【微课堂】非开挖定向钻导向钻进中钻杆失效的原因及解决措施

非开挖技术 2018-04-16 21:02:22

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钻杆最可怕的失效形式是钻杆的断裂。钻杆在导向、定向钻进铺管过程中一但断裂,将会对工程造成严重影响,不仅是经济上的损失,而且影响工期,失去信誉,后果不堪设想。因此,作为施工企业,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,要知道非开挖工程对钻杆的特殊要求,生产出高强度、高弹性和高可靠性的钻杆。


一、 钻杆主要失效形式及原因分析

非开挖导向、定向钻进用钻杆往往在受到较大拉力和扭力作用的同时,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非开挖钻杆断裂失效的主要原因。很多钻杆在施工导向孔时发生断裂事故就佐证了这一结论。


目前我国的非开挖施工队伍有很多是经验丰富素质高的专业公司,但更多的是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,让他们来指挥非开挖施工是造成钻杆断裂的人为方面的主要原因。


表一中列出几种常见的钻植失效形式及失效原因。

表一


失效名称

表现形式

失效原因

操作原因

钻杆自身原因

公扣根部断裂

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

1.  杆体材料韧性差

2.  杆体有严重划痕


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

3.  杆体磨损变薄

断口处有缩径

施加的拉力过大

杆体至接头过渡段断裂

摩擦焊口处断


1.  焊口处未加厚

2.  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

1.  所受负荷过大

2.  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

1.  丝扣硬化处理不合格

2.  扣面光洁度低

母扣涨大

母扣呈喇叭口状扩大

1.  母接头磨损过度

2.  受扭矩过大

非“双顶”结构


二、 避免钻杆非正常失效的措施

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面: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量和规范操作两方面来避免钻杆非正常失效。


1.提高钻杆质量

(1)钻杆材料选择:为适应非开挖导向、定向钻杆的受力分析,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(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、42MnMo7、35CrMnSi、45MnMoB。


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量的重要因素。小钢厂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,钻杆易从此处断裂或刺漏。


钻杆接头受力最为复杂,接头材料很高综合机械性能。钻杆接头多采用35CrMo或42CrMo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:目前国内非开挖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

丝扣耐磨性

接头强度

接头加工精度

保定尺长度

焊缝强度

——

整体性能

差(易断)

较好

很好

价格

性价比


(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量的主因素。过渡段应有足够的长度,壁厚过渡均匀、光滑,无折皱。杆体经镦锻后最好进行整体调质处理,以去除过渡段内应力,并提高其综合机械性能。


(4)接头结构型式

a. 应力分散槽:试验研究表明,非开挖导向、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。


b. “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”钻杆相比具有多方面的优越性:

l   密封效果好  钻进液由内向外泄漏需经两个密封面,泄漏阻力大。

l   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。

l   提高钻杆的使用寿命  普通钻杆往往因为接头磨损,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)丝扣的表面处理:丝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,以保证钻杆的互换性。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.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r<<r< span="">,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。


(3)防止钻杆失稳:钻杆是力学中的细长杆,在受压力作用下有失稳的趋势。因此,在导向孔施工阶段要对处于自由状态的钻杆进行约束,防止在造斜顶进过程中钻杆失稳而弯曲失效。钻杆失稳情况多发生在钻机夹持器至入地点之间的钻杆段,应尽量缩短该段长度,或采取适当的约束措施。为防钻杆失稳,一般应使钻杆自由段长度小于钻杆直径的20倍。


(4)丝扣油的使用:质量好的丝扣油能有效防止钻杆粘扣、减小卸扣扭矩、减少扣面磨损。


(5)冲洗液的使用:在砂层、卵砾石层中钻进时,应用优质泥浆作冲洗液。泥浆在钻杆外壁形成泥皮,起润滑作用,能减小钻进扭矩,减少钻杆磨损,对保护钻杆起到非常重要的作用。


(6)钻杆的检查:钻杆使用一段时间后,就应检查钻杆的磨损、弯曲、表面划痕等情况,要及时淘汰磨损过度、明显弯曲及表面划痕较深的钻杆。尤其要仔细检查镦锻过渡段的磨损情况,该处往往最易被磨损变薄而断裂。


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