轮式通井机井架焊接残余变形的控制

[摘 要]轮式通井机井架由于结构特殊,焊后易产生残余变形,影响产品质量.通过对通井机井架变形原因的分析,采取合理的装配焊接顺序,选择正确焊接方向等控制焊接变形的措施,保证了井架焊接质量.

[关 键 词]通井机井架焊接变形CO2气体保护焊

轮式通井机是我公司自主研制开发的一种石油修井、钻井作业设备,由于其灵活、方便、移动性强,在油田的修井和钻井作业中被广泛应用.其中井架是轮式通井机的重要组成部件之一,在作业过程中是重要的承载部件.因其重要作用,故对井架框架尺寸和焊接质量的控制是非常严格的,其中对井架的焊后变形量要求,也特别的严格.在控制变形的技术上,现在已经有了很多种方法,可以在设计时结构上优化控制变形,也可以改变装配顺序控制变形,也可以采用铆工矫正的多种方法控制变形.在这里,主要通过改变焊接顺序、方向等工艺措施控制轮式通井机井架的变形量.

一、井架结构特点

轮式通井机井架材料主要有16Mn,结构用冷弯矩形空心型钢,规格为矩形管D―2―100×70×6和D―2―76×38×4,还使用了热轧扁钢和热轧等边角钢.其整体分为上体和下体,上体长度是9m,下体长度是9m,结构上下体均采用槽形结构.下体结构如图1所示：

井架上体要求能够顺利地从下体中抽出,并且保证在生产中,能承受500KN的拉力.在制造时,井架横梁总长18m,要求焊后变形量必须控制在20mm范围之内,既要保证井架有足够的强度,又要控制它的焊接变形,这就成为焊接生产中的难题.

二、产生焊接变形原因

在井架的焊接过程中,由于经验不足,焊接顺序,焊接方法不正确,致使下体前端横截面横向小于与50mm,上体无法插入下体,造成必须重新割开焊缝,重新焊接.造成了人力、物力的浪费,提高了成本,降低了焊件的使用性能.经分析,造成此次事故的原因一是由于采取的焊接顺序和焊接方法不正确,二是在设计时只考虑了井架的强度,而没有充分考虑了焊接变形问题.施工时,焊接顺序是从一端向另一端“直通”焊接,井架内侧焊缝的焊接方向不一致,造成严重的焊接变形.井架的内侧角焊缝选用的焊脚尺寸较大,焊脚高8mm,且全是连续焊缝,产生焊接应力很大,加之焊缝分布不均匀,致使端面横向收缩严重,产生较大的焊接残余变形.

三、控制变形的措施

(一)选择合适的焊接方法

由于CO2气体保护具有焊热量集中,热影响区范围较小,焊后产生的残余变形小,生产效率高,焊缝质量好等特点,为了减少焊接变形,施工中采用CO2气体保.

(二)利用工装减小整体变形

为了保证整体变形量的最小化,采取制作井架工装的方法,达到保证质量、提高效率.工装模型依据井架结构制作而成,根据上下体尺寸不同的特点,制作两套工装.下体工装为方框结构,保证工装内侧尺寸与下体外侧尺寸相吻合.将各部件单元分别放置到工装的各个位置,用顶丝把尺寸控制,再加装反变形工艺,点焊斜拉筋,控制开口横向尺寸在设计要求范围内.再将各部件定位焊,定位焊缝（10～15mm）对称点固定.每处均采用这样的工装办法达到减小变形.

(三)选用正确的焊接顺序

焊接顺序对焊接变形有很大的影响,同样一道焊缝可以从一端向另一端进行“直通”焊接,也可以从中间向两头或从两头向中间焊接,不同的焊接方法,会引起不同的变形.通过实验,井架的立管与横管的焊接,每根立管与横管形成一个“T”形结构.焊接时,原先采用取同一个方向的“直通”焊接,而不注意斜拉筋的使用,致使两侧立管上端间距明显收缩,造成内收变形.改进后,首先焊接斜拉筋,以及立管上端面横向拉筋,再采用相同的焊接参数焊接立管与横管每条焊缝,使内收变形就得到克服.由于井架每处焊缝均有对称焊缝的特点,故采用对称焊法,并使焊缝的焊接方向一致可以防止扭曲变形.

(四)选用合适的焊接参数

目前我公司已经普及使用先进的焊接设备CO2气体保护焊,配合合理的焊接参数,可有效的控制变形及提高焊接质量.

1.焊接电流

焊接电流是重要工艺参数之一,根据工件厚度、材质、焊丝直径、施焊位置及要求的熔滴过度形式来选择焊接电流的大小.每种直径的焊丝都有一个合适的电流范围,只有在这个范围内焊接过程才能稳定进行.焊丝φ1.2mm使用电流范围在150A～180A内.应注意,焊接电流过大时,容易引起烧穿、产生裂纹等缺陷,且工件的变形大,焊接过程中飞溅很大；但焊接电流过小时,容易产生未焊透、未熔合和夹渣等缺陷以及焊缝成形不良.

2.电弧电压

电弧电压也是重要工艺参数之一,为保证焊缝成形良好,电弧电压必须与焊接电流配合适当.通常焊接电流小时,电弧电压较低；焊接电流大时,电弧电压较高.随着焊接电流的增大,合适的电弧电压也增大.但也要注意,电弧电压过高或过低对焊缝成形、飞溅、气孔及电弧的稳定性都有不利的影响.

3.焊接速度

焊接速度同样是重要参数之一.焊接时,电弧将熔化金属吹开,在电弧下形成凹坑,随后将熔化的焊丝金属填充进去,如果焊接速度太快,这个凹坑不能完全被填满,将产生咬边、凹陷或弧坑裂纹等缺陷；相反,若焊接速度过慢,熔敷金属堆积在电弧下方,使熔深减小,将产生焊道不匀,未熔合,未焊透等缺陷.一般速度控制在30m/h～40m/h内.

4.焊丝伸出长度

保持焊丝伸出长度不变,是保证焊接过程稳定的基本条件之一.因为CO2气体保护焊采用的电流密度较高,伸出长度越大,焊丝的预热作用越强,导致过热熔断,飞溅增大；同时得不到CO2气体的有效保护,造成气孔等缺陷.相反的,若焊丝伸出长度过小也影响成形和焊接质量；同时,也妨碍观察电弧,影响操作；还容易因导电嘴过热夹住焊丝,直至烧毁导电嘴,破坏焊接过程正常进行.这个量需要通过多次试验后获得.

焊接工艺参数见表1.

表1：焊接参数

四、结束语

通过利用工装、改变焊接顺序和采用合理的焊接参数,充分利用先进的CO2气体保护焊焊接工艺方法,可以有效控制轮式通井机井架的焊接变形,使得变形量控制在了允许范围内,完全可以达到图纸设计要求.

（作者单位：河南省濮阳市中原油田采油一厂维修大队）