新型插接式雙螺旋鉆桿的研制

張吉亮，張雙偉，張洪波，王桂敏，姚成武，張峰，王士磊

（山東省煤田地質鉆探工具廠，山東 濟寧 272400）

目前，國內也有幾家單位在研究制造螺旋鉆桿，但是國內在煤層中利用螺旋鉆具鉆進的理論研究程度比較淺，對施工鉆具的加工水平和經驗還不高。為了提高行業發展的經濟效益和安全效果，我們開展了螺旋鉆具及工藝的研究，研制了經濟高效的插接式雙螺旋鉆桿。

插接式雙螺旋鉆，包括公接頭、鉆桿桿體、母接頭以及兩條成螺旋狀結合在桿體和接頭外壁上的螺旋葉片。插接式雙螺旋鉆桿的優點是結構簡單連接方便、穩定性好、安全性高，排屑、排渣速度快，掘進效率高，可以有效避免和減少塌孔、卡鉆及丟鉆現象，延長鉆桿使用壽命，從而有效降低了掘進成本，是一種較為理想的煤層鉆孔使用的螺旋鉆桿。

我們在對螺旋鉆進機理進行研究的基礎上，結合現場具體使用要求及鉆機性能，綜合考慮連接形式、密封要求、鉆桿質量大小、加工方法和可操作性等因素進行新型鉆桿的研制。

圖1

1 鉆桿本體的研制

1．1 材料的選擇

根據《煤田鉆探技術手冊》要求，螺旋鉆桿鉆桿本體質量要求如下：

表1 鉆桿本體機械性能要求

根據材料的性能分析，STM－R780鋼材的淬透性好，晶粒細化，顯微組織均勻、機械性能及可焊性能良好、硬度均勻，符合螺旋鉆桿的要求，因此，鉆桿材料確定為STM－R780。

表2 STM－R780鋼材化學成分（%）

表3 STM－R780力學性能

1．2 鉆桿桿體的加工

鉆桿桿體的一端與母接頭以摩擦焊的形式連接，摩擦焊是利用焊件相對摩擦運動產生的熱量來實現材料可靠連接的一種壓力焊方法。其焊接過程是在壓力的作用下，相對運動的待焊材料之間產生摩擦，使界面及其附近溫度升高并達到熱塑性狀態，隨著頂鍛力的作用界面氧化膜破碎，材料發生塑性變形與流動，通過界面元素擴散及再結晶冶金反應而形成接頭。選取先進的摩擦焊連接的目的也是為了減少加工時間，并且提高了接頭與桿體之間的機械強度，增加扭矩。

鉆桿桿體的另一端為了保證接頭與鉆桿桿體之間的同軸度和公接頭的焊接位置，加工成螺紋的形式與公接頭相連接。

2 接頭的研制

2．1 材料的選取

根據《煤田鉆探技術手冊》要求，螺旋鉆桿接頭性能要求如下：

表4 螺旋鉆桿接頭機械性能要求

根據材料的性能分析，接頭材料確定為40Cr。

表5 40Cr鋼材化學成分（%）

表6 40Cr的力學性能

2．2 鉆桿接頭的加工

2．2．1 接頭調質熱處理

摩擦焊鉆桿接頭調質硬度要求達到HB260－280（即HRC26－29），而調質是淬火加高溫回火的雙重熱處理，其目的是提高工件的綜合機械性能，穩定工件的質量，增加可靠性。調質淬火時，要求工件整個截面淬透，使其得到以細針狀淬火馬氏體為主的顯微組織。通過高溫回火，得到以均勻回火索氏體為主的顯微組織。40Cr調質處理規范：

淬火溫度850℃ ±10℃，油冷；

回火溫度520℃±10℃，水、油空冷。

2．2．2 接頭的加工形式

（1）公接頭的加工

公接頭連接鉆桿母體與母接頭，是影響鉆桿質量的重要因素。在通常的連接形式中螺紋連接結構簡單，加工容易，密封可靠，但缺點是不能反轉，擰卸螺紋時非常困難；而牙嵌式連接近水平放置時齒牙和牙槽對正比較困難，且為保證螺栓承受軸向力的強度，會導致徑向結構尺寸大，影響反渣，擰卸螺栓同樣困難，所以將螺旋鉆桿的連接部分設計為插接式比較可行

首先，我們研究確定了公接頭與母接頭連接的結構為軸向六方對接，徑向螺栓固定形式。六方對接結構可以增加鉆桿連接的緊密度，提高同軸度，同時連接方便快捷，較之絲扣連接的鉆桿，不僅連接速度快，連接緊密度也有所加強，更可實現鉆桿的正反轉，同時，在鉆桿公接頭的前端加有密封圈，確保了鉆桿連接的密閉性。

其次，公接頭與鉆桿桿體之間的連接采用絲扣導向連接形式，并在鉆桿齒口處設計予以扶正接頭的過渡區，從而保證了接頭與鉆桿的同軸度。

（2）母接頭的加工形式

為了配合公接頭，我們選定將母接頭與公接頭連接的一端采用內六方結構形式，母接頭與鉆桿本體的連接采用摩擦焊接技術，每頭的焊接時間較少，只需7～8s的時間，從加工時間到連接強度都有較好的效果。

圖2 鉆桿公接頭

圖3 鉆桿母接頭

2．2．3 接頭的強度計算

螺旋鉆桿的鉆孔深度一般為80m左右，以Φ50mm的螺旋鉆桿為例（螺旋葉片外徑Φ80mm），配合鉆機選用XU－100型鉆機，具體數據如表7。

表7 XU—100型鉆機技術規格

接頭連接處的最大切應力計算公式為：

式中：Mt——扭矩，N·m；

Wt——抗扭截面模數；

τp——材料許用切應力，MPa。

對空心圓管：

式中：α——圓管內外圓直徑之比。

當取D＝50mm 時，α＝0．74，則Wt＝1．75×10－5。

當鉆機扭矩 Mt＝1000N·m，τp＝70MPa，則τmax＝57．14MPa＜τp。

所以接頭處的剪切強度完全滿足使用要求。

接頭連接處的最大擠壓應力計算公式為：

式中：F——軸向擠壓力，N；

A——接頭處的橫截面積，mm2；

［σ］——材料的許用拉應力，MPa。

當取D＝50mm，F＝7840N，材料許用拉應力［σ］＝390MPa。

可見接頭處的抗拉強度也完全滿足使用要求。

3 雙螺旋葉片的纏繞焊接

螺旋鉆桿在鉆進過程中，除傳遞扭矩外，還要刮切、排出鉆孔內的巖煤粉，使鉆進得以正常進行。因此，對螺旋鉆桿的要求是：要有足夠的抗扭強度，易于排粉，耐磨，連接可靠方便，且連接部分不妨礙巖煤粉的排出；在采用濕排粉或風排粉鉆進工藝方法時，可達到輔助排粉、冷卻鉆頭和防火滅塵的效果，所以還要求鉆桿體中心能夠通水通氣，接頭處連接密封可靠，在7MPa水氣壓力條件下不滲漏。

考慮到煤層變化的復雜性，鉆機的轉速可調、范圍寬，螺距導程定為160mm，而雙螺旋的螺距即為80mm。鉆桿長度考慮鉆桿質量大小、心管長度與螺距的匹配、過渡母接頭長度、螺栓定位孔位置等因素確定，鉆桿總長取1600mm。

螺旋葉片選用低錳鋼16Mn制作，截面形狀為梯形，纏繞前需對鋼帶進行對火熱處理，以使材料軟化，改善塑性和韌性，使化學成分均勻化，去除殘余應力，防止纏繞時帶鋼形變過大而斷裂。

纏螺旋用的設備為現有設備自主改裝而成。我們將一加工好的公接頭作為模具固定在卡盤上，并在模具的一邊做一夾緊裝置，用以固定纏螺旋用帶鋼的端部，纏繞時鉆桿母接頭與模具通過六方配合固定，隨卡盤轉動，鉆桿公接頭由車床尾座頂尖頂緊。螺旋葉片用帶鋼通過滑輪支架被鉆桿桿體勻速卷出，帶鋼下表面緊貼鉆桿外表面，支架固定在遛板箱上，隨主軸絲杠勻速滑動。隨著鉆桿的轉動和支架的滑動，實現了帶鋼的螺旋狀纏繞。

4 生產試驗及效果

2010年9月本產品在兗礦集團南屯礦進行生產試驗，與XU－100型鉆機配套使用，試驗采用一次成孔的鉆進工藝，先后鉆進Φ94mm的鉆孔2個，累計進尺159m，其中最深孔位86m，較單螺旋鉆桿鉆進時間減少近1／2，使用效果良好。

5 經濟性分析及應用結論

插接式雙螺旋鉆桿在其使用性和經濟性上較之普通鉆桿都有了很大的提高，不僅能夠滿足螺旋鉆進的要求，傳遞較大的扭矩，并且能夠解決抱鉆時可以反轉退出鉆桿的問題，不會出現抱鉆而掉鉆桿的情況。較之普通鉆桿鉆進速度快，鉆進強度大，插接式連接簡單便捷，節省時間，減少勞動強度。