CN113263253B - 一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法 - Google Patents

一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法 Download PDF

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Abstract

一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法，先截掉连续管损伤处，并矫直截掉后的两侧管端，然后清除两侧管端内壁焊筋并进行内外壁的抛光；其次车削、抛光搭接管外壁，并用塑料胶带密封管端；再者将搭接管***连续管两侧管端内进行对接焊组装，在组装后的对接缝密闭处打充气孔，并在搭接管内充填氩气，充满氩气后点固密封；接着装夹连续管的管管对接搅拌摩擦焊接***进行焊接，焊接时，搅拌头从距点固焊位置180°处***，***达到设定压下量并做3‑5s停留后绕管体旋转焊接365°拔出，焊接结束；本发明焊接热输入低，残余应力小，热影响区软化现象消失，获得了综合性能优异的连续管焊接接头。

Description

一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法。
背景技术
连续管(Coiled Tubing，简称CT，又被称作连续油管、挠性油管、蛇形管或盘管)是连续管作业技术的基础和重要组成部分，它是一种长达几百米至几千米的没有接头的钢制金属管子，盘绕在大直径(一般约为1m以上)卷筒上。连续管的材质是在特定的冶炼、轧制过程中获取的细晶和超细晶组织，其综合力学性能优良。换句话说就是，连续管的优良综合力学性能主要基于其具有的超细晶组织。近年来，连续管及其作业机组成的连续管作业技术，随着石油工业的发展，在石油勘探、钻井、洗井、石油运输等领域的用途和作用日显突出，由于其应用范围广，使用方便等，被誉为“万能作业设备”。
作业施工过程中，盘绕在卷筒上的连续管经过牵引、拉直、弯曲转向和再次校直后，被送入井下，成为作业介质输送的载体和工作管柱；作业后，卷筒反向运动，将连续管由井下拽扯提升出来，重新盘绕到卷筒上，以便反复使用。连续管作业中不可避免会产生连续管管体的局部损伤和失效，去除局部损伤和失效的管体，在现场进行连续管的管-管对接焊是解决该问题的唯一方法。
然而，近二十多年来，国内外连续管对接焊方法主要以TIG(钨极氩弧焊)焊为主，由于TIG焊属于熔化焊，焊接过程中会促使焊核区晶粒长大，热影响软化，导致焊接接头性能大幅下降。为此，焊接时采用冷却手段，以降低焊缝区域的热输入，控制焊核区晶粒长大和热影响区软化。然而，这种措施虽然有一定效果，但接头力学性能仅达到母材的70％-80％。结果是：施工过程中，由于连续管焊后热的影响作用、较大的残余应力以及连续管作业中恶劣的工况条件，短时间造成连续管从修复处焊核区或热影响区断裂，轻者损坏井下设备，重者造成油井的报废。因此，急需一种热输入低、残余应力小、工艺简单、成本低、接头综合性能优良的焊接技术。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法，实现连续管的管管对接焊，其热输入低，残余应力小、工艺简单、成本低、焊接接头综合性能优异。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法，包括以下步骤：
(一)截掉连续管损伤处并矫直两个管端，截掉损伤处后，在距两个管端600mm范围内进行连续管粗矫和精矫，使管体直线度达到0.5-0.7‰，保证组对时两管体轴线重合，使之在无应力状态下对接；
(二)连续管内壁焊筋清除、管内外壁除锈、管端修平，连续管内壁焊筋清除距离距两个管端40+(0.5-1)mm，清除至离周围壁面高度0.2-0.5mm为止；然后，抛光管内壁并与周围壁面平齐；随后进行管端修平，修平后的两管端以垂直于轴线的面为基准，垂直度≤0.01mm,保证焊接组对时无间隙；采用磨头抛光距管端20mm范围内连续管外壁，使外壁露出金属光泽；
(三)搭接管加工，搭接管与连续管材质相同，长度80-1mm，将搭接管外壁采用车床车削至小于连续管内径0.01-0.05mm，并使得搭接管壁厚在1.5-2.5mm之间，搭接管外径精度是保证其能顺利穿入连续管里，并且与连续管内壁为过渡配合；此外，搭接管两管端内壁倒角，并密封两管端；
(四)对口组装，将准备好对口的连续管两个管端放置在对口组焊装置上待用，在搭接管上标记中间位置，先将搭接管***连续管一端内，***到中间位置40mm±5mm标记处会遇到连续管管内焊筋的阻力，则停止***；然后将搭接管剩余部分***连续管另一端，直至连续管两管端对接缝密闭，最后将***搭接管的连续管在无应力状态下装夹在对口组焊装置上；
(五)充气孔加工，在连续管对接缝外壁上打一直孔，使孔穿透搭接管一侧管壁，然后扩孔，使得孔呈圆锥形；
(六)管内充填保护气并点固焊，由充气孔向管内充填质量纯度不小于99.9％的氩气；
(七)将焊接机装夹在连续管管体焊口处，使其搅拌头正对连续管管端对接缝并与管体切线成85°-89°，搅拌头起焊位置与点固焊位置呈180°；
(八)焊接参数设定，搅拌头行走速度为23.5-60mm/min，旋转速度为300-600rpm，压下量为搅拌头轴肩凸型区高度，搅拌摩擦焊接时通氩气，其流量为5-7L/min；
(九)焊接，开启搅拌摩擦焊机，将搅拌头从起焊位置***，达到设定压下量并停留3-5s后，绕连续管外壁行走焊接，焊接时同步通入氩气，通氩气装置跟随搅拌头移动，搅拌头行走焊接至少365°后再拔出，再随即采用氩弧焊点固拔出的锥形搅拌针孔，焊接结束，从而实现了连续管的管管搅拌摩擦对接焊；
(十)焊接完成后，取下搅拌摩擦焊机，打磨焊道飞边和毛刺；
(十一)焊后检验，检测焊缝表面和内部是否存在裂纹、空洞缺陷，若未检出缺陷，表明焊缝完美。
所述搅拌头分为三部分，包括夹持部分、轴肩和搅拌针，所述夹持部分为圆柱形；夹持部分上方为轴肩，轴肩为凸型台阶状，凸型倾角12-15°；轴肩上方为搅拌针，搅拌针为锥台形。
所述夹持部分直径18mm；所述轴肩直径20mm，所述搅拌针的锥台为左旋梯形螺纹，牙型角倒半径2mm圆角，锥台倾角46-48°，锥台根部直径5-8mm，端部直径3-5mm，锥台长度为3.5-6.5mm，其长度等于或小于连续管壁厚与搭接管壁厚之和。
本发明的有益效果：按本发明的方法，适用的连续管尺寸规格和级别是管径25.4-70.03mm(1.0-2.75in),壁厚2.18-5.08mm(0.087-0.20in)，屈服强度σs为483-621Mpa(70-90Kpsi)的钢制连续管，实现了连续管管管对接搅拌摩擦焊，减少了热输入，降低了接头残余应力，热影响区软化现象消失，获得了综合性能优异的连续管接头。
附图说明
图1为本发明的连续管对接组装示意图。
图2为本发明的搅拌头示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做详细叙述。
参照图1，一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法，包括以下步骤：
(一)截掉连续管损伤处并矫直两个管端，截掉损伤处后，在距两个管端600mm范围内进行连续管粗矫和精矫，使管体直线度达到0.5-0.7‰，保证组对时两管体轴线重合，使之在无应力状态下对接。
(二)连续管内壁焊筋清除、管内外壁除锈、管端修平，采用专利号CN204277684U一种连续管内壁焊接毛刺带清除装置进行连续管内壁焊筋清除，清除距离距两个管端40+(0.5-1)mm，清除至离周围壁面高度0.2-0.5mm为止。然后，采用粒度120目布基棕刚玉圆柱形磨头抛光管内壁并与周围壁面平齐。随后采用型号ISY-80内涨式坡口机安装0°平面刀片进行管端修平，修平后的两管端以垂直于轴线的面为基准，垂直度≤0.01mm,保证焊接组对时无间隙。再者，采用粒度120目布基棕刚玉圆柱形磨头抛光距管端20mm范围内连续管外壁，使外壁露出金属光泽。
(三)搭接管加工，搭接管与连续管材质相同，长度80-1mm，将搭接管外壁采用车床车削至小于连续管内径0.01-0.05mm，并使得搭接管壁厚在1.5-2.5mm之间，搭接管外径精度是保证其能顺利穿入连续管里，并且与连续管内壁为过渡配合；此外，搭接管两管端内壁采用(二)中专利号CN204277684U一种连续管内壁焊接毛刺带清除装置倒37°角，并使用塑料胶带密封两管端。倒角的目的是使得油水混合物及杂质顺利流过搭接管；胶带密封两管端的目的是防止焊接前通入的保护氩气流失，焊后水压实验可冲破密封胶带并跟随打压水流出。搭接管的作用，一是作为连续管管体的背衬材料，保证焊接时与连续管管体叠加，能有效支撑焊接压力载荷；二是焊后连续管管体与搭接管叠加段接触面积大，残余应力小，强度高，连续管盘绕时不易从焊接处断裂。
(四)对口组装，将准备好对口的连续管两个管端放置在专利号CN203343687U一种现场用连续管对口组焊装置上待用。在搭接管上标记中间位置，先将搭接管***连续管一端内，***到中间位置40mm左右标记处会遇到连续管管内焊筋的阻力，则停止***。然后将搭接管剩余部分***连续管另一端，直至连续管两管端对接缝密闭。最后将***搭接管的连续管在无应力状态下装夹在对口组焊装置上。
(五)充气孔加工，利用电钻，钻头直径为3mm，在连续管对接缝外壁上打一直孔，使孔穿透搭接管一侧管壁，然后用6mm钻头扩孔，使得孔呈圆锥形，扩圆锥形孔的目的是保证后续点固焊时焊透。
(六)管内充填保护气并点固焊，由充气孔向管内充填质量纯度不小于99.9％氩气，充填氩气是防止焊接时焊缝背面氧化。氩气充满搭接管后迅速采用氩弧焊方法点固堵塞充气孔，点固不仅使氩气密封在管内，而且能防止搅拌摩擦焊接时搭接管与连续管间产生移动而影响焊接质量。
所述搅拌摩擦焊是将高速旋转的搅拌针***焊接板材的接缝处，直至轴肩与待焊材料紧密接触，在摩擦热的作用下材料软化并在搅拌针的搅拌作用下使对接缝处的材料产生塑性流动，从而实现材料之间的固态连接。该方法由于焊接热输入低，焊缝金属不熔化，有效避免了传统熔化焊接技术带来的组织缺陷，而且焊接过程中微观组织的细化、均匀化和致密化，可以显著提高接头的综合性能。
(七)将搅拌摩擦焊接机装夹在连续管管体焊口处，使搅拌头正对连续管管端对接缝并与管体切线成88°-89°，搅拌头起焊位置与点固焊位置呈180°。
参照图2，所述搅拌头分为三部分，包括夹持部分、轴肩和搅拌针，所述夹持部分为圆柱形，直径18mm；所述轴肩为凸型台阶状，直径20mm，凸型倾角12-15°；所述搅拌针为锥台形，锥台为左旋梯形螺纹，牙型角倒半径2mm圆角，锥台倾角46-48°，锥台根部直径5-8mm，端部直径3-5mm，锥台长度为3.5-6.5mm，其长度等于或小于连续管壁厚与搭接管壁厚之和。凸型台阶状轴肩设置是易于轴肩与管件贴合并使管件表面金属易于发生塑性变形；锥台形搅拌针左旋梯形螺纹设置不仅可增强焊缝金属的搅拌作用，又不易黏结搅拌针。
(八)焊接参数设定，搅拌头行走速度为23.5-60mm/min，旋转速度为300-600rpm，压下量为搅拌头轴肩凸型区高度，约0.1-0.2mm，搅拌摩擦焊接时通氩气，其流量为5-7L/min。
(九)焊接，开启搅拌摩擦焊机，将搅拌头从起焊位置***，达到设定压下量并停留3-5s后绕连续管外壁行走焊接，焊接时同步通入氩气，通氩气装置跟随搅拌头移动，搅拌头行走焊接365°后拔出，再随即采用氩弧焊点固拔出的锥形搅拌针孔，焊接结束，从而实现了连续管的管管搅拌摩擦对接焊。
(十)焊接完成后，取下搅拌摩擦焊机，采用角磨机用100目角磨片打磨焊道飞边和毛刺；
(十一)焊后检验，采用外观检验、磁粉检验和水压检验方法检测焊缝表面和内部是否存在裂纹、空洞等缺陷，若未检出缺陷，表明焊缝完美。
本发明连续管搅拌摩擦对接焊是利用自制搅拌摩擦焊机与其装夹机构组成的管管对接搅拌摩擦焊接***完成的。焊接时，用氩气作保护气，搅拌头可绕管壁旋转的一种搅拌摩擦焊接方法。本焊接方法由于焊接时金属不熔化，热输入低，残余应力小，焊接热影响区软化现象消失，因而获得了高质量的焊缝。此外，本焊接方法靠搅拌头自动旋转使材料自身发生塑性变形，不使用填充材料，自动化程度高，成本低，焊接效果理想。
实施例一
本实施例适用的连续管的尺寸规格和级别是管径25.4mm(1.0in)，壁厚2.18mm，QT800级超细晶粒钢制连续管，抗拉强度σb≥621MPa，延伸率22.0％。按照本发明的工艺方法，采用搅拌摩擦对焊，焊接参数选用旋转速度475rpm，行走速度23.5mm/min，压下量0.1mm，搅拌头轴肩凸型倾角12°，锥台倾角46°，锥台根部直径6mm，端部直径3.5mm，锥台长度3.6mm，搅拌头与连续管管体切线呈89°，获得了无缺陷的接头，接头力学性能试验结果如下：
拉伸试验：拉伸试验根据ASTM-E8标准拉伸后，接头断裂位于母材区，拉伸强度和延伸率都有所提高，分别为628MPa和25.3％。
弯曲试验：焊接接头弯曲试验根据(GB/T2653-1989)标准，弯曲跨距25mm、180°U型冷弯，弯曲后焊接接头未见裂纹。
实施例二
本实施例适用的连续管的尺寸规格和级别是管径44.45mm(1.75in)，壁厚3.18mm，QT900级超细晶粒钢制连续管，抗拉强度σb≥715MPa，按照本发明的工艺方法，采用搅拌摩擦对焊，焊接参数选用旋转速度600rpm，行走速度47.5mm/min，压下量0.18mm，搅拌头轴肩凸型倾角13°，锥台倾角46°，锥台根部直径6mm，端部直径3.5mm，锥台长度4.6mm，搅拌头与连续管管体切线呈88°。
本实施例焊后的QT900级连续管焊缝进行外观检验，表面成型良好，无明显缺陷；依据GB/T5097-2005检验标准对焊接接头进行渗透探伤无损检验，结果符合标准；水压检验：无渗透，焊缝内在质量合格。

Claims (3)

1.一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
（一）截掉连续管损伤处并矫直两个管端，截掉损伤处后，在距两个管端 600mm范围内进行连续管粗矫和精矫，使管体直线度达到0.5-0.7‰，保证组对时两管体轴线重合，使之在无应力状态下对接；
（二）连续管内壁焊筋清除、管内外壁除锈、管端修平，连续管内壁焊筋清除距离距两个管端40+（0.5-1）mm，清除至离周围壁面高度0.2-0.5mm为止；然后，抛光管内壁并与周围壁面平齐；随后进行管端修平，修平后的两管端以垂直于轴线的面为基准，垂直度≤0.01mm,保证焊接组对时无间隙；采用磨头抛光距管端20mm范围内连续管外壁，使外壁露出金属光泽；
（三）搭接管加工，搭接管与连续管材质相同，长度80-1mm，将搭接管外壁采用车床车削至小于连续管内径0.01-0.05mm，并使得搭接管壁厚在1.5-2.5mm之间，搭接管外径精度是保证其能顺利穿入连续管里，并且与连续管内壁为过渡配合；此外，搭接管两管端内壁倒角，并密封两管端；
（四）对口组装，将准备好对口的连续管两个管端放置在对口组焊装置上待用，在搭接管上标记中间位置，先将搭接管***连续管一端内，***到中间位置40mm±5 mm标记处会遇到连续管管内焊筋的阻力，则停止***；然后将搭接管剩余部分***连续管另一端，直至连续管两管端对接缝密闭，最后将***搭接管的连续管在无应力状态下装夹在对口组焊装置上；
（五）充气孔加工，在连续管对接缝外壁上打一直孔，使孔穿透搭接管一侧管壁，然后扩孔，使得孔呈圆锥形；
（六）管内充填保护气并点固焊，由充气孔向管内充填质量纯度不小于99.9％氩气；
（七）将焊接机装夹在连续管管体焊口处，使其搅拌头正对连续管管端对接缝并与管体切线成85°-89°，搅拌头起焊位置与点固焊位置呈180°；
（八）焊接参数设定，搅拌头行走速度为23.5-60mm/min，旋转速度为300-600rpm，下压量为搅拌头轴肩凸型区高度，搅拌摩擦焊接时通氩气，其流量为5-7L/min；
（九）焊接，开启搅拌摩擦焊机，将搅拌头从起焊位置***，达到设定下压量并停留3-5s后绕连续管外壁行走焊接，焊接时同步通入氩气，通氩气装置跟随搅拌头移动，搅拌头行走焊接至少365°后再拔出，再随即采用氩弧焊点固拔出的锥形搅拌针孔，焊接结束，从而实现了连续管的管管搅拌摩擦对接焊；
（十）焊接完成后，取下搅拌摩擦焊机，打磨焊道飞边和毛刺；
（十一）焊后检验，检测焊缝表面和内部是否存在裂纹、空洞缺陷，若未检出缺陷，表明焊缝完美。
2.根据权利要求1所述的一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法，其特征在于，所述搅拌头分为三部分，包括夹持部分、轴肩和搅拌针，所述夹持部分为圆柱形；夹持部分上方为轴肩，轴肩为凸型台阶状，凸型倾角12-15°；轴肩上方为搅拌针，搅拌针为锥台形。
3.根据权利要求2所述的一种连续管的管管对接搅拌摩擦焊工艺方法，其特征在于，所述夹持部分直径18mm；所述轴肩直径20mm，所述搅拌针的锥台为左旋梯形螺纹，牙型角倒半径2mm圆角，锥台倾角46-48°，锥台根部直径5-8mm，端部直径3-5mm，锥台长度为3.5-6.5mm，其长度等于或小于连续管壁厚与搭接管壁厚之和。
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