“骨筋”特性仿生鉆桿公接頭斷裂防掉技術(shù)

董昌樂

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

煤炭行業(yè)作為我國重要的傳統(tǒng)能源行業(yè)，是國家能源安全基石[1-3]，煤炭安全高效開采對(duì)保障能源安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保持社會(huì)穩(wěn)定意義重大。煤炭開采過程中面臨瓦斯、突水、沖擊地壓等災(zāi)害的威脅，煤礦井下坑道鉆探是煤礦治理瓦斯、防治水害、消減地應(yīng)力等災(zāi)害的主要技術(shù)手段[4-7]，鉆桿是鉆探施工必不可少的機(jī)具，也是煤礦重要資產(chǎn)之一[8-9]。

在鉆探施工過程中，鉆桿將鉆機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞給鉆頭，承受著給進(jìn)力、起拔力、扭矩、彎曲等多種復(fù)雜交變載荷，極易發(fā)生疲勞斷裂[10-13]。鉆桿斷裂會(huì)導(dǎo)致鉆探施工的中止，需將因斷裂而掉落在孔內(nèi)的鉆桿撈出后方可繼續(xù)鉆進(jìn)[14-16]，影響了施工效率，增加了生產(chǎn)成本和周期，若打撈不成功，還會(huì)造成鉆桿掉鉆，導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢，遺落在孔內(nèi)的鉆桿更會(huì)給后續(xù)的煤層回采作業(yè)帶來安全隱患。因此，如何解決鉆桿斷裂導(dǎo)致的掉鉆難題已成為鉆孔安全高效施工的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)、外學(xué)者均從提高鉆桿承載能力的角度出發(fā)，開展更優(yōu)力學(xué)性能的材料開發(fā)、接頭結(jié)構(gòu)與螺紋牙型設(shè)計(jì)優(yōu)化、以及螺紋表面處理技術(shù)等多方面研究，取得了積極效果，一定程度上延長了鉆桿使用壽命。但是，上述研究并未根本解決鉆桿的隨機(jī)斷裂及由此帶來的掉鉆問題。

近些年來，隨著仿生學(xué)的不斷發(fā)展，仿生結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。“骨筋”結(jié)構(gòu)是動(dòng)物普遍的生理結(jié)構(gòu)之一，骨是剛性連接體，支撐著動(dòng)物主干，筋（骨髓）存在于骨松質(zhì)腔隙和長骨腔內(nèi)，是柔性連接體，“骨筋”耦合結(jié)構(gòu)支撐著動(dòng)物的各種活動(dòng)。日常生活中，動(dòng)物受外力出現(xiàn)的“打斷骨頭連著筋”現(xiàn)象形象地表明了“骨筋”結(jié)構(gòu)的連接特性。為此，考慮到研究的鉆桿公接頭斷裂防掉的連接特性與動(dòng)物“骨斷筋連”的連接特性具有一定相似性，總結(jié)分析鉆桿斷裂特點(diǎn)，借鑒動(dòng)物“骨筋”連接特性，提出公接頭斷裂防掉方案，設(shè)計(jì)具有“骨筋”特性的仿生公接頭，并試制了鉆桿試樣，進(jìn)行全尺寸實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證防掉連接可靠性，為解決因鉆桿公接頭斷裂導(dǎo)致的掉鉆難題提供了新思路。

1 鉆桿斷裂特點(diǎn)

礦用鉆桿是由規(guī)格相同的公、母接頭與桿體通過摩擦焊接而形成的，公、母接頭設(shè)有能夠相互嚙合的公接頭外螺紋和母接頭內(nèi)螺紋。施鉆過程中，鉆桿逐根相連以滿足鉆孔延伸的需求。由于礦用鉆桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，公、母接頭螺紋部位存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，是發(fā)生斷裂高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。對(duì)近5 年期間參與處理的122 次鉆桿斷裂情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，鉆桿公接頭外螺紋、母接頭內(nèi)螺紋、摩擦焊縫區(qū)域及桿體等位置斷裂次數(shù)分別為98 次、18 次、5 次和1 次，斷裂次數(shù)占比分別為80.3%、14.8%、4.1%和0.8%。由此可見，解決鉆桿斷裂導(dǎo)致的掉鉆問題重點(diǎn)是研究公接頭外螺紋斷裂后的防掉技術(shù)。

通過礦用鉆桿常見斷裂形貌可知，鉆桿斷裂位置位于公接頭大端螺紋退刀槽附近，且公接頭斷裂后，小端螺紋部位依然嚙合于母接頭內(nèi)螺紋并形成連接體。現(xiàn)有技術(shù)條件下，鉆桿斷裂后，為了將遺留在孔內(nèi)的鉆桿撈出，通常下入絲錐進(jìn)行打撈，絲錐打撈示意圖如圖1。

圖1 絲錐打撈示意圖Fig.1 Schematic diagram of tap fishing

打撈原理是用絲錐與殘留在母接頭內(nèi)的斷裂公接頭水眼的內(nèi)壁攻絲造扣形成連接體2（圖中紅色框線部位），通過連接體1（圖中綠色框線部位）和連接體2 的共同作用，將遺落在孔內(nèi)的鉆桿全部提出孔外。

2 仿生公接頭方案

在分析公接頭斷裂形貌和絲錐打撈方式的基礎(chǔ)上，借鑒動(dòng)物“骨筋”連接特性，將公接頭外螺紋視為“骨”，其與母接頭內(nèi)螺紋的嚙合體承受施鉆過程中的各種載荷，同時(shí)，在公接頭內(nèi)孔設(shè)置自鎖連桿“筋”，該自鎖連桿兩端分別被公接頭大端螺紋兩側(cè)軸向限位，從而形成“骨筋”連接特性。“骨筋”特性仿生公接頭示意圖如圖2，“骨筋”特性仿生公接頭斷裂防掉示意圖如圖3。

圖2 “骨筋”特性仿生公接頭示意圖Fig.2 Schematic diagram of bionic male joint with“bone tendon” characteristics

圖3 “骨筋”特性仿生公接頭斷裂防掉示意圖Fig.3 Schematic diagram of “bone tendon” characteristic bionic male joint fracture prevention and detachment

設(shè)計(jì)的自鎖連桿為T 型中空結(jié)構(gòu)，其左側(cè)與公接頭本體內(nèi)壁通過螺紋連接固定，右側(cè)被公接頭臺(tái)階孔軸向限位，中空結(jié)構(gòu)以使水、空氣等流體介質(zhì)通過。可以看到，當(dāng)公接頭大端螺紋（骨）斷裂，在T 型自鎖連桿（筋）的連接作用下，斷開的公接頭小端螺紋不會(huì)脫離公接頭，仿生公接頭仍能保持軸向連接，實(shí)現(xiàn)“骨斷筋連”效果。此外，由于T 型自鎖連桿（筋）完全內(nèi)裝于公接頭本體，因此，仿生公接頭的使用不會(huì)影響鉆桿的加接與擰卸等作業(yè)，也不會(huì)增加鉆桿的使用流程。

正常施鉆時(shí)，仿生公接頭與常規(guī)公接頭功能相同，公、母接頭螺紋嚙合體承受鉆機(jī)輸出的動(dòng)力，由于T 型自鎖連桿與公接頭之間采用間隙配合，因此，自鎖連桿不受力，保證了自鎖連桿的可靠性；若施鉆過程中仿生公接頭大端螺紋（骨）斷裂，其小端螺紋部位仍嚙合于母接頭內(nèi)螺紋形成連接體1（圖3 中綠色框線部位），T 型自鎖連桿（筋）形成連接體2（圖3 中紅色框線部位），故可利用自鎖連桿將斷裂處以深的鉆桿提出，有效解決公接頭斷裂后的掉鉆問題，保證了鉆孔安全高效施工。

3 自鎖連桿結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計(jì)方法

自鎖連桿（筋）是“骨筋”特性仿生公接頭的重要組成部分，也是保證仿生公接頭大端螺紋（骨）斷裂后能夠安全地將孔內(nèi)鉆具提出的核心部件。自鎖連桿的總體設(shè)計(jì)原則是在保證過水量的前提下，綜合考慮自身連接強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)公接頭本體帶來的強(qiáng)度影響。自鎖連桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 自鎖連桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of self-locking connecting rod structure

如圖4（a），d為自鎖連桿內(nèi)孔孔徑，決定了鉆桿的過水能力，d值越小，沿程水力損失越大，沖洗介質(zhì)攜粉能力越差，容易引起鉆渣積聚，導(dǎo)致孔內(nèi)事故，d值可以參考相同規(guī)格常規(guī)鉆桿的公接頭通徑；d2為自鎖連桿外徑，決定了公接頭通徑，d2值越大，公接頭通徑越大，對(duì)公接頭外螺紋強(qiáng)度影響也越大，但d2值越小，d1值隨之減小，螺紋牙底厚度降低，螺紋連接強(qiáng)度越低；L為自鎖連桿限位圓臺(tái)長度，L越長，抗剪切能力越強(qiáng)，但所需公接頭限位臺(tái)階孔長度越大，對(duì)公接頭外螺紋強(qiáng)度影響也越大。因此，自鎖連桿參數(shù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是確定d2和L的最小取值。

如圖4（b），為了保證螺紋部位連接強(qiáng)度及盡量減小安裝自鎖連桿所需的公接頭孔徑，螺紋牙型優(yōu)選低牙高矩形螺紋。自鎖連桿的連接能力取決于螺紋部位的連接能力和限位圓臺(tái)抗剪切能力，螺紋部位的連接能力包括螺紋抗拉能力和螺紋抗剪切能力，按下列公式進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核：

式中：F1為自鎖連桿螺紋抗拉能力，N；F2為自鎖連桿螺紋抗剪切能力，N；F3為自鎖連桿限位圓臺(tái)抗剪切能力，N；L為自鎖連桿限位圓臺(tái)長度，mm；p為自鎖連桿材料抗拉強(qiáng)度，MPa；d1為自鎖連接螺紋牙底直徑，mm；d為自鎖連桿孔徑，mm；d2為自鎖連桿桿徑，mm；n為完整螺紋牙數(shù)，取6～10；h為自鎖連桿螺紋牙高，mm；P為自鎖連桿螺紋螺距，mm；[τ] 為自鎖連桿螺紋牙許用剪切應(yīng)力，MPa；σ為自鎖連桿材料抗剪強(qiáng)度，MPa；[S] 為安全系數(shù)，取1～3；α為材料剪應(yīng)力與拉應(yīng)力比值，鋼取0.8～1。

3.2 設(shè)計(jì)案例

以?73 mm 常規(guī)鉆桿為例，適配鉆機(jī)扭矩≤6 kN·m，起拔力≤180 kN，公接頭通徑?20 mm。基于仿生公接頭自鎖連桿設(shè)計(jì)方案，取2 倍安全系數(shù)，螺紋抗拉能力、抗剪切能力及限位圓臺(tái)抗剪切能力均應(yīng)≥180 kN；自鎖連桿孔徑d=20 mm，選用42CrMo，該材料廣泛用于礦用鉆桿接頭加工，具有良好的強(qiáng)韌性匹配，淬透性較好，無明顯的回火脆性，經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后抗拉強(qiáng)度p=1 080 MPa；螺紋選用h=1 mm、P=4 mm 的矩形牙型，[S]=2，α=0.8，n=6。

將F1≥180 kN 及相關(guān)參數(shù)代入式（1）和式（6），計(jì)算得出d1≥28.7 mm，d2≥30.7 mm；將F2≥180 kN 及相關(guān)參數(shù)代入式（2）、式（4）～式（6），計(jì)算得出d1≥22.1 mm，d2≥24.1 mm。因此，自鎖連桿螺紋連接強(qiáng)度同時(shí)滿足抗拉能力和抗剪切能力的條件，應(yīng)取：d1≥28.7 mm，d2≥30.7 mm；將F3≥180 kN、d2=30.7 mm 及相關(guān)參數(shù)代入式（3），計(jì)算得出L≥9.1 mm。

綜上，在設(shè)計(jì)實(shí)物時(shí)，將各參數(shù)取整，即d1=29 mm，d2=31 mm，L=10 mm，并代入上述公式，計(jì)算可得自鎖連桿理論抗拉能力為374 kN。

4 鉆桿性能試驗(yàn)

根據(jù)“骨筋”特性仿生鉆桿公接頭方案和自鎖連桿設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并試制了?73 mm 仿生鉆桿。為了驗(yàn)證鉆桿性能，分別采用數(shù)控扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)和臥式拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行?73 mm 仿生鉆桿抗扭能力試驗(yàn)、抗拉能力試驗(yàn)和鉆桿扭斷后的二次抗拉試驗(yàn)。

鉆桿試樣共4 根，分為2 組，標(biāo)號(hào)1-1、1-2、2-1 和2-2，其中1-1 和1-2 連接體先進(jìn)行抗扭能力試驗(yàn)，連接體扭斷后再進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，分別檢驗(yàn)鉆桿的抗扭能力和扭斷后的二次抗拉能力（即自鎖連桿的抗拉能力）；2-1 和2-2 的連接體進(jìn)行抗拉能力試驗(yàn)，檢驗(yàn)鉆桿的抗拉能力。具體試驗(yàn)方案為：①鉆桿抗扭能力試驗(yàn)：1-1、1-2 鉆桿手緊連接后，一端被扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)固定軸夾緊固定，另一端通過旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行加載，角度加載速率設(shè)定為9°/min；②鉆桿抗拉能力試驗(yàn)：2-1、2-2 鉆桿手緊連接后，一端被拉力試驗(yàn)機(jī)固定軸夾緊固定，另一端通過移動(dòng)軸進(jìn)行位移加載，位移加載速率設(shè)定為 20 mm/min；③鉆桿二次抗拉試驗(yàn)：將扭斷后的1-1 與1-2 連接體再次進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，檢驗(yàn)鉆桿斷裂后的二次抗拉能力，拉力加載方式與試驗(yàn)②相同。

鉆桿抗扭能力試驗(yàn)曲線如圖5，鉆桿抗拉能力試驗(yàn)曲線如圖6，鉆桿公接頭扭斷后抗拉試驗(yàn)曲線如圖7。

圖5 鉆桿抗扭能力試驗(yàn)曲線Fig.5 Test curve of drill pipe torsion resistance

圖6 鉆桿抗拉能力試驗(yàn)曲線Fig.6 Test curve for tensile strength of drill pipe

圖7 鉆桿公接頭扭斷后抗拉試驗(yàn)曲線Fig.7 Tensile test curve of drill pipe male joint after twisting and breaking

試驗(yàn)結(jié)果表明：①?73 mm 仿生鉆桿抗扭能力達(dá)到20.12 kN·m、抗拉能力約1 444 kN，鉆桿抗扭能力與抗拉能力分別為ZDY6000LD 鉆機(jī)額定扭矩、額定拉力的3.35 倍和8.02 倍，滿足礦用鉆桿抗扭能力、抗拉能力與鉆機(jī)額定扭矩、額定拉力3 倍和5 倍的安全系數(shù)要求，可以保障鉆桿的使用壽命；②鉆桿斷裂位置均位于公接頭螺紋根部，但由于自鎖連桿的存在，公接頭扭斷后鉆桿連接體并未脫離，說明仿生鉆桿在公接頭斷裂后具有防掉效果；③ 鉆桿扭斷后的二次抗拉能力為384 kN，與自鎖連桿理論計(jì)算的374 kN 抗拉能力相近，說明自鎖連桿設(shè)計(jì)方法合理。

5 結(jié) 語

通過在公接頭本體內(nèi)創(chuàng)新設(shè)置自鎖連桿，形成具有“骨筋”特性的復(fù)合雙連接，實(shí)現(xiàn)“骨斷筋連”的效果，能夠解決公接頭隨機(jī)斷裂導(dǎo)致的掉鉆難題。室內(nèi)試驗(yàn)表明，?73 mm 仿生鉆桿具有良好的力學(xué)性能，其抗扭能力達(dá)到20.12 kN·m、抗拉能力達(dá)到1 444 kN，分別是ZDY6000LD 鉆機(jī)額定扭矩和額定拉力的3.35 倍和8.02 倍，能夠保證鉆桿配套ZDY6000LD 鉆機(jī)施工時(shí)的使用壽命；鉆桿公接頭斷裂后的二次抗拉能力達(dá)到384 kN，是ZDY6000LD 鉆機(jī)額定拉力的2.13 倍，可以滿足安全提鉆的性能要求。?73 mm 仿生鉆桿公接頭斷裂后抗拉能力值與自鎖連桿理論計(jì)算值接近，說明自鎖連桿設(shè)計(jì)方法合理。