楊宏偉,李艷麗,滿國(guó)祥,朱立強(qiáng),閆路,張慧杰,張麗敏,王洪煒
(石家莊探礦機(jī)械廠, 石家莊 050081)
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反井鉆桿的研發(fā)與應(yīng)用
楊宏偉,李艷麗,滿國(guó)祥,朱立強(qiáng),閆路,張慧杰,張麗敏,王洪煒
(石家莊探礦機(jī)械廠, 石家莊 050081)
作者根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際過(guò)程對(duì)反井鉆桿的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明,并成功地在反井施工中得到應(yīng)用,最后提出一些建議,旨在拓寬相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域。
反井;鉆桿;研發(fā);應(yīng)用
反井鉆桿是反井施工中的重要組成部分,也是施工成敗的關(guān)鍵部件。如果反井鉆桿的質(zhì)量不過(guò)關(guān),將會(huì)導(dǎo)致工程的失敗并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,本文論述該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造中的要點(diǎn)及應(yīng)注意的事項(xiàng),希望對(duì)選用和生產(chǎn)該產(chǎn)品有一定的參考價(jià)值。
1.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
由于反井鉆桿在施工過(guò)程中承受著拉、壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變應(yīng)力的作用,因此反井鉆桿必須具有較高的疲勞強(qiáng)度和剛度。螺紋部分的斷裂和磨損失效是反井鉆桿最常見的失效形式,對(duì)螺紋形式選擇、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、螺紋部分的強(qiáng)化處理是十分有必要的。
1.2 反井鉆桿結(jié)構(gòu)
外形尺寸:外徑214 mm,內(nèi)徑122 mm,長(zhǎng)度1 140 mm。結(jié)構(gòu)圖見圖1。
圖1 反井鉆桿結(jié)構(gòu)圖
1.3 材料的選擇及性能要求
反井鉆桿材料的選擇至關(guān)重要,因?yàn)樗壬婕暗街圃斐杀居稚婕暗綗崽幚砗蟮牧W(xué)性能。如果只考慮成本而選用普通材料,那么力學(xué)性能就會(huì)達(dá)不到規(guī)定的要求,反井鉆桿在施工過(guò)程中容易出問(wèn)題。相反,如果盲目追求過(guò)高的力學(xué)性能就會(huì)造成成本的浪費(fèi)。因此我們要結(jié)合實(shí)際來(lái)考慮,在滿足強(qiáng)度要求的前提下選擇合適的材料。這里選擇AISI 4145H合金結(jié)構(gòu)鋼,經(jīng)過(guò)整體調(diào)質(zhì)處理后達(dá)到表1的力學(xué)性能。
表1 力學(xué)性能要求
1.4 螺紋的優(yōu)化選擇和強(qiáng)化處理
螺紋部分的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)高度重視。地質(zhì)用細(xì)牙鉆桿、石油摩擦焊接鉆桿、鉆鋌等所有鉆具在使用過(guò)程中螺紋部分都是比較薄弱的環(huán)節(jié),例如:螺紋的嚴(yán)重的磨損、粘扣、外螺紋根部的斷裂等。這些問(wèn)題都會(huì)給施工帶來(lái)不便,甚至整個(gè)鉆具掉入井內(nèi),卻打撈不上來(lái),造成更大經(jīng)濟(jì)上的損失。在這里我們對(duì)螺紋部分進(jìn)行了優(yōu)化選擇和強(qiáng)化處理。
(1)參照API標(biāo)準(zhǔn)選用螺紋錐度1∶6,每英寸4牙的粗牙螺紋;
(2)對(duì)螺紋部分采用數(shù)控機(jī)床精加工后,對(duì)其先進(jìn)行表面硬化處理,然后進(jìn)行磷化處理;
(3)考慮到使用過(guò)程中螺紋部分受到各種交變應(yīng)力的組合作用非常大,現(xiàn)對(duì)外螺紋和內(nèi)螺紋設(shè)計(jì)應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu),見圖1外螺紋的根部和內(nèi)螺紋終止處;
(4)由于使用過(guò)程中反井鉆桿的扭矩較大,現(xiàn)對(duì)螺紋部分采用雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)來(lái)提高抗扭強(qiáng)度。
原材料選用直徑220 mm的圓鋼—打孔—整體調(diào)質(zhì)處理—無(wú)損檢測(cè)—力學(xué)性能檢測(cè)—截取長(zhǎng)度下料—機(jī)加工—螺紋硬化處理—磷化處理—噴漆等。在該制造過(guò)程中,必須注意要嚴(yán)格控制各個(gè)工序的精度和公差要求,包括以下幾個(gè)方面:
(1)內(nèi)孔的加工必須控制其偏心程度,一般可控制在中心的偏心度不能超過(guò)6.35 mm/m;
(2)每根原材料經(jīng)過(guò)整體調(diào)質(zhì)處理后必須進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),經(jīng)檢測(cè)合格對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),符合表1的要求后,方可進(jìn)行機(jī)加工等后續(xù)工序;
(3)螺紋部分是反井鉆桿的薄弱環(huán)節(jié),機(jī)加工必須控制其尺寸、加工精度和形位公差等內(nèi)容,并經(jīng)過(guò)螺紋試規(guī)的檢驗(yàn)。如果螺紋加工不符合上述要求,使用過(guò)程中容易造成螺紋損壞、粘扣等現(xiàn)象,造成不必要的麻煩;
(4)螺紋部分的硬化處理和磷化處理是防止粘扣的有效措施,在制造過(guò)程中是不容忽視的。
為了保證反井鉆桿在各種交變負(fù)荷下能夠保持良好的工作狀態(tài),必須使反井鉆桿具備良好的機(jī)械性能。拉伸試樣在距離外表面25 mm位置,且距離端部0.9 m內(nèi)縱向切取,見圖2。按規(guī)定的0.2%殘余應(yīng)變的方法,采用圓柱試樣進(jìn)行試驗(yàn)。沖擊試樣取三個(gè)作為一組進(jìn)行試驗(yàn),試樣如圖3。
圖2 拉伸試樣
圖3 沖擊試樣
通過(guò)試驗(yàn)得出力學(xué)性能數(shù)據(jù)如下:
屈服強(qiáng)度860 MPa,抗拉強(qiáng)度1 040 MPa,沖擊功88 J,伸長(zhǎng)率19%,硬度檢驗(yàn)HB 310,試驗(yàn)結(jié)果完全符合表1規(guī)定的要求。
反井鉆桿經(jīng)過(guò)認(rèn)真設(shè)計(jì)后,根據(jù)客戶的要求進(jìn)行了批量生產(chǎn)并應(yīng)用到施工過(guò)程中,取得良好的效果。圖4為反井鉆桿的實(shí)例。
圖4 反井鉆桿實(shí)例
使用后我們對(duì)反井鉆桿進(jìn)行了檢測(cè)和記錄,具體情況如下:外徑比使用前磨損1 mm左右,在使用過(guò)程中沒有出現(xiàn)粘扣、斷扣現(xiàn)象,螺紋部分強(qiáng)度滿足要求;螺紋部分有輕微的磨損,螺紋密封端面密封可靠,經(jīng)檢測(cè)仍符合使用要求,總的來(lái)說(shuō)滿足客戶要求,得到了用戶的認(rèn)可。
(1)下井前做好反井鉆桿的檢驗(yàn)工作,不能讓“帶病”的鉆桿進(jìn)入孔內(nèi)。
(2)反井鉆桿在使用過(guò)程中,必須做好螺紋的防護(hù)工作,避免磕碰引起粘扣。
(3)單根鉆桿連接時(shí),螺紋表面的臟污須清理干凈,并涂抹螺紋脂,防止螺紋過(guò)早損壞。
(4)反井施工過(guò)程中不能新舊鉆桿混合連接,并且連接過(guò)程中注意所連接2個(gè)鉆桿的同軸度,出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不要強(qiáng)行上扣。
(5)搬運(yùn)過(guò)程或倉(cāng)庫(kù)存放時(shí),必須戴好護(hù)帽。
本文設(shè)計(jì)的反井鉆桿結(jié)構(gòu)合理,性能等均達(dá)到指標(biāo)要求,并成功地應(yīng)用到實(shí)際之中,可以得到廣泛推廣。希望大家能夠從該產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程中獲益。
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[2] 趙小軍, 趙鈞羨, 陳錫慶,等. 一種大直徑反井鉆桿接頭螺紋參數(shù)的優(yōu)化研究[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2014(10):67-71.
[3] 劉志強(qiáng). 大直徑反井鉆機(jī)及反井鉆進(jìn)技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2008(11).
2016-10-14
楊宏偉(1981-),男,機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè),高級(jí)工程師,從事鉆井設(shè)備、地質(zhì)鉆具的研發(fā)工作,石家莊市鹿泉區(qū)昌盛大街69號(hào),Tel:13933089572,E-mail:1216516102@qq.com。
P634.4
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1009-282X(2016)06-0020-02