層間溫度對連續(xù)油管焊接接頭組織的影響

西安石油大學 材料科學與工程學院 黃 勇 石 凱 劉彥明

層間溫度對連續(xù)油管焊接接頭組織的影響

西安石油大學 材料科學與工程學院 黃 勇 石 凱 劉彥明

連續(xù)油管（Coiled Tubing，簡稱CT）是相對于常規(guī)螺紋連接油管而言的，又稱為撓性油管、蛇形管或盤管, 具有強度高和韌性高的特點。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，CT作為石油工程中的新一代管材，廣泛應用于石油勘探、鉆井、洗井、石油運輸?shù)阮I域，如陸上或海上輸送油氣、連續(xù)油管鉆井作業(yè)、連續(xù)油管修井、連續(xù)油管地層壓裂工藝以及連續(xù)油管測井作業(yè)等。20世紀60年代，現(xiàn)代連續(xù)油管技術開始應用于石油工業(yè)。目前，全球能夠生產(chǎn)連續(xù)油管的廠家主要有美國的優(yōu)質(zhì)油管公司和精密管技術公司。國內(nèi)的寶雞石油鋼管有限責任公司已成功研制出CT80鋼級連續(xù)油管產(chǎn)品，并已在西南油氣田和遼河油田成功地進行了下井作業(yè)。焊接在連續(xù)油管的應用過程中是必不可少的，焊接接頭質(zhì)量的好壞將直接決定連續(xù)油管的使用壽命和安全性，因此對連續(xù)油管焊接接頭組織的研究至關重要，本文，筆者主要討論了層間溫度對焊接接頭組織的影響。

一、試驗方法

試驗用連續(xù)油管由寶雞鋼管廠生產(chǎn)，材質(zhì)為CT80，管徑50.8 mm，壁厚4.44 mm。連續(xù)油管的化學成分及連續(xù)油管的機械性能分別見表及表2。

表1 連續(xù)油管的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

表2 連續(xù)油管的力學性能

該次試驗采用全位置自動TIG焊，所使用的電源是408-E程控焊接電源；焊接機頭用的是TOA77管–管全自動TIG焊接機頭。試驗中使用的連續(xù)管，統(tǒng)一為U型坡口，鈍邊為1.6 mm，深度為2.5 mm。焊后要制樣、清洗，進行金相分析，測量焊接接頭組織顯微硬度。焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

金相試驗采用的儀器為蔡司405M金相顯微鏡、金相顯微鏡硬度機，顯微硬度計為HXD – 1000TMC維式硬度計，外加載荷為300 gf（2.94 N），持續(xù)時間15 s，按橫向和縱向兩個方向測試硬度的分布狀況。橫向測試是從焊縫中心向母材依次打點，縱向是從蓋面到打底依次打點，每2個點的間距為0.5 mm。

二、試驗結果分析

1. 母材組織。CT80鋼級連續(xù)管的母材組織明顯呈層狀分布，并可觀察到軋制條紋。這是由于連續(xù)管在制造過程中連續(xù)多次的變形熱軋、擠壓下，晶粒沿軋制方向被拉長、細化后形成的。CT80鋼級連續(xù)油管母材顯微組織如圖1所示。圖中白色的為鐵素體，黑色的為珠光體。

圖1 CT80鋼級連續(xù)油管母材顯微組織

2. 層間溫度對連續(xù)油管焊接接頭金相組織的影響。連續(xù)油管焊接接頭主要分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)、粗晶區(qū)、細晶區(qū)和不完全重結晶區(qū)等區(qū)域。研究表明，連續(xù)油管焊接接頭性能主要決定于焊接接頭組織中的熔合區(qū)和粗晶區(qū)，因此，筆者主要分析層間溫度對這兩個區(qū)域組織的影響。不同層間溫度下焊接接頭的熔合區(qū)形貌如圖2所示。

圖2 不同層間溫度下的熔合區(qū)形貌

由圖2可知，在過渡的融合線處可以明顯看出焊縫邊緣的柱狀晶，且方向性很強，左邊是HAZ的粗晶區(qū)，其組織很不均勻，性能也不穩(wěn)定，屬于接頭的薄弱環(huán)節(jié)。在一定范圍內(nèi)，隨著層間溫度升高，熱影響區(qū)寬度也隨之增加。層間溫度為20 ℃的焊接接頭熱影響區(qū)較小，約為500 μm。這是因為高的層間溫度會導致焊接過程中的熱積累，受熱區(qū)域增大，故熱影響區(qū)較寬。不同層間溫度下粗晶區(qū)的金相組織照片如圖3所示。

圖3 不同層間溫度下粗晶區(qū)的金相組織

由圖3可知，層間溫度為20 ℃時，晶粒較小，分布均勻，經(jīng)測量晶粒度為9.0。在100 ℃和200 ℃時，粗晶區(qū)晶粒尺寸較大，晶粒度分別為8.7，7.2。這主要由于焊接過程中較大的奧氏體組織和馬氏體還沒有完全相變，生成晶粒細小的珠光體和鐵素體，焊接接頭組織中會殘留部分晶粒粗大的奧氏體和馬氏體。

3. 層間溫度對連續(xù)油管焊接接頭硬度的影響。

（1）不同層間溫度下焊縫到母材的硬度變化。不同層間溫度下焊管各個區(qū)域的顯微硬度分布曲線如圖4所示。可以看出，在熔合線附近硬度值達到最大，這是因為熔合線附近區(qū)域為過熱區(qū)，金屬處于過熱狀態(tài)下，奧氏體晶粒發(fā)生嚴重的長大，冷卻后得到粗大的組織，硬度值較高。隨后從過熱區(qū)到母材依次是正火區(qū)和不完全重結晶區(qū)，焊接時溫度比過熱區(qū)低，冷卻后得到或部分得到均勻而細小的珠光體和鐵素體，硬度較低。當層間溫度為20 ℃，100 ℃和200 ℃時，最大硬度值分別為215 HV，230 HV和220 HV，在100℃時焊接過程中殘留的馬氏體組織較多，所以100 ℃時硬度較大。此外，還可以看出，最小硬度值分別位于距熔合線3 mm，4 mm和4.5 mm處，說明3個層間溫度中，20 ℃時的熱影響區(qū)較窄，與圖2相吻合。

圖4 不同層間溫度下距熔合線的橫向測點硬度分布曲線

（2）不同層間溫度下焊縫區(qū)硬度的變化。不同層間溫度下焊縫區(qū)的硬度值如圖5所示。可以看出，層間溫度在200 ℃時，焊縫硬度變化趨勢比較平緩，在170～200 HV；層間溫度在100 ℃時，焊縫硬度較高，在170～245 HV，且下降趨勢較快；層間溫度在20 ℃時，焊縫硬度在170～220 HV。焊縫縱向硬度值從外表面到內(nèi)表面整體呈減小趨勢，這是由焊接過程中的層間熱處理作用造成的。底焊的硬度值整體低于其他各層焊的硬度值，主要是因為打底焊時沒有填絲，所以硬度值接近母材硬度。蓋面焊層硬度值較高，這是因為這一層面更靠近焊縫表面，散熱更快，冷速較大，易形成馬氏體組織。此外，層間溫度為200 ℃時，焊接接頭組織中出現(xiàn)奧氏體組織和馬氏體組織共存的情況，故硬度變化不明顯。

圖5 不同層間溫度下焊縫縱向硬度分布曲線

三、結論

1. 層間溫度為100 ℃和200 ℃時，粗晶區(qū)晶粒比較大；20 ℃時，組織細小均勻。

2. 層間溫度對熱影響區(qū)的寬度有一定影響。層間溫度為20 ℃時，熱影響區(qū)最窄，約為500 μm。在一定范圍內(nèi)，隨著層間溫度升高，熱影響區(qū)寬度增加。

3. 層間溫度控制在100 ℃和200 ℃時，焊接接頭焊縫區(qū)的硬度均在180～230 HV，變化趨勢基本一致，谷值為160 HV；層間溫度控制在20 ℃時，焊縫硬度在200～216 HV，波動較小，熱影響區(qū)硬度較小，谷值出現(xiàn)在距融合線3 mm處。