大直径天井钻机钻杆螺纹失效分析及改进措施

度不同， 螺纹连接后 ， 必将存在突然减小的截面 ， 台 阶面 附近 承担 了主要 的载荷 ， 形成 了应 力集 中 ， 因而 降低了螺纹的强度。根据钻杆受力情况建立钻杆头
受 力模 型 （ 图 １ ， 杆接 头 外 螺 纹 台 阶面 处几 乎 见 ）钻 支 撑着 所有 的弯 曲应 力 ， 螺 纹 第 １牙 的载 荷 高达 外 ４ ％左右 ， ２牙 ２ ％左 右 ， 次 递减 ， ７牙 以后 ０ 第 ５ 依 第 承 受载 荷很小 。因此 台 阶处 将产 生 应 力集 中 ， 大 最
旋合时其轴向应力的 ８％ 由距 台阶面 １ ３螺纹处 ０ ～ 来 承担 。实 际发 生 的外 螺纹 断裂 位 置也 在 此 处 ， 说
明 Ｎ ５ 型外 螺纹距 台 阶 ２ Ｃ０ ０～３ ｍ 处 是 危 险 ０ｍ
截面。
大扭矩高轴压工况 ；
（ ）螺纹 表 面处理 不理 想 ； ４ （ ）生产 中所 选用 的螺 纹脂 不合 理 。 ５
７ ０
采
矿
枝
朱
的塑 韧性 。为 了达 到这 一 要 求 ， 国外 在 钻杆 选 材 及 热处 理方 面采取 了一 系列 措施 ， 钢 主要采 用 ４０ 用 １０
系列 （ ｒ Ｃ —Ｍｏ系 ） 主要 牌 号 有 ４ ３ Ｈ、 １０ 等 。 ， １７ ４ ４ Ｈ
差异 ， 导致 了在天井 钻 机 钻 杆上 采 用 标 准 Ａ Ｉ 纹 Ｐ螺
Ｉ Ｓ ６ １—２ ０ Ｓ Ｎ １７ ９ｏ ＣＮ — １ ４７ ４３ ３ ／ＴＤ
采矿技 术
第１ １卷
第６期
２１ 年 １ ０１ １月
ＮＯ ． ２ Ｖ ０１１
Ｍ ｉ ｉ ｃ ｎ ｌｇ ｎｎｇ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，Ｖｏ．１ Ｎｏ ６ １ １， ．
大 直 径 天 井 钻 机 钻 杆 螺 纹 失 效 分 析 及 改 进 措 施
的局 限性 和 不适应 性 ， 以至 于 在生 产 中频 繁 出现 螺
纹 拉伤 、 粘扣 甚至 断裂等 严重 事故 。
２ ４ 钻 杆螺 纹表 面处理 和螺 纹脂 的选择 ．
我国合金钢系列与美 国合金结构钢系列差别很大 ， 在 Ｇ ３７ ８ Ｂ ０７— ２中虽然也 有 Ｃ —Ｍｏ钢 系列 ， ｒ 但含 碳
量 和 主要合金 元 素配 比与 ４０ １０系列相 差颇 大 。 以国 内生 产钻 杆 的 主要 钢 种 ３ ＣＭｏ为 例 ， 、 ５ｒ 碳 锰 含量 与 ４２ Ｈ、１０ １７ ４４ Ｈ相差较 大 ， 即使 采 用含 碳量 较 高 的 ４ ＣＭｏ ， ２ ｒ 钢 由于锰 含 量较 低 ， 透 性 也 达不 淬 到 ４４ Ｈ 的水平 。在热 处理 工艺 方 面 ， １０ 国外 钻 杆 生 产厂普 遍采 用可 控气 氛 炉 加 热 ， 钻杆 内外 表 面加 在 工完 后进行 光亮 淬火 。 国内钻杆 热处 理多 采用普 通
的发 生。
关键 词 ：天 井钻 机 ； 钻杆 ； 失效 分析 ；改进措 施
０ 引 言
天井 钻 机 经过 几 十年 的发 展 ， 目前 已经成 为一
以 当前 市场 占有 率较 高 的 国产 Ａ Ｔ系列 天 井钻 机为 例 ， 型 天 井 钻 机 所 用 螺 纹 为 标 准 Ａ ＩＮ ５ 此 Ｐ Ｃ ０ 系列石 油钻 杆标 准 螺纹 ， 在钻 杆 螺 纹 断裂 事 故 中主 要 为外 螺纹 断裂 ， 外螺 纹断 裂 位置 在 距 台阶 面 ２ ０～
叶海舟
（ 陵有 色金 属集 团股 份有 限公 司安 庆铜 矿 ， 安徽 铜 陵市 铜
摘
２６３ ） ４ １１
要： 分析 大直径 天 井钻 机钻 杆螺 纹 失效 的原 因 ， 出 了选择 合 理 的螺 纹 形 式、 纹材 提 螺
料、 螺纹连接方式以及螺纹表面处理方式和螺纹脂等提高钻杆螺纹强度和可靠性的措施。 生产实践证明， 这些措施可以显著提 高天井钻机钻杆可靠性 ， 有效减少钻杆螺纹损伤情况
图 １ 单根钻杆应力分布
２２ 钻杆 螺纹 材料分 析 ．
２ 钻杆 螺纹 失效原 因分析
２ １ 钻 杆螺 纹 受力分 析 ．
钻杆 的服役条件恶劣， 在使用过程 中要承受拉 伸、 扭转 、 弯曲、 振动 、 冲击等多种载荷的作用。根据 钻杆 的服役条件 ， 要求钻杆具有较 高的强度和良好
研究 ， 提高生产的安全性和可靠性 ， 其经济效益将是
显著 的 。
弯曲应力发生在内螺纹接头和外螺纹接头连接的最
后 １ 螺纹 附近 ， 裂从 外 螺 纹 接头 的最 后 １道 螺 道 断 纹根部发生 ， 位置恰为距外螺纹 台阶面 ２ 其 ０～３ ０ ｍｍ 的连 接螺 纹处 ， 纹 的载荷 分 布是 非 线性 的 ， 螺 在
１ 大直径天 井钻机钻杆 螺纹 失效情况综述
目前 生产 中经常 出现 的螺 纹损 伤现 象 主要表 现 为 螺纹 牙 面损伤 、 烧扣 、 扣 以及 由于螺 纹破 坏导致 粘 钻 杆头 断裂 等 ， 析其 原 因主要 包括 以下 几个 方 面 ： 分 （ ）螺 纹精 度 不 达标 ， 台 阶配 合 达 不 到 设计 １ 或 要求； （ ）钻 杆材 料不 达标 ； ２ （ ）天井钻 机所 选用 的螺 纹不 适 合天井 钻机 的 ３
３ ｍ 处 ， ０ｍ 失效部 位 断 口截 面光滑 ， 具有 明显 的疲劳
种成熟 的设备 ， 可以在 多种复杂地质条件下一次成
型 的施 工各 类 天 、 井 。但 是 国 内天井 钻 机 的发 展 斜
一
直 落后 于 国外 同类 设备 。 目前 制约 国 内天 井钻 机
断裂特 征 。Ａ Ｔ 杆螺 纹 的主要 缺点 是 内外 螺 纹长 Ｐ钻
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发 展 的 因素 ， 方 面是设 计水 平 和设 计 理念 的 因素 ， 一
另一方面就是国内天井钻机的可靠性需要进一步提 高 。本 文 仅针对 国产 天井 钻机 中较 常 见 的对 钻机 效 率影响较大的钻杆螺纹失效问题做简要分析 。
天井 钻 机 在施 工 过 程 中 ， 一旦 发 生 钻杆 接 头 螺 纹 损伤 ， 则导 致施 工终 止 ， 则 导 致 钻 杆 头 断裂 、 轻 重 刀 盘 坠落 。 因此 ， 天 井 钻 机 螺 纹失 效 原 因做 深 入 对