螺旋鉆桿從螺紋部位斷裂原因的分析

鉆桿螺紋是按MTT 521-2006 標(biāo)準(zhǔn)加工的圈錐形三角螺紋（其錐度K=1:16，每英寸10扣，牙形角為60°）。鉆進(jìn)中的鉆桿螺紋要承受拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)及它們的合成應(yīng)力的作用，并在螺紋部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此，多在螺紋部位發(fā)生斷裂。當(dāng)鉆桿與接手螺紋連接符合要求時(shí)，由于鉆桿螺紋尾部的截面是突變斷面，斷裂多在此處發(fā)點(diǎn)。而近年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)鉆桿斷裂常發(fā)生在螺紋中部接近錐體小頭第5扣處，而且事故比較頻繁，給鉆探施工造成示少困難。因此，探討鉆桿出現(xiàn)這種斷裂現(xiàn)象的原因及其解決辦法，成了不可忽視的一個(gè)課題。本文就此問(wèn)題進(jìn)行初步探討。

一、鉆桿從螺紋部位斷裂的分析

從鉆汗的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算來(lái)看，即使鉆桿在最大負(fù)荷下工作，其螺紋部位的強(qiáng)度也是能夠滿足要求的。那么鉆桿為什么會(huì)從小頭第5扣處斷裂呢？只有從鉆桿與接手的連接狀態(tài)來(lái)考慮。鉆桿的連接質(zhì)量與其加工質(zhì)量有關(guān)。而鉆桿螺紋的加工質(zhì)量包括錐體精度和牙形精度兩個(gè)方面。其中牙形誤差主要影響螺紋的使用壽命，不致引起鉆桿斷裂，而錐體精度到直接影響了鉆桿的后量。

1.鉆桿螺紋錐度小于接手螺紋錐度這種連接只有鉆桿端部幾扣緊密配合，其它螺紋則依次間隙加大（圖1）。

圖1鉆桿螺紋錐度小于接手錐度的連接扶態(tài)

通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)鉆桿與接手的錐度誤差在20“34“時(shí)，鉆桿第5扣處的配合符合要求，而螺紋尾部間隙達(dá)到0.3mm左右。若鉆桿與接手的錐度誤差為30時(shí)，尾部間隙達(dá)0.4mm，此時(shí)鉆桿第8扣處的配合符合要求。也就是說(shuō)，錐度誤差越大，緊密連接的螺紋圈數(shù)越少。由于連接緊密的螺紋部分在工作中要傳遞工作載荷，而最緊密一扣處承受載荷最大，而此處的斷面面積比鉆桿螺紋尾部小了許多，因此，斷裂很可能在最緊密絲扣處（如錐度誤差為20“24“時(shí)，第5節(jié)處）發(fā)生。通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算可以看到，在孔深為1000m，鉆柱承受最大工作載荷時(shí)，鉆桿第5扣螺紋處的復(fù)合應(yīng)力已超出鉆桿的許用應(yīng)力（δ復(fù)<【δ】），即該處的管體強(qiáng)度已不能滿足要求了。

2.鉆桿螺紋錐度大于接手螺紋錐度

在此種情況下，鉆桿的螺紋尾部與接手端部螺紋連接緊密，而鉆桿頭部的螺紋間隙較大（圖2）。

圖2：鉆桿螺紋錐度大于接手的連接狀態(tài)

此時(shí)，危險(xiǎn)斷面靠近鉆桿螺紋尾部。由于螺紋尾部截面積較大，在一般情況下不易斷裂，只會(huì)在交變應(yīng)力的作用下出現(xiàn)螺紋變形、疲癆破壞，以致使連接失效。對(duì)于這種情況，本文不作討論。

二、加工工藝對(duì)鉆桿連接質(zhì)量的影響

如前所述，螺紋加工質(zhì)量問(wèn)題是鉆桿折斷的重要原因。而鉆桿加工質(zhì)量取決于加工工藝。目前，鉆桿螺紋加工都是在普通車(chē)床上或管子車(chē)床上進(jìn)行的。加工過(guò)程分錐體加工和燃紋加工兩個(gè)步驟。以下從這兩下步驟的加工工藝分析其對(duì)質(zhì)量的影響。

1.錐體加工

在普通車(chē)床上加工錐體一般都采用扳動(dòng)小拖板的方法進(jìn)行。也有采用靠模的，在管子車(chē)床上則是采用扳動(dòng)靠模板的方法進(jìn)行。這兩種方法，存在的一個(gè)共同問(wèn)題是，加工件的錐角精度取決于小拖板或靠模板扳動(dòng)的準(zhǔn)確性。由于目前加工圖上只標(biāo)注錐度值，不

標(biāo)注錐角，錐角值要操作工自行計(jì)算，計(jì)算誤差可能影響錐角精度。另外，機(jī)床的大、中、小拖板以及靠模板的晃動(dòng)，加工刀具的變形，也要影響加工件的錐角精度。

2.螺紋加工

現(xiàn)在加工鉆桿螺紋普遍采用手動(dòng)趕刀法加工，條件好的也有采用靠模加工的。用靠模加工，只要靠模扳動(dòng)角度合乎要求，一般是可以加工出合格錐形螺紋的。而手動(dòng)趕刀法則要求操作者隨車(chē)床大拖板的移動(dòng)，連續(xù)不斷地均勻進(jìn)刀。工件每轉(zhuǎn)一周的進(jìn)刀量與

大拖板移動(dòng)的關(guān)系應(yīng)滿足關(guān)系式X=tga·S式中：X—進(jìn)刀量（工件轉(zhuǎn)一周）；

α——錐角！

S-—大拖板移動(dòng)距離（工件轉(zhuǎn)一周）。

事實(shí)上，就是最熟練的的技術(shù)工人，也難于達(dá)到這一要求。困此，用這種方法加工出的錐形螺紋，不僅螺牙高度不一致，而且往往破壞了錐體的質(zhì)量。常見(jiàn)的是錐體成凹面形（圖3），也有少數(shù)成上凸形。下凹的錐形螺紋在連接時(shí)必然只有頭部幾扣承載，因此很容易斷裂。

圖3錐面成凹面形的錐形螺紋

3.檢驗(yàn)方法

勘探部門(mén)加工鉆桿螺紋，很多用自己車(chē)制的試樣進(jìn)行檢驗(yàn)。它的要求是試樣和鉆桿擰緊后，試樣端面要與鉆桿螺紋終點(diǎn)保留6.5mm的距離（也即留2.5扣）。很明顯，這種檢驗(yàn)手段只能檢查鉆桿與接手能否擰緊，不能檢套螺紋的錐度和牙形精度。用這種檢驗(yàn)手段檢查必然不能保證產(chǎn)品質(zhì)量，它會(huì)使許多錐度、牙形不合格的產(chǎn)品作為合格品投入生產(chǎn)，使鉆桿折斷事故增多。

三、對(duì)提高加工質(zhì)量的建議

1.加工工藝

a。使用錐度靠模加工鉆桿螺紋，廢棄手動(dòng)趕刀的加工方法。

b。在車(chē)削螺紋之前，要用標(biāo)準(zhǔn)錐度光

規(guī)對(duì)圓錐面進(jìn)行檢驗(yàn)，螺紋加工完后要用棟準(zhǔn)螺紋規(guī)再對(duì)螺紋進(jìn)行檢查，嚴(yán)格控制每道工序的加工質(zhì)量。

2.產(chǎn)品檢驗(yàn)

a。檢驗(yàn)中嚴(yán)格執(zhí)行MTT 521-2006 （代國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）要求。

b。檢驗(yàn)中對(duì)錐度質(zhì)量要做到首檢和期間抽檢相結(jié)合。

c。每檢驗(yàn)100件產(chǎn)品后，要對(duì)驗(yàn)規(guī)（光規(guī)和絲規(guī)）自身精度進(jìn)行校驗(yàn)。

鉆桿從螺紋部位斷裂是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，引起這種現(xiàn)象的原因也是多方面的，本文僅從鉆桿錐度配合狀態(tài)分析了鉆桿斷裂的原因，以便改進(jìn)加工方法，提高加工質(zhì)量，減少鉆探事故。