技术领域
[0001] 本
发明属于
焊接工艺技术，特别涉及一种连续管的管管对接焊工艺方法。
背景技术
[0002] 连续管(Coiled Tubing，简称CT，又被称作连续油管、挠性油管、蛇形管或盘管)是连续管作业技术的
基础和重要组成部分，它是一种长达几百米至几千米的没有接头的管子，主要是
钢材制成，盘绕在大直径(一般约为1m以上)卷筒上。
[0003] 作业施工过程中，盘绕在卷筒上的连续管经过牵引、拉直、弯曲转向和再次校直后，被送入井下，成为作业介质输送的载体和工作管柱；作业后，卷筒反向运动，将连续管由井下拽扯提升出来，重新盘绕到卷筒上，以便反复使用。连续油管作业中不可避免会产生连续管管体的局部损伤和失效，去除局部损伤和失效的管体，在现场进行连续管的管-管对接焊是解决该问题的唯一方法。
[0004] 然而，作业中，当连续管局部出现硬弯、渗漏等管体损伤时，油田企业为了不影响生产进度，使企业经济效益不受到损失，急于聘请无连续管焊接经验，无专用的焊接工装，也无成熟的焊接工艺规范的焊工，采用常规的手工
电弧焊方法完成修复，结果是：施工过程中，由于连续管焊后较大的焊接应
力以及连续管作业中恶劣的工况条件，短时间内造成连续管从修复处断裂，轻者损坏井下设备，重者造成油井的报废。
发明内容
[0005] 为了克服上述
现有技术存在的
缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种连续管管—管对接焊工艺方法，通过采用连续管对接焊焊前准备专用装置，选用优化的连续管对接焊焊接工艺规范，获得综合性能优异的连续管焊接接头。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0007] 一种连续管的管管对接焊工艺方法，包括以下步骤：
[0008] (一)液压矫直机粗矫直截断管端部，通过
专利号ZL2014 2 0323826.7一种现场用连续管液压矫直机粗矫，使管体在自由状态下不发生弯曲，然后，距管端500mm范围内精矫，使管体直线度达0.85‰，满足矫直
精度要求，只有经过粗矫和精矫处理，才可以保证组对后两管体轴线重合，使之能在无
应力状态下对接；
[0009] (二)坡口加工，采用型号ISY-80内涨式坡口机将两管端加工成V型坡口,加工的坡口
角度应能够使填充金属进入，分配因焊接接头热收缩引起的焊接应力，坡口角度根据实际需要选择，范围30°～100°，一般为80°～100°，单边(37±2.5)°或夹角75°±5°对分散应力和减小管件
变形非常有效；V型坡口根据壁厚或间隙不同留有一定的钝边，钝边0.5～0.8mm；
[0010] (三)管内外除湿，为防止焊接时管内外湿气影响焊接
质量，离管端300mm范围内的
水渍、油污等产生湿气的介质应清理干净，可采用
氧-乙炔火焰均匀加
热管体外壁使湿气
蒸发或放置适量吸油纸除湿；
[0011] (四)管内外壁除锈，作业后的连续管管内外壁由于介质
腐蚀出现锈、氧化皮及腐蚀坑，距管端10～15mm范围管内外臂需打磨清理并露出金属光泽，采用直柄
角磨机，先用粒度60目棕刚玉锥形圆形磨头粗磨管内外壁，再用粒度80目布基棕刚玉圆柱形磨头
抛光；
[0012] (五)对口组装，将准备好对口的两个管端放置在专利号ZL2013 2 0377421.7一种现场用连续管对口组焊装置上无应力装卡组对，组对间隙1.5-2.5mm，用一根不长于100mm的直钢板尺检查对中情况，确保对口错变量不大于管壁厚的10％且不大于0.4mm的规定值；
[0013] (六)管端加装冷却
块，将组对好准备施焊的连续管管端两侧距焊口10-15mm处加装专利号ZL2013 2 0377777.0一种连续管对接焊用冷却装置，冷却装置可大大减小焊接热过程
对焊缝区域的热输入，降低高温
停留时间，减缓晶粒长大，从而改善焊接接头性能；
[0014] (七)管内充填保护气，焊接前，向两侧管内充填质量纯度不小于99.99％氩气，使管内氧气的质量浓度不大于500ppm，以保证背面
焊缝不被氧化，成形良好；
[0015] (八)焊接工艺规范：
[0016] (1)焊接方式：选用手工钨级氩弧焊(TIG焊)，引弧方式为非
接触式高频引弧，钨极选用毒性较小的铈钨极，直径2.4-3mm，钨极形状为圆锥形，锥度20-25°，锥度长约为钨极直径2-3倍。末端锥形以防止钨极末端
熔化进入熔池，造成夹钨缺陷；
[0017] (2)焊接材料：选用进口
碳钢实芯
焊丝AWS E70S-6，焊丝直径 和[0018] (3)焊接
电流种类及极性：直流正接；
[0019] (4)氩气流量：8-12L/min；
[0020] (5)层间
温度：60-100℃，温度测量用
热电偶测温仪；
[0021] (6)焊接工艺参数:采用小线
能量多层焊技术工艺原则选取，焊接电流70-85A，焊接
电压15-20V，焊接速度40-55mm·min-1；
[0022] (九)焊接操作过程：
[0023] 将整个焊口视为一个钟表，下面是6点，左右分别为9点和3点；
[0024] (1)点固焊，焊接电流选用第一道填充层电流，先在4点
位置点固5-10mm焊缝，后在10点位置点固5-10mm焊缝；
[0025] (2)打底层，先从右侧6点位置引燃电弧，采用上爬坡焊呈向12点方向移动
焊枪，焊接开始后，待电弧烧出熔洞再
填充焊丝，填丝时，焊丝须插进熔洞熔化，以防焊缝背面出现上凹缺欠，焊至12点位置后，同理，再从左侧6点位置引燃
电弧焊至12点10分，增加10分为了使焊缝重叠15-20mm，以保证焊缝接头的质量，其余焊道都须保证焊缝接头重叠；
[0026] (3)第一道填充层，焊接时，引弧位置须错过6点位置，在6点10分或5点50分处引弧，以弥补打底层引弧处可能出现的缺欠，相比打底层，第一道填充层焊接电流略大于打底层焊接电流，焊丝直径小于打底层焊丝直径；
[0027] (4)第二道填充层，焊接时，引弧位置须错过第一道填充层引弧位置，由于本层填丝量增加，焊接电流略大于第一道填充层焊接电流，送丝采用连续送丝方式，焊枪做月牙形摆动，焊枪摆动时，当摆至坡口夹角处，电弧轴线应对准第一道填充层与坡口面的夹角，稍作停顿使夹角熔化后再填入焊丝，填入的焊丝量使本填充层距试件上表面棱边0.5mm的余量并尽可能不破坏上棱边，以确保盖
面层基准线的平直和盖面层与
母材过渡圆滑；
[0028] (5)盖面层，同理，焊接时，引弧位置须错过第二道填充层引弧位置，盖面层是修整不规则的填充层并填满焊道，盖面层焊接操作时，电弧轴线摆至坡口棱边处，在棱边附近稍做停顿，形成熔池后送入焊丝，填入焊丝量应填满填充层所留余量并溢出棱边0.5-1.5mm左右为准，然后摆动焊枪至另一侧棱边；
[0029] (十)焊接完成后，取下冷却块，采用角磨机用80目的角磨片打磨焊道表面余高，打磨至与母材平齐，其作用：一是，连续管下井时须穿过与母材外径相同的注入头夹紧机构；二是，后续
无损检测，焊缝处须平整、光滑；
[0030] (十一)焊后检验，采用外观检验、渗透探伤检验和水压检验方法检测焊缝表面是否存在裂纹、气孔等缺陷，若未检出缺陷，表明焊缝内部存在缺陷的可能性较小，由于钨极氩弧焊在焊接过程中，若出现微小裂纹、气孔，裂纹、气孔会贯通每层焊道，直至盖面焊道。
[0031] 所述的步骤七管内充填保护气，焊接前，将组对好成同一轴线的连续管两管端利用组对装置前后错开，先向错开的两侧距管端1-1.5米处管内塞入揉成一团的疏松卫生纸阻断连通的连续管，然后向管内通入流量15L/min的氩气保护气，通气5-8分钟后，用打火机火苗在管口检验，若火苗熄灭证明阻断的连续管内已充满氩气，氩气充填质量纯度不小于99.99％，使管内氧气的质量浓度不大于500ppm，以保证焊接时背面焊缝不被高温氧化，成形良好。充满氩气后复位两管端为组对后或充保护气前的状态。
[0032] 所述的步骤九上爬坡焊方式是连续管水平放置时，由接头焊道的底部开始向上焊接，即将整个焊口视为一个钟表，下面是6点，左右分别为9点和3点，从6点位置开始焊接，呈向12点方向移动焊枪。
[0033] 本发明采用小线能量多层焊技术工艺，焊接电流在满足成型的基础上以小为宜，一方面，可在控制热输入的过程中使焊道和焊接热影响区(HAZ)的晶粒不会过分长大，另一方面，通过后一焊道对前一焊道的再热作用实现回火或正火处理以细化前道晶粒，在焊道表面形成的较粗大柱状晶被
重熔再结晶，得到细小的组织结构，极大地提高焊接接头塑性性能；焊接四层，其优点：一是，焊接变形量减小，在焊接结构的刚性比较大时，所产生的拘束应力会大大减少；二是，多层焊时的输入热量比
单层焊时小，焊缝的热影响区小，焊缝高温停留时间短，焊缝接头不易
过热，从而使焊缝接头的金相组织有效得到改善；三是，多层焊时，后道焊缝对前道焊缝的
热处理作用，减少了前道焊缝的应力，同时由于后道焊缝对前道焊缝的再加热，细化了前道焊缝的晶粒，提高了焊缝的整体力学性能；四是，降低了焊缝产生缺陷的概率。
[0034] 按本发明的方法所得到的一种连续管的管管对接焊工艺方法，不但适用于连续管所有规格尺寸和级别的连续管管-管对接焊，而且适用于其它重要管件的管-管对接焊，使其具有综合性能优异的焊接接头。
具体实施方式
[0036] 一种连续管的管管对接焊工艺方法，包括以下步骤：
[0037] (一)液压矫直机粗矫直截断管端部，因连续管盘管损伤处截断后，管体发生弹性释放，但仍保持一定的弯曲塑性变形，导致管端10～20m范围内有较大弧弯，若强制对中、焊接，则可能会在焊缝中产生较大应力，降低疲劳寿命，甚至引起焊缝断裂，造成重大安全事故。因此，有较大弧弯处，通过专利号ZL2014 2 0323826.7一种现场用连续管液压矫直机粗矫，使管体在自由状态下不发生弯曲，然后，距管端500mm范围内精矫，使管体直线度达0.85‰，满足矫直精度要求，只有经过粗矫和精矫处理，才可以保证组对后两管体轴线重合，使之能在无应力状态下对接。
[0038] (二)坡口加工，采用型号ISY-80内涨式坡口机将两管端加工成V型坡口,坡口夹角75°±5°，钝边0.5-0.8mm。
[0039] (三)管内外除湿，为防止焊接时管内外湿气影响焊接质量，离管端300mm范围内的水渍、油污等产生湿气的介质应清理干净，可采用氧-乙炔火焰均匀加热管体外壁使湿气蒸发或放置适量吸油纸除湿。
[0040] (四)管内外壁除锈，作业后的连续管管内外壁由于介质腐蚀出现锈、氧化皮及腐蚀坑，距管端10～15mm范围管内外臂需打磨清理并露出金属光泽，采用直柄角磨机，先用粒度60目棕刚玉锥形圆形磨头粗磨管内外壁，再用粒度80目布基棕刚玉圆柱形磨头抛光。
[0041] (五)对口组装，将准备好对口的两个管端放置在专利号ZL2013 2 0377421.7一种现场用连续管对口组焊装置上无应力装卡组对，组对间隙1.5-2.5mm，用一根不长于100mm的直钢板尺检查对中情况，确保对口错变量不大于管壁厚的10％且不大于0.4mm的规定值。
[0042] (六)管端加装冷却块，将组对好准备施焊的连续管管端两侧距焊口10-15mm处加装专利号ZL2013 2 0377777.0一种连续管对接焊用冷却装置，冷却装置可大大减小焊接热过程对焊缝区域的热输入，降低高温停留时间，减缓晶粒长大，从而改善焊接接头性能。
[0043] (七)管内充填保护气，焊接前，向两侧管内充填质量纯度不小于99.99％氩气，使管内氧气的质量浓度不大于500ppm，以保证背面焊缝不被氧化，成形良好。
[0044] (八)焊接工艺规范：
[0045] (1)焊接方式：选用手工钨级氩弧焊(TIG焊)，引弧方式为非接触式高频引弧，钨极选用毒性较小的铈钨极，直径2.4-3mm，钨极形状为圆锥形，锥度20-25°，锥度长约为钨极直径2-3倍。末端锥形以防止钨极末端熔化进入熔池，造成夹钨缺陷。
[0046] (2)焊接材料：选用进口
碳钢实芯焊丝AWS E70S-6，焊丝直径 和根据连续管高强度、高塑性的特点选取的焊丝强度级别均低于连续管母材1-2级，属低组配。连续管TIG焊填充材料的选择主要取决于焊缝力学性能和化学成分的诉求，一般情况下，填充金属
屈服强度应与母材屈服强度上限匹配，但通常会导致焊缝金属屈服强度和
抗拉强度均比母材高，承受
载荷时，抗拉强度的不同导致在焊接接头产生强度梯度，使得焊缝与母材塑性弯曲变形不均匀发生断裂；当填充金属的屈服强度略小于管体的规定最小屈服强度时，由于焊缝热影响区正火导致的屈服强度降低与母材由于加工
软化导致的屈服强度降低相当，此时实际的焊接接头的塑性相对增加，包括焊缝在内的很大范围内材料具有较一致的应变能力，使得焊接接头综合力学性能大大增强。
[0047] (3)焊接电流种类及极性：直流正接。
[0048] (4)氩气流量：8-12L/min。
[0049] (5)层间温度：60-100℃，温度测量用热电偶测温仪。
[0050] (6)焊接工艺参数：采用小线能量多层焊技术工艺原则选取，焊接电流70-85A，焊-1接电压15-20V，焊接速度40-55mm·min
[0051] (九)焊接操作过程：
[0052] 将整个焊口视为一个钟表，下面是6点，左右分别为9点和3点。
[0053] (1)点固焊，焊接电流选用第一道填充层电流，先在4点位置点固5-10mm焊缝，后在10点位置点固5-10mm焊缝。
[0054] (2)打底层，先从右侧6点位置引燃电弧，采用上爬坡焊呈向12点方向移动焊枪，焊接开始后，待电弧烧出熔洞再填充焊丝，填丝时，焊丝须插进熔洞熔化，以防焊缝背面出现上凹缺欠，焊至12点位置后，同理，再从左侧6点位置引燃电弧焊至12点10分，增加10分为了使焊缝重叠15-20mm，以保证焊缝接头的质量，其余焊道都须保证焊缝接头重叠。
[0055] (3)第一道填充层，焊接时，引弧位置须错过6点位置，在6点10分或5点50分处引弧，以弥补打底层引弧处可能出现的缺欠，相比打底层，第一道填充层焊接电流略大于打底层焊接电流，焊丝直径小于打底层焊丝直径，目的是防止打底层焊接时出现烧穿缺陷，本层焊接时填加焊丝量相对较少，其作用：一是，打底层由于手工填丝的不均匀性，焊道表面会出现不平整或熔合不好的缺欠，采用不填丝纯电弧焊接、焊枪月牙形摆动、断续少量送丝方式修整打底层；二是，对打底层焊道起热处理作用。
[0056] (4)第二道填充层，焊接时，引弧位置须错过第一道填充层引弧位置，由于本层填丝量增加，焊接电流略大于第一道填充层焊接电流，送丝采用连续送丝方式，焊枪做月牙形摆动，焊枪摆动时，当摆至坡口夹角处，电弧轴线应对准第一道填充层与坡口面的夹角，稍作停顿使夹角熔化后再填入焊丝，填入的焊丝量使本填充层距试件上表面棱边0.5mm的余量并尽可能不破坏上棱边，以确保盖面层基准线的平直和盖面层与母材过渡圆滑。
[0057] (5)盖面层，同理，焊接时，引弧位置须错过第二道填充层引弧位置，盖面层是修整不规则的填充层并填满焊道，盖面层焊接操作时，电弧轴线摆至坡口棱边处，在棱边附近稍做停顿，形成熔池后送入焊丝，填入焊丝量应填满填充层所留余量并溢出棱边0.5-1.5mm左右为准，然后摆动焊枪至另一侧棱边。
[0058] (十)焊接完成后，取下冷却块，采用角磨机用80目的角磨片打磨焊道表面余高，打磨至与母材平齐，其作用：一是，连续管下井时须穿过与母材外径相同的注入头夹紧机构；二是，后续无损检测，焊缝处须平整、光滑。
[0059] (十一)焊后检验，采用外观检验、渗透探伤检验和水压检验方法检测焊缝表面是否存在裂纹、气孔等缺陷，若未检出缺陷，表明焊缝内部存在缺陷的可能性较小，由于钨极氩弧焊在焊接过程中，若出现微小裂纹、气孔，裂纹、气孔会贯通每层焊道，直至盖面焊道。
[0060] 所述的V型坡口采用型号ISY-80内涨式坡口机可获得均匀一致的坡口和钝边，加工的坡口角度应能够使填充金属进入，分配因焊接接头热收缩引起的焊接应力，坡口角度根据实际需要选择，范围30°～100°，一般为80°～100°，单边(37±2.5)°或夹角75°±5°对分散应力和减小管件变形非常有效。V型坡口根据壁厚或间隙不同留有一定的钝边，钝边0.5～0.8mm。
[0061] 所述的管内充填保护气，焊接前，将组对好成同一轴线的连续管两管端利用组对装置前后错开，先向错开的两侧距管端1-1.5米处管内塞入揉成一团的疏松卫生纸阻断连通的连续管，然后向管内通入流量15L/min的氩气保护气，通气5-8分钟后，用打火机火苗在管口检验，若火苗熄灭证明阻断的连续管内已充满氩气，氩气充填质量纯度不小于99.99％，使管内氧气的质量浓度不大于500ppm，以保证焊接时背面焊缝不被高温氧化，成形良好。充满氩气后复位两管端为组对后或充保护气前的状态。
[0062] 所述的手工钨极氩弧焊(TIG焊)是用钨极作
电极、氩气作保护气的一种焊接方法，由于氩气在焊接过程中不分解，不与焊缝金属发生化学反应，且不溶解于液态金属，因而能获得高质量的焊缝，另外，钨极氩弧焊焊接线能量小，能量集中，焊接热影响区窄，焊接变形小，同时不存在清渣的问题，生产效率较高，适用焊接的钢种范围广，因此，被广泛用于单面焊双面成形的打底焊道及其它重要结构件的全位置焊接。
[0063] 所述的焊接材料，选用进口碳钢实芯焊丝AWS E70S-6，焊丝直径 和两种，根据连续管高强度、高塑性的特点选取的焊丝强度级别均低于连续管母材1-2级，属低组配。连续管TIG焊填充材料的选择主要取决于焊缝力学性能和化学成分的诉求，一般情况下，填充金属屈服强度应与母材屈服强度上限匹配，但通常会导致焊缝金属屈服强度和抗拉强度均比母材高，承受载荷时，抗拉强度的不同导致在焊接接头产生强度梯度，使得焊缝与母材塑性弯曲变形不均匀发生断裂；当填充金属的屈服强度略小于管体的规定最小屈服强度时，由于焊缝热影响区正火导致的屈服强度降低与母材由于加工软化导致的屈服强度降低相当，此时实际的焊接接头的塑性相对增加，包括焊缝在内的很大范围内材料具有较一致的应变能力，使得焊接接头综合力学性能大大增强。
[0064] 所述的氩气流量为8-12L/min，气体流量对于焊接熔池的连续保护尤为重要，最小流量必须能够保护焊接熔池，克服电弧热或侧
风的影响，流量过高，气流会变成紊流引发空气及其中的氧进入到熔池中影响焊缝质量。
[0065] 所述的小线能量多层焊技术工艺，焊接电流在满足成型的基础上以小为宜，一方面，可在控制热输入的过程中使焊道和焊接热影响区(HAZ)的晶粒不会过分长大，另一方，面通过后一焊道对前一焊道的再热作用实现回火或正火处理以细化前道晶粒，在焊道表面形成的较粗大柱状晶被重熔再结晶，得到细小的组织结构，极大地提高焊接接头塑性性能。
[0066] 所述的上爬坡焊方式是连续管水平放置时，由接头焊道的底部开始向上焊接，即将整个焊口视为一个钟表，下面是6点，左右分别为9点和3点，从6点位置开始焊接，呈向12点方向移动焊枪。
[0067] 实施例一
[0068] 本实施例适用的连续管的尺寸规格和级别是管径50.8mm(2′)，壁厚5.18mm，QT800级超细晶粒钢制连续管，屈服强度σs≥550Mpa，抗拉强度σb≥620MPa，采用手工焊钨极氩弧焊(TIG焊)。
[0069] 按照本发明的方法，坡口加工角度75°，钝边0.5mm，接头间隙2mm，焊接工艺参数见表1。
[0070] 表1 QT800连续管工艺参数
[0071]
[0072] 实施例的焊接接头性能如下：
[0073] 拉伸试验：
[0074] 拉伸试验结果(标距50mm)
[0075]试样 σb(MPa) δ(％) 断裂状态
连续管母材 620 28-30 母材
焊接接头试样 622 27 断裂在热影响区
[0076] 弯曲试验：焊接接头弯曲试验采用(GB/T2653-1989)标准,弯曲半径15mm、180°冷弯,弯曲后焊接接头未见裂纹。
[0077] 压扁试验：带焊接接头连续管的压扁试验采用GB/T246-1997标准。按标准和超标准深度压扁，试件均未出现裂纹。
[0078] 实施例二
[0079] 本实施例适用的连续管的尺寸规格和级别是管60.32mm(2.3/8′)，壁厚5.18mm，QT900级超细晶粒钢制连续管，屈服强度σs≥630Mpa，抗拉强度σb≥715MPa。采用手工焊钨极氩弧焊(TIG焊)。
[0080] 按照本发明的方法，坡口加工角度78°，钝边0.5mm，接头间隙2.5mm，焊接规范参数见表2。
[0081] 表2 QT900连续管工艺参数
[0082]
[0083] 本实施例焊后的QT900级连续管焊缝依据GB/T5097-2005检验标准对焊接接头进行外观检验和渗透探伤无损检验，结果均符合标准；再经40-50MPa水压力试验合格后，盘管投入使用，所焊接完成的连续管已在油气田洗井、气举、冲砂60井次，未出现质量问题。
