端形状；减小焊接电流，增加钨极直径，缩短钨极伸出长度；更新惰性气体；提高操作技能，勿使填丝与钨极接触等。 （ 六）油管焊接过程 一； 首先、管子下料宜采用机械加工的方法进行管段截取，焊接端口必须无缺陷、毛刺，碎屑应清除，背面不得有倒角。接头（坡口）两侧20mm范围内的氧化物必须清除干净。然后，用专用刷子消除工作表面的氧化物，坡口边缘及接头处可以采用钢丝刷子处理。使焊丝必须保证清洁干净。 二 、 坡口型式、加工及装配要求项目接头型式坡口型式加工方法装配间隙同心度(mm)角接不开坡口机械加工133套接不开坡口机械加工133对接见附图一机械加工见附图一1 附图一：坡口型式及尺寸表 mm 管材厚度t间隙b坡口0钝边高p电流A31-360+101.070-10044.560+101101.590-13071060+101.5120-160 三、焊接步骤如下：1、焊接时，管内应先接好充气装置，管子两端用海棉或对母材不产生腐蚀的材料封妥。2、所有焊接操作应在防风和防气候影响的条件下进行。3、要求采用正接法D。4、焊接前应调好保护气体的流量大小，一般流量为810L/min，同时排除气体输送管内空气12分钟。5、充氩气的入口应安排在管子的下端，入口与出口要有压力差，使管内焊缝保护良好，充氩气压力为0.02Mpa0.05Mpa。6、喷嘴与工件距离约为10mm，钨样伸出长为38mm。7、尽量控制和减少应在400800之间的停留时间，应尽量采用较小的焊接线能量，尽量减少焊件过热。8、所有对接焊缝应完全焊透，只要有可能，焊缝应以俯焊位置施焊。9、焊接中产生的缺陷，如裂纹、端部弧坑、气孔以及凹陷等应及时清除。10、引弧时要防止钨极直接与工件碰击，以免在焊缝区产生黑点，如果发生时，可用砂轮打磨去除。11、焊接中断时，时间过长，表面被氧化，再续焊时，焊丝的端部应去掉，熄弧时，不能立刻提起焊枪，要注意滞后气体对焊缝的保护作用。12、焊双层焊时，第一层焊缝焊好后，应冷却一段时间，待温度60时，再焊第二层焊缝。13、对于3mm的厚度时，应尽量采用脉冲电流氩弧焊接。 四、焊后清理、检验1、焊后应仔细清理焊件表面的焊渣、焊瘤、飞溅物等。不允许有裂纹、气孔、咬边等现象。2、焊接后，焊缝加强高正面0.22mm，背面-0.52mm。3、焊接质量检验人员应经必要的技术培训。4、在I级管系中，外径大于76mm的管子的对接焊接头，应全部经X射线或相应检验。5、在II级管系中，外径大于100mm的管子的对接焊接头，以及I级管子中外径等于或小于76mm的管子的对接焊接头，应以10%抽样进行X射线或相应检验。6、在I级管系中，法兰接头的角焊缝，管子非对接接头应进行磁粉检查，或其它合适的无损检测。 （七）油管焊接应用与发展进入2l世纪以来。尤其在2000年以后，随着我国钢铁行业板、带材工艺技术装备水平的现代化和技术进步以及焊接技术的快速发展，焊管产品质量不断提升促使焊接专用管在我国得到了高速发展。但由于我国起步较晚，尤其在油井管等领域与世界先进水平相比尚有较大差距。1焊接管线管的发展。随着管线工业的发展高强度、高韧性管线钢管已经被普遍采用。20世纪60年代，国外已形成石油、天然气输