高压割缝钻杆粘扣咬扣分析及预防

王春利，张连军

（徐州博安科技发展有限责任公司，江苏 徐州 221008）

2011年7—8月期间，某煤矿突出松软煤层高压水力射流煤层割缝钻孔施工过程中，连续发生多起ZGM-63-1000钻杆接头粘扣现象，接连出现公接头与母接头咬在一起，退钻杆时退不开，或上钻杆时上不到位，严重影响了钻孔的打钻进度，同时造成较大的经济损失.为避免此类事故的再次发生，作者在煤矿井下调查后对发生粘扣咬扣的钻杆接头螺纹进行失效分析，最后提出了相对应的预防措施.

1 粘扣咬扣发生状况

此次发生粘扣咬扣钻杆共计10余根，且粘扣现象严重，见图1.

图1 直径为63mm钻杆粘扣咬扣图Fig.1 φ63mm drill pipe thread gluing bit buckle

此次失效钻杆全部都是新钻杆，累计使用次数不超过3次，累计进尺为78m.现场出现公接头螺纹上粘有母接头螺纹的丝扣，母接头丝扣里粘上公接头螺纹，公接头丝扣被咬伤的情况，影响进尺.如果打钻过程中出现咬扣，则前面1根钻杆母接头与后面钻杆公接头全部咬伤，一次损坏2根钻杆，需要人工手动全部更换新钻杆.因此有必要对产生咬扣的原因进行分析，以降低事故发生频率，减小经济损失.

2 钻杆粘扣咬扣分析

2.1 现场调查分析

通过现场调查发现，打钻队在钻杆上卸扣操作过程中存在如下问题：

（1）开始作业前，当班工作人员新更换1套夹持器到钻机上，钻机架设位置偏高，稳固不牢，属于大倾角作业.施工中出现一边打钻，钻机一边发生窜动，不能确保钻机主机的回转器、夹持器、设计钻孔孔位在整个钻进中保持在同一直线上，因此钻杆的挠度变化大，对钻孔的成孔影响很大，钻杆所受综合作用力变大.在打钻退钻过程中，发现回转器与夹持器中心高不同轴，作业中夹持器出现明显跳动.经观察中心高差30mm.

（2）在上扣对接时，公接头母接头螺纹里煤粉未冲洗干净，煤粒在上卸钻杆过程中掺杂到钻杆螺纹中，在对接时出现未能对正的情况.

（3）操作台位置未按规定要求放置于便于观察钻场全部情况的位置，不能及时发现钻杆在钻进过程中的运动状态、上卸钻杆的配合程度.若发现有异常声响 、回转器震动过大、机架有摆动、立柱框架有晃动，不能及时加以处理.

（4）钻机操作说明书规定：对钻时需轻压、慢转，但实际施工中工人强行推进钻杆退出钻杆，高速旋转.

（5）规程要求更换钻杆要拆开最后1根钻杆与水辫连接，增加新的钻杆，但现场使用中都是在主机拧紧卡持器与回转器前后各有1根钻杆，将水辫前的钻杆即第1和第2钻杆之间拆开，将要上的钻杆放在2根钻杆中间，先将要上的钻杆和第2根钻杆紧上2～3个螺纹，然后开动钻机将新加钻杆与前后钻杆拧紧，同时推动钻杆前进.几次出现新加钻杆公接头对不上回转器母接头，强行打转粘扣、咬扣现象.个别钻杆第一次上卸后就发生粘扣，在重复使用时已经粘扣的钻杆发生严重的咬扣，钻杆上不到位.

（6）母接头内密封圆柱面及倒角部位被粘扣的公接头螺纹体划伤，存在严重咬扣的现象.

2.2 螺纹设计分析

图纸设计时结合文献［1－5］的技术要求，借鉴原有的钻杆的设计经验，对照普通钻杆接头剖面图见图2所示，设计高压割缝钻杆接头螺纹剖面图如图3所示.

图2 φ63mm钻杆接头剖面图Fig.2 φ63mm drill pipe connector profile

图3 φ63mm高压割缝钻杆接头剖面图（单位：mm）Fig.3 φ63mm slotted drill pipe connector profile（unit：mm）

对比发现，高压割缝钻杆母接头长度比普通钻杆接头长度长了10mm，公接头长了35mm；母接头增加了φ52mm、长度12mm镗孔段作为径向密封段；公接头增加了一段φ52mm、长度11mm（含外径46 mm、长度4.8mm沟槽）密封段；为了保证母接头强度以及镗孔后的壁厚，保护安全退刀，镗孔段直径52 mm加工公差H8，公接头和母接头螺纹的一端大径都相应从51.5mm减小到48.1mm，直径方向减小3mm.

查文献［1］标准规定直径63.5mm钻杆螺纹锥度为1∶4或1∶6，螺距为每25.4mm长度内4扣（螺距为6.35mm）或5扣（螺距为5.08mm）.水眼大小为22mm.当钻杆公接头的螺纹锥度小于母接头的螺纹锥度时，母接头紧密距比普通钻杆要求的数值大，为正值，公接头紧密距为负值；紧密连接螺纹扣就越少，工作中只有靠部分紧密连接的螺纹部位传递工作负荷，载荷分布不均.而最前面一扣承受的载荷最大，这儿的接头断面积比钻杆尾部断面积要小很多.因此，咬扣最有可能在这扣发生.当钻杆公接头的螺纹锥度大于母接头的螺纹锥度时，母接头紧密距为负值，公接头紧密距为正值；钻杆的公接头螺纹尾部与母螺纹连接较紧密，而钻杆端面接触面积大，公母螺纹间隙较大.此时危险断面靠近钻杆的螺纹尾部.由于钻杆螺纹尾部的截面积较大，在一般情况下不易发生断裂.但它会在交变应力的作用下产生螺纹变形、粘扣及疲劳破坏，甚至造成连接失效.经过与工程技术人员沟通最终确定锥度为1∶6，公接头螺纹段长度为56mm，螺距为每25.4mm长度内5扣，螺距为5.08mm，除去开始段倒角和退尾段2扣，最终有效螺纹为第3—9扣，共7扣.如果选用锥度为1∶4，则大径和小径差相对1∶6的更大，小径更小，强度也弱，所以不推荐使用.

2.3 加工工艺分析

结合国内现有的钻杆加工工艺，在加工厂加工这批钻杆前，要求加工厂试车两套钻杆接头，并旋合在一起，用线切割从接头中间切割开来，如图4所示.

图4 试制钻杆接头图Fig.4 Figure drill pipe connector profile

调查发现加工厂为节约钢材成本，常常私自作主，从钢厂订制一批非标的厚壁管材代替棒料加工接头.由于母接头材料采用厚壁管加工，出现最前面小端3扣牙型不完整，且焊接后管子与钻杆管体不同轴，两侧壁厚不均.在加工过程中，为了保证螺纹上扣到底，存在人为把母接头增加公差等级，同样增加了公接头与母接头的间隙，牙型因为磨刀习惯的差别，加工后牙型不规范，未按图纸加工，公接头牙顶宽略小于图纸要求，母接头则大于图纸要求，整体牙高不足，都直接影响到螺纹配合，螺纹紧密距不规范.母接头螺纹起始处倒角角度为30°，在生产加工看图时错误地当成60°，这样要比设计要求又多去除完整牙3～4扣.在磨擦焊接完成后，母接头螺纹孔与公接头螺纹外圆的同轴度达不到要求，车成的母接头会出现一侧牙型不完整，与公接头配合中会出现局部间隙过大，在使用过程中反复拧紧松开几次，公接头与母接头都受到不同程度的交变冲击，就会出现粘扣咬扣的现象.

2.4 选择材料与热处理性能分析

由于钻杆要频繁拧卸，螺纹要求有一定的耐磨性，并且由于钻孔直径大，钻孔深，故要求接头及钻杆要具有足够的强度和韧性.查阅文献［6］，德国用36CrNiMo4材料生产接头，韧性指标较高，冲击功达到91.6J；在热处理工艺方面，国外生产厂接头普遍采用可控气氛炉加热，在接头外表面加工完成后进行光亮淬火.国内普遍采用中碳低合金钢40CrNiMo、40CrMnMo加工，在相同实验条件下，分别加工接头试件，实验比较后得出前者的低温韧性高于后者，是由化学成分决定的，前者含有质量分数为1.5%左右的镍，使其韧性尤其在低温韧性大幅度提高.两种材料在弯曲疲劳试验中性能基本一致，断裂韧性冲击实验中，后者略高于前者.国内接头热处理多采用普通空气炉或电阻炉加热，淬火时接头内外表面均留有较大的加工余量，且在加工厂工序中转时温度骤然变化巨大，工件表面产生一层氧化皮，对热处理效果有很大影响.结合实验分析，德国接头热处理性能较好，这与它的高淬透性密切相关.由于国内接头生产条件的限制，对选择钢材的淬透性应有更高的要求.考虑热处理工艺性能及价格成本，国内生产厂家另外找到几种价格更低的35CrMo、42CrMo、40Cr作为替代.参照文献［7］，以42CrMo为钻杆接头材料，热处理工艺选择：箱式炉830～850℃淬火，采用150kg载荷和钻石锥压入器求得洛氏硬度.洛氏硬度大于55，580～650℃回火油冷，洛氏硬度达到31.同等条件下，不同批次材料曾经出现硬度值不统一的现象，所以要求每批次生产加工完成热处理后，抽取公接头母接头各5件，精车两端面，光洁无杂质，用硬度试验机测量接头硬度，该批次要求范围洛式硬度为25～28，考虑公接头母接头壁厚和在炉中的放置位置与出炉顺序，左右不相差5.抽样全部达标.

3 预防措施

问题出现后查阅文献［8］标准，重新对5种不同外径的钻杆进行分类，把φ42，φ50，φ63.5mm归到一列，φ73，φ89mm归到一列，把原有的φ63.5mm的锥度从1∶4或1∶6调整为1∶8，φ63mm钻杆接头螺纹体的小端的直径比原来要大了3.1mm.准确地加工钻杆接头的锥度，对于钻杆连接的效果非常重要.

如图5所示：现场使用过的钻杆图片，如果只是因为钻杆螺纹过长或强度不足，是不会出现只伤及丝扣中间2，3扣的，而大小头两端都没有伤到的现象，由以上推断出现此种现象，只能是人工对上丝扣较少或对错扣造成的，从取回的几根钻杆接头的化学成分和力学性能分析得出国产42CrMo材料常规性能不合格率几乎达到100%，粘扣螺纹表面不仅形成很高的接触压力，而且在高温下发生了组织转变，分析应该是在高接触应力、高温、高转速、快速加载作用下形成的.同一批次出厂钻杆，在邻近矿井使用1年并末出现粘扣咬扣现象，反映出现场操作人员的素质及技术水平对设备使用技巧存在一定差别.

图5 现场钻杆图Fig.5 Drill site map

针对上述分析，考虑钻杆螺纹设计，原材料，加工工艺，热处理等几个方面的因素，结合文献［9］，建议从以下4方面进行改进：①保证制造钻杆接头材料的质量和正确的热处理工艺措施，使钻杆的机械强度符合承载要求.②严格按照设计图样加工钻杆，更换成形刀具，数控车床加工提高螺纹的加工精度，公接头母接头密封沟槽、螺纹长度相应减小，提高检验的频率和检验标准，不断改进工艺手段和工艺方法，稳定钻杆质量.③寻找新的表面热处理的材料及相关工艺，在保证钻杆整体强度的前提下，有效提高钻杆螺纹的硬度及寿命.④钻割项目实施前制定完善的操作规范工艺手册，现场技术服务人员统一培训，合理装卸钻杆，严禁机器同时拧上2根钻杆.工作中安装、拆卸钻杆时，要杜绝用铁锤敲砸钻杆母接头和公接头，以防钻杆接头出现裂痕，造成钻杆在钻孔内断裂.⑤建议操作人员上扣前对钻杆进行逐根冲洗，人工至少对上4扣或是手动上紧到转不动为止，打钻人员调整位置，以便及时掌握钻杆上紧的情况，做出正确规范的动作.⑥高压割缝作业前要求把钻机调试到工作性能良好，机架稳固，且回转器与夹持器保证中心高一致，且正对钻孔位置，避免钻杆受力不均匀.

4 结论

从上述分析可以看出，钻杆接头螺纹尺寸设计、材料、热处理及加工工艺，是影响接头寿命的重要因素，应引起生产加工厂家的高度重视.现场操作人员的违规操作是另一个造成钻杆粘扣咬扣的重要因素，如何规范操作，统一培训，合格后上岗操作才是解决问题的根本.

通过上述改进措施加工出的钻杆，在现场技术服务工程师的指导培训下，在多项割缝项目煤矿井下的实际应用中，钻杆没有再出现过咬扣的现象.打钻效率明显上升，取得客户的认可，建议在所有高瓦斯低透气性煤层钻孔割缝中广泛推广，为煤矿解决实际的问题.

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