CN101862884A - 一种连续管的管-管现场对接焊方法 - Google Patents

Abstract

一种连续管的管-管现场对接焊方法，先采用冷校的方法校直连续管，再采用冷整圆方法进行整圆，其次将管端对接处都进行相同角度的坡口加工，然后采用外对口的方式将两根连续管加工成坡口的管端进行焊接对口组装，再采用全位置的非熔化极氩弧(TIG)自动焊或手工焊，最后进行电弧回烧热处理；本发明能够在现场完成连续管的管-管对接焊；获得结构尺寸与连续管一致，综合力学性能与母体相近的焊接接头。

Description

一种连续管的管-管现场对接焊方法

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺，特别涉及一种连续管的管-管现场对接焊方法。

背景技术

连续管(Coiled Tubing，简称CT，又被称作连续油管、挠性油管、蛇形管或盘管)是指采用金属材料，主要是钢材制成可盘绕在大直径(一般约为1m以上)卷筒上，一种长达几百米至几千米的没有接头的管子。近年来，连续管及其作业机组成的连续管作业技术，随着石油工业的发展，在石油勘探、钻井、洗井、石油运输等领域的用途和作用日显突出，由于其应用范围广，使用方便，等被誉为“万能作业设备”。有专家指出，连续管作业在油气开采中应用的比例，反映了一个国家油气钻采的科技水平。

连续管在连续管作业中扮演着十分重要的角色。施工过程中，盘绕在卷筒上的连续管经过牵引、拉直、弯曲转向和再次校直后，被送入井下，成为作业介质输送的载体和工作管柱；作业后，卷筒反向运动，将连续管由井下拽扯提升出来，重新盘绕到卷筒上，以便反复使用。不同的工作方式、作业环境及参数，使得连续管往往是在复杂的拉、压、挤、胀、冲刷、腐蚀、疲劳等综合作用条件下工作。恶劣的工况条件，对连续管材料及整体结构提出了很高的性能要求。

连续管的管-管对接焊是连续管制造和连续管技术应用中不可或缺的应用技术。涉及到：在连续管生产制造过程中，因停车或管体不合格需要进行的管-管连接；在连续管产品运输中，因为桥涵限高等因素，分段运输的连续管在现场接长需要的管-管连接；连续管应用中，由于部分管体失效、损伤需要修复的管-管连接。

施工中连续管出现的任何质量问题，如失稳、渗漏、刺穿、断裂等都会引起重大的事故，轻者损坏井下设备，重者可能造成油井的报废。从世界连续管技术的应用发展历史上看，在20世纪70年代，在技术层面上，就是由于连续管焊接区域的性能低于管体的综合性能而导致连续管技术的发展及应用在此期间处于低谷和中断状态。即使在连续管应用已被誉为“万能作业”设备的今天，在现在已应用的连续管中，连续管现场管-管对接焊的焊缝仍然是连续管性能的最薄弱的区域，其性能的优劣直接影响到连续管技术效能的发挥。

现场连续管的管-管对接焊时，盘绕在卷筒上的连续管呈现出管体的塑性弯曲和管径截面的椭圆变形，变形在卷筒盘绕的不用位置变化程度不同，通常盘绕曲率半径越小的地方，弯曲和椭圆变形将越大。管体的塑性弯曲和椭圆变形将直接影响到焊接时的管口对中的尺寸精度，以及焊接对口时的焊接拘束应力。钢制连续管优良综合力学性能获得的一个主要途径，是通过管材冶金和轧制过程获取细晶粒和超细晶粒来保证的，这是连续管材料表现在组织上的一个重要特征。焊接的热过程将会促使晶粒长大，导致焊接接头性能下降。因此，现场连续管的管-管对接焊必须解决好管-管接口的对中和焊接接头的质量控制这两个主要关键问题。

现在常用的管-管对接焊有以下几种：

1.手工电弧焊(含手工TIG焊)

手工电弧焊方法是一种非常普遍的、易于使用的焊接方法，不足之处是焊接接头质量的稳定性取决于焊工的操作技能水平。

2.MIG/MAG焊

熔化极惰性气体保护电弧焊MIG焊和熔化极活性气体保护电弧焊，对于连续油管焊接而言，存在线能量大、熔滴过渡难以控制，焊接质量较难保证。

3.电阻对焊(包括闪光对焊)

电阻对焊是焊件组合后，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热并施加压力进行焊接的方法称为电阻对焊，但装备较大、所需功率大、存在内毛刺、热作用过程无法控制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种连续管的管-管现场对接焊方法，通过校直、整圆、对中，达到连续管管-管对接焊两侧管口几何尺寸的一致和无应力装卡；通过采用小焊接线能量、多层焊、焊接冷却块、焊后热处理的方法和手段，达到控制焊缝成型、减缓晶粒长大和改善焊接接头性能的目的，获得结构尺寸与连续管一致、综合力学性能与母体相近的焊接接头。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种连续管的管-管现场对接焊方法，包括以下步骤：

一、将弯曲的两根连续管采用冷校的方法校直，校直过程不得损伤管体，将准备焊接的2个管端处完全校直，每个管端校直段长度≥400mm，以便保证管-管对接时的对口装卡，再将管端到盘绕卷筒处的连续管进行选择性的适度弯曲校直，使得完全校直段的两个管端接触、轴线重合且在一条直线上；

二、将校直好的准备对接焊的两个管端采用冷整圆方法进行整圆，使管端不小于50mm的管段消除椭圆，直径尺寸恢复到连续管原始状态的范围，且要求整圆段沿轴向与未整圆的椭圆部分过渡平滑，整圆过程不得损伤连续管本体；

三、对两根连续管的管端对接处都进行相同角度的坡口加工，坡口加工选用冷加工，坡口为V型，坡口角度为60-90度，0.8-1.0mm钝边，坡口加工后，对坡口及管端不小于100mm处的管内外进行清理；

四、采用外对口的方式将两根连续管加工成坡口的管端进行焊接对口组装，对口的错边量不大于管壁厚的10％且不大于0.3mm，对口组装过程中，调节对口间隙，使得组对的焊口处于无拘束的自由状态或少量轴向压应力状态，消除组装拘束拉应力；

五、焊接过程时，管内外通氩气作为保护气氛，焊道两侧加装冷却块，采用全位置的非熔化极氩弧(TIG)自动焊或手工焊；采用小线能量、多道焊的工艺，焊缝由3层组成：打底层、填充层和盖面层，打底层为1道，不填丝，单面焊双面成形，填充层和盖面层选用对应的焊丝，自动焊焊丝直径1.0-1.2mm，手工焊焊丝直径≤2.0mm，根据管体的壁厚和坡口的宽度多道完成，每道厚度不超过2.0mm，层间温度控制在不超过100℃；

六、焊后对焊接接头采用焊接脉冲电流，共3道，分别是焊缝的中间和焊缝两侧的焊趾处，其作用是消除可能出现的咬边、降低硬度、改善组织结构；电弧热处理采用脉冲电流，其电流大小、回烧速度以及冷却速度的控制需要根据管材自身的热处理工艺来确定。

本发明适用的连续管的尺寸规格和级别是管径19.05-88.9mm(0.75-3.5in)，壁厚2.2-6.35mm(0.087-0.25in)，屈服强度482.65-551.6Mpa(70-80Kpsi)的钢制连续管。

本发明由于采用坡口无间隙组对，提高了焊接熔合比；由于采用小线能量、多道焊的工艺，所以减缓晶粒的长大，打乱柱状晶的生长；由于焊接时管内外通保护气氛，防止氧化和产生层间氧化物夹杂；由于焊道两侧加装冷却块，防止和减少焊接热影响区(HAZ)回火软化区产生；由于进行电弧回烧热处理，消除可能出现的咬边、降低硬度、改善组织结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做更详细的描述。

实施例一

本实施例适用的连续管的尺寸规格和级别是管径31.75mm(1.1/4′)，壁厚3.404mm，A606-4型HSLA钢连续管，屈服强度σ_s≥480Mpa，抗拉强度σ_b≥550MPa。采用TIG手工焊。本实施例包括以下步骤：

一、将弯曲的两根连续管采用冷校的方法校直，选用机械的校直装置，校直过程不得损伤管体，不得出现硬折弯、压痕、台阶、拉划痕，将准备焊接的2个管端处完全校直，每个管端校直段长度为400mm，以便保证管-管对接时的对口装卡，再将管端到盘绕卷筒处的连续管进行选择性的适度弯曲校直，使得完全校直段的两个管端接触、轴线重合且在一条直线上；

二、将校直好的准备对接焊的两个管端采用冷整圆方法进行整圆，选用机械的内胀装置，在内胀整圆的同时在管外加装定径装置，使管端50mm的管段消除椭圆，直径尺寸恢复到连续管原始状态的范围，即未盘绕前的状态，且要求整圆段沿轴向与未整圆的椭圆部分过渡平滑，整圆过程不得损伤连续管本体，不得出现硬折弯、压痕、台阶和拉划痕等痕迹；

三、对两根连续管的管端对接处都进行相同角度的坡口加工，坡口加工选用冷加工，选内胀定位坡口机，，坡口为V型，坡口角度为80度，0.8mm钝边，坡口加工后，对坡口及管端100mm处的管内外进行清理，去除水、锈、油、漆，抛磨露出金属光泽，

四、采用外对口的方式将两根连续管加工成坡口的管端进行焊接对口组装，用固定在多维滑动平台上的卡钳钳口卡住管端的完全校直段，通过滑台上下、左右、前后的移动实现被焊连续管的对口，对口的错边量小于0.2mm，对口组装过程中，需要不断的打开钳口，用校直装置对钳口与盘绕卷筒之间的连续管进行部分弯曲或校直，调节对口间隙，使得组对的焊口处于无拘束的自由状态，消除组装拘束拉应力；

五、焊接过程时，管内外通氩气作为保护气氛，防止氧化和产生层间氧化物夹杂，焊道两侧加装冷却块，防止和减少焊接热影响区(HAZ)回火软化区产生，焊接设备为芬兰肯比公司MASTERTIG2200逆变脉冲氩弧焊/手工电弧焊二用焊机，采用手工全位置的非熔化极氩弧(TIG)焊；采用小线能量、多道焊的工艺，减缓晶粒的长大，打乱柱状晶的生长，焊缝由3层组成：打底层、填充层和盖面层，打底层为1道，不填丝，单面焊双面成形，填充层和盖面层选用对应的焊丝，焊丝直径1.2mm，填充层2道，盖面层1道，每道厚度1.1-1.3mm，层间温度控制在70℃；

六、焊后对焊接接头进行电弧回烧热处理，共3道，分别是焊缝的中间和焊缝两侧的焊趾处，其作用是消除可能出现的咬边、降低硬度、改善组织结构；电弧热处理采用脉冲电流，峰值电流90A，基值电流25A，峰值时间0.30s，基值时间0.1s，速度100mm.min^-1，弧长6-8mm。

本实施例的焊接接头性能如下：

拉伸试验：

整管拉伸试验结果(标距220～250mm)

试样	σb(MPa)	δ(％)	断裂状态
				连续管母材	588～592	26～28	母材
带焊接接头管	602	27	发生明显颈缩，断裂在母材

弯曲试验：焊接接头弯曲试验采用(GB/T2653-1989)标准。1/3管片冷弯，弯曲半径15mm、180°冷弯。弯曲后试件未见裂纹。

压扁试验：带焊接接头连续管的压扁试验采用GB/T246-1997标准。按标准和超标准深度压扁，试件均未出现裂纹。

实施例二

本实施例适用的连续管的尺寸规格和级别是管径Φ38.1mm(1.1/2′)，壁厚3.1mm，QT700级超细晶粒钢制连续管，屈服强度σ_s＝510MPa，抗拉强度σ_b＝625MPa。采用全位置TIG自动焊。本实施例包括以下步骤：

一、将弯曲的两根连续管采用冷校的方法校直，选用液压的校直装置，校直过程不得损伤管体，不得出现硬折弯、压痕、台阶、拉划痕，将准备焊接的2个管端处完全校直，每个管端校直段长度500mm，以便保证管-管对接时的对口装卡，再将管端到盘绕卷筒处的连续管进行选择性的适度弯曲校直，使得完全校直段的两个管端接触、轴线重合且在一条直线上；

二、将校直好的准备对接焊的两个管端采用冷整圆方法进行整圆，选用电动内胀装置，在内胀整圆的同时在管外加装定径装置，使管端60mm的管段消除椭圆，直径尺寸恢复到连续管原始状态的范围，即未盘绕前的状态，且要求整圆段沿轴向与未整圆的椭圆部分过渡平滑，整圆过程不得损伤连续管本体，不得出现硬折弯、压痕、台阶和拉划痕等痕迹；

三、对两根连续管的管端对接处都进行相同角度的坡口加工，坡口加工选用冷加工，首选内胀定位坡口机，条件不具备时也可采用角磨机和锉刀加工，坡口为V型，坡口角度为60度，1.0mm钝边，坡口加工后，对坡口及管端110mm处的管内外进行清理，去除水、锈、油、漆，抛磨露出金属光泽；

四、采用外对口的方式将两根连续管加工成坡口的管端进行焊接对口组装，用固定在多维滑动平台上的卡钳钳口卡住管端的完全校直段，通过滑台上下、左右、前后的移动实现被焊连续管的对口，对口的错边量不大于0.3mm，对口组装过程中，需要不断的打开钳口，用校直装置对钳口与盘绕卷筒之间的连续管进行部分弯曲或校直，调节对口间隙，使得组对的焊口处于少量轴向压应力状态，消除拉应力，对口间隙为0mm；

五、焊接过程时，管内外通氩气作为保护气氛，防止氧化和产生层间氧化物夹杂，焊道两侧加装冷却块，防止和减少焊接热影响区(HAZ)回火软化区产生，焊接设备全位置管-管自动焊焊机，华恒EWA306焊机，TOA77管/管全自动焊接机，采用全位置TIG自动焊；采用小线能量、多道焊的工艺，减缓晶粒的长大，打乱柱状晶的生长，焊缝由3层组成：打底层、填充层和盖面层，打底层为1道，不填丝，单面焊双面成形，填充层和盖面层选用对应的焊丝，自动焊焊丝直径1.0mm，根据管体的壁厚和坡口的宽度多道完成，每道厚度1.9-2.0mm，填充层2道，盖面层1道，层间温度控制在90℃；

六、焊后对焊接接头进行电弧回烧热处理，共3道，分别是焊缝的中间和焊缝两侧的焊趾处，先两侧，后中间，其作用是消除可能出现的咬边、降低硬度、改善组织结构，电弧热处理采用脉冲电流，峰值电流85A，基值电流30A，速度85mm/min，起止弧角度0～380deg。

本实施例焊后依据API 1104检验标准对焊接接头进行外观检验和磁粉、着色、X射线无损检验，结果均符合标准；再经压力试验合格后，盘管投入使用。所完成的焊接连续管在全国多个油田作业1年多，无一出现质量问题。

Claims (3)

1.一种连续管的管-管现场对接焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、将弯曲的两根连续管采用冷校的方法校直，校直过程不得损伤管体，将准备焊接的2个管端处完全校直，每个管端校直段长度≥400mm，以便保证管-管对接时的对口装卡，再将管端到盘绕卷筒处的连续管进行选择性的适度弯曲校直，使得完全校直段的两个管端接触、轴线重合且在一条直线上；

二、将校直好的准备对接焊的两个管端采用冷整圆方法进行整圆，使管端不小于50mm的管段消除椭圆，直径尺寸恢复到连续管原始状态的范围，且要求整圆段沿轴向与未整圆的椭圆部分过渡平滑，整圆过程不得损伤连续管本体；

三、对两根连续管的管端对接处都进行相同角度的坡口加工，坡口加工选用冷加工，坡口为V型，坡口角度为60-90度，0.8-1.0mm钝边，坡口加工后，对坡口及管端不小于100mm处的管内外进行清理；

四、采用外对口的方式将两根连续管加工成坡口的管端进行焊接对口组装，对口的错边量不大于管壁厚的10％且不大于0.3mm，对口组装过程中，调节对口间隙，使得组对的焊口处于无拘束的自由状态或少量轴向压应力状态，消除组装拘束拉应力；

五、焊接过程时，管内外通氩气作为保护气氛，焊道两侧加装冷却块，采用全位置的非熔化极氩弧(TIG)自动焊或手工焊；采用小线能量、多道焊的工艺，焊缝由3层组成：打底层、填充层和盖面层，打底层为1道，不填丝，单面焊双面成形，填充层和盖面层选用对应的焊丝，自动焊焊丝直径1.0-1.2mm，手工焊焊丝直径≤2.0mm，根据管体的壁厚和坡口的宽度多道完成，每道厚度不超过2.0mm，层间温度控制在不超过100℃；

六、焊后对焊接接头采用焊接脉冲电流进行电弧回烧热处理，共3道，分别是焊缝的中间和焊缝两侧的焊趾处，以消除可能出现的咬边、降低硬度、改善组织结构；电弧热处理采用脉冲电流，其电流大小、回烧速度以及冷却速度的控制需要根据管材自身的热处理工艺来确定。

2.根据权利要求1所述的一种连续管的管-管现场对接焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、将弯曲的两根连续管采用冷校的方法校直，选用机械的校直装置，校直过程不得损伤管体，不得出现硬折弯、压痕、台阶、拉划痕，将准备焊接的2个管端处完全校直，每个管端校直段长度为400mm，以便保证管-管对接时的对口装卡，再将管端到盘绕卷筒处的连续管进行选择性的适度弯曲校直，使得完全校直段的两个管端接触、轴线重合且在一条直线上；

二、将校直好的准备对接焊的两个管端采用冷整圆方法进行整圆，选用机械的内胀装置，在内胀整圆的同时在管外加装定径装置，使管端50mm的管段消除椭圆，直径尺寸恢复到连续管原始状态的范围，即未盘绕前的状态，且要求整圆段沿轴向与未整圆的椭圆部分过渡平滑，整圆过程不得损伤连续管本体，不得出现硬折弯、压痕、台阶和拉划痕等痕迹；

三、对两根连续管的管端对接处都进行相同角度的坡口加工，坡口加工选用冷加工，选内胀定位坡口机，坡口为V型，坡口角度为80度，0.8mm钝边，坡口加工后，对坡口及管端100mm处的管内外进行清理，去除水、锈、油、漆，抛磨露出金属光泽，

四、采用外对口的方式将两根连续管加工成坡口的管端进行焊接对口组装，用固定在多维滑动平台上的卡钳钳口卡住管端的完全校直段，通过滑台上下、左右、前后的移动实现被焊连续管的对口，对口的错边量小于0.2mm，对口组装过程中，需要不断的打开钳口，用校直装置对钳口与盘绕卷筒之间的连续管进行部分弯曲或校直，调节对口间隙，使得组对的焊口处于无拘束的自由状态，消除组装拘束拉应力；

五、焊接过程时，管内外通氩气作为保护气氛，防止氧化和产生层间氧化物夹杂，焊道两侧加装冷却块，防止和减少焊接热影响区(HAZ)回火软化区产生，焊接设备为芬兰肯比公司MASTERTIG2200逆变脉冲氩弧焊/手工电弧焊二用焊机，采用手工全位置的非熔化极氩弧(TIG)焊；采用小线能量、多道焊的工艺，减缓晶粒的长大，打乱柱状晶的生长，焊缝由3层组成：打底层、填充层和盖面层，打底层为1道，不填丝，单面焊双面成形，填充层和盖面层选用对应的焊丝，焊丝直径1.2mm，填充层2道，盖面层1道，每道厚度1.1-1.3mm层间温度控制在70℃；

六、焊后对焊接接头进行电弧回烧热处理，共3道，分别是焊缝的中间和焊缝两侧的焊趾处，其作用是消除可能出现的咬边、降低硬度、改善组织结构；电弧热处理采用脉冲电流，峰值电流90A，基值电流25A，峰值时间0.30s，基值时间0.1s，速度100mm.min^-1，弧长6-8mm。

3.根据权利要求1所述的一种连续管的管-管现场对接焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、将弯曲的两根连续管采用冷校的方法校直，选用液压的校直装置，校直过程不得损伤管体，不得出现硬折弯、压痕、台阶、拉划痕，将准备焊接的2个管端处完全校直，每个管端校直段长度500mm，以便保证管-管对接时的对口装卡，再将管端到盘绕卷筒处的连续管进行选择性的适度弯曲校直，使得完全校直段的两个管端接触、轴线重合且在一条直线上；

二、将校直好的准备对接焊的两个管端采用冷整圆方法进行整圆，选用电动内胀装置，在内胀整圆的同时在管外加装定径装置，使管端60mm的管段消除椭圆，直径尺寸恢复到连续管原始状态的范围，即未盘绕前的状态，且整圆段沿轴向与未整圆的椭圆部分过渡平滑，整圆过程不得损伤连续管本体，不得出现硬折弯、压痕、台阶和拉划痕等痕迹；

三、对两根连续管的管端对接处都进行相同角度的坡口加工，坡口加工选用冷加工，首选内胀定位坡口机，条件不具备时也可采用角磨机和锉刀加工，坡口为V型，坡口角度为60度，1.0mm钝边，坡口加工后，对坡口及管端110mm处的管内外进行清理，去除水、锈、油、漆，抛磨露出金属光泽；

四、采用外对口的方式将两根连续管加工成坡口的管端进行焊接对口组装，用固定在多维滑动平台上的卡钳钳口卡住管端的完全校直段，通过滑台上下、左右、前后的移动实现被焊连续管的对口，对口的错边量不大于0.3mm，对口组装过程中，需要不断的打开钳口，用校直装置对钳口与盘绕卷筒之间的连续管进行部分弯曲或校直，调节对口间隙，使得组对的焊口处于少量轴向压应力状态，消除拉应力，对口间隙为0mm；

五、焊接过程时，管内外通氩气作为保护气氛，防止氧化和产生层间氧化物夹杂，焊道两侧加装冷却块，防止和减少焊接热影响区(HAZ)回火软化区产生，焊接设备全位置管-管自动焊焊机，华恒EWA306焊机，TOA77管/管全自动焊接机，采用全位置TIG自动焊；采用小线能量、多道焊的工艺，减缓晶粒的长大，打乱柱状晶的生长，焊缝由3层组成：打底层、填充层和盖面层，打底层为1道，不填丝，单面焊双面成形，填充层和盖面层选用对应的焊丝，自动焊焊丝直径1.0mm，根据管体的壁厚和坡口的宽度多道完成，每道厚度1.9-2.0mm，填充层2道，盖面层1道，层间温度控制在90℃；

六、焊后对焊接接头进行电弧回烧热处理，共3道，分别是焊缝的中间和焊缝两侧的焊趾处，先两侧，后中间，其作用是消除可能出现的咬边、降低硬度、改善组织结构，电弧热处理采用脉冲电流，峰值电流85A，基值电流30A，速度85mm/min，起止弧角度0～380deg。