王春利，張連軍

（徐州博安科技發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇 徐州 221008）

2011年7—8月期間，某煤礦突出松軟煤層高壓水力射流煤層割縫鉆孔施工過(guò)程中，連續(xù)發(fā)生多起ZGM-63-1000鉆桿接頭粘扣現(xiàn)象，接連出現(xiàn)公接頭與母接頭咬在一起，退鉆桿時(shí)退不開，或上鉆桿時(shí)上不到位，嚴(yán)重影響了鉆孔的打鉆進(jìn)度，同時(shí)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失.為避免此類事故的再次發(fā)生，作者在煤礦井下調(diào)查后對(duì)發(fā)生粘扣咬扣的鉆桿接頭螺紋進(jìn)行失效分析，最后提出了相對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施.

1 粘扣咬扣發(fā)生狀況

此次發(fā)生粘扣咬扣鉆桿共計(jì)10余根，且粘扣現(xiàn)象嚴(yán)重，見(jiàn)圖1.

圖1 直徑為63mm鉆桿粘扣咬扣圖Fig.1 φ63mm drill pipe thread gluing bit buckle

此次失效鉆桿全部都是新鉆桿，累計(jì)使用次數(shù)不超過(guò)3次，累計(jì)進(jìn)尺為78m.現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)公接頭螺紋上粘有母接頭螺紋的絲扣，母接頭絲扣里粘上公接頭螺紋，公接頭絲扣被咬傷的情況，影響進(jìn)尺.如果打鉆過(guò)程中出現(xiàn)咬扣，則前面1根鉆桿母接頭與后面鉆桿公接頭全部咬傷，一次損壞2根鉆桿，需要人工手動(dòng)全部更換新鉆桿.因此有必要對(duì)產(chǎn)生咬扣的原因進(jìn)行分析，以降低事故發(fā)生頻率，減小經(jīng)濟(jì)損失.

2 鉆桿粘扣咬扣分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，打鉆隊(duì)在鉆桿上卸扣操作過(guò)程中存在如下問(wèn)題：

（1）開始作業(yè)前，當(dāng)班工作人員新更換1套夾持器到鉆機(jī)上，鉆機(jī)架設(shè)位置偏高，穩(wěn)固不牢，屬于大傾角作業(yè).施工中出現(xiàn)一邊打鉆，鉆機(jī)一邊發(fā)生竄動(dòng)，不能確保鉆機(jī)主機(jī)的回轉(zhuǎn)器、夾持器、設(shè)計(jì)鉆孔孔位在整個(gè)鉆進(jìn)中保持在同一直線上，因此鉆桿的撓度變化大，對(duì)鉆孔的成孔影響很大，鉆桿所受綜合作用力變大.在打鉆退鉆過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)器與夾持器中心高不同軸，作業(yè)中夾持器出現(xiàn)明顯跳動(dòng).經(jīng)觀察中心高差30mm.

（2）在上扣對(duì)接時(shí)，公接頭母接頭螺紋里煤粉未沖洗干凈，煤粒在上卸鉆桿過(guò)程中摻雜到鉆桿螺紋中，在對(duì)接時(shí)出現(xiàn)未能對(duì)正的情況.

（3）操作臺(tái)位置未按規(guī)定要求放置于便于觀察鉆場(chǎng)全部情況的位置，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆桿在鉆進(jìn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、上卸鉆桿的配合程度.若發(fā)現(xiàn)有異常聲響 、回轉(zhuǎn)器震動(dòng)過(guò)大、機(jī)架有擺動(dòng)、立柱框架有晃動(dòng)，不能及時(shí)加以處理.

（4）鉆機(jī)操作說(shuō)明書規(guī)定：對(duì)鉆時(shí)需輕壓、慢轉(zhuǎn)，但實(shí)際施工中工人強(qiáng)行推進(jìn)鉆桿退出鉆桿，高速旋轉(zhuǎn).

（5）規(guī)程要求更換鉆桿要拆開最后1根鉆桿與水辮連接，增加新的鉆桿，但現(xiàn)場(chǎng)使用中都是在主機(jī)擰緊卡持器與回轉(zhuǎn)器前后各有1根鉆桿，將水辮前的鉆桿即第1和第2鉆桿之間拆開，將要上的鉆桿放在2根鉆桿中間，先將要上的鉆桿和第2根鉆桿緊上2～3個(gè)螺紋，然后開動(dòng)鉆機(jī)將新加鉆桿與前后鉆桿擰緊，同時(shí)推動(dòng)鉆桿前進(jìn).幾次出現(xiàn)新加鉆桿公接頭對(duì)不上回轉(zhuǎn)器母接頭，強(qiáng)行打轉(zhuǎn)粘扣、咬扣現(xiàn)象.個(gè)別鉆桿第一次上卸后就發(fā)生粘扣，在重復(fù)使用時(shí)已經(jīng)粘扣的鉆桿發(fā)生嚴(yán)重的咬扣，鉆桿上不到位.

（6）母接頭內(nèi)密封圓柱面及倒角部位被粘扣的公接頭螺紋體劃傷，存在嚴(yán)重咬扣的現(xiàn)象.

2.2 螺紋設(shè)計(jì)分析

圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)［1－5］的技術(shù)要求，借鑒原有的鉆桿的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)照普通鉆桿接頭剖面圖見(jiàn)圖2所示，設(shè)計(jì)高壓割縫鉆桿接頭螺紋剖面圖如圖3所示.

圖2 φ63mm鉆桿接頭剖面圖Fig.2 φ63mm drill pipe connector profile

圖3 φ63mm高壓割縫鉆桿接頭剖面圖（單位：mm）Fig.3 φ63mm slotted drill pipe connector profile（unit：mm）

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高壓割縫鉆桿母接頭長(zhǎng)度比普通鉆桿接頭長(zhǎng)度長(zhǎng)了10mm，公接頭長(zhǎng)了35mm；母接頭增加了φ52mm、長(zhǎng)度12mm鏜孔段作為徑向密封段；公接頭增加了一段φ52mm、長(zhǎng)度11mm（含外徑46 mm、長(zhǎng)度4.8mm溝槽）密封段；為了保證母接頭強(qiáng)度以及鏜孔后的壁厚，保護(hù)安全退刀，鏜孔段直徑52 mm加工公差H8，公接頭和母接頭螺紋的一端大徑都相應(yīng)從51.5mm減小到48.1mm，直徑方向減小3mm.

查文獻(xiàn)［1］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直徑63.5mm鉆桿螺紋錐度為1∶4或1∶6，螺距為每25.4mm長(zhǎng)度內(nèi)4扣（螺距為6.35mm）或5扣（螺距為5.08mm）.水眼大小為22mm.當(dāng)鉆桿公接頭的螺紋錐度小于母接頭的螺紋錐度時(shí)，母接頭緊密距比普通鉆桿要求的數(shù)值大，為正值，公接頭緊密距為負(fù)值；緊密連接螺紋扣就越少，工作中只有靠部分緊密連接的螺紋部位傳遞工作負(fù)荷，載荷分布不均.而最前面一扣承受的載荷最大，這兒的接頭斷面積比鉆桿尾部斷面積要小很多.因此，咬扣最有可能在這扣發(fā)生.當(dāng)鉆桿公接頭的螺紋錐度大于母接頭的螺紋錐度時(shí)，母接頭緊密距為負(fù)值，公接頭緊密距為正值；鉆桿的公接頭螺紋尾部與母螺紋連接較緊密，而鉆桿端面接觸面積大，公母螺紋間隙較大.此時(shí)危險(xiǎn)斷面靠近鉆桿的螺紋尾部.由于鉆桿螺紋尾部的截面積較大，在一般情況下不易發(fā)生斷裂.但它會(huì)在交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生螺紋變形、粘扣及疲勞破壞，甚至造成連接失效.經(jīng)過(guò)與工程技術(shù)人員溝通最終確定錐度為1∶6，公接頭螺紋段長(zhǎng)度為56mm，螺距為每25.4mm長(zhǎng)度內(nèi)5扣，螺距為5.08mm，除去開始段倒角和退尾段2扣，最終有效螺紋為第3—9扣，共7扣.如果選用錐度為1∶4，則大徑和小徑差相對(duì)1∶6的更大，小徑更小，強(qiáng)度也弱，所以不推薦使用.

2.3 加工工藝分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鉆桿加工工藝，在加工廠加工這批鉆桿前，要求加工廠試車兩套鉆桿接頭，并旋合在一起，用線切割從接頭中間切割開來(lái)，如圖4所示.

圖4 試制鉆桿接頭圖Fig.4 Figure drill pipe connector profile

調(diào)查發(fā)現(xiàn)加工廠為節(jié)約鋼材成本，常常私自作主，從鋼廠訂制一批非標(biāo)的厚壁管材代替棒料加工接頭.由于母接頭材料采用厚壁管加工，出現(xiàn)最前面小端3扣牙型不完整，且焊接后管子與鉆桿管體不同軸，兩側(cè)壁厚不均.在加工過(guò)程中，為了保證螺紋上扣到底，存在人為把母接頭增加公差等級(jí)，同樣增加了公接頭與母接頭的間隙，牙型因?yàn)槟サ读?xí)慣的差別，加工后牙型不規(guī)范，未按圖紙加工，公接頭牙頂寬略小于圖紙要求，母接頭則大于圖紙要求，整體牙高不足，都直接影響到螺紋配合，螺紋緊密距不規(guī)范.母接頭螺紋起始處倒角角度為30°，在生產(chǎn)加工看圖時(shí)錯(cuò)誤地當(dāng)成60°，這樣要比設(shè)計(jì)要求又多去除完整牙3～4扣.在磨擦焊接完成后，母接頭螺紋孔與公接頭螺紋外圓的同軸度達(dá)不到要求，車成的母接頭會(huì)出現(xiàn)一側(cè)牙型不完整，與公接頭配合中會(huì)出現(xiàn)局部間隙過(guò)大，在使用過(guò)程中反復(fù)擰緊松開幾次，公接頭與母接頭都受到不同程度的交變沖擊，就會(huì)出現(xiàn)粘扣咬扣的現(xiàn)象.

2.4 選擇材料與熱處理性能分析

由于鉆桿要頻繁擰卸，螺紋要求有一定的耐磨性，并且由于鉆孔直徑大，鉆孔深，故要求接頭及鉆桿要具有足夠的強(qiáng)度和韌性.查閱文獻(xiàn)［6］，德國(guó)用36CrNiMo4材料生產(chǎn)接頭，韌性指標(biāo)較高，沖擊功達(dá)到91.6J；在熱處理工藝方面，國(guó)外生產(chǎn)廠接頭普遍采用可控氣氛爐加熱，在接頭外表面加工完成后進(jìn)行光亮淬火.國(guó)內(nèi)普遍采用中碳低合金鋼40CrNiMo、40CrMnMo加工，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，分別加工接頭試件，實(shí)驗(yàn)比較后得出前者的低溫韌性高于后者，是由化學(xué)成分決定的，前者含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%左右的鎳，使其韌性尤其在低溫韌性大幅度提高.兩種材料在彎曲疲勞試驗(yàn)中性能基本一致，斷裂韌性沖擊實(shí)驗(yàn)中，后者略高于前者.國(guó)內(nèi)接頭熱處理多采用普通空氣爐或電阻爐加熱，淬火時(shí)接頭內(nèi)外表面均留有較大的加工余量，且在加工廠工序中轉(zhuǎn)時(shí)溫度驟然變化巨大，工件表面產(chǎn)生一層氧化皮，對(duì)熱處理效果有很大影響.結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析，德國(guó)接頭熱處理性能較好，這與它的高淬透性密切相關(guān).由于國(guó)內(nèi)接頭生產(chǎn)條件的限制，對(duì)選擇鋼材的淬透性應(yīng)有更高的要求.考慮熱處理工藝性能及價(jià)格成本，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家另外找到幾種價(jià)格更低的35CrMo、42CrMo、40Cr作為替代.參照文獻(xiàn)［7］，以42CrMo為鉆桿接頭材料，熱處理工藝選擇：箱式爐830～850℃淬火，采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得洛氏硬度.洛氏硬度大于55，580～650℃回火油冷，洛氏硬度達(dá)到31.同等條件下，不同批次材料曾經(jīng)出現(xiàn)硬度值不統(tǒng)一的現(xiàn)象，所以要求每批次生產(chǎn)加工完成熱處理后，抽取公接頭母接頭各5件，精車兩端面，光潔無(wú)雜質(zhì)，用硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)量接頭硬度，該批次要求范圍洛式硬度為25～28，考慮公接頭母接頭壁厚和在爐中的放置位置與出爐順序，左右不相差5.抽樣全部達(dá)標(biāo).

3 預(yù)防措施

問(wèn)題出現(xiàn)后查閱文獻(xiàn)［8］標(biāo)準(zhǔn)，重新對(duì)5種不同外徑的鉆桿進(jìn)行分類，把φ42，φ50，φ63.5mm歸到一列，φ73，φ89mm歸到一列，把原有的φ63.5mm的錐度從1∶4或1∶6調(diào)整為1∶8，φ63mm鉆桿接頭螺紋體的小端的直徑比原來(lái)要大了3.1mm.準(zhǔn)確地加工鉆桿接頭的錐度，對(duì)于鉆桿連接的效果非常重要.

如圖5所示：現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)的鉆桿圖片，如果只是因?yàn)殂@桿螺紋過(guò)長(zhǎng)或強(qiáng)度不足，是不會(huì)出現(xiàn)只傷及絲扣中間2，3扣的，而大小頭兩端都沒(méi)有傷到的現(xiàn)象，由以上推斷出現(xiàn)此種現(xiàn)象，只能是人工對(duì)上絲扣較少或?qū)﹀e(cuò)扣造成的，從取回的幾根鉆桿接頭的化學(xué)成分和力學(xué)性能分析得出國(guó)產(chǎn)42CrMo材料常規(guī)性能不合格率幾乎達(dá)到100%，粘扣螺紋表面不僅形成很高的接觸壓力，而且在高溫下發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變，分析應(yīng)該是在高接觸應(yīng)力、高溫、高轉(zhuǎn)速、快速加載作用下形成的.同一批次出廠鉆桿，在鄰近礦井使用1年并末出現(xiàn)粘扣咬扣現(xiàn)象，反映出現(xiàn)場(chǎng)操作人員的素質(zhì)及技術(shù)水平對(duì)設(shè)備使用技巧存在一定差別.

圖5 現(xiàn)場(chǎng)鉆桿圖Fig.5 Drill site map

針對(duì)上述分析，考慮鉆桿螺紋設(shè)計(jì)，原材料，加工工藝，熱處理等幾個(gè)方面的因素，結(jié)合文獻(xiàn)［9］，建議從以下4方面進(jìn)行改進(jìn)：①保證制造鉆桿接頭材料的質(zhì)量和正確的熱處理工藝措施，使鉆桿的機(jī)械強(qiáng)度符合承載要求.②嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖樣加工鉆桿，更換成形刀具，數(shù)控車床加工提高螺紋的加工精度，公接頭母接頭密封溝槽、螺紋長(zhǎng)度相應(yīng)減小，提高檢驗(yàn)的頻率和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，不斷改進(jìn)工藝手段和工藝方法，穩(wěn)定鉆桿質(zhì)量.③尋找新的表面熱處理的材料及相關(guān)工藝，在保證鉆桿整體強(qiáng)度的前提下，有效提高鉆桿螺紋的硬度及壽命.④鉆割項(xiàng)目實(shí)施前制定完善的操作規(guī)范工藝手冊(cè)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)人員統(tǒng)一培訓(xùn)，合理裝卸鉆桿，嚴(yán)禁機(jī)器同時(shí)擰上2根鉆桿.工作中安裝、拆卸鉆桿時(shí)，要杜絕用鐵錘敲砸鉆桿母接頭和公接頭，以防鉆桿接頭出現(xiàn)裂痕，造成鉆桿在鉆孔內(nèi)斷裂.⑤建議操作人員上扣前對(duì)鉆桿進(jìn)行逐根沖洗，人工至少對(duì)上4扣或是手動(dòng)上緊到轉(zhuǎn)不動(dòng)為止，打鉆人員調(diào)整位置，以便及時(shí)掌握鉆桿上緊的情況，做出正確規(guī)范的動(dòng)作.⑥高壓割縫作業(yè)前要求把鉆機(jī)調(diào)試到工作性能良好，機(jī)架穩(wěn)固，且回轉(zhuǎn)器與夾持器保證中心高一致，且正對(duì)鉆孔位置，避免鉆桿受力不均勻.

4 結(jié)論

從上述分析可以看出，鉆桿接頭螺紋尺寸設(shè)計(jì)、材料、熱處理及加工工藝，是影響接頭壽命的重要因素，應(yīng)引起生產(chǎn)加工廠家的高度重視.現(xiàn)場(chǎng)操作人員的違規(guī)操作是另一個(gè)造成鉆桿粘扣咬扣的重要因素，如何規(guī)范操作，統(tǒng)一培訓(xùn)，合格后上崗操作才是解決問(wèn)題的根本.

通過(guò)上述改進(jìn)措施加工出的鉆桿，在現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)工程師的指導(dǎo)培訓(xùn)下，在多項(xiàng)割縫項(xiàng)目煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用中，鉆桿沒(méi)有再出現(xiàn)過(guò)咬扣的現(xiàn)象.打鉆效率明顯上升，取得客戶的認(rèn)可，建議在所有高瓦斯低透氣性煤層鉆孔割縫中廣泛推廣，為煤礦解決實(shí)際的問(wèn)題.

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