深孔繩索取心鉆桿質(zhì)量控制措施

張麗君，彭 莉，呂紅軍

(1.地質(zhì)礦產(chǎn)部無錫鉆探工具廠，江蘇 無錫214174;2.寧廈地礦物資裝備管理中心，寧廈 銀川750021)

0 引言

鉆桿是向井底鉆頭傳遞破巖所需壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩的工具，是輸送沖洗介質(zhì)的通道。鉆桿在鉆進(jìn)過程中的工作條件十分復(fù)雜，往往是整個(gè)鉆探設(shè)備與工具組合中比較薄弱的環(huán)節(jié)，鉆桿能否正常、可靠地工作，是鉆探施工能否正常進(jìn)行的關(guān)鍵，是深孔鉆探必須解決的問題之一。目前鉆桿之間的連接方式普遍采用螺紋連接，作為一根細(xì)長壁薄的鋼管桿體，在正常鉆進(jìn)施工中，鉆桿承受著壓、拉、扭、彎復(fù)雜的交變應(yīng)力，工況極其復(fù)雜。超過一定孔深之后，鉆桿柱會因?yàn)槌^其承載極限而發(fā)生破壞，當(dāng)鉆桿頻繁折斷，無法正常鉆進(jìn)時(shí)，通常以此孔深作為鉆桿極限鉆進(jìn)深度。近年來深孔(深度＞2000 m)鉆探工作量不斷增加，部分鉆孔深度＞2500 m甚至3000 m。國產(chǎn)繩索取心鉆桿因受原材料鋼級、螺紋連接強(qiáng)度以及加工質(zhì)量精度的限制，鉆進(jìn)深度往往不能滿足深孔施工的要求，施工單位只能依靠進(jìn)口國外繩索取心鉆具，這不僅消耗大量外匯，增加施工成本，有時(shí)會因供貨周期影響施工進(jìn)度。

為發(fā)展國內(nèi)鉆探事業(yè)，提高國產(chǎn)鉆探裝備水平，相關(guān)科研單位、鉆具生產(chǎn)廠家都已經(jīng)積極開展了超深孔繩索取心鉆具的研究和試制，目前已取得重大進(jìn)展，如安徽省地礦局313地質(zhì)隊(duì)2010年使用國產(chǎn)的CNH(T)鉆桿創(chuàng)造2706.68 m小口徑繩索鉆探孔深紀(jì)錄，由山東省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)承擔(dān)的小口徑繩索科學(xué)鉆探施工項(xiàng)目的鉆進(jìn)深度已達(dá)到3265 m(截止2012年6月8日)，截止到發(fā)稿該孔仍在施工中。

1 影響鉆桿使用強(qiáng)度的因素

繩索取心施工中影響鉆進(jìn)深度的主要因素有鉆孔級配、施工工藝的規(guī)劃、鉆桿鉆具的使用壽命。其中，鉆桿使用強(qiáng)度是決定鉆孔深度的關(guān)鍵因素之一。影響鉆桿使用強(qiáng)度的因素主要包括:鉆桿結(jié)構(gòu)、螺紋參數(shù)、鉆桿體材料、熱處理工藝的控制、機(jī)加工精度控制等。

1.1 深孔繩索鉆桿結(jié)構(gòu)、連接螺紋參數(shù)選擇

1.1.1 繩索鉆桿結(jié)構(gòu)方式的選擇

目前繩索鉆桿結(jié)構(gòu)有3種形式:公母接頭螺紋連接式、公母接頭摩擦焊接式、整體直連式?？紤]到提高鉆桿使用壽命，降低鉆探成本，同時(shí)可以選用優(yōu)質(zhì)鋼材制作鉆桿接頭，因此公母接頭螺紋連接形式被廣泛生產(chǎn)使用。

整體直連式繩索鉆桿是在每根鉆桿的兩端分別加工公母螺紋，與接頭式鉆桿相比，一方面減少了桿體與公母接頭之間的螺紋連接，大大降低了因螺紋斷裂發(fā)生事故的概率，另一方面，也提高了鉆桿之間的同軸度。但由于鉆進(jìn)和提鉆時(shí)，頻繁擰卸鉆桿，往往會由于螺紋損壞而致使整根鉆桿不能使用，使用成本相對于帶接頭的鉆桿要高，目前國產(chǎn)鉆桿采用這種連接方式結(jié)構(gòu)方式的不多。

公母接頭摩擦焊接式鉆桿，由于摩焊鉆桿的同軸度不高，再加上繩索鉆桿管壁比較薄，焊接面積較少，很難保證摩擦焊焊縫的整體強(qiáng)度，所以該種連接方式的繩索鉆桿只在國內(nèi)東北地區(qū)的少數(shù)1000 m以淺的鉆進(jìn)施工中使用。

由于繩索鉆桿桿體壁厚比較薄，在鉆桿體上直接加工螺紋，螺紋強(qiáng)度比較低，無法滿足深孔施工的強(qiáng)度要求，因此，深孔繩索鉆桿大都采用桿體端部加厚、接頭外徑增大方式來提高鉆桿強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)等強(qiáng)度理論及鉆具結(jié)構(gòu)來確定鉆桿端部加厚尺寸。

1.1.2 螺紋參數(shù)的選擇

鉆桿連接螺紋參數(shù)也是影響鉆桿強(qiáng)度的主要因素，為了在現(xiàn)有管材壁厚的基礎(chǔ)上最大限度的提高螺紋承載強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)通過計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算、有限元分析，確定螺紋參數(shù)(螺紋錐度、牙高、牙形角、旋合長度、手?jǐn)Q緊密距)。同時(shí)，經(jīng)過螺紋小樣接頭的試制，經(jīng)拉伸、扭轉(zhuǎn)和沖擊等機(jī)械強(qiáng)度測試，進(jìn)行對比分析后才確定了適合深孔鉆進(jìn)的螺紋參數(shù)。其中，螺紋牙深、螺紋長度較普通鉆桿都有所加深，螺紋錐度充分考慮危險(xiǎn)斷面的承載強(qiáng)度、螺紋端面楔角密封還考慮了螺紋子口的臺階密封性，大大增強(qiáng)了鉆桿的動態(tài)受力密封性能。

以CNH(T)鉆桿螺紋為例，CNHT鉆桿采用加強(qiáng)型螺紋;CNH(T)鉆桿采用不對稱負(fù)角度螺紋，可以有效防止鉆桿螺紋之間脫扣。CNH(T)鉆桿螺紋參數(shù):

(2)螺紋牙高:1.2 mm;

(3)螺距:8 mm;

(4)螺紋長度:50 mm，螺紋錐度1∶22;

(5)密封楔角:15°。

1.2 鉆桿體材料

國內(nèi)繩索取心鉆桿一般選用45MnMoB、30CrMnSiA等合金鋼無縫鋼管制造，45MnMoB為非調(diào)質(zhì)鋼管作為鉆桿體，一般與調(diào)質(zhì)后的30CrMnSiA接頭配套使用。該類鉆桿適用于鉆進(jìn)800～1200 m的孔深。

近年來國內(nèi)隨著冶煉技術(shù)的不斷進(jìn)步，適合作為繩索鉆桿的薄壁高鋼級無縫鋼管相繼開發(fā)，為生產(chǎn)深孔繩索鉆桿邁出了關(guān)鍵的一步;另外鉆桿體整體調(diào)質(zhì)工藝日趨成熟，鉆桿體經(jīng)過調(diào)質(zhì)后，提高了鉆桿的綜合機(jī)械性能，從而大大提高了鉆桿抗扭強(qiáng)度和抗彎疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和耐磨性。目前，國內(nèi)已經(jīng)研制出綜合性能更好的ZT850高鋼級精密無縫管材。表1列出了嘉興新紀(jì)元鋼管制造有限公司生產(chǎn)的XJY850(相當(dāng)于42CrMoA)與30CrMnSiA部分機(jī)械性能的比較。

表1 常用繩索取心鉆桿管材性能

從表1可以看出，30CrMnSiA與XJY850在強(qiáng)度方面相接近，但是XJY850延伸率及沖擊功均優(yōu)于30CrMnSiA，該材料的韌性較好，更適用于深孔繩索取心鉆桿施工工況。

2 深孔繩索取心鉆桿質(zhì)量控制

鉆井施工深度的不斷加深是通過鉆桿不斷連接而成的，因此要求每根鉆桿都要達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求，必須保證批量鉆桿質(zhì)量穩(wěn)定，才能達(dá)到鉆進(jìn)深孔的目的。鉆桿原材料成分組織、形位公差、熱處理結(jié)果及機(jī)加工精度等任何一個(gè)環(huán)節(jié)都對最終的質(zhì)量合格與否起到重要作用，要對鉆桿質(zhì)量加以控制，要求生產(chǎn)企業(yè)必須編制完善的加工工藝流程，確定有效的檢測方法和檢測手段，配置相應(yīng)的測量器具，才能有效控制鉆桿質(zhì)量。

2.1 原材料控制

原材料質(zhì)量是影響鉆桿質(zhì)量關(guān)鍵因素之一，對原材料的檢測主要包括金屬材料化學(xué)成分、組織級別、冶煉、軋制缺陷、尺寸偏差等。

2.1.1 金屬材料化學(xué)成分及組織檢測

即使同一牌號的鋼材，不同冶煉廠、不同爐號所生產(chǎn)的鋼材其化學(xué)成分及微觀組織都有所差別。工藝控制比較嚴(yán)格的鋼廠，產(chǎn)出的鋼材質(zhì)量比較穩(wěn)定。為保證采購到質(zhì)量穩(wěn)定的原材料，必須通過對鋼廠進(jìn)行綜合調(diào)研，對原材料和熱處理后的機(jī)械性能進(jìn)行對比，最終確定原材料的供應(yīng)商。

對采購進(jìn)廠的鋼管每批次都進(jìn)行抽樣化學(xué)成份分析，要求其化學(xué)成分含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》(GB/T 222－2006)，同時(shí)要求鋼管每爐的化學(xué)成份分散性要小，這樣有利于調(diào)質(zhì)處理后產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。抽樣檢驗(yàn)主要包括:鋼管成品橫截面在酸浸低倍試片上不得有白點(diǎn)、縮孔殘余、分層、裂紋、翻皮、氣泡、偏析及金屬夾雜物。非金屬夾雜物不得大于三級，鐵素體帶狀在100倍下不得大于三級。

2.1.2 管材尺寸偏差及形位公差的檢測

繩索取心鉆桿用的鋼管應(yīng)滿足《鉆探用無縫鋼管》(GB/T 9808－2008)的標(biāo)準(zhǔn)要求，其尺寸偏差值可以通過常規(guī)量具檢測。對繩索取心鉆桿質(zhì)量影響比較大的是管材的形位公差，主要為管材的直線度、圓度、內(nèi)外圓同軸度(壁厚均勻度)、通徑要求等。

管材的直線度反映鉆桿彎曲程度，直線度不好不僅造成鉆桿偏磨，同時(shí)影響鉆桿螺紋加工質(zhì)量，一般要求優(yōu)質(zhì)繩索取心鉆桿彎曲度≯0.7 mm/m。鋼廠采用新型的多輥(11輥)高強(qiáng)度矯直機(jī)矯直，切除預(yù)留的頭尾，可以達(dá)到出廠鋼管的直線度要求。

為了保證深孔用高強(qiáng)度繩索取心鉆桿體強(qiáng)度，鉆桿體需要整體調(diào)質(zhì)處理，無加厚鉆桿直接采用在線中頻調(diào)質(zhì)工藝，調(diào)質(zhì)后采用多輥矯直機(jī)矯直。對于端部加厚鉆桿，常采用井式爐懸掛式整體熱處理，熱處理時(shí)要注意管體裝爐方式，切忌平放。熱處理后的管體用液壓機(jī)矯直進(jìn)行點(diǎn)校直，保證直線度滿足設(shè)計(jì)要求。直線度一般采用V形塊檢測法測量，也可以用平直尺及塞規(guī)檢測。

由于繩索取心鉆桿內(nèi)孔要通過內(nèi)管總成，因此要對鉆桿全長進(jìn)行通徑檢驗(yàn)。通棒直徑為鉆桿最小公稱內(nèi)徑減1.0 mm，長度300 mm，通棒應(yīng)能自由通過鋼管內(nèi)徑。

2.2 熱處理要求及檢測

管材經(jīng)過熱處理可以提高綜合性能，滿足鉆桿特殊性能要求。深孔用高強(qiáng)度鉆桿體和接頭都必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

理論研究中，將管材在不同溫度下進(jìn)行正火處理，得到不同晶粒尺寸的顯微組織，然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，晶粒細(xì)化，再取樣進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，利用掃描電鏡對沖擊試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，研究夾雜物和晶粒尺寸對管材沖擊韌性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小部分試樣以夾雜物起裂，大多數(shù)沖擊試樣斷口起裂源處未發(fā)現(xiàn)有夾雜物，其主要原因是室溫下試樣沖擊斷裂的臨界事件是微裂紋穿過晶界擴(kuò)展引發(fā)解理斷裂，因此晶粒尺寸是決定調(diào)質(zhì)鉆桿沖擊韌性的主要因素。沖擊韌性反映了材料在高速沖擊載荷作用下抵抗斷裂的能力，是材料重要的力學(xué)性能之一，因此沖擊韌性也是評價(jià)鉆桿性能的重要指標(biāo)之一。影響材料沖擊韌性的因素很多，主要有晶粒尺寸，夾雜物以及熱處理狀態(tài)等。調(diào)質(zhì)鉆桿通過對金相組織及有害物質(zhì)(雜質(zhì))的控制來保證鉆桿的沖擊韌性。調(diào)質(zhì)過后的鉆桿，對于其金相組織檢驗(yàn)要求回火索氏體含量≥85%，晶粒度≥7級，以此確保獲得較高的綜合機(jī)械性能。

硬度是衡量材料軟硬的一個(gè)指標(biāo)，硬度值是金屬材料局部體積內(nèi)抵抗塑性變形的能力。一般來說，硬度高的材料耐磨性好，強(qiáng)度也比較高，但過高的硬度也會影響到材料的韌性。實(shí)踐證明鉆桿及鉆桿接頭調(diào)質(zhì)后的硬度控制在HRC28～32比較合適。

管材調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)過程中，回火工藝確定取決于淬火件硬度及設(shè)計(jì)要求，因此淬火及回火后的材料都要取樣檢測硬度，以便保證調(diào)質(zhì)后的產(chǎn)品合格率。為保證調(diào)質(zhì)處理質(zhì)量，淬火時(shí)裝爐量要保證工件整體受熱均勻，不能裝得太多，回火時(shí)溫度要恒定，裝爐件數(shù)較淬火時(shí)可以多裝一些。

管材調(diào)質(zhì)處理后理想的金相組織是回火索氏體含量≥95%，晶粒度8～9級。

30CrMnSiA檢測結(jié)果如圖1、圖2所示。XJY850檢測結(jié)果如圖3、圖4所示。

2.3 螺紋加工與檢測

圖1 30CrMnSiA熱處理前

圖2 30CrMnSiA熱處理后

圖3 XJY850材料熱處理前

圖4 XJY850材料熱處理后

目前鉆桿螺紋大都由數(shù)控車床加工，加工時(shí)使用的刀具有2種:一種是成型刀;另一種是使用角度成型車刀，加工時(shí)由程序進(jìn)行中徑補(bǔ)償?，F(xiàn)在的螺紋成型刀具已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，刀具可以集中生產(chǎn)。采用鍍鈦硬質(zhì)合金刀具提高切削速度可以提高螺紋粗糙度，刀具壽命長，提高生產(chǎn)效率。

為了保證螺紋機(jī)加工精度和互換性，鉆桿螺紋必須逐個(gè)經(jīng)過螺紋量規(guī)檢驗(yàn)。每種螺紋檢測需有八件螺紋量規(guī):四件環(huán)規(guī)，四件塞規(guī)，分別用于檢驗(yàn)公母螺紋的大徑、小徑、牙形齒寬(通、止)。

用螺紋量規(guī)來檢驗(yàn)螺紋時(shí)，要注意螺紋表面質(zhì)量，如:表面粗糙度＜3.2 μm、螺紋尖角符合要求、螺紋退刀長度、去除毛刺等，否則影響測量精度。測量時(shí)掌握螺紋量規(guī)旋緊力度。

設(shè)計(jì)螺紋量規(guī)時(shí)考慮鉆桿螺紋副手?jǐn)Q緊密距，一般要求手?jǐn)Q緊密距為0.5～1.5 mm。檢測時(shí)注意螺紋量規(guī)使用要求，掌握正確使用方法。

2.4 接頭螺紋的強(qiáng)化處理

接頭螺紋經(jīng)鎳磷化學(xué)鍍處理后可提高表面硬度，增強(qiáng)耐磨性，防止粘扣。鎳磷鍍層厚度0.02～0.04 mm，硬度HV850～950。對鎳磷化學(xué)鍍后的外觀、鍍層厚度、硬度及鍍層的結(jié)合力要進(jìn)行相應(yīng)的檢測。

3 鉆桿性能綜合測試

鉆桿性能試驗(yàn)主要測試鉆桿螺紋連接處的抗拉、抗扭、密封性能等，在改進(jìn)設(shè)計(jì)、更換材料供應(yīng)商、改進(jìn)加工工藝方法后，都必須做鉆桿性能綜合測試。鉆桿樣品必須嚴(yán)格根據(jù)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求，具有代表性。

3.1 抗拉試驗(yàn)

CNH(T)鉆桿螺紋抗拉試驗(yàn)在WA－1000C試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。測試樣品為CNHT鉆桿接頭螺紋:

材質(zhì):XJY850;

試樣尺寸(外徑×厚度):74.00 mm×8.00 mm;

調(diào)質(zhì)處理狀態(tài):HRC28～32。

測試數(shù)據(jù)如下:

最大力:741.04 kN;

抗拉強(qiáng)度:1005 MPa;

伸長率:13.0%;

斷口位置:公扣大端受力的第一牙。

3.2 抗扭試驗(yàn)

CNH(T)鉆桿螺紋抗扭試驗(yàn)在扭力機(jī)上進(jìn)行。樣品公母扣各1根，加絲扣油擰緊，連接后長度≮1 m。夾緊在扭力試驗(yàn)機(jī)的兩端，測試時(shí)母扣端桿體用鏈板固定在V形槽中，液壓大鉗夾緊公扣的加厚段，大鉗用保險(xiǎn)帶承受反扭矩，液壓系統(tǒng)與微機(jī)關(guān)聯(lián)，轉(zhuǎn)動傳感器與鉆桿上端關(guān)聯(lián)。緩慢加載，設(shè)定扭力測試點(diǎn)。經(jīng)試驗(yàn)，CNH(T)鉆桿靜扭矩達(dá)到12000 N·m時(shí)，螺紋副完好無損。

3.3 密封性檢驗(yàn)

深孔鉆進(jìn)時(shí)，配置泥漿泵泵壓比較高，最高可達(dá)12 MPa，因此要提高鉆桿密封性要求。繩索鉆桿密封性檢驗(yàn)在WA－1000C試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將鉆桿接頭夾持在試驗(yàn)機(jī)上，接頭一端連接在試水壓裝置上。在無拉力狀態(tài)下的靜密封壓力可達(dá)20 MPa，保壓10 min螺紋無滲漏，當(dāng)加大拉力后4 MPa水壓下，鉆桿接頭螺紋可以承受590 kN的拉力，6 MPa水壓下，該鉆桿接頭螺紋可以承受430 kN的壓力。保壓5 min，螺紋連接部位無滲水現(xiàn)象。

4 結(jié)語

深孔繩索取心鉆進(jìn)用鉆桿既要從鉆桿結(jié)構(gòu)、螺紋參數(shù)、材料選擇等方面進(jìn)行研究，也要完善鉆桿加工工藝。無論是原材料進(jìn)廠，還是在加工過程中，每道工序都要檢測(全檢或抽樣檢查)，只有加強(qiáng)事前、事中、事后全過程的質(zhì)量控制，才能保證最終生產(chǎn)出高品質(zhì)鉆桿。嚴(yán)格的質(zhì)量管理控制，才能保證產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定，防止不合格品流入下道工序，杜絕不合格品流入市場。

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