大直徑天井鉆機(jī)鉆桿螺紋失效分析及改進(jìn)措施

葉海舟

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦， 安徽銅陵市 246131)

大直徑天井鉆機(jī)鉆桿螺紋失效分析及改進(jìn)措施

葉海舟

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦， 安徽銅陵市 246131)

分析大直徑天井鉆機(jī)鉆桿螺紋失效的原因，提出了選擇合理的螺紋形式、螺紋材料、螺紋連接方式以及螺紋表面處理方式和螺紋脂等提高鉆桿螺紋強(qiáng)度和可靠性的措施。生產(chǎn)實(shí)踐證明，這些措施可以顯著提高天井鉆機(jī)鉆桿可靠性，有效減少鉆桿螺紋損傷情況的發(fā)生。

天井鉆機(jī);鉆桿;失效分析;改進(jìn)措施

0 引言

天井鉆機(jī)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為一種成熟的設(shè)備，可以在多種復(fù)雜地質(zhì)條件下一次成型的施工各類天、斜井。但是國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)的發(fā)展一直落后于國(guó)外同類設(shè)備。目前制約國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)發(fā)展的因素，一方面是設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)理念的因素，另一方面就是國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)的可靠性需要進(jìn)一步提高。本文僅針對(duì)國(guó)產(chǎn)天井鉆機(jī)中較常見的對(duì)鉆機(jī)效率影響較大的鉆桿螺紋失效問題做簡(jiǎn)要分析。

天井鉆機(jī)在施工過程中，一旦發(fā)生鉆桿接頭螺紋損傷，輕則導(dǎo)致施工終止，重則導(dǎo)致鉆桿頭斷裂、刀盤墜落。因此，對(duì)天井鉆機(jī)螺紋失效原因做深入研究，提高生產(chǎn)的安全性和可靠性，其經(jīng)濟(jì)效益將是顯著的。

1 大直徑天井鉆機(jī)鉆桿螺紋失效情況綜述

目前生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的螺紋損傷現(xiàn)象主要表現(xiàn)為螺紋牙面損傷、燒扣、粘扣以及由于螺紋破壞導(dǎo)致鉆桿頭斷裂等，分析其原因主要包括以下幾個(gè)方面:

(1)螺紋精度不達(dá)標(biāo)，或臺(tái)階配合達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;

(2)鉆桿材料不達(dá)標(biāo);

(3)天井鉆機(jī)所選用的螺紋不適合天井鉆機(jī)的大扭矩高軸壓工況;

(4)螺紋表面處理不理想;

(5)生產(chǎn)中所選用的螺紋脂不合理。

2 鉆桿螺紋失效原因分析

2.1 鉆桿螺紋受力分析

以當(dāng)前市場(chǎng)占有率較高的國(guó)產(chǎn)AT系列天井鉆機(jī)為例，此型天井鉆機(jī)所用螺紋為標(biāo)準(zhǔn)API NC50系列石油鉆桿標(biāo)準(zhǔn)螺紋，在鉆桿螺紋斷裂事故中主要為外螺紋斷裂，外螺紋斷裂位置在距臺(tái)階面20～30 mm處，失效部位斷口截面光滑，具有明顯的疲勞斷裂特征。API鉆桿螺紋的主要缺點(diǎn)是內(nèi)外螺紋長(zhǎng)度不同，螺紋連接后，必將存在突然減小的截面，臺(tái)階面附近承擔(dān)了主要的載荷，形成了應(yīng)力集中，因而降低了螺紋的強(qiáng)度。根據(jù)鉆桿受力情況建立鉆桿頭受力模型(見圖1)，鉆桿接頭外螺紋臺(tái)階面處幾乎支撐著所有的彎曲應(yīng)力，外螺紋第1牙的載荷高達(dá)40%左右，第2牙25%左右，依次遞減，第7牙以后承受載荷很小。因此臺(tái)階處將產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)螺紋接頭和外螺紋接頭連接的最后1道螺紋附近，斷裂從外螺紋接頭的最后1道螺紋根部發(fā)生，其位置恰為距外螺紋臺(tái)階面20～30 mm的連接螺紋處，螺紋的載荷分布是非線性的，在旋合時(shí)其軸向應(yīng)力的80%由距臺(tái)階面1～3螺紋處來承擔(dān)。實(shí)際發(fā)生的外螺紋斷裂位置也在此處，說明NC50型外螺紋距臺(tái)階20～30 mm處是危險(xiǎn)截面。

圖1 單根鉆桿應(yīng)力分布

2.2 鉆桿螺紋材料分析

鉆桿的服役條件惡劣，在使用過程中要承受拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、振動(dòng)、沖擊等多種載荷的作用。根據(jù)鉆桿的服役條件，要求鉆桿具有較高的強(qiáng)度和良好的塑韌性。為了達(dá)到這一要求，國(guó)外在鉆桿選材及熱處理方面采取了一系列措施，用鋼主要采用4100系列(Cr～Mo系)，主要牌號(hào)有4137H、4140H等。我國(guó)合金鋼系列與美國(guó)合金結(jié)構(gòu)鋼系列差別很大，在GB3077－82中雖然也有Cr－Mo鋼系列，但含碳量和主要合金元素配比與4100系列相差頗大。

以國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鉆桿的主要鋼種35CrMo為例，碳、錳含量與4127H、4140H相差較大，即使采用含碳量較高的42CrMo鋼，由于錳含量較低，淬透性也達(dá)不到4140H的水平。在熱處理工藝方面，國(guó)外鉆桿生產(chǎn)廠普遍采用可控氣氛爐加熱，在鉆桿內(nèi)外表面加工完后進(jìn)行光亮淬火。國(guó)內(nèi)鉆桿熱處理多采用普通空氣爐加熱，淬火時(shí)接頭內(nèi)外表面均留有較大的加工余量，對(duì)熱處理效果有很大的影響。從對(duì)國(guó)內(nèi)外鉆桿熱處理?xiàng)l件的對(duì)比分析可知，國(guó)內(nèi)對(duì)鉆桿用鋼的淬透性應(yīng)比國(guó)外有更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)鉆桿用鋼十分混亂。除一些專業(yè)生產(chǎn)廠采用35CrMo外，一些地方小廠甚至采用45Mn、30CrMnTi等淬透性很差的鋼種，有些甚至不經(jīng)熱處理。

2.3 鉆桿螺紋形式的選擇

經(jīng)過對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)各礦山所用鉆桿螺紋調(diào)查，進(jìn)口鉆機(jī)所用鉆桿螺紋大多為DI系列高扭矩斜梯形螺紋和BECO系列粗牙螺紋，尤其以DI系列螺紋為主，此類螺紋是專門針對(duì)天井鉆機(jī)工作的特殊工況而設(shè)計(jì)的，能夠較好地適應(yīng)高扭矩和大軸壓的工況。而國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)鉆桿螺紋大多依然沿用石油鉆桿API標(biāo)準(zhǔn)，由于天井鉆機(jī)和石油鉆井工況上的巨大差異，導(dǎo)致了在天井鉆機(jī)鉆桿上采用標(biāo)準(zhǔn)API螺紋的局限性和不適應(yīng)性，以至于在生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)螺紋拉傷、粘扣甚至斷裂等嚴(yán)重事故。

2.4 鉆桿螺紋表面處理和螺紋脂的選擇

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鉆桿大多數(shù)選擇了表面不處理的螺紋形式，同時(shí)在選擇螺紋方面，基本上都根據(jù)石油鉆桿螺紋脂的選擇標(biāo)準(zhǔn)來選擇調(diào)配或者選用價(jià)位相對(duì)較低的國(guó)產(chǎn)螺紋脂。由此帶來的直接后果一方面是由于鉆桿在加工后未作表面處理，螺紋表面強(qiáng)度不夠，在惡劣工況下極易出現(xiàn)粘扣等現(xiàn)象，另一方面鉆桿螺紋脂不適應(yīng)天井鉆機(jī)的高扭矩情況，在憋鉆的情況下不能很好的發(fā)揮作用，未能很好的形成保護(hù)油膜，從而因潤(rùn)滑不足導(dǎo)致螺紋損傷。

3 處理措施

針對(duì)天井鉆機(jī)鉆桿螺紋的以上問題，湖南有色重型機(jī)器有限責(zé)任公司做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，取得了顯著的成效，使鉆桿螺紋的可靠性和鉆井效率得到了顯著提高。

3.1 對(duì)天井鉆機(jī)鉆桿螺紋的處理

為了提高鉆桿螺紋強(qiáng)度，改善鉆桿螺紋受力情況，在原鉆桿設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提高螺紋加工精度，保證臺(tái)階面充分接觸。采用這種方式，充分保證臺(tái)階面接觸，公接頭第1～3扣螺紋的應(yīng)力集中降至原方式的1/2左右，使接頭應(yīng)力集中到臺(tái)階面位置，螺紋受力得到了明顯改善(如圖2所示)，鉆桿螺紋損傷的機(jī)率降低了20%。

圖2 高精度螺紋的臺(tái)階面接觸應(yīng)力分布

3.2 鉆桿螺紋材料的選擇

針對(duì)普通鉆桿材料不達(dá)標(biāo)的情況，AT系列鉆桿采用了含碳量相對(duì)較高的ZJ8980鋼，并通過與鋼廠溝通，調(diào)整配比，對(duì)原ZJ8980進(jìn)行了改良，使其淬透性得到了大幅度提高，基本達(dá)到了4140H的水平，應(yīng)用實(shí)踐表明，其完全符合AT系列天井鉆機(jī)的工況要求，鉆桿材料的可靠性達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)水平。

3.3 鉆桿螺紋形式的選擇

通過多年的生產(chǎn)及試驗(yàn)說明，標(biāo)準(zhǔn)API螺紋不完全適用于天井鉆機(jī)，尤其是大直徑天井鉆機(jī)鉆桿擴(kuò)孔時(shí)的高軸壓、高扭矩工況。但是在擴(kuò)孔直徑小于2 m的情況下采用API系列石油鉆桿螺紋雙臺(tái)階形式完全可以適應(yīng)，只有在擴(kuò)孔直徑大于2 m的情況下需要采用大螺距斜梯形螺紋。因此AT系列目前在大直徑天井鉆機(jī)鉆桿上已逐步采用DI系列天井鉆機(jī)螺紋。試驗(yàn)證明，DI系列螺紋在同等工況下螺紋最大集中應(yīng)力大約僅為API系列的1/2左右，能更好地適應(yīng)大直徑擴(kuò)孔工況。

3.4 鉆桿螺紋表面處理和螺紋脂的選擇

由于鉆桿螺紋的表面質(zhì)量在很大程度上影響著鉆桿螺紋的壽命，因此選擇合適的螺紋表面處理方式和合適的螺紋脂是保證螺紋在設(shè)計(jì)壽命期限內(nèi)工作良好的先決條件之一。

目前效果較好也較經(jīng)濟(jì)的方法是提高螺紋表面質(zhì)量，主要包括磷化和鍍銅兩種。磷化具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，而且磷化處理能夠避免螺紋表面與金屬或周圍介質(zhì)直接接觸，改善了螺紋表面接觸條件和受力狀況;其次，磷化膜表面存在微小的顆?？障?，能夠貯存一定量的潤(rùn)滑油，并且由于磷化腐蝕作用，可消除螺紋表面存在的細(xì)微毛刺，起到表面鈍化作用，提高了螺紋表面粗糙度，有利于鉆具螺紋脂的涂抹粘掛，有效改善旋合螺紋的潤(rùn)滑效果。因此，磷化后的鉆具螺紋具有防銹、減磨、防粘扣的功效。石油鉆桿螺紋處理目前已取得了明顯的效果，刺扣、粘扣等現(xiàn)象明顯減少。

另外根據(jù)天井鉆機(jī)的實(shí)際工況選擇合適的螺紋脂也是延長(zhǎng)鉆桿螺紋壽命、減少螺紋粘扣的措施之一。AT系列天井鉆機(jī)在螺紋脂的選擇上不僅局限于現(xiàn)有螺紋脂的選擇，而是根據(jù)天機(jī)鉆機(jī)的實(shí)際工況和對(duì)螺紋脂的特殊要求，與螺紋脂專業(yè)廠家合作開發(fā)出了適合大直徑天井鉆機(jī)鉆桿螺紋的專用螺紋脂。多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，專用螺紋脂能夠在各種工況下有效地保護(hù)鉆桿螺紋，延長(zhǎng)螺紋使用壽命50 h左右。

4 結(jié)論

通過選擇合理的螺紋形式、螺紋材料、螺紋連接方式以及螺紋表面處理方式和螺紋脂可以顯著提高天井鉆機(jī)鉆桿可靠性，有效減少鉆桿螺紋損傷情況的發(fā)生，大大降低天井鉆機(jī)擴(kuò)孔事故的發(fā)生，同時(shí)大幅度提高礦山開拓效率，對(duì)縮小國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)與國(guó)外先進(jìn)水平的差距意義重大。

［1］ 王文云，湯云霞，朱明峰.鉆鋌螺紋失效分析及解決措施［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36(12):45－48.

［2］ 李鶴林，馮耀榮，等.鉆桿接頭和轉(zhuǎn)換接頭材料及熱處理工藝的研究［J］.石油機(jī)械，1992，20(3):1－6.

［3］ 陳湖濱，于建軍.磷化液處理技術(shù)在鉆具螺紋防護(hù)中的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2009，(3):56－57.

2011－09－21)

葉海舟(1968－)，男，安徽桐城人，工程師，從事設(shè)備管理工作。