旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺

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（1）
由于相比起扭矩而言，钻杆的轴向压应力 ! 很
小，计算时可忽略不计，则计算可得钻杆材料所需的
屈服 极 限 !7 )0-) 23& )!0. 23&（ !) 钢 屈 服 极 限），即使不考虑钻杆工作所需的安全系数，原有钻
杆材料使用的 !) 钢的抗扭强度也无法满足钻机扭
矩要求，可见前面的分析是正确的，材料抗扭强度无
就有岩心钻探的施工能力，就如各地勘单位的化验 的或省级的地质学会探矿工程专业委员会应增选一
室仍要获得相应的化验资质一样。
些有活力的中青年人员，把学术活动、技能培训搞得
（"）岩心钻探队伍必须要有一定数量的相对稳 再活跃一些。基层的地勘单位也要尽可能地支持、
定的技术干部和技工。如钻探机台技工配备要有一 配合。
图 ’! 钻杆结构及变形示意图
!# &" 钻杆材料分析 采用 A8UV % ’7## 型电子探针仪，对损坏的钻
杆材料试样进行材料分析，得出结果如下：该国产钻 杆材料为 "# 钢。查询材料手册可知，"# 钢屈服极 限 != W "9$ U8F。 !# ’" 强度计算
! 收稿日期："##$ % #& % ’(；改回日期："##$ % #) % "# ! 作者简介：翁炜（’)(( % ），男（ 汉族），河北新城人，北京探矿工程研究所工程师，中国地质大学（ 北京）地质工程硕士在读，钻探机械专业，从 事大口径岩土工程钻掘机具及工艺的研发工作，北京市海淀区学院路 ") 号，（#’#）*"&"’*($，+,-.+,/0 12/,,3 4563 4-；黄玉文（’)7* % ），男（ 汉 族），江苏人，北京探矿工程研究所大口径钻掘机具研发中心生产部主任、工程师，探矿工程专业，从事大口径岩土工程钻掘机具及工艺的研发
（#）
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（!）
式中：!———钻机最大液压加压力，!)) *+；$%&’———
钻机最大扭矩，#,- *+·%；%&———钻杆抗扭截面模
量，第四节钻杆 %& $ ,-.//0 %%1 。
计算后知道钻杆的最大剪应力 "%&’ 为 !1) 23&。
根据 45678& 屈服条件可知：
万方数据
及生产工作，（#’#）7)&#77#"。
" !)). 年第 #) 期" " " " " " " " " 探矿工程（ 岩土钻掘工程）
1/
根据钻杆受力情况，建立简单模型，如图 ! 所 示。
图 !" 钻杆受力示意图
" " 排除疲劳应力影响，可按照静载条件下强度公
式（#）、（!）计算钻杆受力：
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硬件上的数量要求，原先地质矿产部以及一些工业
..............................................
（ 上接第 $& 页）
件进行热处理试验，并对试验管件进行力学性能测
’ ’ !钻杆管件与外键焊接采用 ()*## 型 +," 气 体保护焊机，以提高焊接速度。
试，测试结果显示管材热处理后 !5 6 7&# /89，满足 钻杆设计要求。在热处理过程中对钻杆采用吊装方
管，考核也仅是以经济效益为唯一指标。以前几十 本的水准。
年建立起来的不少管理模式不用了，但一些新的、有
（$ ）教 育 培 训 要 跟 上，学 术 交 流 要 活 跃。"##%
效的管理办法又没有建立起来。这包括采购、供应、 年 & 月，国土资源部在青岛开办了一期高级勘探技
机械加工、维修、运输等，要适应未来的新形势必然 术培训班，虽然培训内容不少是 "# 世纪八九十年代
（!）热处理产生的弯曲变形和氧化层造成的尺 寸误差；
（1）焊接热变形。在生产中要注意避免和减少 上述误差，设计并选择合理的生产工艺。
%" 加工工艺 %# $" 加工设备
井式热处 理 炉，!.)) = 四 柱 液 压 机，+>.)) 型 ;?! ( 2@A 气体保护自动焊机 0 台，BC, D .)) 型直 流电焊机 ! 台，测温仪，机加工设备若干（ 车床、铣 床等）。 %# !" 加工流程
工装完成，使用水平仪等检测手段保证钻杆的同轴 度和直线度等公差要求。
"管件对接环形焊缝采用外部单面焊接双面成 型，保证焊缝焊透，无夹渣、气孔等缺陷，无过焊现象 出现，避 免 阻 碍 第 五 节 钻 杆 在 内 部 的 滑 动。采 用 BC, D .)) 直流电焊机焊接，焊条采用高强度焊条。
#在钻杆外键的焊接过程中，使用焊接工装保 证外键条尺寸及公差，并采用分段焊接、对称焊接等 工艺，减少钻杆热变形。
钻机工作要求等多种成因的组合。对于不同的情况 要进行具体的分析。 !# %" 钻杆破坏形式
该钻杆破坏失效后已经无法正常伸缩，经拆卸 后发现，第四节钻杆发生扭转变形失效，钻杆扭转角 达 7#（S 如图 ’ 所示）。该钻杆是国内厂家配合宝峨 ;P’* 型钻机自行生产的钻杆，由于各节钻杆级配尺 寸受到钻机动力头尺寸的限制（ 最外节钻杆外径为 &(( 66），因此产生了薄弱环节。第四节钻杆结构 尺寸参数为：T"’) 66 O T’)$ 66 O ’&### 66（ 外径 O 内径 O 长度）。排除疲劳裂纹的扩展或失稳造成 的断裂破坏，我们初步认为钻杆失效的主要原因在 于该节钻杆的抗扭强度难以满足钻机扭矩的要求。
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探矿工程（ 岩土钻掘工程）! ! ! ! ! ! ! ! ! "##$ 年第 ’# 期!
旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺
翁! 炜，黄玉文，胡继良，史新慧
（ 北京探矿工程研究所，北京 ’###*&）
摘! 要：对旋挖钻机钻杆失效形式进行了简要分析，针对性地介绍了旋挖钻机摩阻式钻杆的方案设计和制造工艺， 以及生产过程中的注意事项。 关键词：旋挖钻杆；抗扭强度；焊接；热处理 中图分类号：87&93 9 : "! ! 文献标识码：;! ! 文章编号：’7(" % (9"*（"##$）’# % ##&* % #" !"#$%&’& (" )(*#+% ,+’$$ )(- .#’$/+0 #"- 1+(-/2’"3 4025"($(3% 6 !"#$ !%&，’()#$ *+,-%.，’( /&,0&1.2，3’4 5&., 6+&（ ;,/2/- <-=>/>?>, 5@ ABCD5EF>/5- A-./-,,E/-.，;,/2/-. ’###*#，GH/-F） !7&*+#2*：IH, E5>FEJ KE/DD E5K @F/D?E, /= F-FDJL,K3 IH, FD>,E-F>/M, K,=/.- F-K 6F-?@F4>?E, >,4H-/N?,= 5@ @E/4>/5- KE/DD/-. C/C,= 5@ E5>FEJ KE/DD= +F= /->E5K?4,K3 IH, F>>,->/5-= =H5?DK 1, CF/K K?E/-. 6F-?@F4>?E, +,E, 6,->/5-,K3 80% 9(+-&：E5>FEJ KE/DD E5K；>5E=/5- =>E,-.>H；+,DK；H,F> >E,F>6,->
要进行改革。
就推广、普及的金刚石钻探技术，但参加人大多数为
建立一支正规的、在未来市场上有竞争力的岩 各单位技术骨干或较高层的管理干部。今后应针对
心钻探队伍，可以借鉴目前一些行业的办法，即建立 各种层次办训练班、培训班。要充分利用现有的教
准入制，设立必要的门槛。对注册资金、技术干部、 育资源，将已有的高校、中专、技校的师资调动起来，
钻杆的最终尺寸要适应原有钻杆级配，满足配 合要求，其中包括尺寸与同轴度、直线度等公差，故 此要充分考虑到生产过程中产生的误差，误差来源 主要有如下几点：
（#）钻杆所用管件本身制造误差（ 包括圆度、直 线度以及 壁 厚 均 匀 度 等 ），此 误 差 的 解 决 方 法 只 能 在采购环节中进行检测，选择最优管件；
技工、装备、业绩等做一个基本的要求，这样可剔除 分期、分批培训现在的技工和干部。
社会上一些滥竽充数的队伍。只有获得相应的资
近 !# 多年来，钻探的学术交流活动明显不如前
质，才能跨部门、跨行业、跨地域承接相应的钻探工 "# 年，尤其是省级、大区的活动基本停止了。这与
程。目前各地勘单位都有地质勘查证，但并不等于 行业学会（ 协会）这个组织被削弱了有关，目前全国
!" 钻杆失效形式分析 !# !" 损坏钻杆及其配套旋挖钻机设备参数
钻杆为国产六键摩阻式伸缩钻杆（’&### 66 O $ 节）；钻机为宝峨 ;P’* 型钻机，额定扭矩 ’(7 QR ·6，液压加压力 "## QR，起拔力 "$# QR。 !3 $" 钻杆受力及破坏成因分析
旋挖钻机钻杆在工作中主要受扭矩、加压力与 起拔力的作用，同时还必须考虑到冲击与振动的因 素，钻杆的失效就出现在这个复杂的应力场中。在 使用过程中，尽管平均应力小于屈服极限，但钻杆在 交变应力的作用下，可能出现微小裂纹发展成大裂 纹导致的断裂，称之为高周低应力疲劳破坏，或是交 变应力的循环次数并不多，但是平均应力高造成的 低周高应力疲劳破坏，当然还有钻杆强度无法满足