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耐磨带焊丝选型的基本原则

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2019/01/22

石油化工检测

　　耐磨带焊丝，作为石油钻具行业最有价值的材料之一，一直在随着时间的发展而进步。在最早期，耐磨带焊丝的技术方案，主要是在较软的碳钢基体上包含碳化钨耐磨颗粒。这种碳化钨耐磨带焊丝当时广泛地应用于钻杆接头，因为当时的钻井工作很多是浅井、直井而且没有套管保护。随着深井、斜井和套管保护越来越多，碳化钨耐磨带焊丝逐渐被淘汰，这是因为碳化钨耐磨带会很快磨穿套管。
　　随后，基于碳化铬的耐磨带材料取代了碳化钨，成为耐磨带合金的普遍技术方案。这些产品包括含铬的铁基喷焊粉末，以及碳化铬耐磨带焊丝。这些耐磨带材料堆焊后，表面会有明显的裂纹。多起钻井事故表明，这些裂纹可能导致耐磨带合金材料脱落和掉块，发生事故。此外，在碳化铬耐磨带上进行复焊也是非常困难的工作，复焊后容易产生气孔和脱落现象。为了保证良好的复焊效果，碳化铬耐磨带复焊时最好将旧的残留耐磨带完全去除，这极大地增加了施工单位的成本。为了节省成本，不完整地进行去除工作，又为以后的脱落和掉块埋下了隐患。从2016年开始，碳化铬耐磨带材料逐渐被无裂纹的耐磨带合金材料所取代，比如北京固本科技有限公司的KB150/350型耐磨带焊丝。通过控制碳化物的类型和数量，新一代的无裂纹耐磨带焊丝提供优秀的耐磨性能，同时对套管非常友好。
　　极具磨损性的地质条件，硫化氢的腐蚀，斜井，水平导向井等越来越复杂的因素，都对钻杆耐磨带材料的选择提出了更多的挑战和要求。除了必须对套管友好(也就是耐磨带不能对套管造成太强的磨损)，同时必须考虑到钻杆的工作要求：比如钻井速度，井深，斜井甚至水平钻井。所以，在耐磨带材料选择时，我们必须考虑以下3个关键因素：
　　1. 耐磨带合金的选择;
　　2. 堆焊工艺指南或手册;
　　3. 新技术、新工艺;
　　一、耐磨带合金的选择
　　市场上的耐磨带产品主要有喷焊铁基粉末、等离子喷焊镍基粉末、耐磨带焊丝，品牌和价位也各自不同。在刚开始选择耐磨带合金和产品时，除了既要保证产品达到设计上的要求，还同时需要尽可能地降低采购成本，以及后期复焊的综合成本。耐磨带的选型和采购工作，对于没有经验或者没有及时跟踪市场动态的用户来说，显得非常困难。
　　但是，秉持以下原则进行耐磨带的选择，将使工作变得容易：
　　*选择无裂纹的耐磨带合金及产品;
　　*生产厂商提供了产品的堆焊流程、工艺、检验等工作的详细说明。这些说明应该是专业的，清晰的，保持更新的。确保厂商提供的文档，覆盖了耐磨带堆焊和复焊的各个环节细节，其中的关键数据最好经过厂商实测或者由第三方检测得出;
　　*耐磨带合金和产品的复焊兼容性有非常明确的说明;
　　无裂纹是耐磨带合金和产品选择最为重要的一个因素。在过去，由于合金设计的原因，很多耐磨带产品堆焊后会出现裂纹。即使只是微小的裂纹，长期的观察表明，这些裂纹是耐磨带失效的深层原因，同时也是耐磨带复焊失败的主要原因。堆焊裂纹的产生，可能来自于合金设计，也可能来自于不当地焊接工艺和操作。焊接过程中裂纹的产生，同时还容易引发焊接气孔、飞溅、影响焊缝的最终成型等。虽然很多市场上的产品宣称自己无裂纹，但前提是在高标准的焊接工艺保障之下，这类产品在客户现场特别是钻井生产现场焊接环境中，仍然会出现裂纹。同时，应当注意耐磨带产品是仅对新钻杆首次堆焊保证无裂纹，还是多次复焊仍然保证无裂纹。根根据我们的经验，美国安科150XT/350XT和北京固本KB150/350型耐磨带焊丝，在无裂纹方面拥有出色的表现。
　　二、堆焊工艺指南或手册
　　一份完整、清晰、保持更新的耐磨带堆焊指导指南或手册，对于最终获得高质量的耐磨带有着关键性的作用。指南或手册应该包括新杆首次堆焊和后续复焊的各个环节。在复焊时，不可避免地会遇到更多技术性的挑战和问题，指南或手册应该明确指出这些挑战或问题产生于哪一方。此外，指南或手册应该明确建议不合格的耐磨带标准，以便检验方及最终用户方作为检验依据。
　　以北京固本的中文版耐磨带堆焊手册为例，除了上述常规工艺外，还覆盖了以下工况：
　　*极度磨损工况下的复焊操作指南
　　*在残留碳化钨耐磨带钻杆上的复焊操作指南
　　*使用北京固本KB100/150/350型耐磨带焊丝，焊接两层耐磨带操作指南
　　*富硫化氢工况下的复焊操作指南
　　*无保护气体(不加气)的堆焊操作指南
　　*无磁钻具的堆焊操作指南
　　通常，新钻杆在出厂时已经堆焊了耐磨带。但是，此时耐磨带的选用，一般很少关注后续的复焊操作。事实上，第一次堆焊的耐磨带合金和产品，将影响后续的复焊操作，以及复焊耐磨带合金和产品的选用。
　　三、新技术、新工艺
　　新技术、新工艺指的是耐磨带产品的厂商，通过自身的研发能力，对于石油钻探行业需求的及时响应，以及对应的技术、工艺、产品。耐磨带产品厂商除了不断追求更好的焊接外观、更强的耐磨性能、更稳定的产品品质外，在一些新兴需求面前，厂商们也在不断努力。目前，值得关注的新技术、新工艺有以下几种。
　　*无磁耐磨带
　　在无磁钻具上，常见的做法是堆焊不锈钢合金材料。虽然堆焊不锈钢合金材料，能提供保护性能，但远远达不到最终用户的预期。因为具有实力的耐磨带产品厂商都在研发或已经推出了无磁耐磨带合金和产品，通常，这类产品能提供不锈钢合金材料4-5倍的耐磨效果。
　　*无须预热的堆焊工艺
　　通常，耐磨带的焊接需要对钻杆接头进行预热。针对一些不具备或者不考虑预热工艺的用户需求，耐磨带厂商通过产品合金设计调整，可以实现不预热直接堆焊，并且耐磨带的硬度仍保持在设计区间，且完全没有裂纹。
　　*无须保护气体的堆焊工艺
　　在一些海外现场复焊客户的需求反馈下，北京固本率先在市场上完成了无须保护气体的堆焊工艺研究。经测试和实践表明，在完全不需要任何保护气体的情况下堆焊北京固本耐磨带焊丝产品，产品硬度达到要求，且没有裂纹。这一工艺的实现，解决了中东、非洲等地区现场堆焊的特殊需求。
　　*低温焊接工艺
　　随着钻杆的管内涂层工艺逐渐得到国内钻杆生产企业的关注，随之而来的问题是复焊时，由于焊接温度过高，导致钻杆内壁涂层失效。北京固本进行的专项工艺研究，通过合金调整和工艺设计，确保堆焊过程中钻杆的受热温度控制在特定范围内，耐磨带的复焊工作不会影响内涂层的性能。
　　四、结语
　　耐磨带产品的选择并不是简单地根据产品硬度来决定，需要考虑产品的合金设计、厂商堆焊工艺手册的完整性、用户自身的堆焊工况及最终用户的使用工况。通常来说，历史悠久的知名品牌，更加能够提供优秀的产品和良好的服务。选用国产品牌，比进口产品具有更好的性价比。综合各种因素，我们推荐以下品牌和型号的耐磨带产品：
　　*美国安科，150XT/350XT
　　*北京固本，KB150/KB350

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