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石油钻具热处理工艺及改进措施探究

2019/07/19 阅读:

摘要:随着我国经济水平的提高,工业化程度也越来越高,对能源的需求也越来越大,石油作为主要的工业能源之一,在当代工业生产乃至社会生活中发挥着不可替代的作用,因此,必须要保证石油资源的有效供应。在石油钻井工作中,钻杆是使用的主要工具,近些年钻杆的用量也不断地增加,而每年的待报废钻杆的数量随着时间的推移以及钻井市场的开发还会持续增加。由于此类钻杆大多是由于接头的磨损,但管体的磨损较小,仍符合相关标准,可以通过焊接修复进行二次开发,避免造成浪费。文章就对于钻杆摩擦焊的热处理工艺进行总结分析并提出了一定的改进措施。

关键词:石油钻具;摩擦焊;热处理

石油资源可以说是目前工业社会最为重要的原料,大部分的运输工具由石油驱动,另外,在工业上还可以利用石油进行发电,被称为“黑色金子”。对于国家的经济发展来说,起着举足轻重的作用,毫不夸张的说,石油资源对于国家工业的发展或是人们的日常生产生活都有着密不可分的关系。而在石油的开采过程中,需要运用专业的生产设备以及开采技术对油田进行开采,相关设备以及所运用技术的先进性、合理性直接影响着原油的开采率。在石油钻井工作中,钻杆是主要使用的设备,近些年来随着对于石油需求的增大,钻杆的用量也逐年增长。但由于在钻井作业的过程中钻杆承受着较为复杂的弯扭压拉组合载荷,保证钻杆在服役阶段的安全性尤为重要。根据多年来钻井作业的实际经验,多数钻杆由于接头的磨损超过标准而报废,但杆体的磨损实际不大仍在标准范围内,因此通过对此类杆体的焊接修复可以节约资源,从而大大降低油田的开采成本。经过钻井行业多年的摸索,在上个世纪80年代末,开始出现了将摩擦焊技术应用与对石油钻杆的修复过程中,在近些年通过对摩擦焊机、热处理设备以及热处理工艺的改进与革新,极大的提高了钻杆的修复水平。通过对石油钻杆进行摩擦焊以及热处理工艺的修复,可以有效的实现对积压钻杆的二次利用,并使钻杆的性能得到强化,降低了因钻具失效而产生的事故频率,减少了新钻具购置成本,提升了企业钻井的速度,并节省了成本。

1石油钻杆摩擦焊接技术概述

摩擦焊这一焊接工艺是在二十世纪50年代发展起来的,其工作原理为焊接件的接触端面通过进行相对的旋转运动进行摩擦产生热量,使端部转变为热塑状态再进行顶锻,从而使两个焊接件之间的接触面完成焊接。而将摩擦焊技术应用到钻杆的修复过程中近些年国内外都有了极大的研究成果[1]。

1.1国内情况

关于将摩擦焊应用在石油钻杆中的研究,我国起步较早,是世界上最早进行相关研究的国家之一。最初主要是在石油钻杆的修复中应用,修复指的是使用焊接的方式将新接头替换失效的接头。1972年,我国第一台石油钻杆专用摩擦焊及研制成功并应用与大港油田中,很快这项技术普遍应用于全国其他油田的钻杆修复工作中,并逐渐取代了传统工艺。但由于受到当时我国的技术水平所限,摩擦焊在石油钻杆修复中的应用还存在一定的问题,在实际应用过程中生产稳定性较差,并存在如焊接裂纹、流痕断口等缺陷。而近些年随着我国综合国力的提高,科技水平也得到了很大的发展,相较于往日,自动化水平得到了很大的发展。同时摩擦焊工艺的相关参数以及所用材料也有了进一步的优化,也积累了丰富的摩擦焊应用经验,因此更加先进成熟的摩擦焊技术在石油钻杆的制造、修复中又得到了进一步的推广。目前在我国较大的油田如大庆油田、胜利油田中都有广泛的应用,并创造了可观的经济效益。

1.2国外情况

在国外摩擦焊技术首先由苏联学者首次提出并应用,随后摩擦焊因其优质、高效、低能耗、环保的优点逐渐得到了一些工业强国的重视,并经过漫长时间的研究以及发展摩擦焊技术逐渐成熟并得到了推广应用,其中在石油钻杆的生产制造中应用最多。目前在国外的石油钻杆摩擦焊机主要分为连续驱动于惯性两种方式。不仅实现了焊机的标准以及系列化,还应用了较为先进的监控系统。为了保证焊接过程的质量,研究开发出了一系列的控制技术,包括有时间控制、变形量控制、特殊过程控制技术等。并且在此基础上通过一些外围设备的使用实现了焊接过程的自动化。

1.3存在的问题及发展方向

虽然近些年石油钻杆摩擦焊修复工艺有了很大的发展并得到了广泛的应用,但由于石油钻杆的较为恶劣复杂的工作环境,往往对强度、韧性等有较高的要求,单靠摩擦焊工艺很难达到所要求的标准,为了使其达到提高强度韧性从而达到要求,会对摩擦焊接头进行热处理,一般采用感应加热的方式。目前摩擦焊以及热处理技术应用在石油钻杆修复过程中主要会产生如下几个问题:首先摩擦焊过程中会产生灰斑的缺陷。灰斑缺陷一般是指在焊接过程中摩擦焊接两个接触面之间异常区内形成的一个平面薄膜。灰斑的产生及存在,会对焊接表面金属的结合造成不良的影响,大大地降低了石油钻杆的塑性以及韧性疲劳强度,不仅如此,一定程度上还会促使早期裂纹的产生,从而加剧了对石油钻杆的脆性破坏。其次,在应用摩擦焊技术于石油钻杆的修复的过程中,需要对相关的参数进行精准的计算设计,稍有偏差会在焊缝与接头、焊缝与母材之间产生熔合不良的问题。最后,当摩擦焊接工作完成后,应采取相应的热处理进一步的加强石油钻杆的性能。但由于相关的热处理工艺较为复杂,需要操作人员具备相关的专业知识以及操作经验。当热处理工艺不当时,会造成残余马氏体的产生,从而使石油钻杆的硬脆性加强降低了塑性,使淬火裂纹、弯曲断裂问题产生。根据以上对石油钻杆摩擦焊以及热处理的研究以及应用的总结分析,可以得出其基本对目前的钻井施工所提出的要求满足,但目前在石油钻井的研究领域逐渐向深层井发展,对钻杆的强度、韧性提出了更高的要求,因此,需要更加高效的摩擦焊以及热处理工艺技术来满足新的更高的要求。

2焊后热处理工艺研究

热处理的目的是通过改变金属以及合金内部的组织结构达到使材料满足性能要求的目的,热处理过程一般包括有加热、保温以及冷却三个阶段。应用再摩擦焊接石油钻杆修复工作中的热处理工艺一般来说采用退火、淬火加回火,使用中频感应的方式进行加热。中频感应的方式在加热速度较快这一优点的基础上兼具焊缝热影响小的特性,一般来说小于70毫米。在热处理的过程中,通过退火工艺,使化学成分均匀,并对机械性能有一定的改善,对于材料的内应力也可以减小甚至消除,得到珠光体类这合适的内部组织。由于摩擦焊接较高加热温度会带来极大的焊接应力,因此焊接完成后应及时进行退火处理,从而消除掉内应力,否则会产生焊接冷裂纹造成对石油钻杆的破坏。保温过程可以消除焊接产生的内应力以及魏氏组织。另外退火处理可以使石油钻杆的硬度降低,为后续的切削加工去除飞边创造了良好条件。在进行退火工艺时,应注意对加热温度的控制,防止其过高或者过快冷却,从而产生过烧、过热、较高硬度等缺陷。淬火在热处理中是最为重要的一道工序,对于焊缝强度以及硬度的提高有显著的作用。淬火过程应注意加热温度应控制在临界点上,从而得到奥氏体组织,随后冷却速度必须高于临界的冷却速度,从而得到较多的马氏体。但由于淬火后生成的马氏体组织硬脆性较大,并存在一定的内应力,因此在淬火后及时进行回火处理,以防止裂纹的产生。通过高温回火,既可以消除内应力又可以改善淬火组织,得到回火索氏体组织。通过三种热处理方式的综合运用以及配合,使焊区的力学性能有效提高[2]。

3焊后热处理工艺改进

焊后热处理的工艺是提高钻杆冲击韧性的较为有效的方式,经过多年的实际应用经验的累积以及相关的科学研究总结得出对焊后热处理工艺改进的方法。其中退火工艺也较明显的影响摩擦焊接头的冲击韧性,并且对后续的车削外飞边工作也提供了条件。而产生弯曲断裂的主要原因是由于淬火马氏体分解不彻底,存在比较多的残留,因此,应在回火处理中,提高回火的温度以及回火保温的时间,从而充分分解淬火马氏体,达到降低强度提高塑性的目的。

4结语

综上所述,为了使石油钻杆更好的适应在复杂地质条件下工作,并实现对报废钻杆的二次利用,采用摩擦焊以及热处理的方式对石油钻杆进行修复可以有效地提高钻杆的工作性能,并且有效地节约了企业进行钻井作业的成本,有极高的推广价值。

参考文献:

[1]姚进.石油钻杆摩擦焊及热处理工艺技术研究与应用[D].大庆:东北石油大学,2017.

[2]黄志敏,白淑媛.石油钻杆摩擦焊工艺及质量控制[J].化工管理,2017(6).

作者:张颖 迟林 单位:川庆钻探长庆钻井总公司西安长庆石油工具制造有限责任公司

石油钻具热处理工艺及改进措施探究

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