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通过使用焊接技术修复的钻杆接头的摩擦学性能
摘要：钻杆是一种无缝钢管，其顶端配有特殊的螺纹端，称为接头。 在钻井作业期间，由于磨损，钻杆的壁厚和工具接头的外径将逐渐减小。 目前的研究工作使用气体金属活性焊接工艺，考虑了两种不同的耐磨带技术，研究用耐磨带修复钻杆工具接头的可能性，该新型金属芯铜药芯焊丝采用Cr-Mo合金化：除去旧的加固材料并用补偿材料（情况A）和加硬工具接头钻杆进行表面重建后，不去除旧的加硬材料（情况B），加固钻杆接头。 本文通过宏观分析，金相分析，维氏硬度测量，化学成分测量和对盘式摩擦副球进行的磨损试验，提出了关于修复后的钻杆接头的摩擦学表征的实验研究，以证明通过不同的技术方法获得的耐磨带的质量，以验证最佳技术。
关键词：接头，修复，焊接，磨损率。
1. 介绍
钻杆约占钻柱总长度的90％至95％，是整个钻柱的主要组成部分，这使得钻柱的耐久性对经济钻井工作效率至关重要[1]。
钻杆是一种无缝钢管，其顶端装有特殊的螺纹端，称为接头。 钻杆有两个接头，一 个 称 为 公接头 ， 另 一 个 称 为 母接头 ， 这 些 接 头 允 许 将 每 个 钻 杆 段 连 接 到 下 一 个 段[2,3,4,5,6,7,8]。 钻杆配置和主要部件（工具接头，管体，镦粗和焊接区域）在图1中指定。
钻杆用于将钻机表面设备与井底钻具组合和钻头连接起来，将旋转运动从地面传递到钻头，并将钻井液传导到钻头上，因此它在钻井成功中起着至关重要的作用。石油和天然气井。在钻井作业期间，钻杆受到扭转，拉伸/压缩，内部压力，外部压力和弯曲。 同时，由于不同的环境，钻杆受到腐蚀过程的影响而导致其被破坏。 导致寿命快速下降的两种退化过程是外表面的磨损（由于工具接头钻杆与套管内表面之间的摩擦 - 见图2）和内部腐蚀（由于钻井液通过钻杆），[6,7,9,10,11,13]。 为了提高耐磨性，可选的是，钻杆采用硬质合金工具接头来制作，如图3所示[12]。
在开采期间，钻杆的壁厚和工具接头的外径会因磨损而逐渐减小。 由于管道横截面积减小或工具接头肩部面积减小，这降低了钻杆的强度性能。 为此，API根据尺寸，表面损伤和腐蚀的磨损程度对钻杆进行分类[2,3,4,6,7]。 根据现有的磨损情况，为了避免钻杆下降到过去（等级）较低的阻力，经常需要对钻杆接头进行修复。在此基础上，目前的研究工作利用气体金属活性焊接工艺研究了用新型金属芯铜芯药芯焊丝Cr-Mo合金化焊条修复钻杆接头的可能性，考虑了两种不同的耐磨带技术，包括：
- 用旧补偿材料去除旧加固材料并用补偿材料进行表面重建后的加硬钻杆管道接头;
- 加硬接头钻杆，而不需要拆除旧的加硬材料。
本文通过宏观分析，金相分析，维氏硬度测量，化学成分测量和磨损试验，对通过不同工艺方法获得的高质量耐磨带进行鉴定，提出了修复钻杆接头摩擦学表征的实验研究，对验证最佳技术。
2. 修复，结果和讨论
2.1. 耐磨带规范
经过修复过程的钻杆接头钻杆采用AISI 4145H钢制造，其化学成分符合API标准，见表1 [6]。
金属活性气体焊接工艺（GMAW）用于钻杆接头加工。 使用的保护气体是82％的Ar和18％的CO 2 。 焊接设备具有抓住和旋转钻杆所必需的装置，以平行于钻管工具接合表面夹紧和摆动焊炬，并沿旋转方向倾斜焊炬。 钻杆接头采用两种不同的技术方法进行修复，如下所示[5]：
a) 带有金属芯铜芯药芯焊丝的耐磨带钻杆接头，Cr-Mo合金化，去除旧的加硬材料并用铜涂
层基本药芯焊丝进行表面重建，如补偿材料;
b) 带有金属芯铜焊药芯焊丝的耐磨带钻杆接头，Cr-Mo合金化，无需去除旧的加硬材料。对于加硬材料（直径为1.6mm的Cr-Mo合金化的金属芯铜芯药芯焊丝）以及用于补偿材料（直径为1.6mm的铜涂覆的基本药芯焊丝）的化学组成和沉积物机械特性）根据制造商规格在表2和表3中列出。
2.2. 结果与讨论
为了验证不同工艺方法获得的沉积质量，修复后的工具接头钻杆是摩擦学特征。 通过宏观分析，金相分析，维氏硬度测量，化学成分测量和磨损测试来验证沉积质量。 实验研究是在两个样品（A和B，如图4所示）上进行的，从加工过的工具接头钻杆上切下，并通过抛光和金属蚀刻用化学反应制备。 样品A和B从工具接头钻杆上用不同的技术方法加固，如下所示[5]：
a) 样品A-用钻石管工具接头切割，用金属芯铜药芯焊丝修复，Cr-Mo合金化，去除旧的加硬
材料并用铜涂层基本药芯焊丝（如补偿材料）进行表面重建;
b) 样品B - 用金属芯铜笔药芯焊丝修复钻杆接头，Cr-Mo合金化，无需去除旧的加硬材料。
根据上述断裂钻杆接头化学成分、力学性能和金相组织检测结果可知，断裂钻杆接头结构完全按照API标准设计，原材料化学成分符合要求。材料热处理工艺设计要求为调质(淬火 回火)处理，该工艺下的理想组织应该为回火索氏体，而实际检测出的金相组织为“回火索氏体 铁素体 上贝氏体”的混合组织，混合组织中的铁素体主要是淬火加热温度不够或是加热时间较短，导致金相组织在加热过程中没有完全奥氏体化，组织中还有残留的铁素体没有转变成奥氏体;组织中的上贝氏体主要是由于淬火介质温度较高，导致淬火速度较慢，有一部分奥氏体组织转变成上贝氏体，没有完全转变成马氏体。上贝氏体和铁素体组织的存在，使得材质的屈服和抗拉强度降低，这也和检测出的力学性能(屈服强度为645 MPa、抗拉强度为825 MPa)相对应。
2.2.1. 宏观分析。 宏观分析包括用硬质钻孔的钻杆工具接头的肉眼（标准目视检查）和放大镜（放大倍数高达10倍）进行调查。对钻杆接头加工后的金相试样进行了研究，结果发现：
- 硬质层中没有可见的裂纹;
- 基体（母体金属）和硬质合金层之间的粘合性良好（没有不连续性，孔隙等）;
- 两个相邻行之间和两个连续层之间的粘附性良好（没有不连续性，孔隙度等）;
- 应用于钻杆接头（样品A）的补偿层从尺寸角度正确地执行，而不会在过渡到基板（母材）时出现裂缝或孔隙。
在研磨性较强的地层中，常规材料钻杆接头的耐磨带磨损严重，使得钻杆的使用寿命显著降低，胀扣、脱扣、断钻杆等井下事故明显增加，钻杆接头的返修率急剧升高，维修费用和钻杆报废量急剧增加。在井身结构较复杂的井中，由于套管层次多、钻柱变形弯曲严重，常规材料钻杆接头耐磨带对套管的磨损比较大，起不到防磨保护的作用。
2.2.2. 光学显微镜的金相分析。如图4所示，通过光学显微镜的分析在从取样位置（1,2,3）切割的金相样品上进行。图5中呈现的金相样品被嵌入聚合物材料（树脂）中并且通过抛光和用化学反应金相腐蚀NITAL 5％，用OLYMPUS BX 60M光学显微镜检查。在图6中显示了样品A的金相分析后得到的硬质合金层，补偿层，热影响区和母体金属的微观结构图像（通过用金属芯铜合金熔剂药芯焊丝，Cr-Mo合金化，去除旧的加硬材料并用铜涂层基础药芯焊丝（如补偿材料）进行表面重建。
在图7中显示了样品B的金相分析后得到的硬质合金层，热影响区和母体金属的微观结构图像（从钻杆工具接头切下的样品，通过用金属芯铜制药芯焊丝重新加工， Cr-Mo合金化而不去除旧的加硬材料）。
硬质合金样品A和B的光学显微镜金相分析（图6和图7）显示如下：
- 母体金属在热影响区外具有非常好的结构;
- 相邻焊缝区（与母金属的过渡区）中的母材具有针状马氏体结构，并且没有可见的裂纹和不连续部分;
- 熔合线的厚度较小，并且近似区域具有较差的贝氏体组织;
- 基材（母材）和硬质合金层之间的粘合性良好（没有不连续处可见）;
- 硬质合金层显示了含有形成碳化物的化学元素的合金的焊接沉积物的典型结构。
2.2.3. 测定母材和硬化层的化学成分。为了确定母材和硬化层的化学成分，使用FONDRYMASTER PRO型实验室光谱仪进行研究。所得结果见表4。
通过母体金属和沉积层的光学发射光谱测定的定量化学组成分析显示如下：
- 母材的化学成分相当于用于制造工具接头钻杆的钢材，观察到碳含量低于表1所列钢4145H推荐的下限;
- 对于样品A和B来说，加硬层的化学成分是相似的，接近加湿材料制造商关于沉积物化学组
成所指定的规格; 注意到C，Cr，Mo的百分比等于或小于制造商报告的下限（见表2）。 这种差异可能是由于以下事实：在目前的研究中，耐磨带是在单层中进行的，并且耐磨带材料的制造商没有在多少层确定化学成分后指定。
2.2.4. 维氏硬度测量。硬度测试使用EMCO - DURASCAN 20型硬度仪在49.05 N（HV5）的负载下进行。对于每个样品（A和B），测量三行硬度，其每一个从硬质合金层开始在垂直方向上与母材金属（行1，行2，行3）保持测量压痕距离为0.2毫米。表5列出了获得的硬度值。
硬度测量显示如下：
- 硬质层的硬度在厚度层上相对恒定;
- 样品A（50HRC）的硬度值比通常推荐的值低，这可能是由于在移除旧的加硬带后用工具接头钻杆的重建，补偿材料具有低碳含量（0.05％C ），这导致了耐磨带层的稀释。
- 样品B（56HRC）的硬度值符合世界范围内用于保护钻杆接头加工焊缝的要求和57-62 HRC耐磨带材料的制造商规范的要求;
- 可以注意到从沉积层的硬度到热影响区和母体金属的硬度逐渐变化。
2.2.5. 磨损测试。 磨损试验在CSM型摩擦计[13,14,15]上的球对盘偶合上进行，盘形样品也由钻杆工具接头母材AISI 4145H（未修复）和带硬质合金层的样品（样品A和样品B）。 样品A从钻杆工具接头上切下来，用金属芯铜制药芯焊丝（Cr-Mo合金化）加以修整，然后去除旧的加硬材料并用铜涂覆的基本药芯焊丝（如补偿材料）进行表面重建。 样品B从钻杆工具接头处切下，通过用不含旧的加硬材料的金属芯铜制药芯焊丝（Cr-Mo合金化）进行加硬加工来修复。
工作条件是：
- 2N的正常负载;
- AISI 4145H圆盘和焊接修复（硬化层 - 样品A和B）;
- 0 6毫米钢球100Cr6;
- 滑动速度为0.200米/秒。
- 摩擦长度200米;
- 在20 0 ℃和RH = 57％的空气温度下的干摩擦。
在图8中显示了摩擦系数值在球盘摩擦计上获得的结果。
表6给出了CSM微量滴定仪上测试材料的磨损率。
从图8和表6中可以看出，所得结果表明，用铜芯涂覆的基本药芯焊丝去除旧的加硬材料和表面重建后，用金属芯铜药芯焊丝（Cr-Mo合金化） ，就像补偿材料沉积层在磨损情况下的行为与母体材料非常相似（稍小一些）并且摩擦系数几乎在整个滑动长度上较小一样，仅在最后20m处摩擦系数变得更大。 对于通过用金属芯铜制药芯焊丝进行耐磨带修复的样品B，Cr-Mo合金化，没有去除旧的耐磨带材料，干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率系数显着较小。
3. 结论
用铜芯涂覆铜基药芯焊丝（补偿材料）去除旧的加硬材料并进行表面重建，然后用加硬的耐磨带，用金属芯铜药芯焊丝（Cr-Mo合金化）修复钻杆接头使用气体金属活性处理（GMAW），在不移除旧的加硬材料的情况下，Cr-Mo合金化的金属芯铜笔药芯焊丝允许获得相对平滑的层，没有裂缝或孔隙。
硬质合金层的硬度在厚度层上相对恒定，从硬质合金层到热影响区和母体金属逐渐通过。使用补偿材料去除旧的加硬材料和表面重建后，钻杆接头的硬度比通常推荐的（57-62HRC）值低（50HRC），当使用的补偿材料具有低碳含量（0.05％C），导致耐磨带层的稀释。 硬质合金钻杆接头（56HRC）的硬度在不拆除旧的加硬材料的情况下符合世界范围内通过焊接保护钻杆接头耐磨带的要求，以及制造商针对57- 62热轧卷。
对于钻杆工具接头的修复过程，硬质合金层的微观结构类似于所有两种不同的技术方法，并且包含均匀分布在精细回火马氏体网络中的精细Cr和Mo碳化物。所有热影响区都具有相同的劣质贝氏体组织，这是由硬质层产生的退火处理引起的。热影响区较窄，并且提供了从母体金属到硬化层的逐渐过渡。 母材在热影响区外具有非常好的山梨糖结构，不受焊接工艺的影响，使用焊接技术。母材的硬度为277 - 328HV5，这符合钻杆接头的标准规定（30-36HRC）[6,7]。
通过宏观分析，金相分析，维氏硬度测量，化学成分测量和磨损测试对经过修复的钻杆接
头的摩擦学特性进行实验研究的结果证明了通过两种不同方法获得的耐磨带技术的质量耐磨带，
如下所示：
- 关于耐磨带技术的两种方法都适用于用金属芯铜焊药芯焊丝修复工具接头钻杆，Cr-Mo合金化，使用气体金属活性处理（GMAW），只有当选择表面重建时选择另一种补偿材料以避免硬化层的稀释;
- 耐磨带钻杆接头不移除旧耐磨带材料增加钻杆接头和套管的耐用性和效率，因为获得的磨
损和摩擦系数显着小于新的钻杆接头和修复的钻杆接头。
参考文献：
1. The drillingformulas.com website, 2017, Available: http://www.drillingformulas.com.
2. Ulman
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