楊東河 張永春 徐丹

摘要：鉆桿軸向拉力是設(shè)計(jì)鉆桿的重要因素之一。本文通過(guò)分析直連式繩索鉆桿的軸向拉力情況，為直連式鉆桿的研制提供重要的指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直連式鉆桿；不全絲扣；軸向拉力計(jì)算；破壞拉力試驗(yàn)

繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在我國(guó)應(yīng)運(yùn)已經(jīng)非常普遍，由于繩索取心鉆進(jìn)往往要鉆進(jìn)幾天、十幾天甚至幾十天才能提鉆一次，所以對(duì)繩索取心鉆具的要求也越來(lái)越高。目前，國(guó)內(nèi)繩索鉆具普遍采用的是螺紋連接公母接頭式鉆桿，這種鉆桿螺紋端數(shù)量多，容易造成失效，在鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)事故，因此結(jié)構(gòu)更加合理、材質(zhì)更好的直連式繩索鉆桿越來(lái)越受到市場(chǎng)的歡迎。

1. 概述

直連式繩索鉆桿與螺紋連接公母接頭式鉆桿在相同的工作條件下，其綜合機(jī)械性能應(yīng)與螺紋連接公母接頭式鉆桿相當(dāng)甚至更高，否則就很難滿(mǎn)足當(dāng)前繩索鉆進(jìn)條件下的使用要求。在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿是整個(gè)鉆桿柱的關(guān)鍵和主要組成部分，受到多種力的影響，包括：軸向拉壓力、彎曲力、離心力等等，其中軸向拉壓力對(duì)鉆進(jìn)影響極大，鉆具擁有足夠的軸向拉力，對(duì)科學(xué)鉆進(jìn)具有重要的意義。因此，對(duì)直連式繩索鉆桿進(jìn)行軸向拉力分析就顯得非常重要，這也是決定直連式鉆桿能否被市場(chǎng)接受的一個(gè)重要因素。

2. 鉆具軸向拉力理論分析

鉆具有多大的軸向抗拉力，對(duì)鉆進(jìn)深度有直接的影響，準(zhǔn)確掌握鉆具的軸向拉力，是科學(xué)鉆進(jìn)的重要前提。對(duì)直連式鉆桿進(jìn)行軸向拉力分析，首先要確定鉆桿在鉆進(jìn)過(guò)程中軸向拉力會(huì)受到哪幾種因素的影響。一般說(shuō)來(lái)，鉆桿在鉆進(jìn)過(guò)程中，軸向拉力主要受兩方面的影響：一是重力作用的影響，鉆桿柱最下面的拉力為零，井口處的拉力最大；二是鉆柱與井壁之間的摩擦力?；谶@兩種因素的影響，設(shè)計(jì)鉆桿時(shí)，軸向拉力必須要考慮一定的安全系數(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)常用的直連式繩索鉆桿多為NQ、HQ兩種，設(shè)計(jì)孔深大約在1000-1500米之間，下面我們將著重以NQ鉆桿為例，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際拉力試驗(yàn)分析其軸向拉力情況。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)直連式繩索鉆桿材料一般選為XJY850，這種材質(zhì)的管材綜合性能好，具有較高的強(qiáng)度和良好的工藝性能，甚至可與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相媲美。XJY850與國(guó)內(nèi)其它常用管材的力學(xué)性能對(duì)比見(jiàn)表1：

表1 地質(zhì)管材力學(xué)性能對(duì)比表

鋼種 測(cè)試材料熱處理狀態(tài) 屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 伸長(zhǎng)率 斷面收縮率 沖擊功 屈強(qiáng)比

MPa MPa % %

30CrMoA 調(diào)質(zhì) ≥735 ≥930 ≥12 ≥50 ≥71 0.79

30CrMnSiA 調(diào)質(zhì) ≥885 ≥1080 ≥10 ≥45 ≥39 0.81

45MnMoB 調(diào)質(zhì) ≥750 ≥920 ≥12 ≥48 ≥56 0.81

XJY850 調(diào)質(zhì) ≥950 ≥1020 ≥16 ≥52 ≥75 0.93

在確定NQ鉆桿的力學(xué)性能后，要分析NQ鉆桿的軸向拉力，還需要確定NQ鉆桿軸向拉力的薄弱點(diǎn)。從直連式繩索鉆桿的螺紋特性來(lái)看，薄弱點(diǎn)應(yīng)位于螺紋的不全絲扣處，又由于內(nèi)螺紋接頭截面比外螺紋接頭截面大，因此計(jì)算NQ鉆桿軸向拉力選擇外螺紋接頭不全絲扣處。計(jì)算NQ鉆桿外螺紋軸向拉力參數(shù)見(jiàn)圖1：

圖1 NQ鉆桿外螺紋拉力參數(shù)圖

從表1和圖1中可知，NQ鉆桿的抗拉強(qiáng)度為1020MPa，截面為φ64.368和φ60.3組成的圓環(huán)，因此NQ鉆桿的軸向拉力F計(jì)算如下：

F=σb*S=1020*（π*32.184 -π*30.15 ）=406.07KN

由于國(guó)內(nèi)NQ鉆桿的設(shè)計(jì)深度大約都在1500米左右，其達(dá)到終孔深時(shí)自重重力約為120KN左右，而通過(guò)上述理論計(jì)算，NQ鉆桿的理論軸向拉力大約在406KN，由此可推出直連式繩索鉆桿軸向拉力的設(shè)計(jì)安全系數(shù)達(dá)到了2個(gè)以上。

3. 鉆具軸向拉力破壞試驗(yàn)

為了驗(yàn)證NQ鉆桿的軸向拉力理論數(shù)據(jù)和軸向拉力薄弱點(diǎn)，我公司委托山東建大工程鑒定加固研究所進(jìn)行了NQ直連式鉆桿的軸向拉力破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)共進(jìn)行了三組，試樣拉斷后得到的數(shù)值分別為406KN、430KN、430KN，通過(guò)這三組數(shù)值可看出，鉆桿的實(shí)際數(shù)值達(dá)到了理論計(jì)算要求，而且從試樣拉斷后的狀態(tài)可以看出，鉆桿的薄弱點(diǎn)基本都位于不全絲扣處。拉斷后的試樣詳見(jiàn)圖2：

圖2 試樣拉斷后狀態(tài)

4. 結(jié)論

通過(guò)對(duì)NQ直連式繩索鉆桿的軸向拉力理論計(jì)算和實(shí)際拉力破壞試驗(yàn)，從中可以看出，直連式繩索鉆桿的軸向拉力達(dá)到了設(shè)計(jì)使用要求，能夠滿(mǎn)足正常的鉆進(jìn)深度需要?？傊?，對(duì)直連式繩索鉆桿進(jìn)行軸向拉力分析，確定其軸向拉力的具體數(shù)值，對(duì)設(shè)計(jì)繩索鉆桿具有重要的指導(dǎo)依據(jù)，同時(shí)也是科學(xué)鉆進(jìn)的重要前提，能有效降低鉆探事故。

5. 參考文獻(xiàn)

[1]況雪軍，孫建華. XJY850高強(qiáng)度精密地質(zhì)管材的研制[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），2009,36（6）：28-30.

作者簡(jiǎn)介

楊東河（1982-），男（漢族），山東濟(jì)南人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆機(jī)鉆具設(shè)計(jì)工作。