郭 青，蘆 葦，肖麗輝

(1．晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦，山西晉城048205;2．中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶400039;3．瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400039)

0 引言

鑒于近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在國(guó)外的成功應(yīng)用，自20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)很多煤礦陸續(xù)從美國(guó)、澳大利亞引進(jìn)了定向鉆進(jìn)裝備近30套，分別在松藻、鐵法、淮南、撫順、平頂山、晉城等礦區(qū)試用［1］。中煤科工集團(tuán)西安研究院和中煤科工集團(tuán)重慶研究院也相繼開發(fā)了用于水平定向鉆進(jìn)的鉆探機(jī)具及其配套工藝，使我國(guó)煤礦坑道水平鉆孔的鉆探能力很快達(dá)到了1000 m。在煤礦開采領(lǐng)域，利用定向技術(shù)施工瓦斯抽放孔，可以在煤炭開采前對(duì)煤層進(jìn)行瓦斯抽采，同時(shí)該技術(shù)還可用于探測(cè)巖漿侵入和瓦斯突出，可減少煤礦嚴(yán)重事故的發(fā)生。

在定向鉆進(jìn)系統(tǒng)中，為保證測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量效果及定位精度，需將測(cè)斜儀器放置于一定長(zhǎng)度的無(wú)磁鉆桿內(nèi)［2］，并需在其前后端連接上、下無(wú)磁鉆桿，為測(cè)量系統(tǒng)創(chuàng)造無(wú)磁環(huán)境。目前，國(guó)內(nèi)外煤礦坑道水平定向鉆探用無(wú)磁鉆桿均選用鈹銅QBe2(C17200)，其具有良好的無(wú)磁性，該合金時(shí)效處理后強(qiáng)度較高，但斷裂延伸率低，即合金的斷裂韌性差，造成了實(shí)際鉆孔過(guò)程中鈹銅無(wú)磁鉆桿斷裂事故［3］。在晉城煤業(yè)集團(tuán)寺莊礦和成莊礦進(jìn)行水平定向鉆孔施工過(guò)程中，由澳大利亞VLD公司和中煤科工集團(tuán)西安研究院生產(chǎn)的鈹銅無(wú)磁鉆桿均發(fā)生過(guò)多次斷裂事故，使得螺桿鉆具和測(cè)斜儀器掉落孔底，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)該問(wèn)題，需尋求一種更優(yōu)良的無(wú)磁材料，研制出煤礦坑道水平定向鉆探用高強(qiáng)度無(wú)磁鉆桿，以減少無(wú)磁鉆桿斷裂事故。

1 無(wú)磁鉆桿材料的選擇

在煤礦坑道水平定向鉆進(jìn)中，無(wú)磁鉆桿一方面作為測(cè)量系統(tǒng)的載體，另一方面，無(wú)磁鉆桿與定向鉆桿一樣，在鉆進(jìn)的過(guò)程中需承受著孔內(nèi)復(fù)雜的受力，其性能直接決定了施工的安全性。為此，應(yīng)對(duì)煤礦坑道定向鉆進(jìn)用無(wú)磁鉆桿材料提出以下要求。

(1)為避免磁場(chǎng)干擾，確保測(cè)量效果及定位精度，鉆桿用無(wú)磁材料需具有良好的無(wú)磁性。

(2)由于煤礦坑道水平定向鉆進(jìn)的工況復(fù)雜，無(wú)磁鉆桿在孔內(nèi)受到拉、壓、彎、扭等多種作用，還會(huì)受到振動(dòng)及沖擊載荷的影響，要求鉆桿用無(wú)磁材料需有較高的強(qiáng)度及較好的綜合機(jī)械性能。

(3)為保證煤礦生產(chǎn)安全，根據(jù)《煤礦用金屬材料摩擦火花安全性試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》(GB 13813－2008)的規(guī)定，用于無(wú)磁鉆桿的材料需具備碰擊時(shí)不產(chǎn)生火花的性能。

(4)無(wú)磁鉆桿應(yīng)具有極好的耐腐蝕性。

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，是力學(xué)、物理、化學(xué)綜合性能良好的一種合金，其密度、強(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，且比強(qiáng)度、韌性優(yōu)于鈹銅，并具有優(yōu)異的抗腐蝕性能及無(wú)磁性。鈹銅和鈦合金兩類無(wú)磁材料基本參數(shù)的對(duì)比見表1。

表1 無(wú)磁材料性能參數(shù)表

與鈹銅無(wú)磁材料相比，鈦合金無(wú)磁材料具有密度低、屈服強(qiáng)度高、沖擊韌性好及更耐腐蝕和磨蝕等特性。由表1可知，鈦合金無(wú)磁材料的韌性為鈹銅的1.15倍，強(qiáng)度質(zhì)量比為鈹銅的1.8倍，延伸率為鈹銅的4倍多，延伸率能達(dá)到120鋼級(jí)的水平。目前，用于超短半徑鉆井的鈦合金鉆桿已經(jīng)研制成功，可用于曲率半徑＜18.3 m的老井側(cè)鉆作業(yè)的需要，在使用過(guò)程中表現(xiàn)出可靠性好、使用壽命長(zhǎng)等特性［4］。因此，選用鈦合金代替鈹銅加工無(wú)磁鉆桿，可極大地提高無(wú)磁鉆桿的綜合機(jī)械性能，降低無(wú)磁鉆桿斷裂的可能性，減少煤礦坑道水平定向鉆孔孔內(nèi)事故的發(fā)生。

2 鈦合金無(wú)磁鉆桿的研制

2．1 鈦合金無(wú)磁鉆桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦用鈦合金無(wú)磁鉆桿與常規(guī)鋼鉆桿相同，由3個(gè)基本要素組成:鉆桿本體、鉆桿公接頭、鉆桿母接頭(見圖1)。

圖1 鈦合金無(wú)磁鉆桿示意圖

2．2 鈦合金無(wú)磁鉆桿的螺紋設(shè)計(jì)

為配合我院定向鉆桿，首次設(shè)計(jì)的鈦合金鉆桿的螺紋形式為定向鉆桿的螺紋。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該種螺紋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，螺紋牙頂和牙底圓弧半徑過(guò)小，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成鉆桿斷裂。為使鈦合金鉆桿更好地應(yīng)用于定向鉆進(jìn)中，對(duì)鈦合金鉆桿的螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。一是增加了螺紋牙頂和牙底圓弧半徑，減少應(yīng)力集中;二是增加了螺紋的有效長(zhǎng)度和公接頭基面尺寸，因螺紋斷裂多發(fā)生在公扣上，因此，增加公接頭基面尺寸可提高螺紋的抗扭、抗彎強(qiáng)度。

3 鈦合金摩擦火花試驗(yàn)研究

3．1 試驗(yàn)方法

根據(jù)鈦合金無(wú)磁鉆桿的應(yīng)用工況，并結(jié)合GB 13813－2008的規(guī)定，對(duì)摩擦火花安全性試驗(yàn)采取自由落錘試驗(yàn)方法。

3．2 試驗(yàn)樣品

試樣分機(jī)械加工后經(jīng)表面氧化處理和未經(jīng)表面氧化處理兩種狀態(tài)，兩種試樣數(shù)量各為8件，試件如圖2、圖3所示。

圖2 試樣結(jié)構(gòu)尺寸

3．3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按鈦合金無(wú)磁鉆桿長(zhǎng)度為3 m計(jì)算，鈦合金鉆桿整體質(zhì)量為20.5 kg，根據(jù)GB 13813－2008規(guī)定，對(duì)經(jīng)氧化表面處理試樣采用60 kg重錘試驗(yàn)，未經(jīng)表面氧化處理試樣采用40 kg重錘試驗(yàn)。重錘下落高度為2 m，并連續(xù)進(jìn)行32次有效試驗(yàn)。

圖3 摩擦火花試樣

3．4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，表面氧化處理的鈦合金摩擦火花試樣在經(jīng)60 kg自由落錘沖擊生銹Q235鋼板的32次有效試驗(yàn)中，未引燃試驗(yàn)氣體。未表面氧化處理的鈦合金摩擦火花試樣在經(jīng)40 kg自由落錘沖擊生銹Q235鋼板的32次有效試驗(yàn)中，也未引燃試驗(yàn)氣體。表明鈦合金無(wú)磁材料摩擦火花安全性合格。

4 加厚試驗(yàn)研究

鉆桿本體兩端采用鐓粗的加工工藝，鈦合金加厚鉆桿端部厚壁的錐度過(guò)渡，可明顯降低鉆桿接頭與鉆桿本體配合處的彎曲應(yīng)力，并使鉆桿接頭承受的彎曲應(yīng)力沿軸線均勻分布，從而大幅度提高鈦合金鉆桿的抗疲勞性能［5］。

4．1 試驗(yàn)材料

4．2 試驗(yàn)設(shè)備及工裝

4．3 試驗(yàn)過(guò)程

第一步，將鈦合金管料距離管端350 mm的范圍內(nèi)，加熱至約150℃，保溫1.5 min，從感應(yīng)加熱爐中退出管料，用刷子均勻涂抹玻璃潤(rùn)滑劑于管料外表面，用纏繞于鋼筋上的干凈抹布涂抹玻璃潤(rùn)滑劑于內(nèi)表面，內(nèi)外涂抹長(zhǎng)度均約350 mm，依次涂抹完三支管料六個(gè)端。

第三步，預(yù)熱后對(duì)鈦合金管材進(jìn)行一道加厚和二道加厚，加熱節(jié)拍45 s，一道加厚主缸壓力20 MPa，側(cè)缸壓力13 MPa，二道加厚主缸壓力20 MPa，側(cè)缸壓力14 MPa。試塊加厚參數(shù)見表2。

表2 加厚端參數(shù)

此次工藝試制中，由于管料長(zhǎng)度短，造成加熱、送料障礙，使入模溫度低;且由于管料少，不能連續(xù)加厚，模具溫度達(dá)不到工藝要求，批生產(chǎn)時(shí)，實(shí)際加熱溫度約下降50～80℃。

4．4 試驗(yàn)分析

為了分析鈦合金管材端部加厚效果，對(duì)加厚的鈦合金管材分別做了力學(xué)性能測(cè)試、金相組織分析、超聲波探傷等試驗(yàn)。

4．4．1 力學(xué)性能分析

對(duì)加厚試樣進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度等測(cè)試，圖4為加厚塊試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊吸收能量及硬度測(cè)試數(shù)據(jù)。

從圖4(a)可以看出加厚試樣的抗拉強(qiáng)度為958～1024 MPa，屈服強(qiáng)度為878～950 MPa，均超過(guò)了美國(guó)API鉆桿標(biāo)準(zhǔn)中的鋼質(zhì)鉆桿G105鋼級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)達(dá)到了120鋼級(jí)的性能要求。從圖4(b)可以看出加厚試樣的延伸率為13.6% ～17.7%，符合鈦合金的材料特點(diǎn);加厚試樣的硬度值為HRC35.2～36.2，變化比較均勻。

4．4．2 金相組織分析

采用幾種工藝試制試樣的金相組織是比較正常的，低倍沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常，基本為模糊晶，只有T2試樣局部存在少量半清晰晶，也屬于正常的低倍組織;高倍組織呈現(xiàn)了不同的顯微組織，有等軸組織、網(wǎng)籃組織和并列組織，基本為正常組織。且在加厚鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的α脆化層比較小，涂了玻璃潤(rùn)滑劑的管體表面基本上沒(méi)有形成α脆化層，最大的僅有0.062 mm厚。由于鈦合金管體最終要進(jìn)行機(jī)械加工及接頭的裝配，因此α脆化層對(duì)鈦合金鉆桿不會(huì)帶來(lái)影響。

圖4 試樣力學(xué)性能測(cè)試

4．4．3 超聲波探傷分析

首先對(duì)TC4管體進(jìn)行超聲波探傷，超聲波顯示沒(méi)有異常，內(nèi)部組織比較均勻。在對(duì)加厚試樣進(jìn)行超聲探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)各試樣的加厚端均有超標(biāo)異常信號(hào)反射。為此，對(duì)最為嚴(yán)重的T1試樣進(jìn)行了解剖取樣和金相分析，分析結(jié)果顯示該試樣的顯微組織為等軸或網(wǎng)籃組織，未發(fā)現(xiàn)任何異常的夾雜、異物或裂紋，組織異常等現(xiàn)象。初步判斷可能為加厚過(guò)程中溫度不均勻或變形不均勻引起顯微組織不均勻，從而導(dǎo)致出現(xiàn)超標(biāo)異常信號(hào)反射。

通過(guò)對(duì)幾種工藝的試樣進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)工藝更優(yōu)異，與前3個(gè)試驗(yàn)相比，其試樣獲得了更好的力學(xué)性能參數(shù)及金相組織。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2011年7～11月，應(yīng)用試制的高強(qiáng)度鈦合金無(wú)磁鉆桿在晉煤集團(tuán)寺河礦進(jìn)行井下工業(yè)性試驗(yàn)(圖5)。試驗(yàn)地點(diǎn)開采煤層為3號(hào)煤層，該煤層平均厚度6.13 m，煤層傾角2°～6°。煤質(zhì)特點(diǎn)為黑色，亮煤為主，具金屬—玻璃光澤，質(zhì)硬，水平紋理，發(fā)育有近于垂直煤層的內(nèi)生、外生裂隙，普遍含兩層夾矸。

圖5 鈦合金鉆桿

試驗(yàn)鉆機(jī)為重慶煤科院研發(fā)的ZYWL－6000D型千米定向鉆機(jī)，配備73 mm×3000 mm通纜定向鉆桿和96 mm PDC復(fù)合片鉆頭。本次試驗(yàn)共施工定向鉆孔主孔10個(gè)，分支孔52個(gè)，鉆孔最深為1017 m，總進(jìn)尺10000余米。

在試驗(yàn)過(guò)程中，高強(qiáng)度鈦合金鉆桿表現(xiàn)良好，未發(fā)生螺紋咬扣或鉆桿斷裂現(xiàn)象，即使遭遇壓桿事故，鉆機(jī)采用強(qiáng)力提拔時(shí)，鉆桿也未發(fā)生過(guò)任何故障，獲得了良好的使用效果。

6 結(jié)論

(1)煤礦井下鉆探一直用鈹銅無(wú)磁鉆桿，一是其防爆性能好，二是價(jià)格相對(duì)較低，能夠被廣大客戶接受，但其存在的缺點(diǎn)是斷裂延伸率低，容易發(fā)生斷裂。

(2)高強(qiáng)度鈦合金無(wú)磁鉆桿強(qiáng)度高，韌性好，其強(qiáng)度可達(dá)到120鋼級(jí)鋼質(zhì)鉆桿強(qiáng)度。其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，極大地降低了鉆桿斷裂的可能性，可最大限度地避免孔內(nèi)事故的發(fā)生。

［1］ 田東莊，石智軍，龔城，等．煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)配套鉆桿的研制［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(3):24 －27．

［2］ 史海岐．煤礦井下定向鉆進(jìn)測(cè)量探管［J］．煤礦安全，2013，44(3):106－108．

［3］ 陳樂(lè)平，周全．鈹銅合金的研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］．熱加工工藝，2009，38(22):14 －18．

［4］ 趙金，陳紹安，劉永剛，等．高性能鉆桿研究進(jìn)展［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40(5):96 －99．

［5］ 袁文義，張泉海．國(guó)外鈦合金鉆桿的研究進(jìn)展［J］．新疆石油科技，2006，3(16):13 －15．