一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺

摘要

一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺，先矫直连续管两侧管端，再进行两侧管端V型或U型坡口加工，其次清理管端接头内外壁，然后对口组装，再采用全位置自动TIG焊对连续管对接接头进行不填丝打底焊、填充焊、盖面焊，焊接时，焊枪起弧位置在1：30或2：00处，采取分区间焊接工艺方法进行焊接；本发明焊接工艺实现了连续管管-管对接焊由传统的手工TIG焊转为全自动TIG焊，提高了工作效率，降低了劳动强度，获得了综合性能优异的连续管焊接接头。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种连续管的管管对接全位置自动 TIG焊工艺。

背景技术

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。近年来，连续管及其作业机组成的连续管作业技术，随着 石油工业的发展，在石油勘探、钻井、洗井、石油运输等领域的用途和作用 日显突出，由于其应用范围广，使用方便等，被誉为“万能作业设备”。

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。

然而，目前国内外连续管对接焊方法主要以手工TIG(钨极氩弧焊)焊为 主，这种对接焊工艺存在焊接效率低，焊工劳动强度大，对焊工的操作技能 要求高，不能适应自动化程度越来越高的焊接工艺的发展。

发明内容

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 连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺，实现连续管管-管对接焊由传统的 手工TIG焊转为全自动TIG焊，提高了工作效率，降低了劳动强度，获得了 综合性能优异的连续管焊接接头。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺，包括以下步骤：

(一)矫直截断管端部，距管端500mm范围内粗矫和精矫，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；

(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 或U型坡口，V型坡口单边37°±2°，钝边0.5-0.8mm；U型坡口单边斜 面角度25°±2°，钝边长度2-3mm，钝边厚度1.5-1.8mm，坡口与钝边之 间圆滑过渡，过渡圆弧的半径为1-1.5mm；

(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；

(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；

(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 0-0.5mm，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；

(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；

(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，氩气流量为8-12L/min，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，内保护气体的承托力还可避免和减少内成 形出现的内凸现象；

(八)将管-管对接全自动焊接机头TOA77装夹在连续管管体焊口侧， 使焊枪正对焊缝并垂直管体切线，调节送丝位置使送丝管与焊枪的夹角为 40°-45°，使送出的丝贴在钨极正下方的焊缝中心，调节钨极距焊缝的距离为 1.5-3mm；

(九)焊接工艺调整和存储

采取分区间焊接的工艺方法，将连续管全位置焊缝每层分5个区间进行 焊接；分3层单道填满坡口：不填丝打底焊，填充焊，盖面焊；焊丝为ER50-6 或ER70S-6，直径1.0mm；钨极：铈钨极，2.4mm；电源种类及极性：直流 正接；层间温度：60-100℃；氩气流量：8-12L/min；起弧位置：不填丝打底 焊在钟表1：30位置，填充焊在钟表2：00位置，盖面焊在钟表1：30位置； 收弧搭接量：3°-5°；

在焊接工艺参数设定如下：

不填丝打底焊：分5个区间：0°-80°为第一区间，80°-119°为第二区间， 119°-220°为第三区间，220°-310°为第四区间，310°-363°为第五区间，焊接电 流74-89A,电压8.0-8.4V，旋转速度170-215‰；

填充焊：分5个区间：0°-60°为第一区间，60°-180°为第二区间，180°-230° 为第三区间，230°-270°为第四区间，270°-365°为第五区间，焊接电流65-72A, 电压8.6-9.0V，旋转速度200-220‰，送丝速度110-120‰，横摆速度 1100-1160mm/min，横摆宽度5-12mm；

盖面焊：分5个区间：0°-60°为第一区间，60°-180°为第二区间，180°-230° 为第三区间，230°-270°为第四区间，270°-367°为第五区间，焊接电流60-75A, 电压8.6-9.0V，旋转速度140-165‰，送丝速度100-115‰，横摆速度 1100-1160mm/min，横摆宽度12-18mm；

(十)运行设备进行自动焊接，调用不填丝打底焊工艺参数进行自动焊打 底，在正式焊接前，为了检验程序是否适用于被焊工件，首先进行模拟焊接， 观察正常后，再启动“开始焊接”开关焊接，焊接过程中操作人员通过跟踪 观察机头运行状态和实时熔池状态进行焊接参数微调，直至打底焊过程结束， 打底焊结束后，同理，再调用填充焊、盖面焊程序参数进行焊接；

(十一)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；

(十二)焊后检验，采用外观检验、渗透探伤检验和X射线检验方法检 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TIG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。

按本发明的方法所得到的一种连续管管-管对接全位置自动TIG焊工艺 方法，适用的连续管尺寸规格和级别是管径31.75-60.32mm(1.25-2.375in), 壁厚2.2-6.35mm(0.087-0.25in)，屈服强度483-621Mpa(70-90Kpsi)的钢 制连续管，实现了连续管管-管对接全自动焊，减少了人为因素的影响，提高 了工作效率，获得了综合性能优异的连续管对接焊接头。

附图说明

图1为本发明的U型坡口示意图。

图2为本发明的打底焊分区示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做详细叙述。

一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺，包括以下步骤：

(一)矫直截断管端部，距管端500mm范围内粗矫和精矫，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。

参照图1，(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型或U型坡口，V型坡口单边37°±2°，钝边0.5-0.8mm；U型坡 口单边斜面角度25°±2°，钝边长度2-3mm，钝边厚度1.5-1.8mm，坡口 与钝边之间圆滑过渡，过渡圆弧的半径为1-1.5mm；适用于3.5≤壁厚≤6.35mm 连续管，两种适用于连续管不同角度和壁厚的坡口形式均可避免最小电压原 理影响，即电弧始终作用于坡口中心底部，不产生发散，得到光滑平整的内 成型。

因为最小电压原理：在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧 将自动选择一适当的断面，以保证电弧的电场强度具有最小的数值，即在固 定弧长上的电压最小，这意味着电弧总是保持在最小的能量消耗，电弧一旦 遇到较小的坡口角度，即向两侧飘移，挺度受到影响，会造成熔深不足，产 生未焊透或内成形下凹。

(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。

(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。

(五)对口组装，将准备好对口的两个管端放置在专利号ZL20132 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 0-0.5mm，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。

(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。

(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，内保护气体的承托力还可避免和减少内成形出现的内凸现象。

(八)将管-管对接全自动焊接机头TOA77装夹在连续管管体焊口侧， 使焊枪正对焊缝并垂直管体切线，调节送丝位置使送丝管与焊枪的夹角为 40°-45°，使送出的丝贴在钨极正下方的焊缝中心，调节钨极距焊缝的距离为 1.5-3mm。

(九)焊接工艺调整和存储

采取分区间焊接的工艺方法，将连续管全位置焊缝每层分5个区间进行 焊接；分3层单道填满坡口：不填丝打底焊，填充焊，盖面焊；焊丝为ER50-6 或ER70S-6，直径1.0mm；钨极：铈钨极，直径2.4mm；电源种类及极性： 直流正接；层间温度：60-100℃；氩气流量：8-12L/min；起弧位置：不填丝 打底焊在钟表1：30位置，填充焊在钟表2：00位置，盖面焊在钟表1：30 位置；收弧搭接量：3°-5°。其原因：一是，起弧位置需要较大的脉冲电流， 以形成稳定的熔池，1：30、2：00处为下坡焊位置，易造成根部焊透性差， 也需要较大的脉冲电流，在此处起弧，与电流条件相匹配；二是，由于收弧 时搭接量为3°-5°，所以收弧位置仍然处于下坡焊，在此处收弧时由于热积 累影响，可适当减小脉冲电流，利于电弧的平稳衰减，而不影响焊缝根部的 焊透性。

所述的分区间焊接，将连续管全位置焊缝每层共分5个区间进行焊接。 管-管对接TIG焊过程为全位置焊接，根据全位置焊接时不同位置下熔池的 受力分析及热积累对焊缝成形的影响，针对不同位置焊缝成形的缺陷，为获 得良好的焊缝成型，采取了分区焊接的工艺方法。

在焊接工艺参数设定如下：

参照图2，不填丝打底焊：分5个区间：0°-80°为第一区间，80°-119°为 第二区间，119°-220°为第三区间，220°-310°为第四区间，310°-363°为第五区 间，焊接电流74-89A,电压8.0-8.4V，旋转速度170-215‰。

填充焊：分5个区间：0°-60°为第一区间，60°-180°为第二区间，180°-230° 为第三区间，230°-270°为第四区间，270°-365°为第五区间，焊接电流65-72A, 电压8.6-9.0V，旋转速度200-220‰，送丝速度110-120‰，横摆速度 1100-1160mm/min，横摆宽度5-12mm。

盖面焊：分5个区间：0°-60°为第一区间，60°-180°为第二区间，180°-230° 为第三区间，230°-270°为第四区间，270°-367°为第五区间，焊接电流60-75A, 电压8.6-9.0V，旋转速度140-165‰，送丝速度100-115‰，横摆速度 1100-1160mm/min，横摆宽度12-18mm。

(十)运行设备进行自动焊接，调用不填丝打底焊工艺参数进行自动焊打 底，在正式焊接前，为了检验程序是否适用于被焊工件，首先进行模拟焊接， 观察正常后，再启动“开始焊接”开关焊接，焊接过程中操作人员通过跟踪 观察机头运行状态和实时熔池状态进行焊接参数微调，直至打底焊过程结束， 打底焊结束后，同理，再调用填充焊、盖面焊程序参数进行焊接。

(十一)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。

(十二)焊后检验，采用外观检验、渗透探伤检验和X射线检验方法检 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TIG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。

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 团的松软水溶性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。

所述的分区间焊接，将连续管全位置焊缝每层共分5个区间进行焊接。 管-管对接TIG焊过程为全位置焊接，根据全位置焊接时不同位置下熔池的 受力分析及热积累对焊缝成形的影响，针对不同位置焊缝成形的缺陷，为获 得良好的焊缝成型，采取了分区间焊接的工艺方法。

步骤七所述的氩气流量为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。

步骤九中所述的旋转速度＝V×C/D，其中，V：实际焊接机头旋转线速 度(mm/min)；D：连续管外径(mm)；C：特别系数，不同的焊接机头C 各不相同，本机头T0A77，C＝83。

步骤九中所述的送丝速度＝0.72V_f，其中，V_f：实际送丝线速度(mm/min)。

本发明全位置自动TIG焊是采用EWA408全位置程控焊接电源与TOA77 旋转机头组成管-管全位置自动焊接系统，焊接时，用钨极作电极、氩气作保 护气，焊枪可绕管壁旋转的一种全位置自动TIG焊接方法。本焊接方法由于 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，并且TIG焊焊接线能量小，能量集中，焊接热影响区窄，焊接变形小， 因而能获得高质量的焊缝；本焊接方法可采用填丝或自熔两种方式，弧长自 动调节，弧长横摆自动控制，高的自动化水平，焊接结果重现性高，焊接效 果理想。

实施例一

本实施例适用的连续管的尺寸规格和级别是管径31.75mm(1.25′)，壁厚 3.18mm，QT800级超细晶粒钢制连续管，屈服强度σs≥552Mpa，抗拉强度 σb≥621MPa，采用全位置自动TIG焊。

按照本发明的方法，开V型坡口，坡口加工夹角75°，钝边0.7mm，无 间隙组对，焊丝型号规格：ER50-6，φ1.0mm，焊接工艺参数见表1。

表1QT800连续管工艺参数

实施例的焊接接头性能如下：

拉伸试验：

拉伸试验结果(标距50mm)

试样 σ_b(MPa) δ(％) 断裂状态

连续管母材 605.5 19 母材 焊接接头试样 627 16.7 断裂在热影响区

弯曲试验：焊接接头弯曲试验采用(GB/T2653-1989)标准，弯曲半径 10mm、150°冷弯，弯曲后焊接接头未见裂纹。

压扁试验：带焊接接头连续管的压扁试验采用ASTM450标准。按标准 和超标准深度压扁，试件均未出现裂纹。

实施例二

本实施例适用的连续管的尺寸规格和级别是管50.8mm(2′)，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，采用全位置自动TIG焊。

按照本发明的方法，开U型坡口，坡口加工斜面角度25°±2°，钝边长 度3mm，钝边厚度1.6mm，过渡圆弧的半径1mm，组对间隙0.5mm，焊丝 型号规格：ER70S-6，φ1.0mm，焊接规范参数见表2。

表2QT900连续管工艺参数

本实施例焊后的QT900级连续管焊缝进行外观检验，表面成型良好，无 焊接缺陷；依据GB/T5097-2005检验标准对焊接接头进行渗透探伤无损检验， 结果符合标准；X射线探伤检验：底片评定等级为Ⅰ级，焊缝内在质量合格。