关于抽油机驴头绳架体焊接裂纹的研究

重要受力构件，其材质为ＺＧ２３０－４５０，与其
在碳钢的焊接过程中，焊缝中的含碳
他部件连接为全位置焊，其中有两边与驴 量都控制其小于母材中的含碳量，因此在
头侧板构成角焊缝，一边与支撑角钢构成 金属结晶过程中焊缝金属在温度较高时就
搭接焊缝，另一边分别与两块面板构成两 发生相变，而母材热影响区金属由于含碳
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（上接 １０３ 页） （２）预热：对于受拘束较大，材料较易淬
硬的焊接结构，焊前一般要进行预热，以减 小 焊 后 残 余 应 力 和 淬 硬 组 织 的 产 生 。但 是 生产中若进行预热不易操作，因此生产中 就没有进行预热，这也是造成焊后拘束应 力大的一个主要原因。
４ 试验方法及结果讨论 ４ ． １ 综合上面的分析， 我们采取了以下几组 试验
钢种，三大因素所起的作用程度是不同的。 连接，将会产生很大的拘束度，在焊接过程
对于绳架体其材料为ＺＧ２３０－４５０，含碳量在 中由于加热和冷却的不均匀，产生很大的
０．３％左右，强度为４５０ＭＰａ，因此它不属于高 焊接应力，由于受到拘束，就产生了很大的
强钢和淬硬倾向很大的钢种，虽然其热影 焊接残余应力。
从化验成分来看，碳的含量接近上限， 锰的含量偏低，可以说成分基本合格，对冷 裂纹的产生影响不大。 ３ ． ４ 热处理影响
铸钢件在铸造完成之后，必须进行热 处理，其中最常用的就是正火，以达到消除 应 力 和 改 善 组 织 的 效 果 。这 是 因 为 铸 钢 件 在铸造之后，其组织晶粒较粗大，有时有魏 氏体组织存在，如果不正火或正火不完全， 不良的铸造组织就得不到改善，焊接时就 极 易 开 裂 。通 过 硬 度 的 测 定 （ 见 表 １ ） ， 可 以 看 出硬度值是较大的，这说明铸件在出厂前 正火很不完全。 ３ ． ５ 焊接工艺影响
氢的作用，并能改善前层焊缝和热影响区 ［２］ 田 锡 堂 ．焊 接 结 构 ［Ｍ］．机 械 工 业 出 版
的组织。
社，１９８１．
试验三结果进一步说明在铸钢件的焊 ［３］ 刘士荣．金属学与热处理［Ｍ］．机械工业
接过程中，如果能够防止熔合线附近富氢
出版社，１９８５．
区和淬硬组织的产生，就能够较好的预防
冷裂纹的产生。
缺陷对Ｋ形井架受力影响分析［Ｊ］．石油 矿场机械，２０１０，３９（３）：５～８． ［２］ 赵焕娟，齐明侠，赵娜．钻机井架的可靠 性分析［Ｊ］．石油矿场机械，２０１０，３９（３）： ２２～２７．
图 ４ ２ ３ － １ Ｋ 型井架在额定载荷下的应力分布
图 ５ ２ ３ － １ Ｋ 型井架在额定载荷下的位移
纹，不得不更换整个驴头部件，造成较大的 变时，焊缝中的氢就很快向滞后相变的热
经 济 损 失 ， 如 果 能 够 进 行 裂 纹 修 复 ， 可 以 带 影 响 区 扩 散， 在 熔 合 线 附 近 形 成 富 氢 区 。当
来较大的经济效益。
滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转
变时，氢便以过饱和状态残留在马氏体中，
态及焊接工艺进行了分组试验，成功的解决了裂纹开裂的问题。
关键词： 绳架体 延迟裂纹 热处理 焊接工艺
中图分类号：ＴＧ１５
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－３７９１（２０１１）０２（ｃ）－０１０３－０２
游梁式抽油机是油田采油机械的主力 裂纹问题可以判定氢和拘束应力起到关键
机型，而驴头绳架体是游梁式抽油机上的 的作用。
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１ 裂纹性质的分析
使得熔合线附近脆化，当拘束应力足够大
裂纹发生在熔合线区域，沿焊缝纵向 时，就产生冷裂纹。
开 裂 。其 开 裂 时 间 一 般 在 焊 后 １ ｈ ～ ５ ｈ 之
内 ， 观 察 宏 观 裂 纹 断 口 形 貌 ， 呈 现 脆 性 断 ３ 裂纹开裂原因分析
口 特 征 ， 根 据 铸 件 材 料 及 焊 缝 所 受 拘 束 ３ ． １ 焊缝中氢的来源
能出现开裂，这和生产实际也是相吻合的。
试验四结果表明，经过多次焊接热循
试验二结果说明，采用这种焊接工艺 环后，接头处的拘束应力变的很大，因此在
能 够 较 好 的 解 决 这 一 问 题 。首 先 焊 缝 不 再 原 焊 接 工 艺 不 变 的 情 况 下 ， 焊 缝 很 快 就 发
开裂，其次焊缝的强度比较接近于母材的 生开裂。
（１）焊接材料：对于铸钢件来说，由于铸 造缺陷（ 气孔、缩孔、成分偏析、不良组织等） 的存在，一般应该采用低氢型焊条如Ｅ５０１５、 Ｅ５０１６，但对于焊缝与母材来说一般都要求 等 强 ， Ｚ Ｇ ２ ３ ０ － ４ ５ ０ 抗 拉 强 度 为 ４ ５ ０ Ｍ Ｐ ａ 。生 产 中我们采用Ｅ５０１６焊条，焊缝强度为５００ＭＰａ， 因此焊缝强度比母材偏高。
道对接焊缝，焊 接 材 料 为Ｅ５０１６焊条，３５０℃ 量高， 发 生 滞 后 相 变 。氢 在 奥 氏 体 中 的 溶 解
烘 干 。在 生 产 使 用 过 程 中 ， 时 有 在 搭 接 焊 缝 度大， 扩 散 速 度 慢 ， 而 在 铁 素 体 和 珠 光 体 中
处 靠 近 绳 架 体（ 铸 钢 件 ） 的 熔 合 线 上 出 现 裂 溶解度小， 扩散快。因 此 当 焊 缝 金 属 发 生 相
响区在焊接时易形成淬硬组织，但是还达
（２）铸 造 残 余 应 力 ： 铸 钢 件 在 铸 造 过 程
不到自身开裂的程度，因此生产中遇到的 中，由于铸钢液的流动性差，而收缩率又
表 １ 绳架体化学成分分析及硬度测定报告
表２
大，因此铸钢件在完成浇注后，必须进行热 处理，以消除铸件内部残余应力，同时改善 不良的铸造组织，如果不进行热处理或处 理不完善，铸造残余应力就不会完全被消 除。
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５ 结语 本文通过井架的结构应力模拟与分
析，确定应力分布大小，对设计与制造井架 选材提出了强度计算的依据，确保井架在 后续作业过程中安全可靠运行。
参考文献 ［１］ 魏辽，颜 廷 俊 ，刘宇．基于ＡＰＤＬ 的损伤
焊接残余应力于铸造残余应力合成 后，就构成铸件焊缝开裂的拘束应力，在搭 接焊缝中，焊缝的焊根与焊趾处是应力集 中 部 位 ［１］， 因 此 焊 趾 处 所 受 到 的 力 又 大 于 平 均拘束应力，因此焊趾处在有淬硬组织和 氢的作用时，就容易产生冷裂纹。 ３ ． ３ 成分的影响
材料成分对冷裂纹的影响主要体现在 钢的淬倾向硬上，对于绳架体材料ＺＧ２３０－ ４５０来说，其含碳量应控制在０．２２％～０．３０％ 之间，由此我们可以看出这种钢材是介于低 碳钢和中碳钢之间，其焊接热影响区具有淬 硬倾向。表１ 为铸件化学成分测定报告。
（１）焊接顺序：绳架体焊接时，是先把与
的作用下形成裂纹，即可以说产生裂纹原 侧板相连接的两条角焊缝焊完（由定位工
因 就 是 由 钢 种 淬 硬 性 、氢 和 拘 束 应 力 这 三 装 决 定 ） ， 然 后 再 焊 搭 接 焊 缝 。因 此 ， 在 焊 搭
大因素综合作用的结果，但是对于不同的 接焊缝时，就相当于钢性固定的两个构件
如表２所示。 ４ ． ２ 试验结果讨论
试验一结果说明铸件在出厂前所进行 的热处理很不完全，没有消除掉不良的铸 造组织和铸造残余应力，经重新正火后，组 织性能大大改善，所以开裂降低到正常的 范 围 。对 于 仍 有 开 裂 的 焊 缝， 这是因为在铸 造过程中，即使用同一炉钢液，由于浇注先 后的不同，后浇注的很可能产生一些比较 多的铸造缺陷，因此同样的焊接工艺有可
强度， 能 够 符 合 等 强 原 则 。运 用 此 种 方 法 不
开裂的原因最主要一点是消除了熔合线附 ５ 结语
近区域的富氢区，这是因为用Ｅ４３０３焊条，
（１）铸件处焊缝熔合线开裂的主要原因
在 靠 近 铸 件 的 表 面 焊 上 薄 薄 的 一 层 ， 在 第 是 铸 件 出 厂 前 热 处 理 不 完 善 。（ ２ ） 采 用
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关于抽油机驴头绳架体焊接裂纹的研究①
高琳 （ 胜利油田纯梁采油厂采油二矿正南管理区 山东滨州 ２ ５ ６ ５ ０ ４ ）
摘 要：为解决抽油机制造过程中，驴头绳架体焊缝出现的延迟裂纹问题，本文通过分析其开裂机理及开裂原因，通过调整铸件热处理状
熔 合 线 区 域 聚 集 的 过 程 ， 不 会 形 成 富 氢 区 ， 参考文献
同 时 也 不 会 有 淬 硬 组 织 的 产 生 。从 焊 接 工 ［１］ 周 振 丰 ， 张 文 铖 ． 焊 接 冶 金 与 金 属 焊 接
艺上看，第二层焊缝对前一层焊缝起到消
性［Ｍ］．机械工业出版社，１９８７．
二层采用Ｅ５０１６焊接时，第一层焊缝就处于 “Ｅ４３０３焊条打底，Ｅ５０１６焊条进行第二层焊
第 二 层 焊 缝 的 的 熔 合 线 区 域 ， 其 组 织 为 低 接”的 工 艺 方 法， 可 以 有 效 的 解 决 绳 架 体 因
碳钢组织，因此焊缝金属与热影响区金属 热处理不完全产生焊缝冷裂纹。
发生滞后相变的时间差很小，不存在氢向
①作者简介：高琳（１９７５—），男，山东博兴，技师，长期从事采油机械的使用及维修工作。
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则载荷６４７．４ｔ即为井架结构的一阶屈曲临
界荷载。
图 ６ ２ ３ － １ Ｋ 型井架非线性屈曲分析中顶端节点载荷 － 位移曲线
程度，可以判断此裂纹性质为冷裂纹中
分析具体生产过程，焊缝中氢的来源
的焊趾裂纹。
主要来自焊接材料中的水分，接头处的铁
锈及机加工过程中的油，以及空气中的水
２ 裂纹开裂机理
分。
冷 裂 纹 的 形 成 机 理 在 于 钢 淬 硬 以 后 ， ３ ． ２ 产生拘束应力的原因
受氢的诱发和促进使之脆化，在拘束应力