CN1678423A - 管的锻焊 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于被锻焊管端的强制冷却的方法，其中，当将管端压在一起时，将管端加热到高于1200℃的预定温度，从而通过锻焊进行连接，随之，在锻焊操作后的3分钟内将被锻焊的管端从所述的高于1200℃的温度冷却到至多600℃。备有EMAT焊接检查探测器、热处理线圈(23)和冷却流体注入喷嘴(18)装置的内置内部矛(30)，可任选地与也可装备有管夹紧、加热、冷却和/或EMAT焊接检验装置的外部拼合圈(7A、7B)一同，被用于迅速冷却被锻焊的管端(19)。

Description

管的锻焊

技术领域

本发明涉及用于管的锻焊的方法。

背景技术

锻焊包括对将要被连接的管端进行圆周加热和随后将所述管端压在一起，以形成冶金结合。

可使用多种加热技术来使管端达到足够的热度，以便能进行冶金接合。所述加热技术可包括电加热、电磁加热、感应加热、红外线加热、电弧加热和/或摩擦加热，或者这些加热方法的组合和/或其他加热方法。

当应用于本发明时，终端锻焊技术包括包含有圆周加热管端部和随后冶金接合被加热的管端的所有技术，其中包括有一般人们所周知的焊接技术，如熔接或扩散焊接、摩擦焊接、和/或电弧对接焊。

从授予Per H.Moe的美国专利4566625、4736084、4669650和5721413号可知，下面的做法可能是有益的，即在锻焊操作之前或操作中，使用还原冲洗气体如氢气或一氧化碳，冲洗管端，从而可从被加热的管端除去所有氧气表面，并且可获得具有最小量的不规则部的冶金结合。从美国专利2719207和4728760号可知，使用非爆炸性混合物来进行电弧焊接和感应对接焊，该非爆炸性混合物含有体积约为95％的如氩、氮和/或氦等基本为惰性的气体，和体积约为5％的还原气体如氢气和/或一氧化碳。

实验表明，锻焊技术能够在被连接的管端之间产生高质量的冶金结合，特别是在焊接操作中以还原冲洗气体混合物冲洗管端的情况下。

本发明的目的是进一步改进管的锻焊以便获得锻焊连接的改进的质量。

发明内容

当将管端压在一起时，将管端加热到高于摄氏1200度的预定温度，并且由含有保护气体的氢气将其包围，随之，在锻焊操作后的3分钟内将被锻焊的管端从高于摄氏1200度的所述温度冷却到至多摄氏600度。

可选择地，被锻焊的管由高碳钢种构成，并在锻焊操作后的一分钟内从摄氏1200度以上冷却到至多摄氏600度。

在一优选实施例中，通过以冷的液态氮、氦、氩或液态二氧化碳冲洗管端对被锻焊的管进行冷却。

所述锻焊方法可用于连接包括不锈钢和管线钢的多种钢和合金。本发明的方法特别适合石油工业用管材(OCTGs)，对于该管材，在边远区经常需要进行强制冷却和/或焊接后热处理(post weld heattreatment)。OCTGs通常由适合作为井下套管和生产油管使用的一组钢材制成，由国际标准ISO 11960和美国标准API 5CT规定。除包含大量铬的两个钢种以外，这些材料都为碳钢。

历来使用螺纹连接对OCTG材料进行连接，这样不需要将它们焊接。因此，高强度的OCTG材料含有相对高标准的碳和锰，并且被认为使用常规的熔接焊接技术是“不可焊的”。但是，使用如受保护活性气体、摩擦焊接和电弧对接焊这样的锻焊技术可焊接所述材料，因为这些为固态处理工序，其中在相对低的温度下进行连接。

不宜的是，高碳钢种的冶金需要：一些特殊步骤经常是必需的，以允许在锻焊后产生性能的最佳组合，特别是冲击性能方面。通常，被焊接的管端的强制快速冷却会使热影响区减到最小，并会确保随着锻焊获得可接受的性能。

另外，对于在干燥的还原气体或气体混合物(例如，受保护活性气体锻焊)中进行的那些焊接技术，有一特别要求，以确保焊接区域保持水和重烃的自由。这样在特别应用中限制了基于冷却骤冷流体的常规的水和油的使用，并需要选择性的骤冷媒介。

当高碳钢在空气中从完全的奥氏体状态(例如，焊接温度)冷却时，它们倾向于采用由带有少量相对易碎的贝氏体的马氏体构成的结构。这样能产生可接受的弯曲和强度特性还有低的冲击阻力。为避免形成任何相对易碎的相，有必要在短时间内、一般地在1分钟内将钢从完全的奥氏体结构(根据使用的钢、一般为摄氏900～700°)迅速地冷却到约摄氏300°。

在制造含有高标准碳的OCTGs的过程中，常规做法为：通过加热进入到完全的奥氏体范围和在强制循环水浴中骤冷，以获得完全的马氏体结构，从而改进机械性能。继这种处理之后，以约摄氏600°加热规定量的时间，通常为若干小时，以制造具有适当的、可接受的机械性能的回火马氏体结构。该工序被称为调质处理(Q&T)。

本发明解决了用于在具有适当的冲击性能的高强度高碳OCTG钢上进行锻焊的热处理需求问题和设备问题。在焊接区域被插入管内部的内部矛的若干实施例，可用于根据管的钢种和焊接的特殊情况对被锻焊管端的冷却工序进行控制。

另外，内部矛可被利用做多种其他功能，如管的对位、在焊接区域对管内部的封堵和通过电磁声传播(EMAT)或其他自动化的焊缝检验技术对锻焊质量的控制。

水、基于水的、油和基于油的骤冷媒介可与如电弧对接焊和多种不需要干燥焊接环境的摩擦焊接方法这样的锻焊技术一起使用。在如在钻井装置上这样的特殊应用中，如泥浆和盐水这样的常规油田流体也可被用作骤冷媒介。

对于需要干燥环境的工序，若骤冷在内部进行，则这些媒介也可被使用。但是，对于超过约5mm的壁厚，在也需要外部骤冷时，它们并不是理想的，因为当所述区域允许干燥、或需要一第二位置以避免焊接位置污染、或需要一内置的骤冷设备以防止焊接区域污染时，它们会减缓焊接过程，并且这样会造成构造复杂。为避免这些缺点可使用选择性的安全骤冷媒介。该媒介包括氦、氮、氩和使用后迅速蒸发的其他不易燃的挥发性混合物或它们的多种组合。

附图说明

参照附图对本发明方法的优选实施例进行详细说明。其中，

图1为在锻焊操作后的冷却阶段中被注入冷却流体的外部保护气体室的横断面示意图；

图2为内部矛的纵向断面图，在锻焊操作后，通过该内部矛朝被锻焊的管端注入冷却流体。

具体实施形式

在其最简单的变形例中，可使用如图1所示的便于移动的圈7A、7B，利用如液态氮、氩、二氧化碳或水成液等这样的骤冷媒介，在外部进行焊缝的在位骤冷。如图1所示的圈7A、7B被制成具有铰接紧固件3和与特定的管外径(OD)相配的内径。从而圈7A、7B形成为拼合环，该拼合环在关闭时可完全包围管的焊接区域，并以紧固件1将其环绕紧固。在操作中，焊接区域由被以1紧固的拼合环完全包围，骤冷媒介的供给可通过供给软管4实现，并且可通过打开阀2得到释放而进入拼合环圈7A、7B的内部。骤冷媒介环流于拼合环圈7A、7B直到其到达隔板5，随后经排出孔6排出。

尽快在焊接后使用该拼合环圈7A、7B并开始进行骤冷，并且无论如何都要在焊接区域都可冷却到被连接钢的奥氏体化温度以下(根据含炭量，一般为摄氏900到700°)之前进行。

拼合环圈7A、7B可与气体保护室或罩成一体，或通过微小改进与加热装置结合，在锻焊操作中包含约95体积％的氮和约5体积％的氢的还原保护气体可被注入所述气体保护室或罩。

由于在较厚壁管、冷却速率随贯穿壁会发生较大地变化，所以需要使外部骤冷和使用图2所示的内部矛30的内部骤冷一起进行。这主要取决于所研究的钢的冶金学特性，特别是含炭量和所使用的骤冷媒介。对于标准的OCTG材料，优选为冷却到约300℃的穿壁冷却在约1分钟内完成。

对于如薄壁管和低碳钢这样的某些的应用，可使用图2所示的内部矛30作为图1所示的外部骤冷操作的一替代装置地对钢进行骤冷，使其从完全的奥氏体结构到完全的马氏体结构。另外，对于较厚钢部分和较高碳钢，必须以内部和外部骤冷结合的方式进行以确保横穿管壁的冷却均匀且迅速地进行。

在被锻焊管端19的区域，将所述矛30插入上管15和下管25的内部。

所述矛30可包括多个可结合或分开使用的元件。图2所示的矛30的主要元件为：用于布设、收回、数据和线的支承缆绳27，保护和/或冷却流体供给和排出软管8、9，液压流体(hydraulic fluid)供给和排出软管10、11，可膨胀夹紧元件12、26，将矛30的上下部分拉到一起并提供轴向锻接力的压缩元件13、24，EMAT检查探测器组件14、22，允许对焊接区域19进行隔离以用非氧化和/或还原保护气体进行冲洗的可膨胀气封元件16、22，用于来自管内侧的冲洗气体和/或冷却流体的出口喷嘴17，和用于保护气体和/或冷却流体的返回喷嘴18。所述内部矛30上包括有提供用于高频电流和感应加热的附加控制的铁氧体磁棒20，和用于锻焊和/或焊后热处理的热的提供的感应线圈23。

应注意的是：不需要这些元件都出现在每个矛30中，而上述元件的任意组合都是可以的。另外，用于使用例如电阻进行加热的、包括有位于焊接区域19以上和以下的数对接触件的选择性加热元件也为可选件。

关于一些锻焊的形式，所述内部矛需要另外的细化，以便于如冲洗气体的供应、对位、压力隔离、影响加热等、还有供给骤冷媒介的需求这样的目的。以下对它们进行更加详细的说明。

对于管线/管道工程，所述内部矛30可水平地使用，在油井套管和管系内或垂直地使用。可在将管15移动到下管25的顶部上用于焊接之间将内部矛放置在上管15内，或正好在焊接前将内部矛插入对准的管15、25内部。

所述矛30从支承缆绳27悬挂下来，以便于插入和取回，支承缆绳穿过将要被焊接的上管15。流体供给和排出软管8、9的一个末端，在上管15外在通过泵供给冷却和/或保护气体媒介的工位处终止；另一端固定于矛30的圆筒形壳体内，对于如受保护活性气体和电弧对接焊这样的锻焊的一些形式，需要所述矛30的圆筒形壳体为非金属。所述矛30的尺寸被设定成使其可滑移通过被连接的管15、25。所述矛30具有环绕其管中心部嵌埋的等间隔的冷却喷嘴18，在所述管中心部中嵌入有铁氧体磁棒20。喷嘴18的数量和尺寸取决于所述壳体的尺寸，所述壳体的尺寸由被连接的管15、25的内径ID、冷却媒介和泵流量决定。

位于所述矛30两侧的夹紧元件12、26确保其与管壁保持近似等距离。

在锻焊完成后，立即泵送骤冷媒介通过供给软管8并由喷嘴18喷出对焊接区域19进行迅速冷却。若必须的话，该操作与由图1所示的拼合圈7A、7B装置进行的外部骤冷同时地进行。

所述矛30在与多个锻焊工序一起使用时可实现若干个功能，如改进焊接质量的冲洗气体的供给、隔离焊接区域的可选择的低压力密封能力，和随后的改进机械性能的骤冷媒介的供给。

所述冲洗气体可为含有约为95体积％的氮和约为5体积％的氢的非氧化或非爆炸性还原气体。当使用例如电弧对接焊、感应加热锻焊、摩擦焊接或这些方法的组合如热动力焊接时，可能需要非氧化气体。当使用例如受保护活性气体锻焊或感应加热锻焊时，可能需要还原气体或气体混合物。

所述铁氧体磁棒20用来改进感应和电阻/感应加热的加热效果。

图1所示的拼合外部冷却圈7A、7B和图2所示的内部矛30适合于如摩擦焊接、电弧对接焊、受保护活性气体焊接等这样的焊接工序的范围，只要是需要焊接后热处理的情况。从所述管内侧、从所述管外侧或从这两侧可进行用于回火目的的加热。在厚壁管(管壁厚度约大于5mm)的情况下，组合加热可特别有效。

无论何时在危险区域进行回火，都必须确保符合安全条件。使用如不易燃保护气体的供给和双壁的密封抗爆保护气体室这样的多种公知的技术可解决该问题。

图2所示的内部矛30可具有整体感应加热线圈23，所述整体感应加热线圈23在焊接区域位于中心且通过控制电缆被通电。在所述矛30包括如喷嘴18和/或铁氧体磁棒20这样的部件的情况，感应线圈23可被安装在一第二壳体中且紧临使用之前被移动到在焊接区域的位置。根据焊接区域的精确冶金学特性，感应加热的相对穿壁特性允许：在较短时间内、通常不多于4分钟，进行完全的马氏体结构的回火。

作为被文件很好记载的技术的附加外部加热线圈(未图示)可使用如所提到的间隔物，将其定位于焊接区域19中心，并被通电以允许回火。所述外部加热线圈可由嵌入在图1所示的拼合圈7A、7B中的拼合环构成或可由完整的环形线圈构成。在所述线圈与焊接位置周围的金属夹具之间的接近可能引起额外加热的情况下，所述线圈位于距焊接位置有稍短距离的位置。当在由所述圈7A、7B形成的、包含有保护气体的密封室中进行焊接时，不管保护气体是非氧化的还是还原的，都优选将所述线圈放置在该室内。

根据焊接区域的精确冶金，感应加热的相对穿壁特性允许：在较短时间内、通常不多于4分钟，进行完全的马氏体结构的回火。

对于厚壁管15、25可优选使用在内部矛30和外部圈7A、7B中的内部和外部线圈的组合进行加热，以确保加热横跨所述管壁均匀加热。在该变型例中两个线圈都独立地且同时地被通电。

图2所示的内部矛30可具有电阻加热接触件(未图示)，所述电阻加热接触件等距圆周围绕其外围地设置在所述焊接区域19以上和以下。电流，一般为400Amps，通过控制电缆在这些接触件之间流过，以通过电阻进行加热。通过设置在所述管内侧或外侧的光测高温计或接触式高温计对加热进行控制，所述光测高温计或接触式高温计在控制电流通过的控制回路中。

在所述矛30包括如喷嘴18和/或铁氧体磁棒20这样的组件的情况，所述电阻接触件将被安装在一固附到第一壳体的第二壳体中且在紧临使用之前被移动到所述焊接区域19上就位。根据所述焊接区域19的精确冶金，感应加热的相对穿壁特性允许：在较短时间内、通常不多于4分钟，进行完全的马氏体结构的回火。

可选择地，在图2所示的构形中，外部电接触件可位于所述焊接区域19以上和以下。在所述外部接触件与焊接位置周围的金属夹具之间的接近可能引起额外加热的情况，所述接触件可位于距焊接位置有稍短距离的位置且根据要求在需要时被移动到位。当在含有保护气体的密封室中进行焊接时，不管保护气体是非氧化的还是还原的，都优选将所述接触件放置在该室内。

根据焊接区域的精确冶金，感应加热的相对穿壁特性允许：在较短时间内、通常不多于4分钟，进行完全的马氏体结构的回火。

对于厚壁管15、25可优选使用内部和外部接触件的组合对所述管端19进行加热，以确保横跨所述管壁均匀加热。在该变型例中两组接触件都独立地且同时地被通电。

被焊接管的一定的应用需要在使用之前进行焊接的非破坏性测试。在这些应用中，如常规超声波、EMAT或其他检查探测器这样的检查探测器14、22可适当结合到所述内部矛30内。

对于被利用锻焊焊接的一定的材料，在使用之前对其进行热处理以改进它们的机械或腐蚀性能的做法可能是有益的。在这些情况下，如图2所示的加热线圈23这样的加热装置可被结合进所述矛壳体内或作为附件添加在附加壳体内。特别对于较小直径管15、25，该加热装置可作为主要加热装置被用于锻焊。

在一定的情况，尤其对于较大直径管，夹紧和压缩装置12、14、22、26也可被结合进所述内部矛30中。这样具有如下优点：不需要如图1所示的拼合圈7A、7B这样的附加外部装置，因此所述矛30可用于在井中锻焊井下管。

Claims (13)

1.一种锻焊管端的方法，其中，当将所述管端压在一起时，将所述管端加热到高于摄氏1200度的预定温度，并由含有保护气体的氢气将其包围，所述方法包括：在所述锻焊操作后的3分钟内将所述被锻焊的管端从高于摄氏1200度的所述温度冷却到至多摄氏600度。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述被锻焊的管包括高碳钢种，并在所述锻焊操作后的一分钟内从摄氏1200度以上被冷却到至多摄氏600度。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，通过以冷的液态氮或液态二氧化碳冲洗所述管端对所述被锻焊的管进行冷却。

4.如权利要求3所述的方法，其中，将所述管端的内部和外部容纳在一密封室内，在所述加热阶段和锻焊工序中、将含有保护气体的氢气注入到所述密封室中，在所述冷却阶段中、将冷的液态氮或液态二氧化碳注入到所述密封室中。

5.如权利要求4所述的方法，其中，至少在所述冷却阶段通过监控所述管端所发出的光的颜色和/或亮度对所述管端的温度进行监控，并且，其中在所述冷却阶段的至少一部分中通过电加热和/或电磁加热对所述管端同时地进行加热，以便设定一预定的冷却速度。

6.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述管为油田管。

7.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述管和被锻焊的管端被如锥形心轴这样的扩展工具径向扩展到较大的内径和外径。

8.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，使用作为所述矛的一体的部分结合到内部矛中或作为容纳在单独的壳体中的附件的装置，对焊接进行检查。

9.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，由安装在内部矛上的夹紧元件提供完成锻焊所需的压缩力。

10.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，使用结合到内部矛中的加热装置完成用于锻接和/或焊接后热处理的加热。

11.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，当钻孔组件和所述被锻焊的管形成管串时所述管为套管的一部分，所述管串带有可膨胀钻头且通过将管锻焊到所述管串顶部被逐渐伸长，并且，其中在所述钻孔操作完成后所述管串作为套管保持在被钻出的孔中。

12.一种管串，包括多个管，所述管的管端由上述权利要求中的任一项所述的锻焊方法连接。

13.如权利要求12所述的管串，其中，所述管为如石油工业用管材这样的油田管。

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