CN101699021A - 摩擦焊接式方钻杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油钻井工具，具体为一种摩擦焊接式方钻杆。本发明的摩擦焊接式方钻杆，包括管体及分别位于管体两端的第一接头和第二接头，所述的管体的截面形状为四方形或六方形，其中管体与第一接头、第二接头通过摩擦焊接方式连接，焊接工艺参数为：一级摩擦压力3-5MPa，时间20-60秒；二级摩擦压力4-8MPa，时间60-180秒；顶锻压力10-18MPa。本发明的优点在于：分段制造、制造简单、生产效率高；节约原材料和能源，极大地降低成本；易保证加工质量且加工精度高。与现有方钻杆采用的手工式焊接相比，该焊接方式产生的焊缝易出现气孔、偏析、夹杂、裂纹等结晶缺陷，严重影响钻杆的强度及使用寿命。接头质量好且稳定，焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接头为锻造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析、夹杂、裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到甚至超过母材的强度。

Description

摩擦焊接式方钻杆

技术领域

本发明涉及一种钻杆，具体为一种用于石油、天然气或其它地质工程钻井使用的钻杆。

背景技术

方钻杆选用AISI 4142H～4145H锻造或精轧的合金结构钢生产制造，它是连接水龙头和钻管的四方型或六方型的钢管，方钻杆通过转台的转动将扭矩传递到钻井索具。它是整个钻柱的驱动部分。随着我国经济的迅速发展，对石油需求量急剧增长，陆地石油源已不能满足需要，石油钻采的深度也越来越深。目前深井作业技术的日渐完善，方钻杆的用量正在大幅度增加。由于方钻杆的长度要求达12米以上甚至能长达16米，目前国内的原材料供应商无法提供符合要求的原材料，所以国内方钻杆多采用手工焊接工艺来满足方钻杆的长度要求。采用手工焊接容易出现气孔、夹杂和裂纹等焊接缺陷，严重影响钻杆的强度及使用寿命，导致钻井事故频繁发生，使钻井成本加大。并且采用手工焊接还存在制造麻烦，焊接精度和焊接质量无法控制，生产周期长，材料浪费大，成本高等无法弥补的缺陷。因此开发生产出高质量、高性能而又经济价廉的石油钻具产品，始终是国内外石油工业界关注的焦点，可以说在整个石油开发的过程中，每次石油钻具产品技术的进步，都是石油工业的大飞跃。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，设计了一种摩擦焊接式的方钻杆，解决现有技术存在的制造麻烦，焊接精度和焊接质量无法控制，生产周期长，材料浪费大，成本高的问题。

本发明的摩擦焊接式方钻杆，包括管体及分别位于管体两端的第一接头和第二接头，所述的管体的截面形状为四方形或六方形，其中管体与第一接头、第二接头通过摩擦焊接方式连接，所述的第一接头与第二接头的长度为800-1200mm，所述的管体厚度为40-60mm；

焊接工艺参数为：一级摩擦压力3-5Mpa，时间20-60秒；二级摩擦压力4-8Mpa，时间60-180秒；顶锻压力10-18Mpa。

所述的摩擦焊接式方钻杆，其中的第一接头与第二接头的长度为800-1000mm，所述的管体厚度为40-50mm；所述管体长度为11000-13600mm。

所述的摩擦焊接式方钻杆，其中管体的长度为11000-12000mm。

本发明的优点在于：分段制造、制造简单、生产效率高；节约原材料和能源，极大地降低成本；易保证加工质量且加工精度高。与现有方钻杆采用的手工式焊接相比，该焊接方式产生的焊缝易出现气孔、偏析、夹杂、裂纹等结晶缺陷，严重影响钻杆的强度及使用寿命。接头质量好且稳定，焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接头为锻造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析、夹杂、裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到甚至超过母材的强度。

附图说明

图1摩擦焊接式方钻杆结构示意图

图2是图1的剖示结构示意图

图3是采用摩擦焊接方式生产的六方钻杆结构示意图

图4是采用摩擦焊接方式生产的四方钻杆结构示意图

图中 1-第一接头 2-焊口飞边 3-管体 4-第二接头

具体实施方式

参照附图1-2，焊前，待焊的第一接头1或第二接头4夹持于摩擦焊机的旋转夹具上，称为旋转工件。管体3夹持于摩擦焊机的移动夹具，称为移动工件。焊接时，旋转工件在电机驱动下开始高速旋转，移动工件在轴向力作用下逐步向旋转工件靠拢，两侧工件接触并压紧后，摩擦界面上一些微凸体首先发生粘接与剪切，并产生摩擦热。随着实际接触面积增大，摩擦扭矩迅速升高，摩擦界面处温度也随之上升，摩擦界面逐渐被一层高温粘塑性金属所覆盖。此时，两侧工件的相对运动实际上已发生在这层粘塑性金属内部，产热机制已由初期的摩擦产热转变为粘塑性金属层内的塑性变形产热。在热激活作用下，这层粘塑性金属发生动态再结晶，使变形抗力降低，故摩擦扭矩升高到一定程度(前峰值扭矩)后逐渐降低。随着摩擦热量向两侧工件的传导，焊接面两侧温度亦逐渐升高，在轴向压力作用下，焊合区金属发生径向塑性流动，从而形成飞边，轴向缩短量逐渐增大。随摩擦时间延长，摩擦界面温度与摩擦扭矩基本恒定，温度分布区逐渐变宽，飞边逐渐增大，此阶段称之为准稳定摩擦阶段。在此阶段，摩擦压力与转速保持恒定。当摩擦焊接区的温度分布、变形达到一定程度后，开始刹车制动并使轴向力迅速升高到所设定的顶锻压力此时轴向缩短量急骤增大，并随着界面温度降低，摩擦压力增大，摩擦扭矩出现第二个峰值，即后峰值扭矩。在顶锻过程中及顶锻后保压过程中，焊合区金属通过相互扩散与再结晶，使两侧金属牢固焊接在一起，从而完成整个焊接过程。经多次试验摸索出稳定的适合焊接方钻杆的技术参数为：一级摩擦压力3-5Mpa，时间20-60秒；二级摩擦压力4-8Mpa，时间60-180秒；顶锻压力10-18Mpa，焊接后的焊缝质量及焊接性能可以达到甚至超过普通钻杆。

完成焊接过程后，去除摩擦焊产生的焊口飞边2。然后严格按照产品规范进行磁粉探伤、超声波探伤、表面硬度、同轴度和力学性能检测。经检测合格的产品可送入下到工序，按照API标准及客户要求生产出合格的四方钻杆(附图3)或六方钻杆(附图4)。

本发明的摩擦焊接工艺过程全部由机器控制，摩擦压力控制精度可达±0.3MPa，主轴转速控制精度可达±0.1％，参数设定后容易监控，重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。由于摩擦焊接为固态连接，其加热过程具有能量密度高、热输入速度快以及沿整个摩擦焊接表面同步均匀加热等特点，故焊接变形较小。在保证焊接设备具有足够大的刚性、焊件装配定位精确以及严格控制焊接参数的条件下，焊件尺寸精度较高。焊接接头的长度公差和同轴度可控制在±0.25mm左右；

摩擦焊所需功率仅及传统焊接工艺的1/5～1/15，不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极；

焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有孤光和火花，没有放射线。而且生产效率高，对焊件准备通常要求不高，焊接设备容易自动化，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒。使用摩擦焊技术生产的方钻杆不仅在工艺手段和技术上完全符合API标准要求，而且还极大的降低了生产成本，减少原材料的浪费。

目前国内采用摩擦焊形式加工的石油钻具产品主要集中在钻杆和加重钻杆领域。本发明的摩擦焊接方式，可焊壁厚要大于等于40mm，长度能达到800mm及800mm以上的方钻杆，而通常普通钻杆的壁厚为20mm，接头长度一般只有400mm左右。焊接壁厚的截面积比普通钻杆要厚1倍多，所以焊接结合性的控制就显得尤为重要。焊接接头长，普通钻杆的，而摩擦焊方钻杆接头的，并且管体部分重量要远大于普通钻杆管体的重量，这就对焊接时采用的一、二级摩擦压力和顶锻压力及时间提出了更高的要求。

Claims (3)

1.一种摩擦焊接式方钻杆，包括管体(3)及分别位于管体(2)两端的第一接头(1)和第二接头(4)，所述的管体(2)的截面形状为四方形或六方形，其特征在于管体(3)与第一接头(1)、第二接头(4)通过摩擦焊接方式连接，所述的第一接头(1)与第二接头(4)的长度为800-1200mm，所述的管体厚度为40-60mm；

焊接工艺参数为：一级摩擦压力3-5Mpa，时间20-60秒；二级摩擦压力4-8Mpa，时间60-180秒；顶锻压力10-18Mpa。

2.根据权利要求1的摩擦焊接式方钻杆，其特征在于所述的第一接头(1)与第二接头(4)的长度为800-1000mm，所述的管体厚度为40-50mm；所述管体(3)长度为11000-13600mm。

3.根据权利要求2所述的摩擦焊接式方钻杆，其特征在于所述管体(2)的长度为11000-12000mm。

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