煤礦用鈦合金無磁鉆桿的中試研究

郭 青，蘆 葦，肖麗輝

(1．晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦，山西晉城048205;2．中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶400039;3．瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400039)

0 引言

鑒于近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在國(guó)外的成功應(yīng)用，自20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)很多煤礦陸續(xù)從美國(guó)、澳大利亞引進(jìn)了定向鉆進(jìn)裝備近30套，分別在松藻、鐵法、淮南、撫順、平頂山、晉城等礦區(qū)試用［1］。中煤科工集團(tuán)西安研究院和中煤科工集團(tuán)重慶研究院也相繼開發(fā)了用于水平定向鉆進(jìn)的鉆探機(jī)具及其配套工藝，使我國(guó)煤礦坑道水平鉆孔的鉆探能力很快達(dá)到了1000 m。在煤礦開采領(lǐng)域，利用定向技術(shù)施工瓦斯抽放孔，可以在煤炭開采前對(duì)煤層進(jìn)行瓦斯抽采，同時(shí)該技術(shù)還可用于探測(cè)巖漿侵入和瓦斯突出，可減少煤礦嚴(yán)重事故的發(fā)生。

在定向鉆進(jìn)系統(tǒng)中，為保證測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量效果及定位精度，需將測(cè)斜儀器放置于一定長(zhǎng)度的無磁鉆桿內(nèi)［2］，并需在其前后端連接上、下無磁鉆桿，為測(cè)量系統(tǒng)創(chuàng)造無磁環(huán)境。目前，國(guó)內(nèi)外煤礦坑道水平定向鉆探用無磁鉆桿均選用鈹銅QBe2(C17200)，其具有良好的無磁性，該合金時(shí)效處理后強(qiáng)度較高，但斷裂延伸率低，即合金的斷裂韌性差，造成了實(shí)際鉆孔過程中鈹銅無磁鉆桿斷裂事故［3］。在晉城煤業(yè)集團(tuán)寺莊礦和成莊礦進(jìn)行水平定向鉆孔施工過程中，由澳大利亞VLD公司和中煤科工集團(tuán)西安研究院生產(chǎn)的鈹銅無磁鉆桿均發(fā)生過多次斷裂事故，使得螺桿鉆具和測(cè)斜儀器掉落孔底，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)該問題，需尋求一種更優(yōu)良的無磁材料，研制出煤礦坑道水平定向鉆探用高強(qiáng)度無磁鉆桿，以減少無磁鉆桿斷裂事故。

1 無磁鉆桿材料的選擇

在煤礦坑道水平定向鉆進(jìn)中，無磁鉆桿一方面作為測(cè)量系統(tǒng)的載體，另一方面，無磁鉆桿與定向鉆桿一樣，在鉆進(jìn)的過程中需承受著孔內(nèi)復(fù)雜的受力，其性能直接決定了施工的安全性。為此，應(yīng)對(duì)煤礦坑道定向鉆進(jìn)用無磁鉆桿材料提出以下要求。

(1)為避免磁場(chǎng)干擾，確保測(cè)量效果及定位精度，鉆桿用無磁材料需具有良好的無磁性。

(2)由于煤礦坑道水平定向鉆進(jìn)的工況復(fù)雜，無磁鉆桿在孔內(nèi)受到拉、壓、彎、扭等多種作用，還會(huì)受到振動(dòng)及沖擊載荷的影響，要求鉆桿用無磁材料需有較高的強(qiáng)度及較好的綜合機(jī)械性能。

(3)為保證煤礦生產(chǎn)安全，根據(jù)《煤礦用金屬材料摩擦火花安全性試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》(GB 13813－2008)的規(guī)定，用于無磁鉆桿的材料需具備碰擊時(shí)不產(chǎn)生火花的性能。

(4)無磁鉆桿應(yīng)具有極好的耐腐蝕性。

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，是力學(xué)、物理、化學(xué)綜合性能良好的一種合金，其密度、強(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，且比強(qiáng)度、韌性優(yōu)于鈹銅，并具有優(yōu)異的抗腐蝕性能及無磁性。鈹銅和鈦合金兩類無磁材料基本參數(shù)的對(duì)比見表1。

表1 無磁材料性能參數(shù)表

與鈹銅無磁材料相比，鈦合金無磁材料具有密度低、屈服強(qiáng)度高、沖擊韌性好及更耐腐蝕和磨蝕等特性。由表1可知，鈦合金無磁材料的韌性為鈹銅的1.15倍，強(qiáng)度質(zhì)量比為鈹銅的1.8倍，延伸率為鈹銅的4倍多，延伸率能達(dá)到120鋼級(jí)的水平。目前，用于超短半徑鉆井的鈦合金鉆桿已經(jīng)研制成功，可用于曲率半徑＜18.3 m的老井側(cè)鉆作業(yè)的需要，在使用過程中表現(xiàn)出可靠性好、使用壽命長(zhǎng)等特性［4］。因此，選用鈦合金代替鈹銅加工無磁鉆桿，可極大地提高無磁鉆桿的綜合機(jī)械性能，降低無磁鉆桿斷裂的可能性，減少煤礦坑道水平定向鉆孔孔內(nèi)事故的發(fā)生。

2 鈦合金無磁鉆桿的研制

2．1 鈦合金無磁鉆桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦用鈦合金無磁鉆桿與常規(guī)鋼鉆桿相同，由3個(gè)基本要素組成:鉆桿本體、鉆桿公接頭、鉆桿母接頭(見圖1)。

圖1 鈦合金無磁鉆桿示意圖

2．2 鈦合金無磁鉆桿的螺紋設(shè)計(jì)

為配合我院定向鉆桿，首次設(shè)計(jì)的鈦合金鉆桿的螺紋形式為定向鉆桿的螺紋。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該種螺紋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，螺紋牙頂和牙底圓弧半徑過小，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成鉆桿斷裂。為使鈦合金鉆桿更好地應(yīng)用于定向鉆進(jìn)中，對(duì)鈦合金鉆桿的螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。一是增加了螺紋牙頂和牙底圓弧半徑，減少應(yīng)力集中;二是增加了螺紋的有效長(zhǎng)度和公接頭基面尺寸，因螺紋斷裂多發(fā)生在公扣上，因此，增加公接頭基面尺寸可提高螺紋的抗扭、抗彎強(qiáng)度。

3 鈦合金摩擦火花試驗(yàn)研究

3．1 試驗(yàn)方法

根據(jù)鈦合金無磁鉆桿的應(yīng)用工況，并結(jié)合GB 13813－2008的規(guī)定，對(duì)摩擦火花安全性試驗(yàn)采取自由落錘試驗(yàn)方法。

3．2 試驗(yàn)樣品

試樣分機(jī)械加工后經(jīng)表面氧化處理和未經(jīng)表面氧化處理兩種狀態(tài)，兩種試樣數(shù)量各為8件，試件如圖2、圖3所示。

圖2 試樣結(jié)構(gòu)尺寸

3．3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按鈦合金無磁鉆桿長(zhǎng)度為3 m計(jì)算，鈦合金鉆桿整體質(zhì)量為20.5 kg，根據(jù)GB 13813－2008規(guī)定，對(duì)經(jīng)氧化表面處理試樣采用60 kg重錘試驗(yàn)，未經(jīng)表面氧化處理試樣采用40 kg重錘試驗(yàn)。重錘下落高度為2 m，并連續(xù)進(jìn)行32次有效試驗(yàn)。

圖3 摩擦火花試樣

3．4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，表面氧化處理的鈦合金摩擦火花試樣在經(jīng)60 kg自由落錘沖擊生銹Q235鋼板的32次有效試驗(yàn)中，未引燃試驗(yàn)氣體。未表面氧化處理的鈦合金摩擦火花試樣在經(jīng)40 kg自由落錘沖擊生銹Q235鋼板的32次有效試驗(yàn)中，也未引燃試驗(yàn)氣體。表明鈦合金無磁材料摩擦火花安全性合格。

4 加厚試驗(yàn)研究

鉆桿本體兩端采用鐓粗的加工工藝，鈦合金加厚鉆桿端部厚壁的錐度過渡，可明顯降低鉆桿接頭與鉆桿本體配合處的彎曲應(yīng)力，并使鉆桿接頭承受的彎曲應(yīng)力沿軸線均勻分布，從而大幅度提高鈦合金鉆桿的抗疲勞性能［5］。

4．1 試驗(yàn)材料

4．2 試驗(yàn)設(shè)備及工裝

4．3 試驗(yàn)過程

第一步，將鈦合金管料距離管端350 mm的范圍內(nèi)，加熱至約150℃，保溫1.5 min，從感應(yīng)加熱爐中退出管料，用刷子均勻涂抹玻璃潤(rùn)滑劑于管料外表面，用纏繞于鋼筋上的干凈抹布涂抹玻璃潤(rùn)滑劑于內(nèi)表面，內(nèi)外涂抹長(zhǎng)度均約350 mm，依次涂抹完三支管料六個(gè)端。

第三步，預(yù)熱后對(duì)鈦合金管材進(jìn)行一道加厚和二道加厚，加熱節(jié)拍45 s，一道加厚主缸壓力20 MPa，側(cè)缸壓力13 MPa，二道加厚主缸壓力20 MPa，側(cè)缸壓力14 MPa。試塊加厚參數(shù)見表2。

表2 加厚端參數(shù)

此次工藝試制中，由于管料長(zhǎng)度短，造成加熱、送料障礙，使入模溫度低;且由于管料少，不能連續(xù)加厚，模具溫度達(dá)不到工藝要求，批生產(chǎn)時(shí)，實(shí)際加熱溫度約下降50～80℃。

4．4 試驗(yàn)分析

為了分析鈦合金管材端部加厚效果，對(duì)加厚的鈦合金管材分別做了力學(xué)性能測(cè)試、金相組織分析、超聲波探傷等試驗(yàn)。

4．4．1 力學(xué)性能分析

對(duì)加厚試樣進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度等測(cè)試，圖4為加厚塊試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊吸收能量及硬度測(cè)試數(shù)據(jù)。

從圖4(a)可以看出加厚試樣的抗拉強(qiáng)度為958～1024 MPa，屈服強(qiáng)度為878～950 MPa，均超過了美國(guó)API鉆桿標(biāo)準(zhǔn)中的鋼質(zhì)鉆桿G105鋼級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)達(dá)到了120鋼級(jí)的性能要求。從圖4(b)可以看出加厚試樣的延伸率為13.6% ～17.7%，符合鈦合金的材料特點(diǎn);加厚試樣的硬度值為HRC35.2～36.2，變化比較均勻。

4．4．2 金相組織分析

采用幾種工藝試制試樣的金相組織是比較正常的，低倍沒有發(fā)現(xiàn)異常，基本為模糊晶，只有T2試樣局部存在少量半清晰晶，也屬于正常的低倍組織;高倍組織呈現(xiàn)了不同的顯微組織，有等軸組織、網(wǎng)籃組織和并列組織，基本為正常組織。且在加厚鍛造過程中產(chǎn)生的α脆化層比較小，涂了玻璃潤(rùn)滑劑的管體表面基本上沒有形成α脆化層，最大的僅有0.062 mm厚。由于鈦合金管體最終要進(jìn)行機(jī)械加工及接頭的裝配，因此α脆化層對(duì)鈦合金鉆桿不會(huì)帶來影響。

圖4 試樣力學(xué)性能測(cè)試

4．4．3 超聲波探傷分析

首先對(duì)TC4管體進(jìn)行超聲波探傷，超聲波顯示沒有異常，內(nèi)部組織比較均勻。在對(duì)加厚試樣進(jìn)行超聲探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)各試樣的加厚端均有超標(biāo)異常信號(hào)反射。為此，對(duì)最為嚴(yán)重的T1試樣進(jìn)行了解剖取樣和金相分析，分析結(jié)果顯示該試樣的顯微組織為等軸或網(wǎng)籃組織，未發(fā)現(xiàn)任何異常的夾雜、異物或裂紋，組織異常等現(xiàn)象。初步判斷可能為加厚過程中溫度不均勻或變形不均勻引起顯微組織不均勻，從而導(dǎo)致出現(xiàn)超標(biāo)異常信號(hào)反射。

通過對(duì)幾種工藝的試樣進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)工藝更優(yōu)異，與前3個(gè)試驗(yàn)相比，其試樣獲得了更好的力學(xué)性能參數(shù)及金相組織。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2011年7～11月，應(yīng)用試制的高強(qiáng)度鈦合金無磁鉆桿在晉煤集團(tuán)寺河礦進(jìn)行井下工業(yè)性試驗(yàn)(圖5)。試驗(yàn)地點(diǎn)開采煤層為3號(hào)煤層，該煤層平均厚度6.13 m，煤層傾角2°～6°。煤質(zhì)特點(diǎn)為黑色，亮煤為主，具金屬—玻璃光澤，質(zhì)硬，水平紋理，發(fā)育有近于垂直煤層的內(nèi)生、外生裂隙，普遍含兩層夾矸。

圖5 鈦合金鉆桿

試驗(yàn)鉆機(jī)為重慶煤科院研發(fā)的ZYWL－6000D型千米定向鉆機(jī)，配備73 mm×3000 mm通纜定向鉆桿和96 mm PDC復(fù)合片鉆頭。本次試驗(yàn)共施工定向鉆孔主孔10個(gè)，分支孔52個(gè)，鉆孔最深為1017 m，總進(jìn)尺10000余米。

在試驗(yàn)過程中，高強(qiáng)度鈦合金鉆桿表現(xiàn)良好，未發(fā)生螺紋咬扣或鉆桿斷裂現(xiàn)象，即使遭遇壓桿事故，鉆機(jī)采用強(qiáng)力提拔時(shí)，鉆桿也未發(fā)生過任何故障，獲得了良好的使用效果。

6 結(jié)論

(1)煤礦井下鉆探一直用鈹銅無磁鉆桿，一是其防爆性能好，二是價(jià)格相對(duì)較低，能夠被廣大客戶接受，但其存在的缺點(diǎn)是斷裂延伸率低，容易發(fā)生斷裂。

(2)高強(qiáng)度鈦合金無磁鉆桿強(qiáng)度高，韌性好，其強(qiáng)度可達(dá)到120鋼級(jí)鋼質(zhì)鉆桿強(qiáng)度。其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，極大地降低了鉆桿斷裂的可能性，可最大限度地避免孔內(nèi)事故的發(fā)生。

［1］ 田東莊，石智軍，龔城，等．煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)配套鉆桿的研制［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(3):24 －27．

［2］ 史海岐．煤礦井下定向鉆進(jìn)測(cè)量探管［J］．煤礦安全，2013，44(3):106－108．

［3］ 陳樂平，周全．鈹銅合金的研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］．熱加工工藝，2009，38(22):14 －18．

［4］ 趙金，陳紹安，劉永剛，等．高性能鉆桿研究進(jìn)展［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40(5):96 －99．

［5］ 袁文義，張泉海．國(guó)外鈦合金鉆桿的研究進(jìn)展［J］．新疆石油科技，2006，3(16):13 －15．