钻杆失效分析05755.doc

1、1地质钴杆工作环境恶劣，工作环境差易磨损、易腐蚀、易疲劳综合力学要求 高。钻杆失效形式主要是钻杆的断裂。钻杆在导向、定向钻进过程中一但断裂, 将会对工程造成严重影响，不仅是经济上的巨大损失，而且影响工期，失去信誉, 后果不堪设想。因此，作为施工个人或企业，一定要学会如何正确地选择和使用 钻杆；而作为钻杆生产厂家，要知道各种开挖或非开挖工程对钻杆的特殊要求, 生产出高强度、高韧性和高可靠性的钻杆。地址钻杆失效原因我们可从两方面来分析，人为因素和钻杆本身存在的缺 陷，钻杆本身的缺陷又分设计缺陷和材料本身存在的缺陷。钻 杆 在 导 向 、 定 向 钻 进 时 往 往 在 受 到 较 大 拉 力 和

2、扭 力 作 用 的 同 时 ， 还 受 到 弯 曲 力 的 作 用 。 钻杆 通 过 曲 线 段 时 ， 钻 杆 被 迫 弯 曲 ， 弧 线 内 侧 受 压 应 力 作 用 ， 弧 线 外 侧 受 拉 应 力 作 用 。 当 钻 杆 在曲 线 段 旋 转 时 ， 杆 体 就 受 到 拉 压 交 变 应 力 的 作 力 ， 而 钻 孔 曲 率 半 径 越 小 交 变 应 力 就 越 大 。 研 究表 明 这 个 交 变 应 力 达 到 一 定 值 后 ， 就 极 容 易 使 钻 杆 产 生 疲 劳 裂 纹 。 钻 杆 刚 开 始 产 生 的 疲 劳 裂 纹疲 劳 裂 纹 非 常 微 小 ， 肉

3、眼 很 难 发 现 ， 但 疲 劳 裂 纹 发 展 速 度 极 快 ， 最 后 表 现 为 突 然 的 脆 性 断 裂 。试 验 证 明 ， 钻 杆 受 交 变 应 力 作 用 而 疲 劳 断 裂 是 钻 杆 断 裂 失 效 的 主 要 原 因 。施 工 队 伍 有 很 多 是 经 验 丰 富 素 质 高 的 专 业 公 司 ， 也 有 临 时 拼 凑 起 来 的 没 有 任 何 施 工 经 验 和技 术 的 队 伍 ， 他 们 往 往 连 钻 杆 （ 或 钻 孔 ） 的 曲 率 半 径 都 没 听 说 过 ， 不 太 了 解 地 址 钻 杆 的 特 性 是造 成 钻 杆 断 裂 的 人 为

4、方 面 的 主 要 原 因 。 这 要 通 过 学 习 和 培 训 加 规 范 施 工 来 解 决 。 下 表 中 列 出 来地 质 钻 杆 失 效 的 部 位 和 表 现 形 式 及 原 因 。表一失 效 名 称 表 现 形 式 失 效 原 因操 作 原 因 钻 杆 自 身 原 因断 口 较 平 整 ， 无 塑 性 变 形1. 曲 率 半 径 过 小2. 扩 孔 钻 头 与 正 常 钻 杆 间 未 连 接 过 度 杆1. 氮 化 层 太 厚2. 无 应 力 减 轻 槽3. 调 质 处 理 硬 度 太 高断 口 呈 螺 旋 状 ， 有 局 部 塑 性 变 形施 加 的 扭 矩 过 大 1. 接

5、 头 材 料 强 度 低2. 调 质 处 理 硬 度 太 低公 扣 根 部 断裂断 口 处 有 缩 径 施 加 的 拉 力 过 大杆 体 断 裂 断 口 较 平 整 ， 无塑 性 变 形1. 率 半 径 过 小2. 扩 孔 钻 头 与 正 常 钻 杆 间 未 连 接 过 度 杆杆 体 材 料 韧 性 差 杆 体有 严 重 划 痕2断 口 呈 螺 旋 状 ， 有局 部 塑 性 变 形施 加 的 扭 矩 过 大 1. 接 头 材 料 强 度 低2. 调 质 处 理 硬 度 太 低断 口 处 有 缩 径 施 加 的 拉 力 过 大 杆 体 磨 损 变 薄杆 体 至 接 头 过 渡 段 断 裂摩 擦

6、焊 口 处 断 焊 口 处 未 加 厚 摩 擦 焊接 工 艺 不 对杆 体 弯 曲 变 形有 不 可 恢 复 的 弯 曲变 形1. 施 工 导 向 孔 时 钻 杆 处 于 自 由 状 态 的 长度 过 长2. 孔 内 遇 较 大 障 碍 物杆 体 材 料 刚 性 差丝 扣 严 重 变 形丝 扣 齿 形 变 形 严 重 ，公 母 扣 旋 合 变 松 ，甚 至 脱 扣所 受 负 荷 过 大 未 使用 丝 扣 油丝 扣 部 分 调 质 硬 度 过 低 ， 未 做 硬 化 处 理粘 扣 上 扣 时 有 冒 烟 现 象 ，卸 扣 扭 矩 大 ， 扣 面有 削 落 现 象未 使 用 合 格 丝 扣 油 丝

7、 扣 硬 化 处 理 不 合 格 扣 面 光 洁 度 低母 扣 涨 大 母 扣 呈 喇 叭 口 状 扩大母 接 头 磨 损 过 度 受扭 矩 过 大非 “双 顶 ”结 构三 、 避 免 钻 杆 非 正 常 失 效 的 措 施钻 杆 的 基 本 力 学 工 况 钻 杆 在 内 外 充 满 钻 井 液 的 狹 长 井 眼 里 工 作 ， 通 常 承 受 压 、 弯 、 扭 、 液 力等 载 荷 。 如 果 钻 杆 所 受 应 力 小 于 每 平 方 米 206.8 牛 顿 时 ， 钻 杆 虽 经 过 无 数 次 的 弯 曲 ， 也 不 会 产生 疲 劳 裂 纹 。 钻 井 时 钻 杆 承 受 弯

8、曲 、 扭 转 和 拉 伸 应 力 组 成 的 复 合 应 力 很 大 ， 特 别 是 在 大 位 移 定向 井 及 水 平 井 中 扭 矩 极 大 ， 钻 杆 在 100 万 次 弯 曲 次 数 时 便 产 生 疲 劳 微 裂 纹 ； 微 裂 纹 产 生 后 便 不断 扩 大 延 伸 ， 此 时 如 果 具 有 腐 蚀 作 用 的 高 压 钻 井 液 进 入 微 裂 纹 中 ， 就 会 加 速 裂 纹 扩 展 ， 最 终 导致 钻 井 液 刺 穿 钻 杆 的 失 效 事 故 。 刺 穿 发 展 的 结 果 ， 使 钻 杆 有 效 断 面 不 断 缩 小 ， 刺 孔 加 裂 纹 的 总长 度

9、超 过 其 临 界 裂 纹 尺 寸 时 ， 即 发 生 断 裂 。 除 旋 转 向 下 的 运 动 ， 同 时 还 有 钻 杆 的 各 种 振 动 和 涡动 。根 据 钻 杆 的 失 效 原 因 分 析 ， 钻 杆 除 正 常 磨 损 而 失 效 外 ， 钻 杆 的 非 正 常 失 效 原 因 可 分 为 为 两 个方 而 ： 工 人 操 作 原 因 和 钻 杆 自 身 质 量 原 因 。 因 此 ， 我 们 可 以 从 提 高 钻 杆 质 M 和 规 范 操 作 两 方 而来 避 免 钻 杆 非 正 常 失 效 。1. 提 高 钻 杆 质 量(1)钻 杆 材 料 选 择 ： 为 适 应 钻

10、杆 的 受 力 分 析 ， 钻 杆 杆 体 应 有 较 高 的 抗 拉 强 度 、 较 好 抗 弯 性 能和 较 好 的 冲 击 韧 性 。 杆 体 材 料 应 选 择 中 碳 合 金 结 构 无 缝 钢 管 ， 合 金 元 素 中 应 含 有 较 多 的 Cr、 Mo等 元 素 以 提 高 材 料 的 抗 拉 强 度 和 冲 击 韧 性 ， 含 有 Mn、 Si 等 元 素 以 提 高 材 料 的 弹 性3(即 抗 弯 性 能 ） 。 有 时 还 含 有 微 量 的 B、 V 等 元 素 以 提 高 材 料 的 淬 透 性 。 常 用 的 杆 体 材 料 有 : 36Mn2V 35CrMo

11、42MnMo7 35CrMnSi、 45MnMoB 等 。用 于 杆 体 的 无 缝 钢 管 的 壁 厚 均 匀 度 和 轧 制 缺 陷 也 是 影 响 钻 杆 质 fi 的 重 要 因 素 。 如 轧 制 的 钢管 壁 厚 均 匀 情 况 严 重 ， 当 钻 杆 较 大 的 扭 力 作 用 时 ， 容 易 在 壁 厚 较 薄 处 纵 向 裂 开 。 有 的 钢 管 有 重皮 、 气 孔 等 缺 陷 ， 钻 杆 易 从 此 处 产 生 应 力 集 中 断 裂 或 刺 漏 。钻 杆 接 头 受 力 最 为 复 杂 ， 接 头 材 料 须 有 很 高 综 合 机 械 性 能 。 钻 杆 接 头 多

12、 采 用 35CrMo 或 42CrMo.30CrMnSiA 棒 料 制 造 ， 但 经 过 锻 造 的 接 头 材 料 能 大 大 提 高 其 综 合 机 械 性 能 。(2)加 工 工 艺 选 择 ： 目 前 国 内 钻 杆 从 加 工 工 艺 分 主 要 有 整 体 锻 造 钻 杆 （ 简 称 整 体 钻 杆 ） 、 镦粗 +摩 擦 焊 钻 杆 （ 简 称 镦 焊 钻 杆 ） 和 单 纯 摩 擦 焊 钻 杆 （ 简 称 摩 擦 焊 钻 杆 ） 。 三 种 钻 杆 的 优 缺 点 比较 如 表 二 。表 二性 能 、 价 格 摩 擦 焊 钻 杆 整 体 钻 杆 镦 焊 钻 杆丝 扣 耐 磨

13、 性 好 差 好接 头 强 度 高 中 高接 头 加 工 精 度 高 差 高保 定 尺 长 度 易 难 易焊 缝 强 度 低 高整 体 性 能 差 (易 断 ) 较 好 很 好价 格 低 高 低性 价 比 低 中 高(3) 镦 粗 加 厚 段 的 处 理 ： 不 管 是 整 体 钻 杆 还 是 镦 焊 钻 杆 ， 镦 厚 部 分 与 未 镦 厚 部 分 之 间 的 过渡 段 处 理 好 坏 是 影 响 镦 锻 质 S 的 主 因 素 。 过 渡 段 应 有 足 够 的 长 度 ， 壁 厚 过 渡 均 勻 、 光 滑 ， 无 折皱 。 杆 体 经 镦 锻 后 最 好 进 行 整 体 调 质 处

14、理 ， 以 去 除 过 渡 段 内 应 力 ， 并 提 高 其 综 合 机 械 性(4) 接 头 结 构 型 式a.应 力 分 散 槽 ： 试 验 研 究 表 明 ， 导 向 、 定 向 钻 杆 受 循 环 弯 曲 应 力 作 用 而 疲 劳 断 裂 是 钻 杆 的主 要 失 效 形 式 ， 而 这 种 失 效 主 要 发 生 在 钻 杆 公 接 头 根 部 或 公 接 头 螺 纹 根 部 。 在 钻 杆 公 接 头 根 部设 计 应 力 分 散 槽 可 有 效 地 减 小 该 处 应 力 集 中 ， 从 而 提 高 其 抗 弯 能 力 。 此 外 ， 尽 量 增 大 螺 纹 直 径 、锥 度

15、 螺 纹 设 计 和 加 大 螺 纹 丝 底 圆 弧 半 径 也 能 明 显 改 善 钻 杆 公 接 头 根 部 的 抗 弯 能 力 。4b. “双 顶 ”结 构 ： 所 谓 “双 顶 ”结 构 ， 即 在 钻 杆 公 、 母 扣 拧 紧 时 母 扣 端 部 与 公 扣 台 肩 处顶 紧 的 同 时 ， 母 扣 的 内 台 肩 处 也 与 公 扣 的 端 部 顶 紧 。 “双 顶 ”结 构 钻 杆 的 加 工 难 度 大 ， 但 它 与“单 顶 ”钻 杆 相 比 具 有 多 方 而 的 优 越 性 ：1 密 封 效 果 好 钻 进 液 由 内 向 外 泄 漏 需 经 两 个 密 封 而 ， 泄

16、 漏 阻 力 大 。1 能 承 受 更 大 的 扭 矩 “双 顶 ”钻 杆 提 供 两 个 抗 扭 台 肩 ， 其 台 肩 总 接 触 面 积 远 大 于 普 通 钻 杆 ，因 而 承 受 的 扭 矩 也 远 大 于 普 通 钻 杆 。1 提 高 钻 杆 的 使 用 寿 命 普 通 钻 杆 往 往 因 为 接 尖 磨 损 ， 母 扣 端 部 变 薄 而 被 公 扣 锥 成 喇 叭 口 ，从 而 使 整 根 钻 杆 失 效 。 “双 顶 ”钻 杆 在 接 头 磨 损 严 重 后 内 台 肩 仍 有 效 地 起 作 用 ， 钻 杆 仍 能 继 续使 用 。(5) 丝 扣 的 表 而 处 理 ： 丝

17、 扣 表 面 氮 化 处 理 能 有 效 地 防 止 粘 扣 ， 还 能 提 高 丝 扣 的 耐 磨 性 ， 从而 提 高 其 使 用 寿 命 。 氮 化 层 厚 度 一 般 在 0.2 0.3mm,厚 度 过 大 容 易 产 生 碎 性 裂 纹 ， 厚 度 过 小 则抗 粘 扣 效 果 差 。 整 体 钻 杆 无 法 进 行 氮 化 处 理 ， 取 而 代 之 的 是 层 厚 小 得 多 的 磷 化 处 理 。(6) 螺 纹 加 工 精 度 ： 接 头 螺 纹 应 在 数 控 车 床 上 用 成 形 螺 纹 车 刀 加 工 ， 应 尽 量 提 高 螺 纹 牙 的表 而 质 fi,降 低 其

18、表 面 粗 糙 度 值 （ Ral.6pm)提 高 光 洁 度 ， 减 少 应 力 集 中 且 有 利 保 证 钻 杆 的 互 换性 。 接 头 螺 纹 紧 密 距 应 控 制 在 合 理 的 范 围 之 内 ， 保 证 丝 扣 啮 合 良 好 。2.预 防 螺 纹 牙 断 裂 所 采 取 的 措 施螺 纹 牙 断 裂 失 效 约 占 钻 杆 失 效 的 70%,根 据 螺 纹 牙 断 裂 失 效 的 原 因 分 析 ， 采 取 以 下 预 防 措施 可 有 效 降 低 该 类 失 效 形 式 的 发 生 率 ：(1.)加 工 螺 纹 时 ， 要 避 免 在 螺 纹 终 端 （ 退 刀 处 ）

19、 产 生 不 完 全 螺 纹 ， 防 止 在 该 处 产 生 应 力集 中 ， 致 使 螺 纹 牙 疲 劳 破 坏 。(2.)在 接 箍 底 部 和 外 螺 纹 内 端 部 采 取 合 适 的 密 封 措 施 ， 尽 ;B 避 免 管 道 内 的 流 质 进 入 螺 纹接 合 处 ， 减 少 腐 性 磨 损 ， 防 止 螺 纹 牙 锈 蚀 而 导 致 其 强 度 不 足 。(3.)对 加 工 出 的 螺 纹 进 行 射 线 检 测 或 者 磁 粉 探 伤 等 无 损 检 测 ， 及 时 发 现 管 道 螺 纹 部 位 的表 面 和 内 部 缺 陷 ， 避 免 有 缺 陷 的 螺 纹 扣 下 井

20、 。(4.)选 用 大 小 合 适 的 扭 矩 旋 紧 螺 纹 ， 避 免 因 预 紧 力 过 大 而 超 出 螺 纹 材 料 的 强 度 极 限造 成 螺 纹 牙 折 断 。3.施 工 工 艺 的 改 进(1) 规 范 操 作 ： 施 工 中 要 严 格 按 照 各 种 钻 杆 所 允 许 的 拉 力 、 扭 矩 和 曲 率 半 径 来 使 用 钻 杆 。 对 于 施 工 企 业 来 说 ， 只 有 按 规 范 使 用 钻 杆 ， 才 能 有 效 避 免 钻 杆 的 非 正 常 失 效 。(2) 过 渡 杆 的 作 用 ： 在 扩 孔 和 拉 管 过 程 中 ， 与 扩 孔 钻 头 连 接

21、的 那 根 钻 杆 的 曲 率 半 径 很 可 能远 小 于 钻 孔 设 计 的 曲 率 半 径 （ 如 图 1),即 rR,从 而 使 这 根 钻 杆 在 回 转 并 受 拉 力 作 用 下 而 受到 较 大 的 循 环 应 力 作 用 ， 使 其 疲 劳 损 伤 ， 进 而 产 生 裂 纹 而 断 裂 。 这 种 断 裂 多 发 生 在 距 钻 杆 公 接头 0.3 0.8m 之 间 。 在 普 通 钻 杆 与 扩 孔 钻 头 之 间 连 接 过 渡 杆 ， 可 使 扩 孔 钻 头 与 普 通 钻 杆 之 间 的 小曲 率 过 渡 由 加 过 渡 杆 来 承 担 ， 从 而 保 护 了 普 通 钻 杆 。 过 渡 杆 的 这 种 作 用 往 往 被 用 户 所 忽 视 ， 但是 很 多 看 似 无 法 解 释 的 断 钻 杆 事 故 其 原 因 就 在 于 此 。