高強度CT110連續管環焊對接工藝*

李博鋒，王雷雷，張思琪，張 濤

（1.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；2.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018）

0 前 言

連續管環焊對接技術在現場作業中發揮著重要作用，采用該技術進行修復，能夠延長連續管使用壽命、降低作業成本。同時，還可實現連續管管柱接長，解決連續管下入深度不足的問題。此外，采用連續管環焊對接技術，還可以實現連續管與其他作業工具的連接，以滿足作業過程中的特殊需求[1-5]。目前，該技術已經在國外油田作業現場取得普遍應用，但由于連續管作業工況苛刻，焊接接頭需要承受較大拉伸載荷和塑性彎曲疲勞載荷，對焊接接頭的綜合力學性能要求較高，進而提高了連續管對接焊作業工藝的控制要求[6-7]。對此，國外開展了大量的研究工作并在現場應用中不斷總結經驗，制定了嚴格的焊接作業技術規范，以控制焊接接頭質量。例如API 5C8《連續油管的保養、維護與檢測》在第5章中，針對連續管對接焊作業規范進行了明確的規定，同時Quality Tubing、Tenaris、Global Tubing等連續管制造商也制定了明確的作業技術規程，并在現場建立了服務中心為客戶提供對接焊作業及技術培訓。隨著我國連續管作業技術的發展，現場連續管環焊對接技術的需求日益增長，寶雞石油鋼管有限責任公司牽頭開展了大量環焊焊接方法、材料、工藝等系統的試驗研究，制定了工藝規范和標準，開發出了首套連續管對接焊作業裝置，并成功將該技術推廣到現場應用中，取得了較好的應用效果。

本研究以CT110鋼級Φ50.8 mm×4.0 mm連續管為例，設計了對接焊工藝，并對焊接接頭性能進行了檢測。采用該對接焊技術，在長慶油田某井成功將2盤CT110鋼級Φ50.8 mm×4.0 mm規格、單盤長度4 500 m的連續管進行了對接，并順利完成了通洗井、射孔的作業過程，解決了連續管單盤長度無法滿足超長水平井作業下入深度要求的問題，為連續管對接焊技術在油田現場的推廣應用積累了經驗。

1 連續管作業工況

長慶油田靖某井為超長水平井，完鉆井深6 835 m，垂直井深3 024 m，水平段長度3 500 m，造斜點位于980 m處，最大井斜89.8°。本次采用連續管作業類型為通洗井和首段射孔，要求連續管作業時最大下入深度達6 600 m以上，射孔壓力65 MPa，最大井口壓力65 MPa，預計承受最大拉伸載荷180 kN，壓縮載荷80 kN。由于運輸條件限制，單盤連續管長度為4 500 m，無法實現6 600 m的作業深度要求，對此設計采用在現場將兩盤規格為Φ50.8 mm×4.0 mm的CT110連續管進行對接焊后下井，以滿足現場作業對下入深度的要求。作業時連續管對接焊接頭需要下入斜井段，在作業過程中還需要承受1 300 N·m的扭轉載荷，同時還需要承受較高的內循環壓力以及軸向載荷。此外，更為苛刻的是在下井過程中，焊接接頭在注入頭處發生反復的塑性彎曲變形，需承受塑性彎曲疲勞載荷。因此，為了確?，F場作業安全，要求焊接接頭在具有較高強度和塑性的同時，還需要具有良好的抗疲勞、抗扭轉和抗內壓性能。

2 焊接工藝

目前，連續管對接焊常用的焊接方法有焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。連續管管徑小、壁厚薄，對焊縫成形質量要求高。焊條電弧焊焊接時易產生飛濺，且相較于鎢極氬弧焊，其焊縫根部成形質量和線能量不易控制，因此現場很少采用。鎢極氬弧焊具有焊接線能量易控制、單面焊雙面成形效果好等特點，特別適合對焊縫形貌控制要求高的小管徑對接焊，因此現場應用較多。焊接作業流程如圖1所示，對于連續管對接焊作業，其關鍵在于嚴格控制焊前組對質量以及進行合理的焊接工藝參數設置，以保證焊接接頭良好的力學性能。

圖1 連續管現場環焊對接作業流程

2.1 焊前組對質量控制

現場焊接前，連續管在卷筒上經過多次纏繞，其直度和橢圓度發生了較大變化，對焊前組對質量產生影響。因此，需要對待焊兩端管體直度及外徑進行檢測，必要時進行管體矯直和管口整圓。采用直尺緊貼管體外表面，要求直尺與管體之間不得有間隙，同時當兩端管口外徑差＞0.25 mm時需進行整圓，以滿足組對作業的要求。此外，氬弧焊工藝對鐵銹、油污等較為敏感，容易產生氣孔等缺陷，因此在焊接前還需要對坡口兩側20 mm范圍內進行清理，使其露出金屬光澤。

2.2 焊接工藝參數控制

為確保焊縫區力學性能與母材的合理匹配，采用自主研發的專用高強度低合金鋼焊絲進行焊接。相關研究表明，在焊接熱循環作用下，連續管熱影響區發生回復與再結晶過程，熱影響區軟化是引起接頭疲勞壽命降低的主要原因[8-9]。對此，焊接時需要采用小線能量、多層多道焊工藝，并嚴格控制焊接線能量，通過減少焊接熱輸入，適當提高熱影響區冷卻速度，使得該區域在焊接熱循環作用下產生的回復與再結晶程度減小，并使位錯密度降低程度減小，從而達到降低熱影響區軟化的目的。對于本研究CT110鋼級Φ50.8 mm×4.0 mm連續管焊接，將線能量控制在8～12 kJ/cm。

受連續管長度、纏繞狀態等因素限制，連續管對接焊只能采用管體固定的全位置焊接方式，因此增加了焊縫形貌的控制難度。為了獲得良好的焊縫形貌，減少焊接缺陷，結合現場實際將焊接位置劃分為平焊、上坡焊和仰焊三個區段，并針對焊接熔池在不同區段的受力特點，針對性地進行工藝參數的設置。在平焊位置施焊時，由于熔池受重力影響下墜，容易導致焊縫根部余高過高，因此在保證焊透的情況下采用較低的焊接電流，同時適當提升弧壓，確保焊縫寬度合理；在上坡焊位置施焊時，熔池受重力影響向后流淌，此時采用小的焊接電流，并適當降低弧壓以防止形成未熔合、氣孔等缺陷；在仰焊位置施焊時，熔池受重力作用下墜，容易產生內凹缺陷，因此應降低電弧電壓以提高電弧吹力，防止熔池下墜，同時還應適當減小送絲量。針對Φ50.8 mm×4.0 mm 規格CT110 連續管，焊接時電流為90～110 A，電壓為9～11 V。焊接采用40°單面V形坡口，鈍邊1 mm，組對間隙2 mm，焊后對外表面焊縫余高進行修磨，使其與母材平齊。

3 焊接接頭力學性能試驗及結果

為了充分評估焊接接頭性能，確保作業安全性，現場焊接作業前進行了焊接工藝評定，并按照API 5C8《連續油管的保養、維護與檢測》要求對焊接接頭力學性能進行了檢測評價。

3.1 強度及塑性

依據ASTM A370標準在Z1200KN電子萬能材料試驗機上進行焊接接頭整管拉伸試驗，試驗結果見表1。從表1可以看出，焊接接頭抗拉強度均高于標準規定的793 MPa，且拉伸斷口位于母材。沿管體軸向垂直于環焊縫將焊接接頭剖開制取焊縫橫向彎曲試樣，在WE-30B萬能試驗機上進行彎曲試驗，彎軸半徑8 mm，彎曲角度180°，彎曲后試樣如圖2所示。焊縫及熔合線均未出現裂紋和開裂，說明焊接接頭具有良好的強度和塑性。

表1 焊接接頭拉伸試驗結果

圖2 焊接接頭彎曲試樣

3.2 硬度

沿焊接接頭橫向制取金相試樣，經磨制拋光后用4%HNO3酒精溶液腐蝕，采用Durascan 70硬度計進行顯微硬度測試，測試位置如圖3 所示，測試結果見表2。從表2 可以看出，焊接接頭硬度符合API 5C8 標準規定的不高于30HRC（301HV10）的要求。

表2 焊接接頭硬度測試結果

圖3 焊接接頭硬度試驗位置示意圖

3.3 抗疲勞試驗

采用疲勞試驗機模擬現場作業時連續管起出和下井的過程，以及焊接接頭在卷筒和導向拱之間產生的彎曲疲勞過程。試驗時，將試樣安裝于疲勞試驗機彎曲模與矯直模之間，采用油缸推動試樣進行反復的彎曲—矯直，直至試樣開裂失效。試驗條件：彎模半徑為1 828.8 mm，內壓分別為11.7 MPa、34.47 MPa和67 MPa，壓力介質為水。試驗結果見表3，從表3可知，隨著試驗壓力的增加，焊接接頭疲勞循環壽命降低顯著，這是由于內壓越高，疲勞循環過程中管體承受的環向應力越大，從而造成更大的疲勞損傷，降低了疲勞壽命。因此，應盡可能避免在高內壓狀態下進行起、下作業，以防止焊接接頭過度疲勞損傷影響作業安全。此外，焊接接頭是連續管管體上的結構異常點，必然會造成連續管疲勞壽命下降。國外研究表明，連續管手工對接焊接頭的疲勞壽命約為管體母材的25%[10]，本次試驗焊接接頭疲勞壽命為母材的36%～50%，與國外水平相當。

表3 焊接接頭疲勞試驗結果

3.4 抗內壓試驗

采用HY-MLK-7K-W型靜水壓爆破試驗系統對焊接接頭進行抗內壓爆破試驗。試樣有效長度為2.5 m，壓力介質為水，試驗時焊接接頭位于試樣中心，試驗結果如圖4 所示，爆破壓力為126.3 MPa，焊接接頭表現出良好的抗內壓性能。

圖4 焊接接頭水壓爆破試驗結果

3.5 抗扭轉試驗

參照GB/T 10128—2007《金屬材料室溫扭轉試驗方法》，采用MK1500-07型上卸扣扭矩試驗機對焊接接頭進行抗扭轉試驗，試驗結果如圖5所示。由圖5（a）可知，加載扭矩至5 405 N·m后，焊接接頭完好，未發生扭轉屈服變形，達到了標準規定的5 370.4 N·m 扭轉屈服強度的規定[11]，同時滿足在下井作業過程中承受1 300 N·m扭轉載荷的工況要求。

圖5 焊接接頭扭轉試驗結果

4 現場焊接作業及下井應用

現場采用專用撬裝式連續管焊接裝置進行作業，為充分測試連續管對接焊接頭的可靠性，共進行兩次焊接。第一次所焊接頭用于下入過程中的安全性測試，第二次所焊接頭用于下井作業。第一次焊接完成后，將焊接接頭在不帶內壓的情況下，在作業卷筒上進行30 次的反復彎曲纏繞測試后，從連續管管柱上切斷，采用Φ38.1 mm 鋼制通徑球進行通徑試驗，整個通徑試驗過程順暢無卡阻現象，表明焊縫根部余高控制較好。隨后對該焊接接頭進行外觀和射線檢測，焊接接頭外觀檢查無明顯變形和開裂，射線檢測未發現裂紋、未焊透、夾渣、氣孔等缺陷，同時焊縫根部形貌控制良好，無內凹、焊瘤及咬邊等。在實驗室采用連續管疲勞試驗機對該焊接接頭進行疲勞性能測試，試驗內壓34.47 MPa，彎模半徑1 828.8 mm，經過46 次疲勞循環后在焊縫處發生開裂失效，說明該焊接接頭剩余疲勞壽命為管體母材在同條件下疲勞壽命平均值（140次）的32%。

第二次對接焊接頭經無損檢測合格后，在長慶油田某井完成通洗井和首段射孔作業。作業時最大下入深度約6 600 m，最大內循環壓力68 MPa，起下過程中焊接接頭承受最大拉伸載荷185 kN，最大壓縮載荷85 kN，整個作業過程順利，焊接接頭性能滿足施工要求。作業完成后將焊接接頭從連續管盤卷上切割下來，依據ASTM A370 標準在Z1200KN 電子萬能材料試驗機上進行抗拉強度測試，拉伸載荷為523 kN，抗拉強度為859 MPa，滿足API 5C8 標準中抗拉強度不小于793 MPa的規定。

5 結 論

（1）針對CT110鋼級Φ50.8 mm×4.0 mm連續管，采用手工鎢極氬弧焊方法，通過小線能量及多層多道焊的工藝，結合全位置焊接熔池的受力特點，有針對性地分區段設置焊接參數，從而降低了熱影響區軟化程度，改善了焊縫成形形貌，確保了焊接接頭良好的力學性能。

（2）本研究工藝下所焊接頭的強度可達835 MPa 以上，疲勞壽命達到母材的36%～50% ，同時具有良好的抗內壓、抗扭轉等力學性能，可滿足現場施工需要。

（3）油田現場采用該焊接工藝將兩盤長度4 500 m、規格Φ50.8 mm×4.0 mm的CT110連續管進行對接焊，實現了目前國內最長（9 000 m）連續管的焊接，并完成了水平井通洗井和首段射孔作業，滿足了連續管下入6 600 m 作業的深度需求，取得了良好的應用效果。對作業后焊接接頭進行拉伸測試，其抗拉強度滿足相關標準要求，焊接接頭質量完全滿足現場作業安全需要。

（4）隨著連續管作業技術在深井、超長水平井的應用，對大規格高強度連續管的需求日益增多。由于受道路運輸條件的限制，單盤連續管長度很難滿足現場對作業深度的需要，進而成為制約連續管技術發展的瓶頸。因此，采用對接焊技術進行連續管管柱接長將成為解決該問題的關鍵，該技術在深井、超長水平井連續管作業中具有廣闊的應用前景。