煤礦用鉆桿螺紋的研究現(xiàn)狀及展望

田東莊，陳彥宇，李 晴，董萌萌，牟培英

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

鉆桿是煤層瓦斯抽采、探放水和地質(zhì)勘探等鉆孔施工的主要裝備之一。在鉆孔施工過程中，鉆桿受拉、壓、彎、扭等多種交變載荷的作用，且伴有震動和沖擊。除此之外，鉆桿的外表面受孔壁的摩擦而磨損，其內(nèi)外表面受泥漿介質(zhì)，尤其酸性泥漿介質(zhì)的腐蝕。當發(fā)生埋鉆、卡鉆等孔內(nèi)異常事故時，由于強力回轉(zhuǎn)和起拔，導致因扭矩過大和起拔力過大出現(xiàn)鉆桿斷裂失效等事故較為頻繁。據(jù)統(tǒng)計，鉆桿發(fā)生失效主要有以下3 種形式：①公接頭螺紋大端第1 扣至第2 扣處斷裂；② 母接頭開裂或變形成喇叭口；③公母扣磨損嚴重。上述3 種類型的失效都與鉆桿螺紋緊密關聯(lián)，約占鉆桿失效的70%以上，因此，有效預防螺紋失效對減少鉆孔孔內(nèi)事故具有十分重要的意義[1-3]。

近年來，隨著我國煤礦井下近水平定向鉆進技術的不斷發(fā)展，一些超大扭矩的坑道鉆機相繼問世，例如 ZDY15000LD、ZYWL-20000DS 和 ZDY-30000LSD 定向鉆機等。由此衍生出新的鉆進工藝與技術，例如大直徑頂板高位水平定向長鉆進技術和復雜地層近水平超長鉆進技術等，上述技術能夠低成本、高效率抽采瓦斯，受到礦方的高度認可。但是，同時使得在鉆進過程中鉆桿承受的扭矩、拉力等載荷越來越大，因此，對鉆桿的連接強度和密封性能等提出了更高要求[4-5]。

目前，煤礦用鉆桿螺紋主要采用API 螺紋或改進后的API 螺紋，API 螺紋具有加工容易、可重復上扣和良好的經(jīng)濟性等優(yōu)點，但其抗拉強度不高、且不具備氣密封特點[6-8]。隨著超高壓水射流鉆進、超高壓水力壓裂、空氣潛孔錘鉆進等新的施工工藝涌現(xiàn)[9-12]，鉆桿螺紋在連接強度和密封性能等方面已難以滿足在復雜地層長鉆孔的施工要求。因此，筆者總結當前煤礦用鉆桿螺紋結構特點及研究現(xiàn)狀，分析鉆桿螺紋在設計、生產(chǎn)及使用過程中存在的問題，并結合石油鉆桿特殊螺紋的技術特點等，探討煤礦用鉆桿螺紋的發(fā)展方向。

1 鉆桿螺紋結構特點

鉆桿螺紋的結構形式直接決定了鉆桿的連接強度、使用壽命、加工難易程度及施工過程中的裝卸效率等，并影響用戶和鉆桿生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此，設計結構合理，適合加工生產(chǎn)、使用以及具有經(jīng)濟效益的鉆桿螺紋具有十分重要的意義[13]。

目前，煤礦用鉆桿螺紋結構種類較多，按牙形分為三角形螺紋、偏梯形螺紋和梯形螺紋。三角形螺紋也稱圓螺紋，牙形角為60°，圓頂圓底；圓螺紋因其加工容易、密封性好、有一定的連接強度、現(xiàn)場維護和使用簡單、價格便宜等優(yōu)點，被廣泛使用[14]。偏梯形螺紋具有3°承載牙側(cè)面和10°引導牙側(cè)面，不同廠商生產(chǎn)的牙形角略有差別；偏梯形螺紋能夠承受足夠大的拉伸或壓縮載荷，但其密封性較低，尤其是在一定的彎曲應力和軸向拉力作用下，密封性能進一步降低，因此，一般通過增加扭矩臺肩或密封面來提高其密封性能[15-16]；偏梯形螺紋主要用于定向鉆進類鉆桿，如通纜鉆桿。梯形螺紋的牙型為等腰梯形，其牙型角為30°或90°等，具有牙根強度高、對中性好、工藝性好、螺紋嚙合后不易松動等優(yōu)點。

按臺肩形式，煤礦用鉆桿螺紋結構分為單臺肩結構和雙臺肩結構。雙臺肩結構的主要目的是控制上扣扭矩，其抗扭、耐粘扣性、抗壓縮和抗彎等性能參數(shù)優(yōu)于單臺肩結構。雙臺肩結構在工作過程中，主臺肩面和螺紋段為承受載荷主體，輔助臺肩面承受部分載荷，起一定的過載保護作用[17-18]。雙臺肩結構主要應用于高扭矩、高鉆壓的鉆進工況。雙臺肩結構分為逆向臺肩和直臺肩，逆向臺肩又細分為輔助臺肩為逆向臺肩、主臺肩為逆向臺肩和主輔臺肩均為逆向臺肩3 種類型，如圖1 和圖2 所示。逆向臺肩能夠改善接頭接觸應力分布，同時使得密封特性得到改善。主臺肩為逆向臺肩的主要作用是緩解母接頭脹扣的發(fā)生，輔助臺肩為逆向臺肩的主要目的是改善密封效果，同時對上扣定位起到很好的作用。

圖1 雙臺肩和單臺肩螺紋結構Fig.1 Threaded structure of dual-shoulder and single-shoulder

圖2 輔助臺肩為逆向臺肩的螺紋結構Fig.2 Threaded structure of the auxiliary and reverse shoulder

按密封形式，分為彈性密封(O 型橡膠圈密封或聚四氟乙烯的密封環(huán)等)、金屬對金屬密封和復合密封(金屬密封+彈性密封)。彈性密封結構比較簡單，即在螺紋端部加工一個或多個密封槽，通過密封環(huán)堵塞螺紋間隙形成密封作用，其壽命有限，一般螺紋連接3～5 次后就需更換。金屬對金屬密封結構是由光滑的金屬表面彈性過盈配合而實現(xiàn)密封的，應用于高溫、高壓工況[19-20]。復合密封是金屬密封失效后，靠軟密封保證零泄漏。金屬-金屬密封分為柱面對柱面密封、錐面對錐面密封和球面對錐面密封等(圖3)，其中錐面-錐面密封結構密封效果好，且比較容易進行高精度加工，被廣泛使用。

螺紋緊密距是影響煤礦用鉆桿螺紋能否正常拆卸的最主要因素之一。在處理鉆孔孔內(nèi)事故過程中，強力回轉(zhuǎn)和起拔鉆桿常常引起螺紋變形嚴重，導致鉆桿無法正常拆卸[21]。為了便于拆卸，煤礦用鉆桿螺紋采用負緊密距。若螺紋緊密距值的絕對值較大，則導致公母螺紋預緊后，螺紋的有效接觸面積減小，螺紋的連接強度降低，因此，煤礦用鉆桿螺紋緊密距值的絕對值不宜過大。一般地，螺紋緊密距的取值為-0.8～-3 mm[22-23]。

圖3 密封結構Fig.3 Sealing structure

2 研究現(xiàn)狀

2.1 螺紋應力分布

研究鉆桿螺紋應力分布情況主要是分析它在拉、扭、彎等載荷作用下的受力和變形情況，為優(yōu)化螺紋結構提供指導。目前采用的研究方法主要有解析法、有限元法和試驗法。

a.解析法 應用解析法對鉆桿螺紋進行分析具有很多局限性。假定鉆桿公母螺紋在螺紋預緊及受力后，最大變形量在彈性范圍內(nèi)，通過彈性力學的本構模型進行力學分析。螺紋嚙合后，公母螺紋的接觸面是一個空間螺旋曲面，接觸較為復雜。鉆進過程中，鉆桿的受力為復合且無規(guī)律載荷，嚙合螺紋的局部應力往往超出材料的屈服極限，因此，難以建立精確的數(shù)學模型。雖然傳統(tǒng)的彈性力學理論是在做了很多假設的基礎上對鉆桿螺紋進行理論分析，其準確性較低，但這種方法力學概念清楚，給人以完整的力學形象，具有重要的指導意義[24]。目前，關于螺紋連接強度的理論研究成果較多，如許紅林[25]采用理論建模的方法系統(tǒng)地建立了一套特殊螺紋連接強度和密封理論體系。

b.有限元法 隨著有限元技術的飛躍發(fā)展，一些大型商業(yè)有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS 等對鉆桿螺紋的分析能力越來越強，這極大地推動了鉆桿螺紋的研究進程。當前有限元法已經(jīng)成為研究與開發(fā)鉆桿螺紋的主要手段之一。鉆桿螺紋的有限元分析是一個綜合材料非線性和邊界條件非線性的彈塑性接觸問題，其中接觸分析是重點，也是難點[26-27]。目前國內(nèi)外學者主要采用二維軸對稱有限元模型研究不同鉆桿螺紋參數(shù)對其某一方面性能參數(shù)的影響規(guī)律，這些研究對鉆桿螺紋的研發(fā)具有積極的推動作用。由于三維模型建模困難、計算復雜，鉆桿螺紋三維有限元分析的研究還沒有很大的進展。一些學者通過建立鉆桿螺紋三維模型，在復合載荷下分析接觸應力分布規(guī)律，所得結果與螺紋實際受力特征存在一定的差異[28]。

c.試驗法 試驗法在鉆桿螺紋性能研究和開發(fā)中具有十分重要的作用。通過室內(nèi)試驗測試鉆桿螺紋在不同軸向力、不同扭矩或不同彎矩下的連接強度和密封性能。目前煤礦用鉆桿螺紋仍主要采用單一純靜態(tài)載荷作為數(shù)值仿真的結果驗證和評判螺紋性能的標準[19,29]。但試驗法難以反映鉆桿螺紋內(nèi)部真實的應力和應變情況。有學者采用光彈性法研究螺紋連接內(nèi)部的應變情況，由于螺紋在承受較大軸向載荷時表面應變比較大，往往超出普通應變片的測量范圍，導致難以了解螺紋在屈服后各個部位的應力和應變的發(fā)展趨勢；同時螺紋的失效是在一瞬間發(fā)生的，如何捕捉瞬時的應變也是一個難題[30]。

2.2 螺紋失效

由于鉆桿復雜的受力情況和使用環(huán)境，使得鉆桿失效事故屢見不鮮。通過對鉆桿的失效分析，能及時地分析、總結鉆桿失效原因，并提出切實有效的解決措施及預防手段。鉆桿螺紋失效種類繁多，大體分為以下幾種類型：疲勞破壞、脆斷、粘扣、脹扣、刺扣和密封失效、臺肩面和螺紋表面擦傷等，其中疲勞破壞和脆斷占鉆桿螺紋失效總量的80%以上[2,31]。由此可見，有效預防鉆桿螺紋失效的關鍵在于預防螺紋疲勞破壞和脆斷上。

a.疲勞破壞 鉆桿螺紋疲勞破壞的主要原因是由于鉆桿在彎曲鉆孔軌跡中旋轉(zhuǎn)時發(fā)生周期性交變彎曲應力所致。鉆桿螺紋的疲勞破壞主要有疲勞斷裂和螺紋牙的剪切失效2 種形式[32-33]。由于螺紋接頭的剛性比鉆桿管體的剛性大，所以應力集中主要發(fā)生在螺紋接頭上，大部分鉆桿螺紋的斷裂均發(fā)生在公接頭大端第1 扣和第2 扣之間。

b.脆 斷 鉆桿螺紋在加工和使用過程中由于各種原因，如鍛造、熱處理、車螺紋等，在鉆桿接頭的內(nèi)部或表面已經(jīng)存在各種類型的裂紋。據(jù)研究表明，鉆桿螺紋連接處要承受相當高的局部應力，致使這一部位的材料處于全面屈服狀態(tài)。在高應變的塑性區(qū)中，較小的裂紋也可能擴展，進而引起全面屈服脆性斷裂[29]。另外，疲勞破壞和脆斷都與材料沖擊功有很大的關系。

c.粘 扣 粘扣是指鉆桿螺紋或主輔臺肩面間的金屬粘接在一起，影響鉆桿的密封性和結構完整性，嚴重時會造成泄漏等事故。目前對螺紋粘扣的失效機理并沒有形成統(tǒng)一的認識，一種觀點認為接觸應力過大是引起螺紋粘扣的根本原因，在上扣過程中，上扣扭矩和幾何過盈造成螺紋局部接觸應力過大，導致材料發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生宏觀粘扣現(xiàn)象。另一種觀點認為粘扣是由公母螺紋之間的粘著磨損、磨料磨損和腐蝕磨損混合引起的一種失效現(xiàn)象[34-35]。此外，研究表明，發(fā)生粘扣一方面與螺紋自身抗粘扣性能差有關，另一方面與操作不當有關，如在螺紋旋合時存在偏斜對扣、高速上扣等。

d.刺扣和密封失效 刺扣是指高壓水或高壓泥漿將鉆桿螺紋刺壞的一種破壞形式。根據(jù)位置不同，刺扣可分為螺紋的母線方向刺扣和螺旋方向刺扣。母線刺扣是由于臺肩密封不嚴，從臺肩的縫隙中刺出，螺紋和臺肩都被破壞。發(fā)生螺旋刺時，臺肩完好無損，而螺紋根部沿著螺旋方向被高壓水刺出一條通道，引起密封失效[36]。

總之，大量學者采用理論、仿真和試驗等方法對鉆桿螺紋失效進行了大量研究，并采用宏觀形貌分析、金相檢驗、力學性能測試等方法對發(fā)生失效的鉆桿螺紋進行分析。如許志倩等[37]依據(jù)螺紋嚙合變形協(xié)調(diào)方程，建立了螺紋牙嚙合簡化的力學模型，統(tǒng)計螺紋不同失效形式的概率及可靠度；陳守俊等[35]對螺紋粘扣失效的過程進行試驗，研究接觸應力大小對發(fā)生粘扣失效的影響規(guī)律；曾鐘等[31]采用多種方法對套管螺紋斷裂失效進行分析并提出預防措施。上述研究對預防螺紋失效、優(yōu)化螺紋結構具有十分重要的意義。

3 存在的問題

由于起步較晚，與石油鉆桿螺紋相比，我國煤礦用鉆桿螺紋在研發(fā)和制造過程中還存在很多問題，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 基礎研究工作不到位

我國煤礦用鉆桿螺紋的研發(fā)經(jīng)歷了從引進、模仿到自主研發(fā)的過程，對螺紋的設計原理，如密封設計、強度設計、防粘扣設計等方面還缺乏深層次認識。具體表現(xiàn)為以下幾個方面。

①密封可靠性低，由于密封結構設計及公差選擇不當導致在使用過程中，鉆桿易發(fā)生上扣不到位或泄漏等，同時螺紋密封結構與接頭材料性能之間的關系研究不足。

② 復合載荷下螺紋應力分布情況研究不足，科研人員采用有限元法在不同拉力、不同扭矩或不同彎矩下分析了螺紋應力分布情況，但實際中，螺紋往往受拉、彎、扭等多種載荷，缺乏復合載荷作用下螺紋的應力分布研究。

③緩解螺紋應力集中方法研究不足，大量仿真分析和應用實踐表明鉆桿公接頭大端第1 扣至第2扣處為應力集中區(qū)域，在復合載荷下，該處易發(fā)生斷裂失效。但針對這一問題，各科研院所及企業(yè)未能提出合理的改進措施，缺乏相關研究[22]。

④ 粘扣，由于螺紋過盈量或金屬密封面過盈量選擇不當，導致螺紋粘扣或主密封粘接。

⑤ 上扣扭矩對螺紋連接強度的影響研究不足，由于煤礦坑道鉆機還未實現(xiàn)自動化鉆進，上扣扭矩無法精確控制，導致行業(yè)內(nèi)還未大量開展不同上扣扭矩對螺紋連接性能影響的研究。

3.2 制造技術滯后

①螺紋加工誤差大，目前鉆桿螺紋制造企業(yè)普遍采用數(shù)控車床批量加工鉆桿螺紋，加工誤差大，誤差可達0.1mm，甚至更高。

② 螺紋檢測技術落后，通過專用的塞規(guī)或環(huán)規(guī)配合相應的緊密距判斷加工的螺紋是否合格。雖然通過通止規(guī)可以判斷公母螺紋是否能夠正常旋合，但無法掌握螺紋牙的接觸情況，而螺紋牙的接觸情況直接影響螺紋的連接強度和可靠性等。目前行業(yè)內(nèi)已實現(xiàn)了基于機器視覺的鉆桿公螺紋高精度檢測，并建立了公螺紋加工及檢測一體化、自動化生產(chǎn)線[38]。但針對母螺紋高精度、高效、自動化檢測技術的研究仍主要停留在實驗室研究階段，未見商業(yè)化應用的公開報道。

3.3 鉆探新技術對螺紋結構的要求

機械化自動加桿對螺紋結構提出更高的要求。隨著各大礦區(qū)大力推進“機械化換人、自動化減人、智能化無人”綠色智慧礦山建設，具備機械化自動加桿功能的坑道鉆機具有廣闊的市場前景。機械化自動加桿要求鉆桿容易對扣、上扣，鉆桿螺紋具有較大的錐度，一般建議錐度為1︰6，或者錐度比更大。錐度比較大導致鉆桿接頭處的過水或過風面積減少，不能滿足大水流量或大風量的鉆進工藝要求。因此，機械化自動加桿對螺紋結構提出了新的較高要求。

鉆探新工藝對螺紋結構提出更高的要求。隨著新的鉆孔施工工藝，如超高壓水力壓裂技術、超高壓水力割縫技術、超高壓空氣鉆進技術等得到逐步推廣，上述施工工藝對鉆桿的密封性能提出了較高要求[39]。

4 展 望

a.開展大直徑鉆桿螺紋的研究。隨著“以孔代巷”定向鉆進技術和大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進技術等在各大礦區(qū)逐步推廣應用，對成孔直徑和成孔深度提出更高要求，部分礦區(qū)要求成孔直徑達300 mm以上。因此，需要開展大直徑鉆桿螺紋的研究。

b.研究適用于機械化自動加桿的螺紋結構。機械化自動加桿的螺紋需具備較大的錐度比，一般建議錐度比為1︰6 或更大，同時要求具備較大的過水或過風面積和較好的密封性能。此外，隨著煤礦坑道鉆機逐步實現(xiàn)自動化鉆進，上扣扭矩能夠精確控制，因此，還需要研究不同型號螺紋結構的最佳上扣扭矩，提高鉆桿螺紋的使用性能。

c.隨著超長定向孔滑動鉆進減阻工藝、超高壓水力割縫技術等得到逐步推廣，超高強度、超高壓密封鉆桿具有廣闊的市場前景。研制超高強度、超高壓密封鉆桿的關鍵在于開發(fā)具有超高連接強度、耐超高水壓的鉆桿螺紋。石油用特殊螺紋，即非API螺紋具有超高連接強度、優(yōu)質(zhì)密封性能、容易上扣等優(yōu)點。因此，應結合石油用特殊螺紋開發(fā)煤礦用特殊螺紋。

d.優(yōu)化螺紋牙受力分布研究。對煤礦用鉆桿螺紋進行改進或是開發(fā)煤礦用特殊螺紋，例如采用變螺距螺紋、增加應力釋放槽、公接頭端部螺紋削平等方式改善螺紋牙受力分布，減少鉆桿從公接頭大端第1 扣至第2 扣處斷裂事故的發(fā)生。

e.研究動態(tài)循環(huán)復合載荷試驗方法評判鉆桿螺紋的性能。由于在實際鉆進過程中，鉆桿受力狀態(tài)非常復雜，受力包括擠壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)及內(nèi)外流體壓力等。為模擬井下復雜工況，需研究動態(tài)循環(huán)復合載荷試驗方法，全方位評判鉆桿螺紋的各項性能指標。

f.提高螺紋加工精度和檢測精度，引進或研制適合煤礦用鉆桿螺紋加工的專用數(shù)控管螺紋加工機床，提高螺紋加工質(zhì)量；同時探索高精度、高效率的母螺紋檢測方法，如基于激光位移傳感器的螺紋檢測、探針接觸式螺紋檢測、機器視覺螺紋檢測等。激光位移傳感器具有量程大、精度高等特點，但對于牙形角較大的牙形斜面，傳感器能夠收集反射回光較少，導致測量困難。探針接觸式螺紋檢測具有檢測精度高等特點，但其檢測速度較慢。機器視覺用于母螺紋檢測時，由于在內(nèi)孔成像畸變嚴重，因此，相比其他檢測方法，基于機器視覺技術實現(xiàn)高精度母螺紋檢測難度較大?？傊?，需通過研究先進的管螺紋制造技術來進一步提高鉆桿螺紋加工質(zhì)量。

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