鉆機井架焊接變形的控制技術探析

喬福家

（川慶鉆探國際工程公司，四川 成都 610051）

雖然新能源行業在近年取得了很大的發展，但還存在著很多局限性，對于當今的世界來說，石油能源仍然是最重要的能源之一。隨著社會對石油能源的需求越來越大，如果僅僅依靠進口石油是不可行的，因此，需要對石油開采技術進行不斷的研發和創新，我國的石油開采技術也在不斷進步。由于石油的儲量和分布的特殊性，大多數石油開采需要用到鉆機，而配套的井架是石油鉆機的主要承載部件，井架必須具備足夠的穩定性和承載強度，才能夠保證石油開采的高效運行，而由于井架的長度較長、焊接點多，在使用時容易出現變形的情況，為了避免這一現象發生，筆者將從焊接工藝方面探析鉆機井架焊接變形的控制技術。

1 石油開采中常用的鉆機井架類型

在日常的石油開采生產過程中，根據不同的石油分布特點、不同的地形以及不同的鉆井需求，需要用到不同類型的鉆機井架類型，而不同類型的井架對于焊接技術的要求也有很多的不同。其中，在石油開采現場最常見的井架類型是K型井架，比較常見的還有A型井架、塔型井架和桅型井架，每種類型的井架都有各自的特點，適用于不同的生產工況。

（1）應用最廣泛的K型井架。這種井架是一種前開口型的輕便井架當作它的主體結構。井架由四個階段構成，各階段之間的連接是由錐銷完成的，這種結構的特點是有利于拆卸和安裝，并且能夠提高井架整體的穩定性。這種井架的內部開檔空間很大，這也是它最大的一個特點，這個特點使它能夠充分滿足游吊系統升降的空間需求。這種井架和A型井架在工作原理上有相同的地方，都是利用人字架，在低位安裝的前提下，再利用機器自身的動力實現整體的起放。追溯K型井架在我國的應用歷程，1981年，我國開始研制使用這種類型的井架，在近40年的發展過程中，這種類型井架取得了長足的發展和進步，先后研發并生產出能夠和五個級別的鉆機匹配的18種井架。

（2）A型井架。這種井架的主體結構有角鋼桁架和管子桁架兩種，是一種焊接桁架結構。這種井架的橫截面是一個矩形，角鋼桁架和管子桁架之間是使用銷子作為連接方式，因此能夠快速簡便地進行安裝和拆卸。A型井架比較突出的一個特色就是具備較大的空間，因此具有開闊的視野。這種井架的的工作原理并不復雜，就是在低位安裝的前提下，利用鉆機自身的絞動力或者在外力的推動下，從而實現整體的起放，這種類型井架在中小型的石油鉆機中應用較多。我國使用A型井架比使用K型井架要早一些，20世紀60年代，我國研制了AD-45型等井架，但沒有大規模的使用。1979年開始，我國制造了JJ315/43-A型號井架，這是我們自主研發的A型井架，這種井架才開始在我國大規模應用，跨越幾十年的發展歷程，現在已經有近百套這種類型井架與ZJ45鉆機配套。

（3）塔形井架。這種類型井架因結構形似寶塔而得名，它的橫截面與A型井架不同，是一個正方形，從立體結構來看，則是一個梯形。這種類型井架是由一個封閉的桁架結構構成主體。這種井架一般由鋼結構形成主體部分，結構是塔型，使用螺栓進行連接，因此，這種類型井架的穩定性非常好，還具備容易拆裝的特點，具有較大的靈活性，在各種路況進行運輸都是可行的。這種類型井架具備相對先進的生產工藝和生產設備，因此井架的質量比較穩定，具有安全性和可靠性，在我國，20世紀50年代開始就開始研制這種井架，應用也比較多，特別是在海洋鉆井中，應用比較廣泛。但是，由于這種井架常常用于高空作業，因此風險較大，這也是它的局限性，還需要進一步的完善，將來將逐步被低位水平安裝的整體起降井架替代。

（4）桅型井架。這種類型井架一般有整體式和伸縮式兩種形式井架。伸縮式的井架具有拆裝便捷、模塊化水平較高的特點，便于進行移動運輸，但是，這也決定了這種井架具有整體穩定性差的缺點，要使用繃繩輔助固定。桅型井架是單柱式的主體結構，其主體包含一節或者多節的管狀結構或者桿件結構，這種結構就決定了這種井架承載力較低，因此，一般只用于修井機和車裝機。

2 鉆機井架焊接方法的選擇

不管是什么類型的鉆機井架，在石油開采的過程中都發揮著重要的承載作用，因此，要求具備較高的焊接質量，焊接后變形的范圍要小于20mm，這是比較難實現的，因為井架的長度一般是45m左右，橫梁較長，這就導致在焊接過程中非常可能發生彎曲和變形。并且，在井架的焊接作業完成后，整體剛性非常大，要想糾正和調整已經發生的變形就非常困難了。正是由于后期處理幾乎不具有可行性，因此，減少變形的發生就應在鉆進井架的焊接過程中進行控制，這就需要通過選擇合適的焊接方式來實現。

一般來說，如果在焊接過程中焊接部位的受熱面積較大，那么就越容易發生焊接變形，并且變形的程度也更深。比如，利用電弧焊接時，焊接的速度很慢，導致受熱面積變大，而且是不均勻的，這樣就會發生較大的變形，這種變形是很難控制的。這時，如果使用二氧化碳氣體，這樣就會對焊接的電流產生一種高密度的保護，從而使電弧的熱量得到集中，使受熱面積減小。并且，由于二氧化碳氣流的降溫作用，還會進一步降低焊接熱力的作用范圍，更有助于降低變形的發生。使用二氧化碳氣體保護焊可以提高生產效率，因此，在井架生產的過程中，是被普遍采用的一種焊接方法。

3 如何在焊接過程中控制變形

在選擇合適的焊接方法后，在焊接的過程中，還要采取多種措施來防止變形的發生。

首先，要合理安排配件的裝配順序。配件的裝配順序會影響焊接過程中的變形程度。為了使焊接過程中的變形程度盡可能降低，要依據施工的圖紙及設計的要求進行各個配件的組裝，第一步要按順序先安裝和組合好立柱、橫撐以及箱型梁，并進行固定，第二步要進行立柱和斜撐的安裝和固定。定位焊接的同時，固定對稱點的焊點要達到規定的強度，長度則要保持在5～10mm。并且，裝配的精確度要盡力地提高，這就需要盡可能地降低組裝過程中的誤差，井架的安裝要在平臺上進行，還要利用專門的工具來實現剛性固定。

要保證焊接的順序是正確的。第一步是焊接橫撐和立柱，要用到的方式是對稱焊接。在不同的焊縫對應的焊接順序有所不同，而且零配件的剛性也有所不同，因此導致先完成的焊縫有很大概率發生變形，而后完成的焊縫則不太容易發生變形。即使是采取了對稱焊縫，也有可能發生焊接變形。為了克服這一困難，經驗豐富的焊工發明了由中間向兩邊按照順序對稱跳焊的方式，并且采取了分組相向焊接的方法，選取技術過硬的兩名焊工同時進行操作，這種方式可以有效避免變形。進行焊接操作時，兩名操作人員應該使用相同型號、相同規格、相同參數的焊接設備，讓熱量盡可能地均勻分布在2條焊縫上，使2條焊縫上發生的變形能夠對應消減。此外，多層焊接的方式相對單層焊接產生的變形較小，在進行箱型梁和立柱這種大尺寸的焊接時，使用多層焊接能夠更好地控制變形的發生。多層焊接的具體方法指的是在第一層的焊接工作完成后，等第一層的溫度冷卻到室溫后，這時進行下一層的焊接。第二步是焊接斜撐，對于斜撐的焊接是不對稱縫，采取的方式與對稱縫不同，應該按照焊縫數量由少到多的順序進行焊接，實踐證明，這種方式可以減少發生變形。第三步就是焊接橫梁，應該采取平焊的方式進行，原因是平焊的速度更快，產生的變形量較低。在這個過程中，要注意避免產生弧坑裂紋，如果產生了弧坑裂紋，要馬上采取補救調整的措施，具體操作是使用電動砂輪或者風動砂輪來磨削裂紋，使其消除。這時，經驗豐富的焊工經常在消除背面的裂紋的同時，將正面的焊道通過碳弧氣刨同步消除，最后進行檢驗，確定裂紋缺陷已經清除后進行背面的封底焊接。

多年的生產實踐證明，通過選擇正確的焊接方法，并且按照正確的焊接順序，采取對稱焊、多層焊接等合理的焊接方式，能夠使鉆機井架的變形被控制在規定范圍內，使井架焊接變形的問題得到了解決，提高了生產的效率，產品的質量也得到了保證。