高壓割縫鉆桿粘扣咬扣分析及預防

王春利，張連軍

（徐州博安科技發展有限責任公司，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程中，連續發生多起ZGM-63-1000鉆桿接頭粘扣現象，接連出現公接頭與母接頭咬在一起，退鉆桿時退不開，或上鉆桿時上不到位，嚴重影響了鉆孔的打鉆進度，同時造成較大的經濟損失.為避免此類事故的再次發生，作者在煤礦井下調查后對發生粘扣咬扣的鉆桿接頭螺紋進行失效分析，最后提出了相對應的預防措施.

1 粘扣咬扣發生狀況

此次發生粘扣咬扣鉆桿共計10余根，且粘扣現象嚴重，見圖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，累計使用次數不超過3次，累計進尺為78m.現場出現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，影響進尺.如果打鉆過程中出現咬扣，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，需要人工手動全部更換新鉆桿.因此有必要對產生咬扣的原因進行分析，以降低事故發生頻率，減小經濟損失.

2 鉆桿粘扣咬扣分析

2.1 現場調查分析

通過現場調查發現，打鉆隊在鉆桿上卸扣操作過程中存在如下問題：

（1）開始作業前，當班工作人員新更換1套夾持器到鉆機上，鉆機架設位置偏高，穩固不牢，屬于大傾角作業.施工中出現一邊打鉆，鉆機一邊發生竄動，不能確保鉆機主機的回轉器、夾持器、設計鉆孔孔位在整個鉆進中保持在同一直線上，因此鉆桿的撓度變化大，對鉆孔的成孔影響很大，鉆桿所受綜合作用力變大.在打鉆退鉆過程中，發現回轉器與夾持器中心高不同軸，作業中夾持器出現明顯跳動.經觀察中心高差30mm.

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

（3）操作臺位置未按規定要求放置于便于觀察鉆場全部情況的位置，不能及時發現鉆桿在鉆進過程中的運動狀態、上卸鉆桿的配合程度.若發現有異常聲響 、回轉器震動過大、機架有擺動、立柱框架有晃動，不能及時加以處理.

（4）鉆機操作說明書規定：對鉆時需輕壓、慢轉，但實際施工中工人強行推進鉆桿退出鉆桿，高速旋轉.

（5）規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，但現場使用中都是在主機擰緊卡持器與回轉器前后各有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個螺紋，然后開動鉆機將新加鉆桿與前后鉆桿擰緊，同時推動鉆桿前進.幾次出現新加鉆桿公接頭對不上回轉器母接頭，強行打轉粘扣、咬扣現象.個別鉆桿第一次上卸后就發生粘扣，在重復使用時已經粘扣的鉆桿發生嚴重的咬扣，鉆桿上不到位.

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

2.2 螺紋設計分析

圖紙設計時結合文獻［1－5］的技術要求，借鑒原有的鉆桿的設計經驗，對照普通鉆桿接頭剖面圖見圖2所示，設計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）

對比發現，高壓割縫鉆桿母接頭長度比普通鉆桿接頭長度長了10mm，公接頭長了35mm；母接頭增加了φ52mm、長度12mm鏜孔段作為徑向密封段；公接頭增加了一段φ52mm、長度11mm（含外徑46 mm、長度4.8mm溝槽）密封段；為了保證母接頭強度以及鏜孔后的壁厚，保護安全退刀，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從51.5mm減小到48.1mm，直徑方向減小3mm.

查文獻［1］標準規定直徑63.5mm鉆桿螺紋錐度為1∶4或1∶6，螺距為每25.4mm長度內4扣（螺距為6.35mm）或5扣（螺距為5.08mm）.水眼大小為22mm.當鉆桿公接頭的螺紋錐度小于母接頭的螺紋錐度時，母接頭緊密距比普通鉆桿要求的數值大，為正值，公接頭緊密距為負值；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生.當鉆桿公接頭的螺紋錐度大于母接頭的螺紋錐度時，母接頭緊密距為負值，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.此時危險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生斷裂.但它會在交變應力的作用下產生螺紋變形、粘扣及疲勞破壞，甚至造成連接失效.經過與工程技術人員溝通最終確定錐度為1∶6，公接頭螺紋段長度為56mm，螺距為每25.4mm長度內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1∶6的更大，小徑更小，強度也弱，所以不推薦使用.

2.3 加工工藝分析

結合國內現有的鉆桿加工工藝，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，如圖4所示.

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

調查發現加工廠為節約鋼材成本，常常私自作主，從鋼廠訂制一批非標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，兩側壁厚不均.在加工過程中，為了保證螺紋上扣到底，存在人為把母接頭增加公差等級，同樣增加了公接頭與母接頭的間隙，牙型因為磨刀習慣的差別，加工后牙型不規范，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，螺紋緊密距不規范.母接頭螺紋起始處倒角角度為30°，在生產加工看圖時錯誤地當成60°，這樣要比設計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不到要求，車成的母接頭會出現一側牙型不完整，與公接頭配合中會出現局部間隙過大，在使用過程中反復擰緊松開幾次，公接頭與母接頭都受到不同程度的交變沖擊，就會出現粘扣咬扣的現象.

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度和韌性.查閱文獻［6］，德國用36CrNiMo4材料生產接頭，韌性指標較高，沖擊功達到91.6J；在熱處理工藝方面，國外生產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行光亮淬火.國內普遍采用中碳低合金鋼40CrNiMo、40CrMnMo加工，在相同實驗條件下，分別加工接頭試件，實驗比較后得出前者的低溫韌性高于后者，是由化學成分決定的，前者含有質量分數為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中性能基本一致，斷裂韌性沖擊實驗中，后者略高于前者.國內接頭熱處理多采用普通空氣爐或電阻爐加熱，淬火時接頭內外表面均留有較大的加工余量，且在加工廠工序中轉時溫度驟然變化巨大，工件表面產生一層氧化皮，對熱處理效果有很大影響.結合實驗分析，德國接頭熱處理性能較好，這與它的高淬透性密切相關.由于國內接頭生產條件的限制，對選擇鋼材的淬透性應有更高的要求.考慮熱處理工藝性能及價格成本，國內生產廠家另外找到幾種價格更低的35CrMo、42CrMo、40Cr作為替代.參照文獻［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，洛氏硬度達到31.同等條件下，不同批次材料曾經出現硬度值不統一的現象，所以要求每批次生產加工完成熱處理后，抽取公接頭母接頭各5件，精車兩端面，光潔無雜質，用硬度試驗機測量接頭硬度，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.抽樣全部達標.

3 預防措施

問題出現后查閱文獻［8］標準，重新對5種不同外徑的鉆桿進行分類，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調整為1∶8，φ63mm鉆桿接頭螺紋體的小端的直徑比原來要大了3.1mm.準確地加工鉆桿接頭的錐度，對于鉆桿連接的效果非常重要.

如圖5所示：現場使用過的鉆桿圖片，如果只是因為鉆桿螺紋過長或強度不足，是不會出現只傷及絲扣中間2，3扣的，而大小頭兩端都沒有傷到的現象，由以上推斷出現此種現象，只能是人工對上絲扣較少或對錯扣造成的，從取回的幾根鉆桿接頭的化學成分和力學性能分析得出國產42CrMo材料常規性能不合格率幾乎達到100%，粘扣螺紋表面不僅形成很高的接觸壓力，而且在高溫下發生了組織轉變，分析應該是在高接觸應力、高溫、高轉速、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年并末出現粘扣咬扣現象，反映出現場操作人員的素質及技術水平對設備使用技巧存在一定差別.

圖5 現場鉆桿圖Fig.5 Drill site map

針對上述分析，考慮鉆桿螺紋設計，原材料，加工工藝，熱處理等幾個方面的因素，結合文獻［9］，建議從以下4方面進行改進：①保證制造鉆桿接頭材料的質量和正確的熱處理工藝措施，使鉆桿的機械強度符合承載要求.②嚴格按照設計圖樣加工鉆桿，更換成形刀具，數控車床加工提高螺紋的加工精度，公接頭母接頭密封溝槽、螺紋長度相應減小，提高檢驗的頻率和檢驗標準，不斷改進工藝手段和工藝方法，穩定鉆桿質量.③尋找新的表面熱處理的材料及相關工藝，在保證鉆桿整體強度的前提下，有效提高鉆桿螺紋的硬度及壽命.④鉆割項目實施前制定完善的操作規范工藝手冊，現場技術服務人員統一培訓，合理裝卸鉆桿，嚴禁機器同時擰上2根鉆桿.工作中安裝、拆卸鉆桿時，要杜絕用鐵錘敲砸鉆桿母接頭和公接頭，以防鉆桿接頭出現裂痕，造成鉆桿在鉆孔內斷裂.⑤建議操作人員上扣前對鉆桿進行逐根沖洗，人工至少對上4扣或是手動上緊到轉不動為止，打鉆人員調整位置，以便及時掌握鉆桿上緊的情況，做出正確規范的動作.⑥高壓割縫作業前要求把鉆機調試到工作性能良好，機架穩固，且回轉器與夾持器保證中心高一致，且正對鉆孔位置，避免鉆桿受力不均勻.

4 結論

從上述分析可以看出，鉆桿接頭螺紋尺寸設計、材料、熱處理及加工工藝，是影響接頭壽命的重要因素，應引起生產加工廠家的高度重視.現場操作人員的違規操作是另一個造成鉆桿粘扣咬扣的重要因素，如何規范操作，統一培訓，合格后上崗操作才是解決問題的根本.

通過上述改進措施加工出的鉆桿，在現場技術服務工程師的指導培訓下，在多項割縫項目煤礦井下的實際應用中，鉆桿沒有再出現過咬扣的現象.打鉆效率明顯上升，取得客戶的認可，建議在所有高瓦斯低透氣性煤層鉆孔割縫中廣泛推廣，為煤礦解決實際的問題.

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