摘要：钻杆在钻井施工过程中要承受复杂的弯扭压拉组合载荷，并经受强烈的振动和冲击，因此钻杆必须具有较高的强度和良好的塑性、韧性。根据油田的使用经验，钻杆接头的断裂绝大多数属于低应力脆断，而热处理工艺不当是钻杆接头低应力脆断的主要原因。目前，国内钻杆生产厂家均是通过采用合理的摩擦焊工艺和正确的焊后热处理工艺保证钻杆力学性能满足行业标准。因此，研究热处理工艺对焊缝力学性能的影响，确定合理的焊缝热处理参数，对保证和提高钻杆质量有重要意义。
关键词：摩擦焊；石油钻杆；热处理；力学性能
引言：摩擦焊接钻杆要求其机械性能达到行业标准要求，钻杆焊后的机械性能是由合理的焊接工艺和正确的热处理工艺保证的。通过对具体工艺生产的钻杆的检验结果进行分析，探讨了如何郭据焊后钻杆的力学性能和金相检测结果判断摩擦焊接钻杆不符合行业标准要求的原因，分析了热处理工艺对钻杆力学性能的影响。
一、焊缝热处理工艺分析
石油钻杆是油田钻井设备上的重要零件。钻杆在使用过程中承受很大的拉应力和扭矩，并经受强烈的震动和冲击[1]。因此，钻杆的力学性能必须满足一定要求。目前钻杆的生产和修复是采用摩擦焊工艺将钻杆接头和钻杆管体焊接而成。由于摩擦焊后焊缝得到的金相组织是混合组织，造成焊缝区硬度分布不均匀，局部区域硬度偏低，而冲击韧性偏高，满足不了使用要求，因此，焊后必须经过热处理调整焊缝区的金相组织和力学性能。通过采用合理的摩擦焊工艺和正确的焊后热处理工艺使摩擦焊接钻杆力学性能满足行业标准[2]。钻杆生产中的力学性能应通过摩擦焊接过程和焊后热处理过程两方面保证。在钻杆批量生产前，必须通过相应的检验，确保采用的焊接和热处理工艺生产的钻杆满足标准要求。实际生产中发现，钻杆生产厂家在生产钻杆时，经过焊后检验，发现力学性能达不到行业标准，就首先判定焊接工艺不合理，反复调整焊接参数。经过作者分析，实际上多数是由焊后热处理工艺不正确造成的。通过对比了两种热处理工艺对摩擦焊接钻杆力学性能的影响，找出热处理工艺对力学性能的影响规律，并对如何判断是焊接工艺还是热处理工艺不合理造成的力学性能不合格进行了探讨。为钻杆的生产和修复提供一定指导。
（一）退火
摩擦焊接过程中焊缝的冷却速度较快，出现马氏体组织，使得飞边的硬度很高，切削加工困难。因此，需对焊缝飞边进行去应力退火，降低焊缝飞边硬度，改善切削加工性能。去应力退火的加热温度较宽，一般在临界温度Ac1以下100℃～200℃，若采用中频感应加热局部退火，温度则应提高30℃～50℃。退火工艺参数可根据多次切削试验确定:加热温度650℃，保温时间120s。
（二）调质处理
在摩擦焊接过程中，焊缝温度高达1200℃～1300℃，随着焊缝在空气中冷却，焊缝中会出现复杂的混合组织，在焊接热影响区还会出现软化区，必须及时进行调质处理，消除接头部位的残余应力，恢复接头的强度和韧性。其一，首先，淬火。淬火温度的选择。淬火加热温度主要根据钢的临界点确定，淬火工艺参数确定应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。根据材料性能，钻杆材料的适宜淬火温度一般为850℃±10℃，采用中频感应装置局部淬火，温度应提高30℃～50℃。另外，保温时间的确定。保温时间需要通过试验来确定，试验方法如图1所示。采用温度闭环控制方法，红外测温仪A实时测量焊缝外表面温度，当温度达到目标温度T后，温度进入闭环控制状态，此时开始计时。红外测温仪B测量钻杆内表面焊缝温度，当温度达到T后记录时间t1，反复n次试验，取其最大值为淬火保温时间。最后，淬火冷却方式。淬火冷却采用液气共冷方式，即:焊缝外表面进行淬火液冷却，内表面进行高压空气冷却。防止淬火过程中焊缝内外表面温差过大而产生较大的热应力，避免因热应力造成的工件变形或开裂。其二，回火。钻杆焊缝回火属于高温回火，目的是减少或消除淬火应力，获得强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。回火温度要适当，一般是将淬火工件加热至Ac1温度以下，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温。
二、摩擦焊接及焊缝热处理工艺试验参数
摩擦焊接试样规格为Φ127mm、G105钢级，焊颈尺寸:外径Φ130mm，内径Φ90mm。焊后热处理采用中频感应局部加热，退火和回火采用200Hz～500Hz中频电源，淬火采用500Hz～1000Hz中频电源。根据材料和相关热处理规范，设计了3组热处理工艺参数进行探索性试验，最终确定焊缝热处理工艺参数。试件性能按SY/T5561-2008标准进行检测，检测项目包括拉伸性能、冲击功、侧向弯曲、洛氏硬度和金相分析等方面。试验参数见下表。
钻杆试样热处理工艺参数：
三、焊缝热处理工艺评价
（一）检测结果分析
由试验结果可知，1#试件各项性能均达到标准要求。试件焊缝组织均为回火索氏体，晶粒度达到10.5级以上，试件同一部位沿壁厚方向的硬度差不大于2HRC，说明淬火温度和保温时间选取合理，采用气液共冷方式进行淬火冷却科学有效。尽管1#试件各项性能达到标准要求，但1#试件拉伸性能整体偏低，热处理热影响区内的最低硬度值达到24HRC，而夏比冲击功和延伸率远远高于标准要求，造成试件强度低的原因主要是回火温度偏高[3]。
（二）热处理工艺参数优化
为了提高焊缝的整体强度，将2#试件和3#试件的回火温度分别调整为670℃和650℃，保温时间仍为400s，摩擦焊接、退火和淬火工艺参数不变。对比1#、2#和3#试件的检测结果可知:热处理后三组试件化学成分差别极小，且均符合标准要求。从拉伸性能试验、夏比冲击功试验结果分析，2#、3#试件塑性延伸强度及抗拉强度均比1#试件有很大提高，冲击功值有所下降，但仍高于标准要求。2#试件和3#试件管体侧热影响区硬度有所提高，最低硬度上升到HRC27，且焊区硬度分布均匀，波动幅度较小，处于合理的高值;侧向弯曲试验结果表明，在顺时针和逆时针弯曲180°过程中，均为发生开裂等现象。因此，通过调整回火温度，能有效提高试件的拉伸强度。虽然2#试件屈服强度和抗拉强度比3#试件较低，但呈现优良的综合机械性能，而3#试件屈强比高、刚性大，塑性较差。同时，2#试件焊区组织晶粒更为细密，能够起到良好的强韧效果。因此采用2#试件工艺参数焊接的钻杆性能最优。
结论
简而言之，钻杆接头断裂绝大多数属于低应力脆断，而热处理工艺不当是接头低应力脆断的主要原因，通过采用合理的摩擦焊工艺和正确的焊后热处理工艺能提高钻杆焊缝的综合机械性能。另外，焊缝拉伸性能整体偏低，热处理热影响区内的硬度值偏小，而夏比冲击功和延伸率远远高于标准要求，其主要原因是回火工艺不合理。通过调整回火温度，能有效提高试件的焊缝屈服强度及抗拉强度。为此，文章主要围绕热处理工艺对摩擦焊接钻杆力学性能的影响进行了分析，希望能给相关人士提供重要的参考价值[4]。
参考文献
[1]朱张校，王昆林，贺茂文.摩擦焊接钻杆焊缝断裂失效分析[J].金属热处理，2017(2):36-38.
[2]中国石油天然气总公司石油管材研究中心.SY/T5561—92摩擦焊接钻杆焊区技术条件[S].北京:中华人民共和国能源部，2013.
论文作者:乔旺
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2019/1/2
标签：钻杆论文; 工艺论文; 摩擦论文; 温度论文; 力学性能论文; 应力论文; 硬度论文; 《电力设备》2018年第23期论文;