P110（30Mn5V）油井套管焊接工艺试验

P110（30Mn5V）油井套管焊接工艺试验

郭健王宏

新疆吐哈油田建设有限责任公司郭健王宏

第一章项目概述

吐哈油田的油井套管有很大一部分使用的是P110（30Mn5V）材质，这种材质采用美国API（美国石油工程协会）标准，强度级别较高，难以实现焊接，而油田根据工作需要，在更换井口时必须要对这种材质进行切割、焊接作业，这在油田焊接领域提出了新的焊接工艺要求，吐哈油田目前还没有该类钢的焊接工艺技术，在国内咨询其它油田也没有相应的焊接工艺。因此对P110（30Mn5V）高强钢焊接工艺的研究是很有必要的，以便今后能安全、平稳、有效的完成维抢修井口工作任务。

第二章主要研究内容

该项目主要研究焊接材料选用、焊接方法选用、焊后热处理工艺、焊接电压、电流、焊接线能量等参数的试验与确定，并进行拉伸、弯曲等一系列的力学试验。通过试验获得P110（30Mn5V）高强钢的焊接工艺，实现P110（30Mn5V）高强钢在现场的焊接。

第三章关键技术（难点）及研究试验

第一节关键技术和试验思路

1.关键技术

1.1P110（30Mn5V）高强钢焊接应如何选择焊接材料。

1.2如何确立P110（30Mn5V）高强钢在调制处理（淬火+高温回火）状态下的焊接工艺。

1.3如何保证此类材料焊后的机械性能（抗拉强度、塑性）。

2.试验思路

2.1首先进行材料的复验，以确定材料的可靠性。

按照对新型材料的工艺要求，我们进行了材质复验，复验结果能够满足要求。

2.2依据强度、合金成分、热处理状态分别选择相应的焊接材料并分别进行实验。

首先，分析材料的特性，将材料进行归类，在按照相应类别的材料进行焊接性分析；其次，对于强度、合金成分进行分析，确定焊接材料及热处理工艺的选择；然后，进行焊接试验并选择一组焊接试件进行焊后热处理。

2.3与焊材生产厂家进行联系，确保所选择的焊材能及时生产。

2.4鉴于施工现场实际情况，尽量在不进行焊后热处理（或后热处理）的条件下如何保证其可操作性。

选焊接材料时在保证强度的条件下重点考虑其塑性，制定焊接工艺上也尽量采用不进行焊后热处理（或后热处理）的条件，使其更具有实用性、推广性。

第二节性能解析

1．焊接性能分析

任何金属材料的焊接都需要通过结合的难易程度来判定其焊接性，这是非常必要的过程。

1.1通过化学成分分析焊接性

依据供货厂家提供的质量证明书，P110（30Mn5V）这种材料的合金成分含量如下：

由上表得知，其含碳量为0.3%，焊接性一般（含碳量小于0.25，焊接性良好；含碳量0.25-0.4，焊接性一般；0.4-0.6，焊接性较差。）

2.通过材料的特点分析焊接性

依据供货厂家提供的质量证明书，P110（30Mn5V）的交货状态淬火+回火（调质状态），含碳量为0.3%，由此得出，这种材料属中碳调制钢。中碳调制钢焊接具有以下特点：

热裂纹材料的合金元素含量较高，熔池结晶区间较大，偏析严重，使其具有较大的热裂纹倾向；

冷裂纹中碳调制钢淬硬倾向明显，热影响区产生的马氏体组织增大了焊接接头的冷裂纹倾向；

热影响区的性能变化

热影响区分布简图：

由于中碳调制钢的含碳量高、合金元素多、钢的淬硬倾向大，过热粗晶区晶粒粗大，塑性和韧性将显著降低，脆化现象明显升高，为减少过热粗晶区脆化，从减少淬硬倾向出发，照理应采用大焊接线能量有利，但由于这种钢的淬硬倾向很大，仅仅通过加大线能量往往还难以避免马氏体的形成，增大了奥氏体的过热组织，促使形成粗大的马氏体，使过热区脆化更为严重。因此，采用小的焊接线能量，同时采取预热、焊后缓冷和后热处理等措施。正火区和回火区对焊接影响不大，这里不另做分析。

第三节第一次试验

1．第一次试验焊接材料的选择

1.1合金成分

选用与P110（30Mn5V）的合金成分相匹配的焊接材料，以保证等成分原则。

1.2强度级别

依据P110（30Mn5V）的抗拉强度应选用600MPa-850MPa区间的低氢型焊接材料。

1.3经济性

选定的焊接材料最好是国内的、容易采购的材料。

1.4第一次试验的焊接材料

综合以上三点，确定焊接材料为J607、J707、J857。

各种成分如下：

2．第一次焊接工艺性能试验

根据以上的分析及选材，我们制定出相应的焊接工艺指导书，并进行第一次焊接工艺试验：

焊接工艺参数：

第一次试验结果如下：

3．第一次试验经验总结

以上六件试件分别采用了不同强度级别的合金结构钢焊材、3件进行焊后热处理，3件不进行焊后热处理的方法进行试验，得出：

3.1经过热处理的试件

目前我们所具有的热处理设备还不具备调制处理的条件，因此采用的热处理方式多为去应力退火处理，其中3件结果是：60级和70级的焊材满足其塑性，但强度大幅降低，再加上现场施工环境无法满足焊后热处理的复杂工艺；85级的焊材塑性不能满足要求，同时强度也大幅降低。

3.2未经过热处理的试件

未经过热处理的试件中，70级和85级的焊材强度级别都在80MPa以上，但塑性较差；60级的焊材塑性虽然好些，但强度又不够。

3.3总结不足结合实际提出问题

通过第一次的实验，再结合实际施工现场，我们提出：如何能在85级（安全性相对较高）的焊材强度基础上增加它的塑性？

第四节第二次试验

“如何能在85级（安全性相对较高）的焊材强度基础上增加它的塑性”？这个问题比较棘手，钢材要同时提高强度、塑性需要增碳和经过调制处理才能够实现。调制处理一般应用于能够进行整件调制的管件以及机械设备的零部件，而我们现有的热处理条件以及施工现场的环境条件都不具备调制处理的工艺。带着这些疑问我们与国内大的焊材生产厂家进行沟通，最后天津大桥焊材公司给我们提供了一个信息：他们通过实验，在焊材中添加一定量的镍，在满足强度的同时会大大提高其焊接塑性，并表示愿意提供焊材给我们做试验。

1.焊接材料的选择

这次选材我们在遵循等强原则和经济性的基础上，在合金成分上选用含镍量较高的低合金高强钢焊条，以保证焊缝具有足够的塑性和韧性；抗拉强度选用800MPa-850MPa区间的低氢型焊接材料。

各种成分：

2．各种焊接工艺参数：

3.第二次试验结果：

经试验证明，拟定的焊接工艺切实可行。

第四章技术创新点

形成了P110（30Mn5V）高强钢焊接工艺

P110（30Mn5V）高强钢在国内咨询其他各油田都没有相应的焊接工艺，我们完成P110（30Mn5V）高强钢焊接工艺评定，在国内同行业中属于首次，填补了这项焊接技术的空白。

第五章应用及效益分析

第一节推广应用前景

吐哈油田井口套管采用P110（30Mn5V）材质的有很多，相应地井口更换焊接工作任务也很多，我们将充分发挥焊接技术的优势，安全、平稳、有效的完成工作任务，实现降本增效和安全生产。

第二节经济效益

视油田所需要井口更换数量而定。以单口井口为例，如果一口井口更换需100万，焊接施工费用取10%，即10万；那么，像这样的井口材质焊接焊接施工费用就应该取20%—30%，即20万—30万。因为这种材质强度高、焊接工艺试验复杂，施工方承担的风险也随之加大。