加重钻杆耐磨带焊接实例
（北京固本科技有限公司）
随着石油钻探开采的发展，各类加重钻杆在石油钻探开采中的需求越来越大，用户对产品使用性能的要求也越来越高。

如何采取合理的焊接工艺方法，以实现低成本高效率且又能满足产品技术要求的耐磨带焊接研究成为需要解决的课题之一。

某石油公司研发的材料牌号为AISI4145H钢的114.3mm（4.5in）加重钻杆有4段工作面需要增加耐磨带，4段焊缝分别为币φ158.8mmx101mm、φ127mmx76mm、φ127mmx76mm、φ158.8mmx101mm，焊缝需堆焊3mm厚，加重钻杆内孔为币φ71.41mm，钻杆内螺纹接头与钻杆吊卡扣合处制成18°锥形台肩，焊前经过285~341HBW调质处理。

按石油天然气行业颁布的标准SY/5T146-1997规定：堆焊后，耐磨环外表面应平整过渡，基体不得有裂纹和焊层剥落等缺陷，表面硬度不低于50HRC，为使钻杆焊接后性能满足技术要求，需对原材料的焊接工艺、焊接质量进行分析和试验，以便制定合理可行的焊接工艺。

一、焊接性分析
钻杆的材料牌号为AISI4145H，其化学成分符合表1的规定。

表1 AISI4145H的化学成分（质量分数）（%）
按照国际焊接学会所推荐的碳当量计算公式，可计算出碳当量Ceq为0.725%~1%。

据大量试验得知：当碳当量Ceq大于等于0.60%时，属于高淬透性的钢，冷裂纹倾向较为严重，焊接性较差，这是因为材料中的含碳量较高，加人的合金元素也较多，在500℃以下的温度区间过冷奥氏体具有更大的稳定性所致其含碳量越高，淬硬倾向越大，冷裂纹倾向也越大，而且由于M点较低，在低温下形成的马氏体一般难以产生“自回火”效应，并且马氏体中的含碳量较高，有很大的过饱和度，点阵的畸变就更严重，因而硬度和脆性就更大，对冷裂纹的敏感性也就更大另外，由于原材料的含碳量及合金元素的含量都较高，因此液一固相区间较大，偏析也更严重，这就促使其具有较大的热裂纹倾向。

二、焊接工艺特点
加重钻杆是在调质状态下进行焊接的，除了裂纹外，热影响区的主要问题是高温回火区软化引起的强度下降。

从焊接方法考虑应采用热量集中、能量密度大，而且焊接热输人越小越好；同时，为防止延迟裂纹的产生，必须选择正确的预热温度。

三、产品结构特点分析
钻杆长度达9.45m，且内孔尺寸为小φ71.4mm。

在恒定的热能输人时，小型工件加热获得的热量比向空气和其他介质中传导的热量大得多，焊件容易热透，温度也就容易升起来。

反之，大型工件加热时有一部分热量顺着长长的钻杆不断地向其他部位传输，同时也有一部分热量从内外径表面向文沐中不断流失，虽然表面温度达到了焊接需要的预热温度，但随着热量的不断流失，还没来得及焊接时，温度又降下来了。

因此在预热和焊接时将待焊钻杆内径两端用棉纱布、胶带或无孔丝堵等将钻杆的两端堵住，以减少通过内径表面向空气中传递的热量；滚动加热，并且扩大加热范围，以减小加热部分和未加热部分的温差，从而达到减小温度下降速度的目的；加热后迅速实施焊接，依靠焊接过程中的热输人来保证预热温度和防止焊接温度的下降，焊后再对焊接部位及热影响区用石棉布进行包扎。

四、焊接工艺
1、焊接设备的选型
根据焊接工艺特点中提到的减少热影响区软化的问题，结合现有的设备及经济性等因素采用C02气体保护焊，且采用焊接电流和电弧电压稳定的直流反接法进行焊接；同时根据产品结构和焊缝外观质量的要求自制钻杆旋转装置和焊枪摆弧控制装置。

2、焊接材料的选用
在焊接材料的选用上，考虑既要避免焊缝中裂纹的产生，同时又要保证焊接接头的强度满足产品的性能要求。

为此，选择了焊接质量稳定，且熔敷速度高，焊接效率明显的KB150耐磨带焊丝，直径为1.6mm。

KB150耐磨带焊丝是北京固本公司第三代产品，是一种高级无裂纹、套管友好耐磨带，继承了KB100和KB300的优点，耐磨带能力介于KB100和KB300之间，摩擦因数低，减摩能力高于KB300和KB100，其焊接简单且焊接过程产生很少的火花和烟尘，且保持一定的韧性可承受在大位移井、深井和水平井的严苛钻井条件下产生的大转矩和高温；能在多种外界环境下补焊，而不会产生裂纹和脱落，同时抗硫化氢腐蚀。

3、焊前准备
（1）检查钻杆接头表面，保证表面干净，没有任何杂质，如飞尘、污物、油脂和油漆等。

（2）对于钻杆接头，使用角磨机上的砂轮或金属刷清除接头上的杂物。

（3）检查并确保CO2保护气体的纯度>99.8%，最低不应<99.5%。

4、预热
（1）堆焊北京固本KB150耐磨带焊丝之前，必须对钻杆堆焊部位进行预热。

预热不充分可能导致基体金属上产生裂纹。

预热温度过高将不利于耐磨带成形；预热温度过低，将会影响耐磨带母体的组织结构。

在本工艺中，规定预热温度为250~320℃。

（2）预热应该是渗透预热，而不是表面预热。

5、工艺要求
（1）在正式生产之前，应在同样的直径、厚度和材料等级的试样上精细地调试设备，并记录各项工艺参数。

将101mm长的焊缝分为4条环焊缝来焊接，将76mm长的焊缝分为3条环焊缝来焊接，均可得到每段长约25mm的焊缝，有利于后面的焊枪摆弧调整。

（2）焊接操作者应该调整设备，从而能够得到平整或微凸的焊带形状。

（3）当在18°台肩上焊接耐磨带时，应确保耐磨带连续紧贴接头台肩切出的沟槽边缘。

另外，焊带不应高于台肩临近处的表面，否则应用角磨机打磨至齐平。

6、焊接参数
经过调试得出合理的焊接参数（见表2）。

表2 焊接参数
7、焊后保温
焊后保温是强制性要求，耐磨带焊接完成之后，应立即使用热绝缘好的石棉布保温缓慢冷却。

包裹焊好的耐磨带接头必须在空气静止的环境下进行，禁止通风扇在接头逐渐冷却的过程中直接吹接头。

8、焊后清理
根据需要可以用砂轮机打磨耐磨带的重叠区域、飞溅的渣子和较小的焊瘤，使耐磨带表面平滑。

但是，任何打磨工作都应该在钻杆接头冷却到70℃以下进行。

五、检验
所有的焊缝在焊后48h应按JB/T6061-1992进行了100%磁粉探伤，未出现裂纹；按GB2654-1989进行了堆焊金属硬度试验，也达到设计要求。

六、结语
（1）对易产生裂纹的AISI4145H钢进行耐磨带堆焊时，只要进行分析、试验，采取合理的焊接方法、预热方法和预热温度等措施，就可以防止焊接裂纹的产生。

（2）本批次钻杆已发往油田投人生产，运行状况反应良好。