工程用钻杆螺纹断裂失效研究

讹珊脚眦ｐｒＤｃｅｓｓ蠡ｆ如，ｎ面ｎ如∞ｏｎ矿琥ｅ ｄ删垤ｐ枷ｌ＾旭以／磁ｕ陀虢ｄ砌ｅ ｉ唧Ｄ吼叫ｆｋＤ秒ｓ咖乒一 ｃｎ加ｅ帆ｄ∞砒ｍ记秽以聊．
●Ｃ埽ｏ●ｏ●‘Ｋ，ｅ。ｙｃ，踟·、柑’。ｆｓ，：‘ｏ●Ｄｏ●ｒｏ…豇ｏ●（ｌ，●ｏｐ‘ｉｏ●ｐ‘ｅ’●ｊｏ¨ｏ，ｉ●ｎ’ｔ·；‘●，Ｔ）ｈ‘ｏ瑚·ｏⅢｄｆ＞；●７＞●Ｓｏｔ●陀ｏ‘ｏ·ｎｏｇ●ｃｔｈ；Ｆａｉｌｕｒｅ；ＦＥＭ
重要的理论意义及工程应用价值。
关键词：钻杆接头；螺纹；强度；断裂；有限元
【Ａｂｓｔｍｃｔ】所以荫，ｅ埘＾记＾蠡ｗｅｄ讥ｔｋ ｓ卿ｉ增删比，ｒ“吮船矿ｃｏ以ｍｉ聊ｒｅｃｅ如ｅ ｓｅ移ｅ以七ｉ，庙旷
三Ｄｏｄ埘ＩＩｌ记＾ｉ，暑ｃＺｚ‘如６ｅ，以，ｔｏｒｓ幻ｎ，ｔＩ协ｒ越幻，ｌ，ｐ以帆ｄ ｐｒｅｓ豇Ａ，以ｚ＾ｅ九妒￡Ｈ化矿ｄｈ以ｐ咖ｅ妒ｅ，ｌ ｏｃｃ“倦讥
算而言，钻杆接头螺纹处（第一螺纹处）应力值偏大，钻杆接头螺
纹强度明显不足。根据上述分析可以看出，钻杆接头螺纹应力值
偏高，接头螺纹强度偏低，是导致钻杆接头断裂的原因之一。
４钻杆螺纹材质分析
～
钻杆的断裂现象始终是与材料和结构的孔洞、缺口或裂纹相
联系的。 ４．１断口分析
现场取断裂钻杆试样，断裂位置距离该钻杆公接头３０ｎｌｍ，
图３钻杆接头等效应力
图６断口宏观彤貌 肉眼观察发现，断口有显著的旋转疲劳特征，裂纹起源于左 上部位，在旋转载荷下沿逆时针方向疲劳扩展，断裂面积达到大
约一半时（图中从直线处），弯曲应力的作用开始占据主导作
用，疲劳纹大致与钻杆圆周平行。 利用扫描电镜观察了断口的微观形貌，得到断件微观形貌。
如图７—１０所示。 从图７～１０可以看出，断口靠近螺纹根部的边缘较为平坦，与
此处的应力集中有关，螺纹面有大量腐蚀坑和小裂纹，说明腐蚀 对裂纹的产生有一定促进作用，断口微观形貌以韧窝为主，显示 韧性断裂特征。
万方数据
Ｎｏ．１２
１５４
机械设计与制造
Ｄｅｃ．２００９
３０．５。测试结果表明，６件样品的硬度分散性较大，说明钻杆生产
工艺的—致性较差。只有第一次的两个断裂样达到图纸要求。 按照国家标准《黑色金属硬度及强度换算值》（ＧＢｌｌ７２－７４）
加。以ｉ，ｌ昏Ｃｂ琊ｉ如一，皤ｔ，玉ｅ田ｌ五声函ｑ厂知玩ｒｅ砂ｐｅｓ（旷ｄ阮Ｚ既，曙ｐ咖ｅ ｆ＾ｒｅｏｄ，￡，地，ｎｅｃ危∞记以斥ｍⅡｒｅｓ诂伽一
ｚ，膨ｅｄ“，以ｅｒ ０ｃｔｕ以埘Ｄ庙如础．胃缸ｅｄ ｏ儿ｎ，ｌ眈眈ｍｅｍ肘ｅ￡危Ｄｄ，ｆｋ ｃＤｎ６∞￡疗ｎ娩ｅ如，聊眦，∞ｄｅＺ ｏ厂ｄｒ珊ｉ粥
ｐ咖ｅ ｔＩＩｌｒｅ以＾璐６ｅｅｎ ｅｓｔａ６倦ｋ正而ｒ中４２ ｄ棚ｐ咖ｅ，琥ｅ ｓｆｒｅ耐括虢奶就正Ａ如。加幻ｇ呷Ｉｌｌ记肌ｄ砒碰一 如卿＾如ｅ翮ｉ，刎幻ｎ，ｃＤ，，妒ｏ，暑ｅ，啪，ｒ圮仍ｕｒｅ，，ｌｅｍ∞以，ｉ掰西圮ｓｓ，，ｌｅ∞Ｍｒｅ，，ｌｅｍ＾伽ｅ ６ｅｅ，ｌ ｃ∞７诒ｄ ｏ以ｏｎ￡７ｌｅ 帆咖括旷砒扰耽昭ｐ咖ｅ啦ｒｅ以孤ｅ陀ｓｕ凰ｓ危伽ｔ砌矗妣ｒ￡＾ｒｅｎｄ ｓ￡陀ｓｓ埘耐ｉ瑚￡玉以渺讯冼ｅ ｋｍ
从分析的样品看，外表面发生了严重的腐蚀点坑，当蚀坑的 深度使管子的壁厚承受不了内部压力时，穿孔现象就会发生。钻 杆的腐蚀属于煤矿井下酸性环境引起的腐蚀。与断裂不同，腐蚀 是—个缓慢的过程，蚀坑必然存在—个积累过程。防止腐蚀失效
图ｌｌ ｌ号样，珠光体掀索体
的措施，首先是钻杆存放位置尽量远离井下酸性环境的来源，其 次是定期的清洗是可以避免腐蚀失效的。
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxsjyzz200912062.aspx
论文在分析工程用钻杆几何结构的基础Ｅ，以ｍ４２钻杆为
研究对象，对联结螺纹副进行了理论力学分析，基于有限单元法
对其进行了强度计算，通过钻杆断口分析对钻杆接头断裂原因进
行了的分析，研究为进一步优化钻杆结构，提高钻杆使用寿命，减
少钻具失效事故提供了重要依据。 ★来稿日期：２００９－０２—１２
钻杆进给速度（Ｏ一１．５）Ｉｌｌ，ｒｎｉｎ；旋转速度＞９５如ｌｉＩＩ，终孔直径
规定，硬度ＨＢ２４ｌ（ＨＲｃ２４．５）的换算抗拉强度诉约为８３０ＭＰａ， ＨＢ２８６（ＨＲｃ３０－５）的换算抗拉强度巩约为９５５ＭＰａ。前述有限元 分析得出的最大等效应力为７８６．３ＭＰａ，分布在公、母螺纹的第一 牙处。因此，按图纸的性能要求，钻杆的安全系数仅为１．０豇１．２２， 其强度储备是很低的。硬度为ＨＲｃ３３时，抗拉强度为１０３５ＭＰａ，
管朝晖， 杨斌， GUAN Zhao-hui， YANG Bin 重庆钢铁股份有限公司,重庆,400082
机械设计与制造 MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE 2009(12)
参考文献(3条)
1.司万春;周瑞强 塔里木盘地中4井钻具损伤分析[期刊论文]-石油钻探技术 2005(06) 2.石晓兵;施太和 一种新型钻柱稳定器连接螺纹减应力区的研究[期刊论文]-天然气工业 2002(02) 3.梁广华 鄂北塔巴庙工区钻具失效原因分析与对策[期刊论文]-探矿工程-岩土钻掘工程 2004(01)
５结论 ． 论文在分析钻杆螺纹接头结构组成的基础上建立了钻杆接
头三维实体模型，考虑实际工作载荷对钻杆联结螺纹进行力学分 析，利用弹性有限单元法建立了钻杆螺纹接触有限元模型，计算 了钻杆在原始工况下的应力分布，得出钻杆断裂原因主要是钻杆
图１２ ２号样，珠光体＋铁索体
４．３硬度测试
取钻杆样品进行洛氏硬度测试，结果，如表４所示。 表４硬度测试表
因此，有必要对钻杆的接头进行研究，以寻求和探讨解决的
途径。国内外学者对钻杆接头螺纹断裂问题已经做了大量研究，
主要采用解析法结合试验测定法对螺纹强度进行计算，但解析法
更多的时候只能对螺纹连接强度做定性的解释，且试验常常受到
图ｌ唾＇４２钻杆联结结构图
成本、试验条件等因素的制约。
表１①４２钻杆原始接头参数表（单位ｍｍｌ
万方数据
第１２期
管朝晖等：工程用钻杆螺纹断裂失效研究
１５３
６５ｍｍ，最大轴向载荷５０ＫＮ，最大扭矩７５０Ｎ·ｍ；最大钻进深度
１５０ｍｏ首先对钻杆进行扭矩轴向力的转换，计算公式如下：
拈睾ｄｔａｌｌ（妒±风）
（１）
二
其中，拧紧情况为“＋”，松开为“一”
式中：摩砂擦—角螺，纹有升ｔａ角觋，鼍且厂，有ｃｔｏａ邮啦艚＝删擦鹏系；数ｎ；—ｐ螺—纹牙线型数斜；角Ｂ；一ｒ当—量扭
通过钻杆的材质分析可以知道：钻杆过渡段形成一个组织不
图９断件微观裂纹
图１０断件微观韧窝及磨损
４．２金相分析
在断口处取试样进行金相观察分析发现其主要为正火态组
织。如图１１—１２所示。
稳定的高应力区。如果在组织不稳定区的表面存在缺陷，它可能 来自热处理中裂纹，也町能喷砂不均匀，成为疲劳源区。由于高应 力的作用，接着在外部循环载荷的作用下，裂纹疲劳扩展，钻杆发 生过载断裂。 ４．４．３存在腐蚀
一牙螺纹处存在应力集中；钻杆断裂失效过程为表面缺陷——解 理断裂——裂纹疲劳扩民—＿过载断裂。研究为进一步优化钻杆 结构减少钻赶失效事故，延长钻杆使用寿命提供了重要依据，具 有重要的理论意义及工程应用价值。
参考文献
１梁广华．鄂北塔巴庙工区钻具失效原因分析与对策［Ｊ］．探矿工程，２∞４，３ｌ （１）：５啦５４
２石晓兵，施太和．一种新璋！钻柱稳定器连接螺纹减应力区的研究［Ｊ］．天然 气工业，２００２，２２（２）：４８巧Ｏ
３司万春。周瑞强等塔里木盘地中４井钻具损伤分析［Ｊ］．石油钻探技术， ２００５．３３（６）：啦ｌｌ
万方数据
工程用钻杆螺纹断裂失效研究
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)：
ＧＵＡＮ Ｚｈａｏ—ｈｕｉห้องสมุดไป่ตู้ＹＡＮＧ Ｂｉｎ
（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ ＣＯ．Ｌ１１Ｄ，Ｃｈ鲫ｇｑｉｎｇ加００８２，Ｃｈｉｎａ）
【摘要】工程用坑道钻机钻杆在孔内受各种载荷作用，包括弯曲、扭转、振动及拉压等，钻进时经常 出现钻杆断裂现象，严重影响正常生产。从钻杆接头连接螺纹失效类型分析入手，考虑实际工作载荷对钴 杆联结螺纹进行力学分析。基于有限单元法，建立了钻杆连接螺纹接触有限元模型，针对中４２钻杆进行了 强度分析，并对钻杆材质进行了断口的形貌、化学成分测量、硬度测量、金相分析，得出钻杆接头螺纹应力 偏高，热处理工艺不稳定为钻杆断裂失效的主要原因，研究为进一步优化钻杆结构提供了重要依据，具有
中图分类号：ＴＨｌ６。Ｐ６３４．４文献标识码：Ａ
１引言
２钻杆螺纹结构与力学分析
工程用坑道钻机由于它重量轻，能解体，操作简单，使用可
钻进过程中，钻杆通过螺纹连接而成的细长管柱，在钻头引
靠，在各项工程中已被广泛使用。在井下施工瓦斯抽放孔、注浆灭 火孔、煤层注水孔、地质勘探孔及其它工程钻孔时，经常出现钻杆 接头断裂事故【岣。钻杆断裂不仅影响正常生产，而且还往往因难 于打捞而使事故恶化，造成人力、财力的损失。钻杆螺纹连接处与 钻杆本体相比，刚度较小，截面形状复杂，容易出现应力集中，是 钻杆的薄弱部位。
矩；ｐ—舶向力；出—螺纹中径。
实际工作所承受的等效轴向力为钻机对钻杆轴向力与扭矩
等效轴向力的叠加
，＝ｎ，
（２）
式中：Ｐ—钻机对钻杆施加轴向力。
根据材料力学第四强度理论，钻杆部分的强度校核公式为：
图４钻杆公接头等效应力
（３）
式中：矿—钻杆的拉压应力（ＭＰａ）；Ｄ—钻杆外径；ｄ—钻杆内径。
钻杆接头内、外螺纹材料一样，故只计算外螺纹的应力
图纸要求硬度为ＨＢ２４ｌ一２８６，换算洛氏硬度约为ＨＲＣ２４．５—
接头螺纹第一螺牙处应力偏高的结论；对钻杆接头进行了断口观 察、化学成分测量、冲击韧性实验、硬度测量以及金相分析，得出 钻杆为韧性断裂，部分样品硬度波动较大，热处理工艺不稳定；从 力学和材料方面对钻杆接头断裂原因进行了分析，得出公接头第
ａｋ＝劲＾肛丌拍２
（４）
靠印，后霄ｃ蹈
（５）
式中：ｐ—最大轴向力（Ｎ）；Ｊｌ—螺纹牙的工作高度（ｍｍ）；｜｜｝—载荷
不均匀系数；扣＿夕ｈ螺纹内径（ｎ蚰）；６—螺纹牙根宽度（蛐）。
由第四强度理论可计算出螺纹牙等效应力
矿’。＝、／￡＋３产
（６）
计算结果，如表２所示。
表２钻杆螺纹理论计算强度
３钻杆螺纹接触有限元模型
根据钻杆螺纹联结结构特点采用二维轴对称单元对钻杆结 构进行有限元离散，建立有限元分析模型，如图２所示。
项目 计算结果
图５钻杆母接头等效应力
表３钻杆螺纹有限元计算结果
应力蜘≯头部位 应力翩：接头部位
７８６３
第一圈螺纹牙
７７６．４
第一圈螺纹牙
从计算结果可以看出最大等效应力７８６．３ＭＰａ，分布在公、母
螺纹的第一牙处。从表３可以看出，就钻杆接头部分强度分析计
图７断件微观形貌
图８断件微观腐蚀坑
安全系数为１．３２，仍然偏低。 ４．４失效原因分析
通过对钻杆螺纹进行强度分析和材质分析，找出钻杆螺纹失 效原因如下。 ４．４．１应力集中
根据钻杆接头螺纹原始模型有限元分析结果表明，在公扣第 一螺纹牙处根部受到严重的应力集中，极容易引起疲劳破坏。 ４．４．２热处理工艺不稳定
１５２ 文章编号：１００ｌ一３９９７（２００９）１２．０１５２－０３
机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅ《ｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第１２期 ２００９年１２月
工程用钻杆螺纹断裂失效研究
管朝晖杨斌 （重庆钢铁股份有限公司，重庆４０００８２） Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｆａｊＩｕｒｅ ａｎａＩｙｓｉｓ ０ｆ ｔｈｅ ｄｒｉ¨ｉｎｇ ｐｉｐｅ ｔｈｒｅａｄ ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅ ｒｉｎｇ
断口的宏观形貌，如图６所示。
图２ ｍ４２钻杆有限元离散模型
考虑钻杆实际受载情况，母接头约束轴向方向的位移（皓
Ｏ），其他５个自由度自由。公接头顶部施加轴向力和扭矩，注水孔 内腔施加均布水压，定义公、母螺纹接触边界条件。利用ＡＢＡＱｕｓ 计算程序对模型进行计算，得到该受力工况下的应力云图，如图 ３巧所示。具体计算结果，如表３所示。
导下进入已钻孔底部进行钻进，钻杆内外环中有钻孔液流动，钻 杆与孔壁之间有环型间隙存在，钻杆接头受力情况非常复杂。螺 纹联接中各螺纹牙的载荷分配、螺纹牙面上的压力分布以及应力 场、位移场均和螺纹牙形、螺纹牙面状态、刚度分布等细部结构有
很大关系。钻杆接头采用锥形螺纹联结结构，以舛２钻杆为研究
对象其结构，如图Ｉ所示。几何参数，如表Ｉ所示。