CN101664846B

CN101664846B - 一种g3合金油井管试验实物焊接制备方法

Info

Publication number: CN101664846B
Application number: CN2009100928353A
Authority: CN
Inventors: 李东风; 张森; 韩新利; 杨鹏; 韩军
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: CN101664846A

Abstract

G3合金油井管试验实物焊接制备方法，应用于石油钻井油管或套管和35CrMo或30CrMo等类材料夹头焊接制备。特征是：经过焊件准备；焊接设备与焊条的准备；焊前要对工件进行预热；采用焊条直径为3.2mm，焊接参数选用的原则是合适大小的电流，电弧尽量低，推荐的焊接电流为90～120A，并控制焊接线能量在0.5～1.0kJ/mm范围。用不锈钢焊条打底，焊透根部，均匀环焊4～5层，然后用双相不锈钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后焊缝要有至少3～4mm加强高度，并在试验管焊缝边缘平行堆焊2道焊缝。焊接完成用保温材料包裹焊缝至冷却。效果是：焊接接头完好，证明焊接工艺可行，解决了G3合金油井管实物试验时与夹头的连接问题。

Description

一种G3合金油井管试验实物焊接制备方法

技术领域

本发明涉及镍基合金材料石油钻井油管或套管和35CrMo或30CrMo等类材料夹头焊接制备试验实物。

背景技术

石油工业是大量应用管材的工业，油气田开发过程中需要大量的油井管，这些油井管在油气生产中往往处于高温、高压环境和气、水、烃、固共存的多相流腐蚀介质中，这些介质对管材具有很强的腐蚀性。腐蚀是金属材料主要失效形式之一，石油和天然气开发与加工行业历来是腐蚀比较严重的几个行业之一，腐蚀问题不仅造成了巨大的经济损失，而且往往带来一些灾难性后果，例如：人员伤亡、停工停产和环境污染等。腐蚀给石油工业造成的事故很多，每年经济损失很大，选用性能优良的管材是防止腐蚀事故的主要措施。

G3合金油井管是针对高H₂S和CO₂油气田开发的耐腐蚀钢管，主要用于腐蚀环境严重的气田开采开发中，能有效减少腐蚀影响，为石油工业带来巨大的经济效益；由于高温、高压和腐蚀性环境，对管子的质量要求很高，对G3合金油井管的性能进行全尺寸实物试验评价是保证工程用管质量的有效手段。G3合金油井管有TDJ-G3镍基耐蚀合金油井管。

目前，进行G3合金油井管的实物试验评价时，两端需要与夹头连接，然后才能连接到试验设备上。进行复合载荷试验时，堵头在起到密封作用的同时，也起到传递轴向载荷的作用。对于管子与夹头的连接方式有两种，一种是采用过渡接头，在管子的一端加工上螺纹，将过渡接头与管子通过螺纹连接在一起，然后再将过渡接头与试验用辅棒焊接在一起；另一种是焊接方式，即直接将管子与试验用辅棒焊接在一起。国外均采用过渡接头的方法，但该方法对过渡接头加工性能要求高，经常在过渡接头处出现泄漏、断裂等失效导致评价试验结果无效，采用焊接方式，可以有效解决这些问题，但需要焊接接头的性能达到以下三点要求：(1)焊缝和热影响区不能产生裂纹等焊接缺陷；(2)焊缝要有足够的强度，热影响区不能在焊接过程中产生明显的软化；(3)焊缝和热影响区要有一定的韧性和疲劳强度，不能产生脆断和疲劳开裂。G3合金油井管和35CrMo或30CrMo材料夹头两种材料的成分和冶金性能相差很大，焊接性很差。焊接后G3合金材料热影响区会不会明显软化或脆化，两种材料能否很好的结合(能否形成没有冶金缺陷的焊缝)，以及接头的性能能否满足试验要求(不能在焊接接头处断裂或泄露)是确定试验实物制备工艺的难点和关键点。

发明内容

本发明的目的是：提供一种G3合金油井管试验实物焊接制备方法，采用焊接方式解决G3合金油井管和35CrMo或30CrMo等类材料夹头的连接问题，保证高温、高压压力试验和轴向拉伸或压缩试验时焊接接头不会出现泄漏或断裂，确保G3合金油井管实物评价试验的顺利进行，为G3合金油井管的选用提供支持。

本发明采用的技术方案是：G3合金油井管试验实物焊接制备方法，其特征在于：

A、焊件准备：首先将试验的油井管两端加工成焊接坡口，将两个试验夹头的焊接端加工成坡口，两个试验夹头焊接在油井管两端，试验夹头的另一端外部或内部加工有螺纹，螺纹用于与试验设备连接。夹头的材质为30CrMo，油井管的材质为G3合金，如TDJ-G3镍基耐蚀合金。

B、焊接设备与焊条：选用电弧焊，设备为直流焊机，直流焊机极性为反接，焊接材料选用一种双相不锈钢焊条和一种不锈钢焊条。焊条直径为3.2mm。

双相不锈钢焊条的熔敷金属的化学成分按重量百分比如下：C≤0.04％、Cr为21.5-23.0％、Ni为4.5-6.5％、Mo为2.5-3.5％、Mn≤1.6％、Si≤0.6％、P≤0.035％、S≤0.035％、N≤0.30％；这种焊接材料焊缝金属的典型力学性能达到屈服强度612MPa，抗拉强度855MPa，伸长率27％，20℃夏比冲击功50J。

不锈钢焊条的熔敷金属的化学成分按重量百分比如下：C≤0.04％、Cr为11.5-15.0％、Ni为4.0-6.0％、Mo为≤0.6％、Mn为≤1.0％、Si≤0.6％、P≤0.04％、S≤0.03％；这种焊接材料焊缝金属的典型力学性：屈服强度不小于874MPa，抗拉强度不小于963MPa，伸长率不小于20％，20℃夏比V型冲击功不小于74J。夏比V型冲击功是指通过摆锤冲击试验机试验时折断具有V型缺口的试样所需要的总能量。

C、焊前要对油井管和试验夹头进行预热，温度达到50～100℃时开始焊接，焊接过程中控制道间温度在50～100℃之间。根据国家标准GB-T 3375-1994焊接术语的规定，道间温度，俗称层间温度，是指多层多道焊时，在施焊后继焊道之前，其相邻焊道应保持的温度。

由于试验夹头较厚，预热时试验夹头要热透。否则降温很快，焊缝或热影响区可能出现裂纹。

D、采用焊条直径为3.2mm，焊接参数选用的是合适的电流，焊接电流为90～120A；电弧尽量低，电弧高度在1～3mm之间，推荐的控制焊接线能量在0.5～1.0kJ/mm范围。焊接线能量是指熔焊时，由焊接热源输入给单位长度焊缝上的能量，亦称“热输入”。

E、首先用不锈钢焊条打底，焊透根部，均匀环焊4～5层，打底焊时摆动焊条，焊条摆动幅度在焊条芯直径的1.5～3倍之间；然后用双相不锈钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后焊缝要有至少3～4mm加强高度，并在试验管焊缝边缘平行堆焊2层，进行这2层堆焊时焊条不能摆动，每层焊缝宽度为5～10mm，目的是改善试验管热影响区的薄弱带的形状分布和受力状态。前边D步骤中：为了要填满坡口，要求一定的摆动，但摆动不超过焊条芯直径的3倍，焊接是为了增加焊肉厚度，不能有摆动。

F、焊接工作完成后，用保温材料包裹焊缝及热影响区，直至冷却。

本发明的有益效果：本发明G3合金油井管试验实物焊接制备方法，经过多次实物焊接制备试验，尤其是在高温、高压、反复加载试验条件下，焊接接头完好，证明本焊接方法可行，解决了G3合金油井管实物试验时与夹头的连接问题。较采用普通焊接方法焊接过渡接头，采用发明的焊接方法更具有可靠性和成功率高，缩短试验周期，提高工作效率，降低了试验成本。为我单位油井管实物焊接制备积累了技术和经验，保证了油田用G3合金油井管的质量。该焊接制备方法已经成功保证了宝山钢铁股份有限公司和天津钢管集团公司G3合金油井管全尺寸实物试验的顺利完成，进而证明我国也能够生产合格的G3合金油井管，大幅降低了我国G3合金油井管的采购价格。

附图说明

图1是本发明G3合金油井管试验实物焊接制备结构剖面示意图。

图中，1.试验夹头，2.焊缝，3.油井管。

具体实施方式

实施例1：以一个G3合金油井管试验实物焊接制备方法为例，对本发明作进一步详细说明。

参阅图1。本发明G3合金油井管试验实物焊接制备方法：

A、焊件准备：油井管3是TDJ-G3镍基耐蚀合金油管。油井管3外径88.9mm，壁厚6.45mm。试验夹头1为阶梯圆柱形，小圆柱体外径70mm，小圆柱体能插入油井管3内。

首先将试验的油井管3两端加工成焊接坡口，将两个试验夹头1的焊接端加工成坡口，两个试验夹头1焊接在试验管3两端，试验夹头1的另一端外部加工有螺纹。夹头的材质1为30CrMo，油井管3为TDJ-G3镍基耐蚀合金。

B、焊接设备与焊条：选用电弧焊，设备为直流焊机，直流焊机极性为反接，焊接材料选用一种双相不锈钢焊条和一种不锈钢焊条。

双相不锈钢焊条的熔敷金属的化学成分按重量百分比如下：C≤0.04％、Cr为21.5-23.0％、Ni为4.5-6.5％、Mo为2.5-3.5％、Mn≤1.6％、Si≤0.6％、P≤0.035％、S≤0.035％、N≤0.30％；这种焊接材料焊缝金属的典型力学性能可以达到屈服强度612MPa，抗拉强度855MPa，伸长率27％，20℃夏比冲击功50J。

不锈钢焊条的熔敷金属的化学成分按重量百分比如下：C≤0.04％、Cr为11.5-15.0％、Ni为4.0-6.0％、Mo为≤0.6％、Mn为≤1.0％、Si≤0.6％、P≤0.04％、S≤0.03％；这种焊接材料焊缝金属的典型力学性：屈服强度不小于874MPa，抗拉强度不小于963MPa，伸长率不小于20％，20℃夏比V型冲击功不小于74J。

C、焊前要对油井管3和试验夹头1进行预热，温度达到80℃时开始焊接，焊接过程中控制道间温度为80℃；

预热时试验夹头1要热透。

D、采用焊条直径为3.2mm，焊接参数选用的是合适的电流，焊接电流为110A；电弧尽量低，电弧高度为2mm，控制焊接线能量为0.8kJ/mm。

E、首先用不锈钢焊条打底，焊透根部，均匀环焊4层，打底焊时左右摆动焊条，焊条摆动距离在焊条芯直径的2.5～3倍之间，即摆动距离在8～9.6毫米之间；

完成打底后，用双相不锈钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后焊缝有4mm加强高度，并在试验管焊缝2边缘平行堆焊2层，进行这2层堆焊时不能左右摆动焊条，每层焊缝宽度为8mm。

F、焊接工作完成后，用保温材料包裹焊缝2及热影响区，直至冷却至室温。如用干石灰堆积掩埋400毫米厚进行保温。

Claims

1.一种G3合金油井管试验实物焊接制备方法，其特征在于：

A、焊件准备：首先将试验的油井管(3)两端加工成焊接坡口，将两个试验夹头(1)的焊接端加工成坡口，两个试验夹头(1)焊接在油井管(3)两端，试验夹头(1)的另一端外部或内部加工有螺纹；试验夹头(1)的材质为30CrMo，油井管(3)的材质为G3合金；

B、焊接设备与焊条：采用电弧焊，设备为直流焊机，直流焊机极性为反接，焊接材料选用一种双相不锈钢焊条和一种不锈钢焊条；

双相不锈钢焊条的熔敷金属的化学成分按重量百分比如下：C≤0.04％、Cr为21.5-23.0％、Ni为4.5-6.5％、Mo为2.5-3.5％、Mn≤1.6％、Si≤0.6％、P≤0.035％、S≤0.035％、N≤0.30％；这种焊接材料焊缝金属的典型力学性能达到屈服强度612MPa，抗拉强度855MPa，伸长率27％，20℃夏比冲击功50J；

不锈钢焊条的熔敷金属的化学成分按重量百分比如下：C≤0.04％、Cr为11.5-15.0％、Ni为4.0-6.0％、Mo为≤0.6％、Mn为≤1.0％、Si≤0.6％、P≤0.04％、S≤0.03％；这种不锈钢焊条焊缝金属的典型力学性：屈服强度不小于874MPa，抗拉强度不小于963MPa，伸长率不小于20％，20℃夏比V型冲击功不小于74J；

C、焊前要对油井管(3)和试验夹头(1)进行预热，温度达到50～100℃时开始焊接，焊接过程中控制道间温度在50～100℃之间；

由于试验夹头(1)较厚，预热时试验夹头(1)要热透；

D、采用焊条直径为3.2mm，焊接参数选用的是合适的电流，焊接电流为90～120A；电弧尽量低，电弧高度在1～3mm之间，控制焊接线能量在0.5～1.0kJ/mm范围；

E、首先用不锈钢焊条打底，焊透根部，均匀环焊4～5层，打底焊时摆动焊条，焊条摆动距离为焊条芯直径的1.5～3倍之间；然后用双相不锈钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后焊缝要有至少3～4mm加强高度，并在试验管焊缝(2)边缘平行堆焊2层，进行这2层堆焊时焊条不能摆动，每层焊缝宽度为5～10mm；

F、焊接工作完成后，用保温材料包裹焊缝(2)及热影响区，冷却至室温。

2.如权利要求1所述的G3合金油井管试验实物焊接制备方法，其特征在于：所述的油井管(3)是TDJ-G3镍基耐蚀合金油管。