油气田射孔枪管的修复特点及工艺

0前言

石油勘探中,油气田用射孔枪管在射孔作业时具有其它金属结构所没有的特殊性:射孔弹或炸药在井下一定深度的枪管内引爆,产生瞬时高温和强烈的冲击力,击穿枪管的射孔部位,继而射穿岩层或石油天然气层,达到油气井射孔目的。所以,有关部门对枪管的使用有严格的要求,并明确规定,枪管的使用一律为一次性,一旦经射孔作业,均做报废产品或降级使用。目前,国内油气田射孔枪大都采用美国、日本的进口枪管,价格昂贵,每米高达500余元。其材质焊接性差,淬硬倾向严重,且裂纹敏感性极大,迄今为止,还没有修补的先例，也无有关修复工艺的研究报道。我们抱着积极尝试、大胆探索的决心,在油气田测井射孔行业采用手工电弧焊对报废枪管进行修复,突破了枪管修复这个禁区。所补焊的φ114mm×7.72mm×2m枪管,其质量得到了中国石油天然气总公司油气田射孔器材质量监督检验测试中心的检验认可。

1射孔枪管的修复特点

1.1射孔枪管概述

Q102-16-90型射孔枪系美国进口G41350钢管,规格为φ114mm×7.72mm×2m，其材质近似于我国的35CrMoA。

经射孔作业后的枪管如图1所示,射孔眼分布在整个枪管的表面,排列规则,孔眼直径大小不等,但均≤10mm。

　　图1枪管射孔示意图

1.2枪管的焊接特性分析

枪管的材质为低合金高强度结构钢(亦可划归铬钼耐热钢类)，钢中平均含碳量高达0.35%,因含Cr及Mo合金元素,更增加了钢的硬度。国际焊接学会推荐的反映合金结构钢淬硬倾向的碳当量公式及计算结果见式(1)。

据此判断枪管的淬硬和冷裂倾向大，焊接性极差。在焊接过程中,当淬火区的温度>Ac3线时,由于电弧的热循环和过大的冷却速度,奥氏体容易转变成脆而硬的高碳马氏体组织,淬硬倾向极大(600HB～700HB)，更增加了焊接接头的脆性,加剧了HAZ(热影响区)裂纹的形成和产生。同时，即使采用碱性低氢型焊条，其焊缝金属中的含氢量也达6.8ml/100g，在焊接应力作用下，极易产生氢致裂纹。所以,在焊接过程中及焊前和焊后需要采取相应的控制、调整和防护措施，防止裂纹的产生。

1.3对枪管修复的设计要求

在保证枪管基体化学成分在焊接时受到最小程度损失的同时,要求在30MPa条件下做液压试验,恒压30min,枪管无渗漏,枪体无变形;焊接接头不允许有裂纹,枪管内壁无焊穿和焊瘤。射孔作业时,必须从原孔位置击穿射孔,且枪体射孔孔眼与原孔对位率≥85%。

2焊前准备

2.1坡口的设计和加工

为了满足设计要求,达到射孔作业目的,在修复时,采用特殊的结构形式：首先,将原枪管上形状和大小不规则的全部孔眼在钻床上统一加工成与原孔同心且同直径(φ10mm)的孔，再在φ10mm的孔上钻同心φ14mm的孔，钻头千万不要钻透,最后钻表面层同心φ16mm的大孔，钻深4.72mm。这样,在根部便形成一个φ10mm×φ14mm×3mm的圆台形状如(图2)。

　　图2坡口结构图

为了保证枪体射孔眼与原孔对位率≥85%和加工的方便,选用强度等级较低的Q235(φ14mm)圆钢,并在车床上加工成φ10mm×φ14mm×3mm的圆台形堵板(图3),置于坡口根部,有意让根部不焊透,为击穿射孔创造条件。

　　图3堵板示意图

2.2枪管的清理

经射孔作业后的枪管常常附有一层厚厚的原油及沙土等形成的污垢，在施焊前要彻底清除，并对坡口附近2.03m内进行认真清理，使之露出金属光泽；在钻床上加工的坡口和车床上加工的堵板，难免要沾上油污，可用清洗剂清洗，清洗后，必须立即晾干，并尽快转入下道工序，以防止生锈。

3焊接工艺

3.1焊接方法及设备

修复枪管时，因其坡口形式的特殊性，最好采用熟练而又灵活的手工电弧焊方法。为了防止烧穿和焊瘤，也可先用手工TIG焊进行打底后，再用手弧焊进行填充和盖面。同时，为了满足严格的焊接工艺要求和获得优良的焊接接头，选用美国Miller直流电源。

3.2焊接材料

坡口根部为35CrMoA+Q235异种钢焊接接头，强度级别相差大，施焊困难，为使焊缝金属具有良好的抗裂性能，从而获得优良的焊接接头，选用E4315焊条打底，并用E5015焊条填充和盖面。焊条经(350～450)℃×2h烘烤后，放入100℃保温箱内保温，随用随取，用时必须使用保温筒。

3.3焊接参数

根据坡口形状和焊接接头性能，选择如表1所示的工艺参数，并尽量选用参数的下限，电源极性为直流反接。

表1焊接参数

3.4工艺操作要点

(1)焊接时，如在炎热的夏天，或环境温度≥30℃时，因枪管壁厚较薄(δ＜8mm)，结构简单，HAZ的冷却速度较慢，可以不进行预热，但必须采取缓冷和热处理措施。在冬天，焊接环境恶劣，熔池与母材间的温差大，焊接接头的冷却速度快，焊缝的裂纹和淬硬倾向严重，为防止冷裂纹的产生，需要采取预热措施，降低冷却速度，减小焊接应力作用，以保证焊接接头的组织和性能。考虑枪管的壁厚和结构的实际因素，可在(250～300)℃温度范围内对焊件进行预热，并采取缓冷和热处理措施。有条件时，最好把枪管放在长的热铁炉子上，待管子与炉子同热(250～300℃)后直接进行焊接.施焊时，室内不允许有穿堂风，以免加快冷却速度，促进热影响区高碳马氏体的生成和稳定，使脆性增加，产生裂纹。

(2)施焊时，为了防止烧穿，先用φ2.5mm的E4315焊条打底，在不熄弧的情况下，沿堵板外径做直径逐渐缩小的划圆运条。为防止液化裂纹，焊层要平而薄，待填满弧坑再熄弧。当焊缝稍变黑，敲去熔渣，并用钢丝刷清理干净，在(250～300)℃的层间温度时，立即稍加大焊接电流，换用φ3.2mm的E5015焊条，在略平爬坡处进行填充层焊接。为了保证电弧热量集中，减缓冷却速度，排除焊缝中的夹杂物和氢气孔，从理论上讲，应该采用较大的焊接线能量，但是，为了避免过热区奥氏体的过热和提高奥氏体的稳定性，并避免粗大的马氏体的形成，达到改善过热区的性能和减少过热区脆化的目的，合理地采用较小(＜1.5kJ/mm)的焊接线能量，压短电弧，直线或"∞"形运条，焊肉要平而薄，一道压一道，同时，用锤子轻轻敲击管子，以减小内应力，避免裂纹的产生。在保证层间温度的同时，迅速焊接盖面层。起弧时，要与上道起弧点错开，运条至坡口边缘时，停留时间不要太长，以免电弧峰值温度烧损基体合金元素和提高焊接接头的熔合比，造成热影响区贫铬和焊缝的淬硬、裂纹倾向增大。焊接时应连续焊完。

(3)为了保证焊接质量，必须由持有锅炉压力容器和高压蒸汽管道焊接合格证书的焊工或高级焊工和技师施焊，并对试验和现场试用情况作详细记录，且备案保存。

4焊后检验

(1)焊接完毕，经外观检查后，进行超声波探伤，无裂纹，再用试压机进行30MPa水压试验，并保持30min，无渗漏。

(2)根据设计要求对枪管进行100℃耐温和30MPa耐压试验，其结果如表2所示。

表2耐温耐压试验

(3)在井温50℃和井压10MPa的模拟井上，采用单发装药量为37.7g的SL52YD-1型射孔弹，总装弹数量32发，对枪管进行模拟井射孔试验，结果如表3所示。

表3模拟井射孔试验

5结论

(1)采用上述工艺进行焊接修复的枪管，经耐温耐压和模拟井射孔试验，其质量完全达到设计要求指标，证明本修复工艺是切实可行的。

(2)按照上述修复工艺，我们对近300m的报废枪管进行了焊接修复，并先后全部投入油气井射孔作业生产，使用效果良好，且重复利用至少可达2次(受枪体外径最大膨胀值的制约)，我局每年射孔枪管消耗超过千米，其经济效益相当可观。