國產(chǎn)繩索取心鉆桿設(shè)計(jì)制造技術(shù)的分析

陳 妍 ，張 巖

（1西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065）

（2山西風(fēng)雷鉆具有限公司 山西 侯馬 043013）

1 引言

繩索取心鉆桿是一種不提鉆而能取得巖心所使用的鉆桿，其特點(diǎn)是“三高、一低”，即鉆速高、金剛石鉆頭壽命長、時(shí)間利用率高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，因此被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)找礦、煤田勘探等領(lǐng)域。而整套鉆具中，最為重要、價(jià)值最高的則是鉆桿，鉆桿質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到繩索取心鉆探優(yōu)勢的發(fā)揮，對(duì)于地質(zhì)資料的準(zhǔn)確獲取、鉆探成本的控制也至關(guān)重要。

繩索取心鉆桿的設(shè)計(jì)和制造工序十分的復(fù)雜，在具體的設(shè)計(jì)制造過程中，其所涉及到的工序比較多，下面，筆者將從繩索取心鉆桿的結(jié)構(gòu)和選材兩個(gè)方面著手對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析和探討。

2 繩索取心鉆桿的結(jié)構(gòu)分析

目前，在市面上應(yīng)用比較廣泛的幾種繩索取心鉆桿分別是直連式繩索取心鉆桿、摩擦焊接式繩索取心鉆桿和螺紋連接公母接頭式繩索取心鉆桿。它們?cè)趹?yīng)用過程中，各有其優(yōu)點(diǎn)也存在有較為明顯的缺點(diǎn)。

（1）直連式繩索取心鉆桿

這種鉆桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是每根鉆桿都加工有兩個(gè)螺紋端，與常見的螺紋連接公母接頭式鉆桿相比，其大大減少了螺紋端的個(gè)數(shù)。因?yàn)槁菁y連接式鉆桿每根需要加工六個(gè)螺紋端（鉆桿2個(gè)、每個(gè)接頭各2個(gè)）。螺紋端的加工數(shù)量減少，其生產(chǎn)速度也就相應(yīng)的提升了。但是，在繩索取心鉆桿中螺紋端的數(shù)量多，其質(zhì)量更有保障，使用壽命也能有所增加，直連式繩索取心鉆桿的加工生產(chǎn)速度雖然有所提升，但是其使用壽命相對(duì)于其他幾種形式的取心鉆桿來說不具備優(yōu)勢。

（2）摩擦焊接式繩索取心鉆桿

這種結(jié)構(gòu)的鉆桿與其他鉆桿相比最大的不同就在于，其是由管體和兩端的接頭摩擦焊接而形成的。因此在制造過程中管體和接頭可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用需要選擇不同的材料進(jìn)行搭配，這樣其熱處理工藝也會(huì)有所差異。如有的工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)接頭的要求比較高，那么在焊接過程中，可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇材質(zhì)比較好的接頭；而有的工業(yè)生產(chǎn)中要求管體材質(zhì)堅(jiān)硬，則需要花費(fèi)更多的精力選擇合適的管體。通過這種多變的搭配式，能夠節(jié)省生產(chǎn)成本，而且能夠更好的迎合市場要求。但是，該工藝中的接頭與管體焊接工作開展難度比較大，對(duì)于工作人員的綜合素質(zhì)要求比較高。

（3）螺紋連接公母接頭式繩索取心鉆桿

接頭與管體采用螺紋連接時(shí)，接頭更換起來比較方便快捷，而且，這種結(jié)構(gòu)的取心鉆桿可以通過接頭材質(zhì)選用更加優(yōu)質(zhì)的管材進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，提高了其強(qiáng)度和耐磨性。因此，該結(jié)構(gòu)的繩索取心鉆桿是最為常用的一種鉆桿，目前，其在市場上生產(chǎn)主要有兩種，即普通型和加厚型。普通型的繩索取心鉆桿加工完螺紋之后強(qiáng)度非常的薄弱，容易發(fā)生折斷，而加厚型螺紋，則能夠有效的規(guī)避該問題，延長繩索取心鉆桿的使用壽命。但是，在具體的生產(chǎn)制造中，該工序比較復(fù)雜，所需要投入的成本比較多，而且在生產(chǎn)過程中需要專用模具和熱處理設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行加工處理，要求比較高。

3 繩索取心鉆桿的材質(zhì)性能對(duì)比與選材方案

3.1 各種材質(zhì)的性能對(duì)比分析

繩索取心鉆桿的設(shè)計(jì)制造工藝比較復(fù)雜，成本也比較高，因此在具體的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)材質(zhì)的要求也比較高，而鉆桿一般是有接頭和管材兩部分組成的，相較于管材來說，接頭具有連接的作用，需要頻繁拆卸，如果質(zhì)量不高，可能會(huì)折損設(shè)備的壽命，因此，以國際最高標(biāo)準(zhǔn)選擇最好的。因?yàn)椋诠I(yè)生產(chǎn)中繩索取心鉆桿使用過程中接頭螺紋的連接和拆卸頻率相較于管體材料來說，要高上許多。筆者在調(diào)查研究中通過收集國內(nèi)外鉆桿生產(chǎn)廠家所使用的材質(zhì)數(shù)據(jù)表，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)管材性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前的繩索取心鉆桿生產(chǎn)中比較常用的是45MnMoB、30CrMoA的幾種材質(zhì)進(jìn)行制造，而接頭材質(zhì)一般采用的是調(diào)質(zhì)后的30CrMnSiA進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。在生產(chǎn)繩索取心鉆桿的時(shí)候，對(duì)于性能要求更高的繩索取心鉆桿則可以采用高強(qiáng)度地質(zhì)管材XJY850。如浙江嘉興新紀(jì)元鋼管有限公司與中國地質(zhì)科學(xué)院合作研發(fā)的一項(xiàng)繩索取心鉆桿，其詳細(xì)的地質(zhì)管材性能對(duì)比表如表一所示。

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3.2 繩索取心鉆桿的選材方案

通過相關(guān)的數(shù)據(jù)研究，對(duì)比了管材性能之后，筆者認(rèn)為在具體的工作中，其可以采用以下幾種選材方案，以滿足生產(chǎn)需求。

（1）普通型鉆桿，螺紋連接公母接頭式。材質(zhì)：45MnMoB，熱處理狀態(tài)：正火。特點(diǎn)：該鉆桿的各方面性能相較于國外管材來說，質(zhì)量都比較差，當(dāng)前該設(shè)備主要用于淺孔鉆進(jìn)，在該領(lǐng)域的優(yōu)勢比較明顯。

（2）加厚型鉆桿，螺紋連接公母接頭式。材質(zhì)：45MnMoB，熱處理狀態(tài)：正火。特點(diǎn)：是解決普通鉆桿容易從公螺紋大端斷裂的改進(jìn)型鉆桿，該類型的鉆桿相較于普通型鉆桿來說，有了較大的改進(jìn)，是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的一種鉆桿。

（3）調(diào)質(zhì)鉆桿，螺紋連接公母接頭式。材質(zhì)：30CrMnSiA/XJY850，熱處理狀態(tài)：調(diào)質(zhì)。特點(diǎn)：如果不考慮成本方面的因素影響，XJY850是在進(jìn)行繩索取心鉆桿設(shè)計(jì)與制造時(shí)最優(yōu)的選擇，兩種材料的強(qiáng)度相當(dāng)，但是剛性上30CrMnSiA要稍微遜色一點(diǎn)。

總之，繩索取心鉆桿在工業(yè)生產(chǎn)中有著極為重要的作用。在繩索取心鉆桿設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的過程中，要想做好相關(guān)的設(shè)計(jì)和制造工作，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都不能馬虎，要根據(jù)實(shí)際需要實(shí)事求是的進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，滿足工業(yè)發(fā)展需要，使我國繩索取心鉆桿設(shè)計(jì)和研發(fā)工作朝著更好的方向發(fā)展。

[1] 周云,張紹和.淺孔復(fù)雜地層Φ110型繩索取心鉆具的研制與應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探.2017(04).

[2] 田志超,宋世杰,劉振新,付相友,于孟亮.三山島北部海域ZK3210鉆孔事故處理工藝[J].地質(zhì)裝備.2017(04).