柱塞氣舉排水采氣裝置焊接結構件去應力退火工藝

黃慧，劉永恒，黎敏

長慶油田分公司機械制造總廠 陜西西安 710201

1 柱塞氣舉排水采氣裝置焊接結構件的功用及組成

柱塞氣舉排水采氣裝置是用于將氣井中的積液舉升到地面的裝置。該裝置在工作過程中，通過井底天然氣集聚的能量將油管內柱塞及其上部的積液一同舉升，液體被排出井筒，同時產出天然氣，如此反復進行，使氣井正常生產并提高天然氣的產出效率。柱塞氣舉排水采氣裝置地面部分焊接結構件（以下簡稱“柱塞氣舉焊接結構件”）如圖1所示。柱塞氣舉排水采氣裝置由防噴管和管線兩部分焊接而成，其中防噴管由6BX焊頸法蘭、本體、NPT 1/2接箍和捕捉器座組成；管線部分由支管、三通、接頭、豎管和閥前短接組成。

圖1 柱塞氣舉地面部分焊接結構件組成

柱塞氣舉焊接結構件所有零件選用30CrMo圓鋼或鍛鋼（III級）材料，零件經過正火、粗加工、調質處理后，精加工至零件圖樣要求的成品尺寸，之后通過焊接方式連接在一起。防噴管上部有Tr120×6-7e梯形外螺紋、直徑95mm內孔（內孔表面為密封面）和27/8UP TBG油管內螺紋，6BX焊頸法蘭下端面加工有6BX型密封環槽，閥前短接和接頭一端有NPT 2外螺紋，捕捉器座內孔直徑39.5mm，且孔內表面裝有密封件及M45×2-LH-6H內螺紋， NPT 1/2接箍內有NPT 1/2內螺紋。

在柱塞氣舉焊接結構件所有零件焊接成一個整體后，其焊縫類型有：防噴管上有1個B類焊縫和4個D類焊縫，管線部分有6個B類焊縫，如圖2所示。圖樣要求焊縫硬度≤22HRC，靜水壓強度試驗（37.5MPa）時穩壓15min無泄漏。焊接時，選用ER50-6焊條進行GTAW（氬弧焊）打底，J507焊條進行SMAW（焊條電弧焊）填充和蓋面，焊前預熱溫度控制在150～200℃，焊時層間溫度控制在200～350℃，焊后緩慢冷卻至室溫。

圖2 焊縫類別示意

2 問題的提出

柱塞氣舉焊接結構件焊接后，會產生焊接應力，在天然氣氣井上使用時，由于氣井中含有H2S、產出液等，因此該結構件會發生應力腐蝕、H2S腐蝕等。為此，需要對該焊接結構件進行去應力退火處理，以改善焊接接頭的性能。

3 去應力退火工藝

柱塞氣舉焊接結構件焊接后，需要先進行無損檢測，之后再進行去應力退火處理。其中包括去應力退火處理之前防氧化脫碳涂料的涂敷和干燥后進行干結涂料的清理。

3.1 防氧化脫碳涂料的涂敷

由于柱塞氣舉焊接結構件的去應力退火在較大的熱處理爐中進行，為防止該結構件表面（包括內外表面）在去應力退火加熱過程出現氧化脫碳現象，因此在去應力退火前需對該結構件涂敷防氧化脫碳涂料。

就防氧化脫碳的方法而言，有可控氣氛、真空保護、快速加熱和涂層防護等。其中，涂層防護因成本低、使用方便和適用性強的特點而越來越受重視。筆者選用ROX100防氧化脫碳涂料作為涂層材料。該涂料由硼酸（≤75%）、鋯石粉（≤10%）和黏結劑等配制而成，是一種硼酸配方涂層材料，具有耐高溫、抗氧化能力強和致密性好的特點，能有效保護金屬材料不發生氧化、脫碳。

ROX100防氧化脫碳涂料的防護機理，主要有以下兩個方面：一是ROX100防氧化脫碳涂料的硼酸遇高溫脫水，200～400℃便可脫水為硼酐（B2O3）。當溫度超過450℃時，玻璃態氧化硼逐漸軟化為致密的硼酐液體，較好地隔絕了氧對結構件表面的腐蝕；二是硼原子與氧親和力極強，可減少爐內的氧含量，從而有效地防止金屬表面氧化、脫碳[1]。

3.2 涂料的調配和涂敷

1）室溫下，ROX100涂料外觀呈水性黃色膏狀膠體，使用時需將ROX100涂料與稀釋液（通常是自來水）按1∶（2%～5%）的比例充分攪拌混合，調成具有一定黏稠度的懸浮液。

2）涂敷前，必須清理柱塞氣舉焊接結構件上的油污和雜質，使工件表面清潔干燥，以保證涂敷質量良好。

3）為保證涂敷質量和效率，涂料涂敷采用高霧化噴槍對柱塞氣舉焊接結構件進行噴涂，尤其是螺紋、密封面和焊縫部位，要求涂敷均勻、密實、平整，使涂料干燥后肉眼觀察無底色，以保證金屬表面都能結晶出一薄層硼酸，涂敷厚度一般為0.3mm左右。

4）涂敷后將涂有涂料的防噴管和管線部分常溫晾干或烘干，待到涂層干燥變硬后方可進爐熱處理。常溫晾干需要4～8h，50～80℃烘干需要0.5～1h。涂敷防氧化脫碳涂料后的結構件如圖3所示。

圖3 涂敷防氧化脫碳涂料的結構件

3.3 去應力退火工藝

柱塞氣舉焊接結構件在退火爐中處理，裝爐時，應放置在退火爐有效加熱區內，在火焰爐中進行處理時，應避免火焰直接噴在工件上，以防止工件局部溫度過高。退火工藝為：先加熱升溫至（600±15）℃，保溫1.5h，隨爐緩慢冷卻至400℃以下出爐空冷。

（1）加熱溫度的確定 焊接結構件的零件材料采用30CrMo鋼，要求粗加工后調質處理（調質硬度205～235HBW），調質處理的回火溫度為620℃。因此，選取去應力保溫溫度低于零件調質回火溫度20℃[2]，即消除焊接去應力退火保溫溫度選取600℃。

（2）保溫時間的確定 去應力退火保溫時間按下式計算[3]，即

式中t——保溫時間（h）；

δ——結構件有效厚度（mm）。

將結構件有效厚度數值代入上式，計算保溫時間為1.4h，取保溫時間為1.5h。

（3）冷卻 考慮到尺寸穩定性、殘余應力要求較低，焊接結構件保溫結束后，在爐內緩慢冷卻，爐溫降至400℃以下出爐，置于靜止的空氣中連續冷卻至室溫。出爐時爐內溫度不得超過400℃，避免強制冷卻。

3.4 干結涂料的清理

在去應力退火過程中，防氧化脫碳涂料中的水分因高溫而逐漸蒸發，并干結在結構件的表面。去應力退火后，需要將干結在工件上的防氧化脫碳涂料清理干凈。清理過程是將結構件整體浸泡在弱堿性水溶液中，干結涂料逐漸在水溶液中溶解，然后脫離工件表面并沉淀在溶液底部。浸泡時間以工件表面清理干凈為宜，一般2～4h即可。

4 結束語

1）柱塞氣舉焊接結構件去應力退火工藝主要包括熱處理前的防氧化脫碳涂料的涂敷、去應力退火和熱處理后干結防氧化脫碳涂料的清理三個過程。

2）涂料涂敷采用高霧化噴槍對柱塞氣舉焊接結構件進行噴涂，涂料涂敷厚度為0.3mm左右。

3）應力退火工藝為（600±15）℃×1.5h，隨爐緩慢冷卻至400℃以下出爐空冷。

4）將柱塞氣舉焊接結構件浸泡在弱堿性水溶液中，使干結在結構件表面的涂料在弱堿性水溶液中逐漸溶解，從而使干結涂料得到清理。