钻机井架焊接变形的控制技术

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摘要：钻机井架焊接量大，产生焊接变形不仅影响产品的使用寿命，还影响产品的外观质量，因此，控制臂架的焊接变形是臂架生产的关键。文章介绍了钻机井架的类型，分析了钻机井架焊接方法，并从焊接工艺方面提出了控制焊接变形的焊接措施。

关键词：石油钻机井架；焊接变形控制技术；焊接措施

中图分类号：TE665文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）06-0030-02

井架是石油钻机的重要组成部分，主要起悬挂钻井过程中所需要的各种钻具、承受钻井过程中的各种载荷、配合钻机钻到目的层的作用。

一、钻机井架的类型

石油钻机的井架按结构形式可分为塔型井架、A型井架、K型（前开口）井架和桅型井架；目前，国内外4000～7000 m陆地钻机主要采用 K型井架和自升式底座。

（一）塔型井架

塔形井架总体结构像一座宝塔，其横截面为正方形，立面形状呈梯形，整个井架除前大门外主体部分是一个封闭的桁架结构。井架主体为塔形钢结构结采用螺栓连接的整体稳定性好，拆装方便、运输灵活，适用于各种路况运输，具有先进的生产工艺和专用生产设备及工装，质量稳定可靠。在国内外钻井作业中得到了广泛使用，特别是在海洋钻井船上普遍使用。国内20世纪50年代开始制造，直到现在绝大部分3200m钻机还使用这种井架。由于存在安装中高空作业多、危险性大等致命缺陷，这种井架亟待改进。预计，取而代之的将是低位水平安装整体起升的自升式井架。

（二）A型井架

A型井架主体为矩形截面是焊接桁架结构，分为管子桁架和角钢桁架两种，采用销子连接，安装拆卸方便。井架空间宽大，视野广阔。A型井架采用低位安装，利用人字架或起升扒杆，靠钻机本身绞车动力或外部动力整体起放。适用于中小型钻机采用，安装运输比较方便。

A型国内自20世纪60年代开始制造A型井架，如 AD－45型井架等。较大规模的应用是从1979年试制 JJ315/43－A井架开始的，该型井架与 ZJ45钻机相配套已有95套。此外，还有5种型式的A型井架均为宝鸡石油机械厂80年代末研制的，均为低位装管式井架，性能比较稳定。早期研制的JJ315/43－A井架大部分使用时间已超过十年，由于其维修及杆件的更换远不如塔型井架容易，故我国各油田应对在用的这种井架全面进行检测评估，以检测评估结论作为这种井架降级使用或报废的依据。

（三）K型井架

K型井架主体结构为前开口形轻便井架，整体分为四段，由锥销连接，具有拆装方便整体稳定性强的特点。主体内部开档较大，为游吊系统升降提供了教大的空间。K型井架采用低位安装，利用人字架，靠钻机本身较车动力整体起放，是目前钻机主要采用的井架形式。自1981年仿制了与BY－40钻机配套的第一套 K型井架后，几十年来我国K型井架发展很快，先后研制并配套 1500m、2000m、3200m、4500m及 6000m五个级别钻机的K型井架共l8种。

（四）桅型井架

桅形井架的特征是一节或几节杆件结构或管柱结构组成的单柱式井架。有整体式和伸缩式 2种。伸缩式桅形井架与前3种井架相比，其模块化水平高、移运性和拆装性能好。但桅形井架需用绷绳保持结构的稳定性，由于其承载能力小，只用于车装钻机及修井机。3 000 m拖挂国内于20世纪60年代初开始生产，只生产桅形修井井架，如18m和29m修井井架等。在20世纪80年代中期开始研制桅形钻井井架，分别与65B车装钻机和我国第一台斜井钻机配套使用。

二、钻机井架焊接方法

钻机井架是重要承载部件，对井架的焊后变形量要求非常严格，焊后变形必须控制在20 mm范围之内。 但由于井架横梁较长，很容易在焊后产生弯曲和扭曲变形，且井架组焊完毕后整体刚性较大，变形一旦产生就很难进行矫正，所以在生产中应采取有效的工艺方法来控制和减少井架的焊后变形。

焊接过程中，焊件受热越多，金属受热的体积越大，焊件扭曲和弯曲变形的程度就越严重。焊条电弧焊时，由于焊接速度慢，受热面积大，受热不均匀，焊接变形较大；而CO2气体保护焊电流密度高，电弧热量集中，焊件加热面积小，且CO2气流具有较强的冷却作用，使得焊接热影响区较窄且焊件变形小，生产效率高，所以在实际生产中应采用CO2气体保护焊进行焊接。

三、焊接工艺的确定

（一）选择合理的装配顺序

装焊顺序对焊接结构变形的影响很大。井架组装时，要严格按照工艺要求和图纸施工，先进行立柱与横撑及箱形梁的组装定位，再进行立柱与斜撑组装定位。组装顺序如图1所示，横撑1箱形梁2横撑3横撑4箱形梁5横撑6。定位焊缝应对称点固且要有一定的强度，长度一般为 5～10 mm。为保证装配尺寸精度，组装时还要考虑到组装误差，因此组装时应在平台上进行，并用工装夹具进行刚性固定。

图1 焊接工艺顺序图

（二）选择合理的焊接顺序

1．横撑、立柱的焊接。此焊缝为对称焊缝，由于各条焊缝的焊接有先有后，且工件的刚性也有所不同，一般先焊的焊缝容易使工件产生变形，后焊的焊缝则影响小些，所以往往焊缝对称的焊件，焊后也还会产生变形。为将焊后变形降到最低限度，焊接时采取由中间向两边对称跳焊的施焊顺序，并要采用分组相向焊的方法，由两名焊工同时进行施焊。焊接时两人应采用相同规格、型号的设备和相同的焊接参数进行焊接，力求使两条焊缝上的热量分布和产生的变形一致，这样使各焊缝上产生的变形相互抵消。焊接顺序为先焊接中间位置的焊缝，当一名焊工对一处进行焊接时，与此同时，另一名焊工对其斜对角处进行焊接，依次类推。由于多层焊比单层焊的变形小，而且立柱与箱形梁焊接时焊脚尺寸较大，因此在焊接时要采用多层焊的方法：焊完第一层后，待焊缝冷却至室温，再进行下一层焊接，从而达到降低焊接变形的目的。焊接工艺参数见表1：

表1 钻机井架焊接参数

2．斜撑的焊接。由于焊缝不对称，焊接时应先焊焊缝少的一侧，再焊焊缝多的一侧，从而达到减小焊接变形的目的。

3．横梁的焊接。横梁上的筋板焊接时尽量采用平焊缝，因为平焊比立焊焊接速度快，变形量小。应该指出，第一层焊道（尤其是大间隙坡口）最易产生弧坑裂纹，这主要是第一层焊道纵向截面小引起较大的横向收缩应力的缘故。如果发现弧坑裂纹缺陷，可以用风动或电动砂轮磨削消除。至于清除第一层焊道弧坑裂纹最保险的工艺措施，则可以在背面清根时，用碳弧气刨将正面第一层焊道全部清除掉，井经渗透探伤确认无裂纹等缺陷后，再焊上背面封底焊缝。

四、结论

目前，钻机井架正向高钻台、低位安装、整体起升、重量轻、移运性好和车装化方向发展，同时提高可靠性，降低成本，确保快速钻井也是井架的设计原则。在井架焊接过程中，采用对称焊及选择合理的焊接方法和工艺参数，可以使井架的焊接变形量有效地控制在技术要求范围之内，基本上解决了井架焊接后的变形问题，从而提高产品质量。

参考文献

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[4]潘浩，李佳玲，池胜高，危峰. 新型钻机井架及底座设计模型[J]．石油机械，1996，（2）．

作者简介：周萍（1969－），女，江苏如皋人，江苏中油天工机械有限公司研究所工程师，主要从事石油机械的设计和制作工艺的开发工作。