采氣樹(shù)制作中異種鋼的焊接分析

1、采氣樹(shù)制作中異種鋼的焊接分析    關(guān)鍵詞：45鋼 36Mn2V Q235 異種鋼焊接 0 引言 煤層氣是一種非常規(guī)的天然氣，作為清潔的替代能源，開(kāi)發(fā)利用方興未艾。煤層氣的地面采氣設(shè)備主要是螺桿泵配250型采油樹(shù)井口裝置或抽油機(jī)配150型采油樹(shù)井口裝置，施工中因兩套裝置的連接法蘭不能兼容和互換，既不利于優(yōu)化采氣工藝，又為施工帶來(lái)不便。現(xiàn)場(chǎng)亟需一種能同時(shí)滿(mǎn)足螺桿泵和抽油機(jī)連接要求的專(zhuān)用采氣井口。圖1便是一種改進(jìn)的實(shí)用新型煤層氣井口采氣樹(shù)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足了生產(chǎn)的需要。 該裝置主要由套管短節(jié)1、接管2、下法蘭3、上法蘭

2、4、油管接箍5等組件通過(guò)焊接加工而成，見(jiàn)圖2。其中，上、下法蘭材質(zhì)為Q235鋼，油管接箍是45鋼，套管短節(jié)是低合金鋼36Mn2V，顯然上法蘭與油管接箍的連接焊縫6（Q235 45鋼）、下法蘭與套管短節(jié)的連接焊縫7（Q235 36Mn2V）均為異種鋼焊縫，為了獲得性能良好的焊縫，必須制定合理的焊接工藝原則對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行控制。 1 母材成分及性能對(duì)焊接性的影響 1.1 成分的影響 該裝置所涉及的三種母材組織差異不大，36Mn2V和45鋼均為珠光體 鐵素體組織，Q235為鐵素體 珠光體組織，但化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，母材中各種元素對(duì)焊接性的影響也各不相同。碳、硫、磷、氫、氧及合金元素錳、硅、鉻

3、等都在不同程度上有增加焊接接頭淬硬傾向和裂紋敏感性的可能，并且隨著含碳量和合金元素含量的增加而惡化。表1為45鋼、36Mn2V和Q235的化學(xué)成分對(duì)比。 1.2 主要力學(xué)性能及碳當(dāng)量的影響 母材的強(qiáng)度和碳當(dāng)量對(duì)焊接性有很大影響，碳當(dāng)量越大，材料的焊接性越差。由表1和表2可以看出： Q235鋼屬低碳鋼，焊接性?xún)?yōu)良，通常情況下不會(huì)因焊接而引起嚴(yán)重的硬化組織或淬火組織，塑性和沖擊韌度良好。 45鋼屬高強(qiáng)度中碳鋼，焊接性較低，具有一定的塑性和韌性。 36Mn2V屬中碳低合金鋼，焊接性差，具有較高的強(qiáng)度和耐磨性。 2焊接中的主要問(wèn)題 2.1 焊接的難點(diǎn) 雖然三種母材同為珠光體組織，但由于成分、強(qiáng)度、焊接

4、性的差異，它們之間焊接與同種鋼的焊接相比，存在不同的問(wèn)題。 焊接過(guò)程中由于受熱不均勻引起金相組織的變化而使焊接接頭的性能變差； 熔合區(qū)及熱影響區(qū)的機(jī)械性能，特別是塑性的降低； 由于基體金屬熱膨脹系數(shù)不同而引起熱應(yīng)力； 因塑性變差和應(yīng)力增加往往容易引起裂紋； 接頭中過(guò)渡區(qū)的存在，也會(huì)增加裂紋的機(jī)率。 2.2焊接接頭的不均勻性 異種鋼焊接時(shí)，由于填充金屬及兩種母材之間的化學(xué)成分存在差別，焊后焊縫金屬的成分是不均勻的。在多道焊的根部焊縫和靠近高含碳量母材一側(cè)的焊縫中，因?yàn)槿酆媳雀撸购缚p中的含碳量增高。這種成分的不均勻性在經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)作用之后，焊接接頭各區(qū)域的金相組織也將不同，再加上焊接方法、焊

5、接工藝參數(shù)、是否熱處理等因素的影響，局部往往還會(huì)出現(xiàn)更復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。 化學(xué)成分和金相組織的不均勻又會(huì)造成焊接接頭力學(xué)性能的不均勻性，使近縫區(qū)的塑性、韌性變差，甚至引起含碳量高的母材一側(cè)焊縫熔合線(xiàn)上產(chǎn)生冷裂紋。 3焊接方法的選擇 大部分熔焊和壓焊方法都可以用于異種鋼的焊接，但焊條電弧焊具有操作方便，焊條種類(lèi)多且視不同的異種鋼組合可靈活選用等優(yōu)點(diǎn)，除長(zhǎng)焊縫、大批量流水作業(yè)以及不適合熔焊方法的作業(yè)外，都可選用焊條電弧焊。該井口裝置的兩處法蘭焊縫相當(dāng)于兩道環(huán)形平角焊，選擇焊條電弧焊是較合適的。 4 焊接材料的選擇 異種鋼焊接成功與否，焊接材料起關(guān)鍵作用。必須按照母材的化學(xué)成分、性能、接頭形式和使用要

6、求等綜合考慮，總體上有四個(gè)基本原則： 所選材料必須保證異種鋼焊接接頭能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需的性能； 所選材料必須在有關(guān)稀釋率、熔化溫度和焊接件其他物理性能要求等方面保證焊接性需要； 在焊接接頭不產(chǎn)生裂紋等缺陷的前提下，當(dāng)不能兼顧焊縫金屬的強(qiáng)度和塑性時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用塑性好的填充金屬； 焊接材料應(yīng)經(jīng)濟(jì)、易得，并具有良好的焊接工藝性能，焊縫成形美觀(guān)。 對(duì)于同類(lèi)型的異種鋼焊接，焊材的選用有兩個(gè)方案：一是采用珠光體類(lèi)焊條加預(yù)熱；二是采用奧氏體焊條不預(yù)熱。因奧氏體焊縫存在屈服強(qiáng)度不高的問(wèn)題，從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，決定選用低匹配的低氫型焊條J427。它具有一定的脫硫能力，熔敷金屬塑性和韌性良好，擴(kuò)散氫含量又少，所以既可保

7、證接頭的抗拉強(qiáng)度不低于Q235母材，又能保證焊縫金屬的抗裂性能和塑性。焊前經(jīng)350400烘干1h，放入保溫桶中備用。 5焊接工藝參數(shù) 焊接工藝參數(shù)對(duì)熔合比有直接影響，熱輸入量越大，母材熔入焊縫越多，這對(duì)異種鋼接頭是不利的。焊接熱輸入又取決于焊接電流、焊接速度等焊接工藝參數(shù)。因煤層氣井具有井口壓力低（1Mpa）、井下管注少（一般500m左右）的特點(diǎn)，所以對(duì)采氣樹(shù)的制作工藝要求相應(yīng)降低，上、下法蘭均采用角焊縫，其他參數(shù)的選擇主要考慮對(duì)熔合比有利，具體參數(shù)見(jiàn)表3。        6 預(yù)熱及焊后熱處理 珠光體鋼的碳當(dāng)量不僅

8、是評(píng)價(jià)其淬硬和脆化傾向的重要指標(biāo)，也是該類(lèi)異種鋼接頭是否需要預(yù)熱、預(yù)熱溫度多高的依據(jù)。通過(guò)對(duì)三種珠光體鋼的碳當(dāng)量計(jì)算（見(jiàn)表2），45鋼和36 Mn2V的碳當(dāng)量均大于0.6%，可見(jiàn)，它們的淬硬傾向大，焊接時(shí)有較明顯的裂紋傾向，焊前需預(yù)熱到200250。這樣可以控制焊接冷卻速度，減少或避免熱影響區(qū)中淬硬馬氏體的產(chǎn)生，降低熱影響區(qū)的硬度，同時(shí)還可以降低焊接應(yīng)力，并有助于氫從焊縫接頭中逸出，從而降低焊接接頭的裂紋傾向。 Q235碳當(dāng)量小于0.4%，淬硬傾向小，焊接時(shí)，一般不需要預(yù)熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織。但該裝置中法蘭的厚度達(dá)60mm,焊接時(shí)散熱較快，焊后會(huì)產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力，增加接頭裂紋傾向，所以Q235母材也需進(jìn)行預(yù)熱，降低散熱速度。按照珠光體異種鋼焊接時(shí)按淬硬傾向較大的鋼種進(jìn)行預(yù)熱的原則，Q235母材按與之連接的45鋼或36Mn2V的規(guī)范進(jìn)行處理。 焊后熱處理溫度的選擇也按碳當(dāng)量較高的鋼種進(jìn)行，對(duì)珠光體異種鋼接頭焊后立即進(jìn)行600650回火處理，可以改善焊縫金屬和近縫區(qū)的組織和性能，消除部分焊接殘余應(yīng)力，并促使焊縫中的氫逸出，防止45鋼和36Mn2V一側(cè)的近縫區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。 7 結(jié)論 通過(guò)以上措施的實(shí)施，所得異種鋼焊接接頭經(jīng)MT檢驗(yàn)未出現(xiàn)裂紋，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求，使這種改進(jìn)的煤層氣井口采氣樹(shù)順利的應(yīng)用于生產(chǎn)，扭轉(zhuǎn)了煤層氣排采現(xiàn)場(chǎng)一種井口裝置不