乔福家

（川庆钻探国际工程公司，四川 成都 610051）

虽然新能源行业在近年取得了很大的发展，但还存在着很多局限性，对于当今的世界来说，石油能源仍然是最重要的能源之一。随着社会对石油能源的需求越来越大，如果仅仅依靠进口石油是不可行的，因此，需要对石油开采技术进行不断的研发和创新，我国的石油开采技术也在不断进步。由于石油的储量和分布的特殊性，大多数石油开采需要用到钻机，而配套的井架是石油钻机的主要承载部件，井架必须具备足够的稳定性和承载强度，才能够保证石油开采的高效运行，而由于井架的长度较长、焊接点多，在使用时容易出现变形的情况，为了避免这一现象发生，笔者将从焊接工艺方面探析钻机井架焊接变形的控制技术。

1 石油开采中常用的钻机井架类型

在日常的石油开采生产过程中，根据不同的石油分布特点、不同的地形以及不同的钻井需求，需要用到不同类型的钻机井架类型，而不同类型的井架对于焊接技术的要求也有很多的不同。其中，在石油开采现场最常见的井架类型是K型井架，比较常见的还有A型井架、塔型井架和桅型井架，每种类型的井架都有各自的特点，适用于不同的生产工况。

（1）应用最广泛的K型井架。这种井架是一种前开口型的轻便井架当作它的主体结构。井架由四个阶段构成，各阶段之间的连接是由锥销完成的，这种结构的特点是有利于拆卸和安装，并且能够提高井架整体的稳定性。这种井架的内部开档空间很大，这也是它最大的一个特点，这个特点使它能够充分满足游吊系统升降的空间需求。这种井架和A型井架在工作原理上有相同的地方，都是利用人字架，在低位安装的前提下，再利用机器自身的动力实现整体的起放。追溯K型井架在我国的应用历程，1981年，我国开始研制使用这种类型的井架，在近40年的发展过程中，这种类型井架取得了长足的发展和进步，先后研发并生产出能够和五个级别的钻机匹配的18种井架。

（2）A型井架。这种井架的主体结构有角钢桁架和管子桁架两种，是一种焊接桁架结构。这种井架的横截面是一个矩形，角钢桁架和管子桁架之间是使用销子作为连接方式，因此能够快速简便地进行安装和拆卸。A型井架比较突出的一个特色就是具备较大的空间，因此具有开阔的视野。这种井架的的工作原理并不复杂，就是在低位安装的前提下，利用钻机自身的绞动力或者在外力的推动下，从而实现整体的起放，这种类型井架在中小型的石油钻机中应用较多。我国使用A型井架比使用K型井架要早一些，20世纪60年代，我国研制了AD-45型等井架，但没有大规模的使用。1979年开始，我国制造了JJ315/43-A型号井架，这是我们自主研发的A型井架，这种井架才开始在我国大规模应用，跨越几十年的发展历程，现在已经有近百套这种类型井架与ZJ45钻机配套。

（3）塔形井架。这种类型井架因结构形似宝塔而得名，它的横截面与A型井架不同，是一个正方形，从立体结构来看，则是一个梯形。这种类型井架是由一个封闭的桁架结构构成主体。这种井架一般由钢结构形成主体部分，结构是塔型，使用螺栓进行连接，因此，这种类型井架的稳定性非常好，还具备容易拆装的特点，具有较大的灵活性，在各种路况进行运输都是可行的。这种类型井架具备相对先进的生产工艺和生产设备，因此井架的质量比较稳定，具有安全性和可靠性，在我国，20世纪50年代开始就开始研制这种井架，应用也比较多，特别是在海洋钻井中，应用比较广泛。但是，由于这种井架常常用于高空作业，因此风险较大，这也是它的局限性，还需要进一步的完善，将来将逐步被低位水平安装的整体起降井架替代。

（4）桅型井架。这种类型井架一般有整体式和伸缩式两种形式井架。伸缩式的井架具有拆装便捷、模块化水平较高的特点，便于进行移动运输，但是，这也决定了这种井架具有整体稳定性差的缺点，要使用绷绳辅助固定。桅型井架是单柱式的主体结构，其主体包含一节或者多节的管状结构或者杆件结构，这种结构就决定了这种井架承载力较低，因此，一般只用于修井机和车装机。

2 钻机井架焊接方法的选择

不管是什么类型的钻机井架，在石油开采的过程中都发挥着重要的承载作用，因此，要求具备较高的焊接质量，焊接后变形的范围要小于20mm，这是比较难实现的，因为井架的长度一般是45m左右，横梁较长，这就导致在焊接过程中非常可能发生弯曲和变形。并且，在井架的焊接作业完成后，整体刚性非常大，要想纠正和调整已经发生的变形就非常困难了。正是由于后期处理几乎不具有可行性，因此，减少变形的发生就应在钻进井架的焊接过程中进行控制，这就需要通过选择合适的焊接方式来实现。

一般来说，如果在焊接过程中焊接部位的受热面积较大，那么就越容易发生焊接变形，并且变形的程度也更深。比如，利用电弧焊接时，焊接的速度很慢，导致受热面积变大，而且是不均匀的，这样就会发生较大的变形，这种变形是很难控制的。这时，如果使用二氧化碳气体，这样就会对焊接的电流产生一种高密度的保护，从而使电弧的热量得到集中，使受热面积减小。并且，由于二氧化碳气流的降温作用，还会进一步降低焊接热力的作用范围，更有助于降低变形的发生。使用二氧化碳气体保护焊可以提高生产效率，因此，在井架生产的过程中，是被普遍采用的一种焊接方法。

3 如何在焊接过程中控制变形

在选择合适的焊接方法后，在焊接的过程中，还要采取多种措施来防止变形的发生。

首先，要合理安排配件的装配顺序。配件的装配顺序会影响焊接过程中的变形程度。为了使焊接过程中的变形程度尽可能降低，要依据施工的图纸及设计的要求进行各个配件的组装，第一步要按顺序先安装和组合好立柱、横撑以及箱型梁，并进行固定，第二步要进行立柱和斜撑的安装和固定。定位焊接的同时，固定对称点的焊点要达到规定的强度，长度则要保持在5～10mm。并且，装配的精确度要尽力地提高，这就需要尽可能地降低组装过程中的误差，井架的安装要在平台上进行，还要利用专门的工具来实现刚性固定。

要保证焊接的顺序是正确的。第一步是焊接横撑和立柱，要用到的方式是对称焊接。在不同的焊缝对应的焊接顺序有所不同，而且零配件的刚性也有所不同，因此导致先完成的焊缝有很大概率发生变形，而后完成的焊缝则不太容易发生变形。即使是采取了对称焊缝，也有可能发生焊接变形。为了克服这一困难，经验丰富的焊工发明了由中间向两边按照顺序对称跳焊的方式，并且采取了分组相向焊接的方法，选取技术过硬的两名焊工同时进行操作，这种方式可以有效避免变形。进行焊接操作时，两名操作人员应该使用相同型号、相同规格、相同参数的焊接设备，让热量尽可能地均匀分布在2条焊缝上，使2条焊缝上发生的变形能够对应消减。此外，多层焊接的方式相对单层焊接产生的变形较小，在进行箱型梁和立柱这种大尺寸的焊接时，使用多层焊接能够更好地控制变形的发生。多层焊接的具体方法指的是在第一层的焊接工作完成后，等第一层的温度冷却到室温后，这时进行下一层的焊接。第二步是焊接斜撑，对于斜撑的焊接是不对称缝，采取的方式与对称缝不同，应该按照焊缝数量由少到多的顺序进行焊接，实践证明，这种方式可以减少发生变形。第三步就是焊接横梁，应该采取平焊的方式进行，原因是平焊的速度更快，产生的变形量较低。在这个过程中，要注意避免产生弧坑裂纹，如果产生了弧坑裂纹，要马上采取补救调整的措施，具体操作是使用电动砂轮或者风动砂轮来磨削裂纹，使其消除。这时，经验丰富的焊工经常在消除背面的裂纹的同时，将正面的焊道通过碳弧气刨同步消除，最后进行检验，确定裂纹缺陷已经清除后进行背面的封底焊接。

多年的生产实践证明，通过选择正确的焊接方法，并且按照正确的焊接顺序，采取对称焊、多层焊接等合理的焊接方式，能够使钻机井架的变形被控制在规定范围内，使井架焊接变形的问题得到了解决，提高了生产的效率，产品的质量也得到了保证。