采气树制作中异种钢的焊接分析.doc

采气树制作中异种钢的焊接分析
华东石油局井下作业公司 陈海华
摘要：某改进型采气树的制作中，涉及到45钢、36Mn2V钢与Q235的异种钢焊接。围绕这三种母材的异种钢焊接，本文从母材成分、组织；异种钢焊接难点；焊接方法、焊材及焊接参数的选择；预热及焊后热处理等方面进行了分析，制定出相应的焊接工艺。
关键词：45钢 36Mn2V Q235 异种钢焊接
0前言
煤层气是一种非常规的天然气，作为清洁的替代能源，开发利用方兴未艾。煤层气的地面采气设备主要是螺杆泵配250型采油树井口装置或抽油机配150型采油树井口装置，施工中因两套装置的连接法兰不能兼容和互换，既不利于优化采气工艺，又为施工带来不便。现场亟需一种能同时满足螺杆泵和抽油机连接要求的专用采气井口。图1便是一种改进的实用新型煤层气井口采气树，它具有结构简单、重量轻、制作工艺简单、成本低等优点，满足了生产的需要。

图1 新型采气树
该装置主要由套管短节1、接管2、下法兰3、上法兰4、油管接箍5等组件通过焊接加工而成，见图2。其中，上、下法兰材质为Q235钢，油管接箍是45钢，套管短节是低合金钢36Mn2V，显然上法兰与油管接箍的连接焊缝6（Q235+45钢）、下法兰与套管短节的连接焊缝7（Q235+36Mn2V）均为异种钢焊缝，为了获得性能良好的焊缝，必须制定合理的焊
接工艺
2
1
3
4
5
6
7
1 套管短节 2 接管 3 下法兰 4 上法兰 5 油管接箍 6上法兰焊缝 7 下法兰焊缝
图 2
原则对焊接质量进行控制。
1母材成分及性能对焊接性的影响。
1.1成分的影响
该装置所涉及的三种母材组织差异不大，36Mn2V和45钢均为珠光体+铁素体组织，Q235为铁素体+珠光体组织，但化学成分及其质量分数差异较大，母材中各种元素对焊接性的影响也各不相同。碳、硫、磷、氢、氧及合金元素锰、硅、铬等都在不同程度上有增加焊接接头淬硬倾向和裂纹敏感性的可能，并且随着含碳量和合金元素含量的增加而恶化。表1为45钢、36Mn2V和Q235的化学成分对比。
1.2主要力学性能及碳当量的影响
母材的强度和碳当量对焊接性有很大影响，碳当量越大，材料的焊接性越差。由表1和表2可以看出：
（1）Q235钢属低碳钢，焊接性优良，通常情况下不会因焊接而引起严重的硬化组织或淬火组织，塑性和冲击韧度良好。
（2）45钢属高强度中碳钢，焊接性较低，具有一定的塑性和韧性。
（3）36Mn2V属中碳低合金钢，焊接性差，具有较高的强度和耐磨性。
表1 母材成分对比
母材
种类
化学成分（质量分数）（%）
C
Si
Mn
S≤
P≤
Cr≤
Ni≤
Cu≤
V
Al≤
45钢
0.42-
0.50
0.17
0.37
0.50-
0.80
0.035
0.035
0.25
0.25
0.25
／
／
Q235
0.14-
0.22
≤0.30
0.35-
0.65
0.05
0.045
0.03
0.03
0.03
／
／
36 Mn2V
0.34-
0.38
0.20-
0.35
1.45-
1.70
0.02
0.01
0.15
／
／
0.11-
0.16
0.02
表2 强度、塑性及碳当量对比
母材种类
抗拉强度σb（MPa）
屈服强度σs（MPa）
伸长率
碳当量
45钢
≥600
≥355
≥16%
0.71
Q235
375～460
235
26%
0.34
36 Mn2V
≥689
≥552
16%
0.73
2焊接中的主要问题
2.1焊接的难点
虽然三种母材同为珠光体组织，但由于成分、强度、焊接性的差异，它们之间焊接与同种钢的焊接相比，存在不同的问题。
（1）焊接过程中由于受热不均匀引起金相组织的变化而使焊接接头的性能变差；
（2）熔合区及热影响区的机械性能，特别是塑性的降低；
（3）由于基体金属热膨胀系数不同而引起热应力；
（4）因塑性变差和应力增加往往容易引起裂纹；
（5）接头中过渡区的存在，也会增加裂纹的机率。
2.2焊接接头的不均匀性
异种钢焊接时，由于填充金属及两种母材之间的化学成分存在差别，焊后焊缝金属的成分是不均匀的。在多道焊的根部焊缝和靠近高含碳量母材一侧的焊缝中，因为熔合比高，使焊缝中的含碳量增高。这种成分的不均匀性在经历了焊接热循环作用之后，焊接接头各区域的金相组织也将不同，再加上焊接方法、焊接工艺参数、是否热处理等因素的影响，局部往往还会出现更复杂的组织结构。
化学成分和金相组织的不均匀又会造成焊接接头力学性能的不均匀性，使近缝区的塑性、韧性变差，甚至引起含碳量高的母材一侧焊缝熔合线上产生冷裂纹。
3焊接方法的选择
大部分熔焊和压焊方法都可以用于异种钢的焊接，但焊条电弧焊具有操作方便，焊条种类多且视不同的异种钢组合可灵活选用等优点，除长焊缝、大批量流水作业以及不适合熔焊方法的作业外，都可选用焊条电弧焊。该井口装置的两处法兰焊缝相当于两道环形平角焊，选择焊条电弧焊是较合适的。
4焊接材料的选择
异种钢焊接成功与否，焊接材料起关键作用。必须按照母材的化学成分、性能、接头形式和使用要求等综合考虑，总体上有四个基本原则：
（1）所选所选材料必须保证异种钢焊接接头能够满足设计所需的性能；
（2）所选所选材料必须在有关稀释率、熔化温度和焊接件其他物理性能要求等方面保证焊接性需要；
（3）在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下，当不能兼顾焊缝金属的强度和塑性时，应优先选用塑性好的填充金属；
（4）焊接材料应经济、易得，并具有良好的焊接工艺性能，焊缝成形美观。
对于同类型的异种钢焊接，焊材的选用有两个方案：一是采用珠光体类焊条加预热；二是采用奥氏体焊条不预热。因奥氏体焊缝存在屈服强度不高的问题，从生产实际出发，决定选用低匹配的低氢型焊条J427。它具有一定的脱硫能力，熔敷金属塑性和韧性良好，扩散氢含量又少，所以既可保证接头的抗拉强度不低于Q235母材，又能保证焊缝金属的抗裂性能和塑性。焊前经350～400℃烘干1h，放入保温桶中备用。
5焊接工艺参数
焊接工艺参数对熔合比有直接影响，热输入量越大，母材熔入焊缝越多，这对异种钢接头是不利的。焊接热输入又取决于焊接电流、焊接速度等焊接工艺参数。因煤层气井具有井口压力低（＜1Mpa）、井下管注少（一般500m左右）的特点，所以对采气树的制作工艺要求相应降低，上、下法兰均采用角焊缝，其他参数的选择主要考虑对熔合比有利，具体参数见表2。
表2 主要焊接参数
焊条牌号
焊条直经(mm)
焊接电流(A)
焊接速度（mm／min）
焊接层次
电流种类
J427
φ3.2
110～120
80～100
两层三道
直流反接
6预热及焊后热处理
珠光体钢的碳当量不仅是评价其淬硬和脆化倾向的重要指标，也是该类异种钢接头是否需要预热、预热温度多高的依据。通过对三种珠光体钢的碳当量计算（见表2），45钢和36 Mn2V的碳当量均大于0.6%，可见，它们的淬硬倾向大，焊接时有较明显的裂纹倾向，焊前需预热到200—250℃。这样可以控制焊接冷却速度，减少或避免热影响区中淬硬马氏体的产生，降低热影响区的硬度，同时还可以降低焊接应力，并有助于氢从焊缝接头中逸出，从而降低焊接接头的裂纹倾向。
Q235碳当量小于0.4%，淬硬倾向小，焊接时，一般不需要预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织。但该装置中法兰的厚度达60mm,焊接时散热较快，焊后会产生较大的拘束应力，增加接头裂纹倾向，所以Q235母材也需进行预热，降低散热速度。按照珠光体异种钢焊接时按淬硬倾向较大的钢种进行预热的原则，Q235母材按与之连接的45钢或36 Mn2V的规范进行处理。
焊后热处理温度的选择也按碳当量较高的钢种进行，对珠光体异种钢接头焊后立即进行600—650℃回火处理，可以改善焊缝金属和近缝区的组织和性能，消除部分焊接残余应力，并促使焊缝中的氢逸出，防止45钢和36 Mn2V一侧的近缝区产生冷裂纹。
7 结论
通过以上措施的实施，所得异种钢焊接接头经MT检验未出现裂纹，各项性能指标满足设计和使用要求，使这种改进的煤层气井口采气树顺利的应用于生产，扭转了煤层气排采现场一种井口装置不能同时满足两种采气工艺要求的现状。

参考文献
焊工手册 机械工业出版社 2001
焊工技师手册 机械工业出版社 1998
焊接手册 机械工业出版社 2001

5