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旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺-翁炜

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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  收 稿 日 期 : 2005 - 03 - 17; 改 回 日 期 : 2005 - 09 - 20作 者 简 介 :翁 炜 (1977 - ) ,男 (汉 族 ) ,河 北 新 城 人 ,北 京 探 矿 工 程 研 究 所 工 程 师 ,中 国 地 质 大 学 (北 京 )地 质 工 程 硕 士 在 读 ,钻 探 机 械 专 业 ,从事 大 口 径 岩 土 工 程 钻 掘 机 具 及 工 艺 的 研 发 工 作 ,北 京 市 海 淀 区 学 院 路 29号 , (010) 82321875, 玉 文 (1968 - ) ,男 (汉族 ) ,江 苏 人 ,北 京 探 矿 工 程 研 究 所 大 口 径 钻 掘 机 具 研 发 中 心 生 产 部 主 任 、 工 程 师 ,探 矿 工 程 专 业 ,从 事 大 口 径 岩 土 工 程 钻 掘 机 具 及 工 艺 的 研 发及 生 产 工 作 , (010) 69306602。旋 挖 钻 机 钻 杆 失 效 形 式 分 析 及 制 造 工 艺翁   炜 , 黄 玉 文 , 胡 继 良 , 史 新 慧(北 京 探 矿 工 程 研 究 所 ,北 京 100083)摘   要 :对 旋 挖 钻 机 钻 杆 失 效 形 式 进 行 了 简 要 分 析 ,针 对 性 地 介 绍 了 旋 挖 钻 机 摩 阻 式 钻 杆 的 方 案 设 计 和 制 造 工 艺 ,以 及 生 产 过 程 中 的 注 意 事 项 。关 键 词 :旋 挖 钻 杆 ;抗 扭 强 度 ;焊 接 ;热 处 理中 图 分 类 号 : 4 + 2    文 献 标 识 码 : B    文 章 编 号 : 1672 - 7428 (2005) 10 - 0038 - 02 r a X xp 00080, is of of be 钻 杆 是 旋 挖 钻 机 上 重 要 的 配 套 钻 具 ,由 于恶 劣 的 工 作 环 境 和 复 杂 的 受 力 情 况 ,旋 挖 钻 杆 易 出现 破 坏 现 象 ,其 主 要 破 坏 形 式 为 疲 劳 断 裂 与 扭 转 变形 ,极 少 数 情 况 下 可 能 发 生 钻 杆 失 稳 造 成 的 弯 曲 变形 。 随 着 旋 挖 钻 机 数 量 在 国 内 迅 猛 增 长 ,钻 杆 事 故日 益 增 多 ,对 钻 杆 维 修 及 生 产 需 求 也 不 断 增 加 。2004年 3月 我 们 成 功 地 完 成 了 为 用 户 维 修 及 生 产摩 阻 式 钻 杆 的 工 作 ,现 将 情 况 介 绍 如 下 ,供 同 行 们 参考 。1  钻 杆 失 效 形 式 分 析111  损 坏 钻 杆 及 其 配 套 旋 挖 钻 机 设 备 参 数钻 杆 为 国 产 六 键 摩 阻 式 伸 缩 钻 杆 (13000 5节 ) ;钻 机 为 宝 峨 机 ,额 定 扭 矩 176 m ,液 压 加 压 力 200 起 拔 力 250 . 2  钻 杆 受 力 及 破 坏 成 因 分 析旋 挖 钻 机 钻 杆 在 工 作 中 主 要 受 扭 矩 、 加 压 力 与起 拔 力 的 作 用 ,同 时 还 必 须 考 虑 到 冲 击 与 振 动 的 因素 ,钻 杆 的 失 效 就 出 现 在 这 个 复 杂 的 应 力 场 中 。 在使 用 过 程 中 ,尽 管 平 均 应 力 小 于 屈 服 极 限 ,但 钻 杆 在交 变 应 力 的 作 用 下 ,可 能 出 现 微 小 裂 纹 发 展 成 大 裂纹 导 致 的 断 裂 ,称 之 为 高 周 低 应 力 疲 劳 破 坏 ,或 是 交变 应 力 的 循 环 次 数 并 不 多 ,但 是 平 均 应 力 高 造 成 的低 周 高 应 力 疲 劳 破 坏 ,当 然 还 有 钻 杆 强 度 无 法 满 足钻 机 工 作 要 求 等 多 种 成 因 的 组 合 。 对 于 不 同 的 情 况要 进 行 具 体 的 分 析 。113  钻 杆 破 坏 形 式该 钻 杆 破 坏 失 效 后 已 经 无 法 正 常 伸 缩 ,经 拆 卸后 发 现 ,第 四 节 钻 杆 发 生 扭 转 变 形 失 效 ,钻 杆 扭 转 角达 60° (如 图 1所 示 )。 该 钻 杆 是 国 内 厂 家 配 合 宝 峨 机 自 行 生 产 的 钻 杆 ,由 于 各 节 钻 杆 级 配 尺寸 受 到 钻 机 动 力 头 尺 寸 的 限 制 (最 外 节 钻 杆 外 径 为377 ,因 此 产 生 了 薄 弱 环 节 。 第 四 节 钻 杆 结 构尺 寸 参 数 为 : “219 “195 13000 外 径× 内 径 × 长 度 )。 排 除 疲 劳 裂 纹 的 扩 展 或 失 稳 造 成的 断 裂 破 坏 ,我 们 初 步 认 为 钻 杆 失 效 的 主 要 原 因 在于 该 节 钻 杆 的 抗 扭 强 度 难 以 满 足 钻 机 扭 矩 的 要 求 。图 1  钻 杆 结 构 及 变 形 示 意 图114  钻 杆 材 料 分 析采 用 1600型 电 子 探 针 仪 ,对 损 坏 的 钻杆 材 料 试 样 进 行 材 料 分 析 ,得 出 结 果 如 下 :该 国 产 钻杆 材 料 为 20钢 。 查 询 材 料 手 册 可 知 , 20钢 屈 服 极限 σ s = 245 15  强 度 计 算83 探 矿 工 程 (岩 土 钻 掘 工 程 )                   2005年 第 10期  根 据 钻 杆 受 力 情 况 ,建 立 简 单 模 型 ,如 图 2所示 。图 2  钻 杆 受 力 示 意 图排 除 疲 劳 应 力 影 响 ,可 按 照 静 载 条 件 下 强 度 公式 (1)、 (2)计 算 钻 杆 受 力 :σ = F /A (1)τ W a (2)式 中 : F— — — 钻 机 最 大 液 压 加 压 力 , 200 — —钻 机 最 大 扭 矩 , 176 m; W a — — — 钻 杆 抗 扭 截 面 模量 ,第 四 节 钻 杆 W a = 765994 算 后 知 道 钻 杆 的 最 大 剪 应 力 τ 30 据 条 件 可 知 :σ 2 + 4τ 2 =σ 3)由 于 相 比 起 扭 矩 而 言 ,钻 杆 的 轴 向 压 应 力 σ 很小 ,计 算 时 可 忽 略 不 计 ,则 计 算 可 得 钻 杆 材 料 所 需 的屈 服 极 限 σ s ≥ 460 245 20钢 屈 服 极限 ) ,即 使 不 考 虑 钻 杆 工 作 所 需 的 安 全 系 数 ,原 有 钻杆 材 料 使 用 的 20钢 的 抗 扭 强 度 也 无 法 满 足 钻 机 扭矩 要 求 ,可 见 前 面 的 分 析 是 正 确 的 ,材 料 抗 扭 强 度 无法 满 足 钻 机 扭 矩 要 求 是 钻 杆 扭 转 变 形 的 主 要 原 因 。2  维 修 方 案原 有 钻 杆 的 第 四 节 已 经 完 全 扭 转 破 坏 ,只 能 重新 配 套 制 作 第 四 节 钻 杆 ,配 套 后 的 第 四 节 钻 杆 既 要满 足 静 载 条 件 下 的 屈 服 强 度 要 求 ,同 时 还 应 该 满 足钻 杆 级 配 要 求 。 现 就 方 案 设 计 论 述 如 下 。211  强 度 要 求一 般 情 况 下 可 通 过 调 整 设 计 结 构 和 改 变 材 料 的方 法 来 提 高 强 度 ,但 是 由 于 是 配 套 维 修 钻 杆 ,因 此 要求 钻 杆 的 结 构 及 尺 寸 保 持 不 变 ,只 能 采 用 提 高 材 料自 身 强 度 的 办 法 。 通 过 以 上 分 析 ,同 时 根 据 钻 杆 在钻 进 过 程 中 的 实 际 使 用 情 况 ,钻 杆 材 料 的 安 全 系 数大 于 115为 好 ,即 最 终 所 需 材 料 的 屈 服 极 限 σ s ≥690 经 过 理 论 和 经 验 选 择 ,最 终 选 用 优 质 合金 结 构 钢 35 钢 管 ,同 时 为 了 发 挥 材 料 的强 度 优 势 ,要 求 钻 杆 材 料 的 最 终 工 作 状 态 为 调 质 状态 。为 了 获 得 材 料 所 需 的 调 质 工 作 状 态 ,可 以 选 购调 质 钢 管 ,也 可 以 购 买 钢 管 后 在 生 产 过 程 中 进 行 调质 处 理 。 由 于 调 质 钢 管 需 要 向 无 缝 钢 管 厂 批 量 定购 ,而 本 项 目 仅 为 单 根 钻 杆 生 产 ,因 此 无 法 批 量 定购 ,最 终 决 定 购 买 热 轧 合 金 钢 管 ,再 对 其 进 行 调 质 热处 理 。212  配 合 尺 寸 要 求钻 杆 的 最 终 尺 寸 要 适 应 原 有 钻 杆 级 配 ,满 足 配合 要 求 ,其 中 包 括 尺 寸 与 同 轴 度 、 直 线 度 等 公 差 ,故此 要 充 分 考 虑 到 生 产 过 程 中 产 生 的 误 差 ,误 差 来 源主 要 有 如 下 几 点 :(1)钻 杆 所 用 管 件 本 身 制 造 误 差 (包 括 圆 度 、 直线 度 以 及 壁 厚 均 匀 度 等 ) ,此 误 差 的 解 决 方 法 只 能在 采 购 环 节 中 进 行 检 测 ,选 择 最 优 管 件 ;(2)热 处 理 产 生 的 弯 曲 变 形 和 氧 化 层 造 成 的 尺寸 误 差 ;(3)焊 接 热 变 形 。 在 生 产 中 要 注 意 避 免 和 减 少上 述 误 差 ,设 计 并 选 择 合 理 的 生 产 工 艺 。3  加 工 工 艺311  加 工 设 备井 式 热 处 理 炉 , 2500 液 压 机 , 保 护 自 动 焊 机 4台 , 500型 直流 电 焊 机 2台 ,测 温 仪 ,机 加 工 设 备 若 干 (车 床 、 铣床 等 )。312  加 工 流 程钻 杆 的 加 工 工 艺 对 钻 杆 能 否 达 到 理 想 的 使 用 效果 十 分 重 要 。 最 终 钻 杆 的 生 产 工 艺 如 图 3所 示 。图 3  钻 杆 生 产 工 艺 流 程 示 意 图313  技 术 要 点(1)钻 杆 加 工 的 主 要 手 段 是 焊 接 ,在 焊 接 过 程中 要 注 意 预 防 和 消 除 钻 杆 的 变 形 ,保 证 钻 杆 的 质 量 。① 钻 杆 焊 接 要 在 平 台 上 采 用 可 调 整 托 轮 等 辅 助工 装 完 成 ,使 用 水 平 仪 等 检 测 手 段 保 证 钻 杆 的 同 轴度 和 直 线 度 等 公 差 要 求 。② 管 件 对 接 环 形 焊 缝 采 用 外 部 单 面 焊 接 双 面 成型 ,保 证 焊 缝 焊 透 ,无 夹 渣 、 气 孔 等 缺 陷 ,无 过 焊 现 象出 现 ,避 免 阻 碍 第 五 节 钻 杆 在 内 部 的 滑 动 。 采 用 500直 流 电 焊 机 焊 接 ,焊 条 采 用 高 强 度 焊 条 。③ 在 钻 杆 外 键 的 焊 接 过 程 中 ,使 用 焊 接 工 装 保证 外 键 条 尺 寸 及 公 差 ,并 采 用 分 段 焊 接 、 对 称 焊 接 等工 艺 ,减 少 钻 杆 热 变 形 。(下 转 第 49页 )93  2005年 第 10期                   探 矿 工 程 (岩 土 钻 掘 工 程 )3  探 讨 的 几 个 问 题随 着 国 民 经 济 的 发 展 ,地 质 找 矿 已 逐 步 走 出 低迷 ,岩 心 钻 探 也 将 迎 来 曙 光 。 地 勘 队 伍 转 企 ,岩 心 钻探 队 伍 会 首 当 其 冲 。 因 此 岩 心 钻 探 的 施 工 队 伍 从 人员 组 成 、 管 理 水 平 、 技 术 素 质 的 提 高 都 要 未 雨 绸 缪 。(1)目 前 的 管 理 分 散 、 粗 放 ,大 多 数 是 以 包 代管 ,考 核 也 仅 是 以 经 济 效 益 为 唯 一 指 标 。 以 前 几 十年 建 立 起 来 的 不 少 管 理 模 式 不 用 了 ,但 一 些 新 的 、 有效 的 管 理 办 法 又 没 有 建 立 起 来 。 这 包 括 采 购 、 供 应 、机 械 加 工 、 维 修 、 运 输 等 ,要 适 应 未 来 的 新 形 势 必 然要 进 行 改 革 。建 立 一 支 正 规 的 、 在 未 来 市 场 上 有 竞 争 力 的 岩心 钻 探 队 伍 ,可 以 借 鉴 目 前 一 些 行 业 的 办 法 ,即 建 立准 入 制 ,设 立 必 要 的 门 槛 。 对 注 册 资 金 、 技 术 干 部 、技 工 、 装 备 、 业 绩 等 做 一 个 基 本 的 要 求 ,这 样 可 剔 除社 会 上 一 些 滥 竽 充 数 的 队 伍 。 只 有 获 得 相 应 的 资质 ,才 能 跨 部 门 、 跨 行 业 、 跨 地 域 承 接 相 应 的 钻 探 工程 。 目 前 各 地 勘 单 位 都 有 地 质 勘 查 证 ,但 并 不 等 于就 有 岩 心 钻 探 的 施 工 能 力 ,就 如 各 地 勘 单 位 的 化 验室 仍 要 获 得 相 应 的 化 验 资 质 一 样 。(2)岩 心 钻 探 队 伍 必 须 要 有 一 定 数 量 的 相 对 稳定 的 技 术 干 部 和 技 工 。 如 钻 探 机 台 技 工 配 备 要 有 一个 最 起 码 的 数 量 ,除 了 钻 探 专 业 ,其 它 相 关 的 如 地质 、 机 械 加 工 、 维 修 等 也 要 适 当 配 备 ,在 数 量 上 、 质 量上 要 有 个 底 线 。钻 探 设 备 及 管 材 、 附 属 器 具 等 不 能 因 陋 就 简 ,要有 个 基 本 的 配 置 ,才 能 保 证 基 本 的 生 产 要 求 。 这 些硬 件 上 的 数 量 要 求 ,原 先 地 质 矿 产 部 以 及 一 些 工 业部 门 的 地 质 单 位 都 曾 有 过 标 准 ,这 是 建 国 后 几 十 年的 经 验 积 累 。 作 为 行 业 管 理 的 国 土 资 源 部 应 组 织 人员 进 行 修 定 推 行 。另 外 还 有 一 些 管 理 标 准 、 技 术 标 准 、 操 作 规 程 也要 结 合 这 20多 年 的 实 践 ,组 织 专 家 修 定 颁 发 ,来 规范 整 个 行 业 的 管 理 ,使 管 理 、 技 术 能 力 不 低 于 一 个 基本 的 水 准 。(3)教 育 培 训 要 跟 上 ,学 术 交 流 要 活 跃 。 2004年 9月 ,国 土 资 源 部 在 青 岛 开 办 了 一 期 高 级 勘 探 技术 培 训 班 ,虽 然 培 训 内 容 不 少 是 20世 纪 八 九 十 年 代就 推 广 、 普 及 的 金 刚 石 钻 探 技 术 ,但 参 加 人 大 多 数 为各 单 位 技 术 骨 干 或 较 高 层 的 管 理 干 部 。 今 后 应 针 对各 种 层 次 办 训 练 班 、 培 训 班 。 要 充 分 利 用 现 有 的 教育 资 源 ,将 已 有 的 高 校 、 中 专 、 技 校 的 师 资 调 动 起 来 ,分 期 、 分 批 培 训 现 在 的 技 工 和 干 部 。近 10多 年 来 ,钻 探 的 学 术 交 流 活 动 明 显 不 如 前20年 ,尤 其 是 省 级 、 大 区 的 活 动 基 本 停 止 了 。 这 与行 业 学 会 (协 会 )这 个 组 织 被 削 弱 了 有 关 ,目 前 全 国的 或 省 级 的 地 质 学 会 探 矿 工 程 专 业 委 员 会 应 增 选 一些 有 活 力 的 中 青 年 人 员 ,把 学 术 活 动 、 技 能 培 训 搞 得再 活 跃 一 些 。 基 层 的 地 勘 单 位 也 要 尽 可 能 地 支 持 、配 合 。4  结 语岩 心 钻 探 队 伍 建 设 ,涉 及 到 很 多 方 面 ,远 不 止 上面 提 到 的 这 些 问 题 。 希 望 更 多 的 人 来 关 注 ,改 变 岩心 钻 探 队 伍 的 现 状 ,促 进 岩 心 钻 探 队 伍 的 发 展 。(上 接 第 39页 )④ 钻 杆 管 件 与 外 键 焊 接 采 用 护 焊 机 ,以 提 高 焊 接 速 度 。⑤ 焊 接 前 要 将 焊 接 坡 口 及 其 周 围 50 内 清 理 干 净 ,不 能 有 铁 锈 、 油 污 、 水 和 涂 料 等 异 物 。⑥ 焊 接 前 按 照 材 料 焊 接 要 求 升 温 ,到 温 焊 接 ,焊接 后 保 温 ,减 少 钻 杆 热 应 力 ,提 高 钻 杆 焊 接 强 度 。⑦ 在 钻 杆 两 端 孔 内 填 塞 保 温 材 料 ,防 止 管 道 内穿 堂 风 ,起 到 保 温 缓 冷 的 作 用 。(2)钻 杆 热 处 理 。 热 处 理 是 保 证 钻 杆 强 度 的 关键 措 施 ,本 次 生 产 中 钻 杆 热 处 理 采 用 井 式 热 处 理 炉 ,采 用 长 杆 件 热 处 理 设 备 ,将 35 加 热 到 860℃ ,在 某 混 合 油 中 淬 火 ,并 在 500~ 550 ℃ 回 火 。 在实 际 生 产 前 ,采 用 同 等 工 艺 对 同 批 次 的 35 行 热 处 理 试 验 ,并 对 试 验 管 件 进 行 力 学 性 能 测试 ,测 试 结 果 显 示 管 材 热 处 理 后 σ s = 790 足钻 杆 设 计 要 求 。 在 热 处 理 过 程 中 对 钻 杆 采 用 吊 装 方式 ,并 使 用 热 处 理 工 装 ,减 小 钻 杆 的 变 形 量 。(3)钻 杆 校 直 采 用 水 火 法 与 压 机 校 直 相 结 合 。(4)在 生 产 过 程 中 每 道 工 序 都 要 时 刻 注 意 检 查工 序 质 量 。4  结 语截 止 目 前 为 止 ,该 钻 杆 工 作 已 超 过 11个 月 的 时间 ,在 首 都 机 场 工 地 钻 进 数 千 米 “1500 深 48 孔 ,钻 杆 未 出 现 任 何 质 量 问 题 ,证 明 该 钻 杆 的 维修 生 产 达 到 了 设 计 目 的 ,生 产 工 艺 科 学 合 理 ,提 高 了钻 杆 的 强 度 和 使 用 寿 命 。94  2005年 第 10期                   探 矿 工 程 (岩 土 钻 掘 工 程 )
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