浅谈提高牙轮钻杆使用寿命的措施

2019-10-21王君

中国金属通报 2019年9期

王君

（河北钢铁集团矿业有限公司司家营北区矿山分公司，河北唐山 063700）

1 牙轮钻机的工作原理及牙轮钻杆的结构

牙轮钻机的工作部分主要由动力头、牙轮钻杆、稳杆器和牙轮钻头组成。牙轮钻机钻孔时，动力头通过牙轮钻杆和稳杆器将其提供的回转扭矩和轴向压力传递给牙轮钻头，使牙轮钻头在岩石上回转的同时不断钻进，同时，通入牙轮钻杆内腔中的压缩空气将岩渣从钻孔底部不断吹到孔外，直到形成所需深度的钻孔。

牙轮钻杆主要由钻杆接头（头）、钻杆接头（尾）、无缝钢管和销子组成（如图1所示）。

图1 牙轮钻杆的结构示意图

其中，钻杆接头与无缝钢管的联接方式采用焊接，为了确保焊缝因磨损失效后钻杆接头与无缝钢管的联接不至于立即失效，在钻杆接头与无缝钢管配合处装有销子。

2 牙轮钻杆在使用中出现的问题

2.1 牙轮钻杆出现“偏磨”现象

牙轮钻杆在使用过程中出现无缝钢管局部径向磨损不均匀的现象，导致牙轮钻杆承受扭矩的能力下降。

2.2 钻杆接头配合间隙大

为了满足钻孔深度的要求，通常是将两根牙轮钻杆通过钻杆接头的内、外螺纹联接在一起使用的。出于确保螺纹旋合到位、补偿螺纹磨损和便于拆卸等方面的考虑，钻杆接头留有一定量的配合间隙。为了确保钻杆接头的配合端面在内、外螺纹旋合到位后接触严密，通常是采用加装垫片的方法来补偿间隙。如果钻杆接头配合间隙太大，势必增加垫片的数量，影响牙轮钻杆的使用。

2.3 在后续维修中销子周围出现裂纹

为了避免因焊缝磨损导致钻杆接头从无缝钢管中脱落，在钻杆接头与无缝钢管配合处装有销子。为了保证销子在使用过程中不脱落，销子与钻杆接头和无缝钢管配合到位后，销子往往“凹入”无缝钢管6mm～10mm，然后用电焊填平。牙轮钻杆使用一段时间后，销子的外层焊接部分逐渐被磨掉。为确保销子不脱落，需要对销子进行补焊。由于从牙轮钻杆内腔通过销子配合面流出的水对焊接的影响，销子补焊完成后，会在焊接部位周围出现裂纹，在后续使用过程中，裂纹会逐渐扩展，影响牙轮钻杆的强度。

2.4 钻杆接头螺纹断裂

牙轮钻杆在使用过程中出现螺纹不连续或局部断裂，影响牙轮钻杆的联接强度。

3 牙轮钻杆的加工工艺

①加工钻杆接头：钻杆接头分为钻杆接头（头）和钻杆接头（尾），除了长度尺寸和局部尺寸不同外，其主要区别是：钻杆接头（头）上的螺纹是外螺纹，钻杆接头（尾）上的螺纹为内螺纹。加工工艺为：在钻杆接头毛坯件上钻孔，车外圆柱面和配合圆柱面、车外（内）圆锥面、车外（内）螺纹，铣卡槽。②在无缝钢管的内壁上镗焊接坡口和与钻杆接头配合的圆柱面。③钻杆接头与无缝钢管装配、焊接。④在无缝钢管与钻杆接头配合处钻孔、装销子、焊接。

4 影响牙轮钻杆使用寿命的因素

4.1 钻杆接头的加工质量

钻杆接头的诸多加工要素中最不容易控制的是螺纹的质量，其质量的好坏影响内、外螺纹旋合后螺纹的受力状况。

图2 钻杆接头（头）螺纹的局部图

由于螺纹是分布在圆锥半角为7.125°的圆锥面上（如图2所示），在用普通车床加工螺纹时，由于车床只具有纵向自动进给功能，因此，在车床纵向自动进给的同时需要手动横向进给。另一方面，由于螺纹的螺距较大，不能通过一次走刀将整个螺纹车削出来，而是需要多次走刀。在车削螺纹的过程中，在走刀之前需要根据螺纹的车削情况纵向调节刀架的位置。车床的纵向自动进给可以保证螺纹的螺距不变，但是，手动横向进给和刀架调节的不均匀性会造成螺纹的形状、螺纹的高度、螺纹牙的厚度和螺纹表面粗糙度的不均匀。上述缺陷会导致螺纹旋合后受力不均匀，造成螺纹局部损坏，甚至脱落。

4.2 无缝钢管的直线度和同轴度

无缝钢管的直线度不符合要求对牙轮钻杆的直线度有直接影响，其结果是牙轮钻杆弯曲，在使用过程中会出现晃动和“偏磨”。无缝钢管的同轴度不符合要求（即壁厚不均匀），也会造成牙轮钻杆在使用过程中出现晃动和“偏磨”。

4.3 钻杆接头与无缝钢管的装配质量

钻杆接头与无缝钢管的装配质量对牙轮钻杆的直线度也有一定的影响，钻杆接头与无缝钢管如果装配不直，会造成钻杆接头（头）和钻杆接头（尾）不同轴，在使用过程中也会出现牙轮钻杆晃动和“偏磨”。

4.4 钻杆接头毛坯件的材质

钻杆接头毛坯件的材质如果不能满足牙轮钻杆的使用条件，会造成螺纹因强度不足而失效，有牙轮钻杆联接失效和稳杆器掉入孔洞的可能。

5 提高牙轮钻杆使用寿命的措施

①为同时满足牙轮钻杆螺纹的强度和可焊接性，钻杆接头毛坯件的材质选择35CrMo，无缝钢管的材质选择45。②在选择无缝钢管时，无缝钢管的直线度和同轴度必须控制在一定的误差范围内。此外，在无缝钢管上镗与钻杆接头配合的圆柱面时应以无缝钢管的外圆柱面为基准找正。③加工钻杆接头螺纹时，由于需要手动横向进给，切削速度不易过快，以便尽可能保证横向进给的均匀性。同时，切削液必须供给充足。此外，在加工螺纹的过程中要增加测量频率，使已产生的缺陷可以通过后续的加工予以消除。④合理确定钻杆接头与无缝钢管的配合间隙。配合间隙太小，不利于调节钻杆接头与无缝钢管的直线度；配合间隙太大，对牙轮钻杆的强度不利。因此，在保证钻杆接头可以调节的前提下，其配合间隙不易过大。⑤钻杆接头内、外螺纹旋合到位后的端面间隙不宜过大，当螺纹旋合到位后，其间隙以不超过10mm为宜。⑥装配销子时，在确保销子定位可靠的情况下，尽可能增加销子的深度，避免销子因外层焊接部分过分磨损而补焊。⑦经常测量稳杆器螺纹的尺寸，确保其尺寸与牙轮钻杆的螺纹尺寸相吻合。由于牙轮钻杆与稳杆器也是通过螺纹联接的，若两者螺纹不吻合，会影响到螺纹旋合后螺纹的受力状况。若偏差较大，还会造成稳杆器脱落。因此，若稳杆器的螺纹尺寸有偏差，应及时调整。