非开挖导向、定向钻杆的失效原因.doc

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1、非开挖导向、定向钻进用钻杆的失效原因及解决措施前言钻杆最可怕的失效形式是钻杆的断裂。钻杆在导向、定向钻进铺管过程中一旦断裂，将会对工程造成严重影响，不仅是经济上的损失，而且影响工期，失去信誉，后果不堪设想。因此，作为施工企业，一定要学会如何正确地选择和使用钻杆；而作为钻杆生产厂家，要知道非开挖工程对钻杆的特殊要求，生产出高强度、高弹性和高可靠性的钻杆。笔者在1994年至1998年间曾带队做过多项导向钻进非开挖铺管工程，尽管当时的钻杆质量非常差，但在施工过程中从未遇到断钻杆事故。后来，笔者从事非开挖工艺和钻具的研究、设计工作，此期间也是我国非开挖铺管技术迅猛发展的时

2、期，时常有施工单位报告钻杆断裂事故，总觉得有些费解。于是，笔者亲身在施工现场调查了多起事故原因，同时设计了多种结构形式的钻杆进行试验。通过多年的事故分析和试验研究，总结出一些钻杆失效（主要是断裂）产生的原因：除钻杆自身质量问题外，施工中不当的操作是使钻杆失效的主要原因。笔者撰写此文旨在避免施工企业重复走弯路，也算作为我国非开挖技术的发展做一点贡献。一、钻杆主要失效形式及原因分析非开挖导向、定向钻进用钻杆往往在受到较大拉力和扭力作用的同时，还受到弯曲力的作用。钻杆通过曲线段时，钻杆被迫弯曲，弧线内侧受压应力作用，弧线外侧受拉应力作用。当钻杆在曲线段旋转时，杆体就受到

3、拉压交变应力的作力，而钻孔曲率半径越小交变应力就越大。研究表明这个交变应力达到一定值后，就极容易使钻杆产生疲劳裂纹。钻杆刚开始产生的疲劳裂纹非常微小，肉眼很难发现，但疲劳裂纹发展速度极快，最后表现为突然的脆性断裂。试验证明，钻杆受交变应力作用而疲劳断裂是非开挖钻杆断裂失效的主要原因。很多钻杆在施工导向孔时发生断裂事故就佐证了这一结论。目前我国的非开挖施工队伍有很多是经验丰富素质高的专业公司，但更多的是临时拼凑起来的没有任何施工经验和技术的队伍，他们往往连钻杆（或钻孔）的曲率半径都没听说过，让他们来指挥非开挖施工是造成钻杆断裂的人为方面的主要原因。 表一中列出几种常

4、见的钻具失效形式及失效原因表一失效名称表现形式失效原因操作原因钻杆自身原因公扣根部断裂断口较平整，无塑性变形1．曲率半径过小2．扩孔钻头与正常钻杆间未连接过度杆1．氮化层太厚2．无应力减轻槽3．调质处理硬度太高断口呈螺旋状，有局部塑性变形施加的扭矩过大1．接头材料强度低2．调质处理硬度太低断口处有缩径施加的拉力过大杆体断裂断口较平整，无塑性变形1．率半径过小2．扩孔钻头与正常钻杆间未连接过度杆1． 杆体材料韧性差2． 杆体有严重划痕 断口呈螺旋状，有局部塑性变形施加的扭矩过大1．接头材料强度低2．调质处理硬度太低3． 杆体磨损变薄断口处有缩径施加的拉力过大杆体至接

5、头过渡段断裂摩擦焊口处断 1． 焊口处未加厚2． 摩擦焊接工艺不对杆体弯曲变形有不可恢复的弯曲变形1．施工导向孔时钻杆处于自由状态的长度过长2．孔内遇较大障碍物杆体材料刚性差丝扣严重变形丝扣齿形变形严重，公母扣旋合变松，甚至脱扣1． 所受负荷过大2． 未使用丝扣油丝扣部分调质硬度过低，未做硬化处理粘扣上扣时有冒烟现象，卸扣扭矩大，扣面有削落现象未使用合格丝扣油1． 丝扣硬化处理不合格2． 扣面光洁度低母扣涨大母扣呈喇叭口状扩大1． 母接头磨损过度2． 受扭矩过大非“双顶”结构二、  避免钻杆非正常失效的措施根据钻杆的失效原因分析，钻杆除正常磨损而失效外，钻杆的非正

6、常失效原因可分为为两个方面：工人操作原因和钻杆自身质量原因。因此，我们可以从提高钻杆质量和规范操作两方面来避免钻杆非正常失效。1.提高钻杆质量（1）钻杆材料选择：为适应非开挖导向、定向钻杆的受力分析，钻杆杆体应有较高的抗拉强度、较好抗弯性能和较好的冲击韧性。杆体材料应选择中碳合金结构无缝钢管，合金元素中应含有Cr、Mo等元素以提高材料的抗拉强度和冲击韧性，含有Mn、Si等元素以提高材料的弹性（即抗弯性能）。有时还含有微量的B、V等元素以提高材料的淬透性。常用的杆体材料有：36Mn2V、35CrMo、42MnMo7、35CrMnSi、45MnMoB。用于杆体的无缝钢

7、管的壁厚均匀度和轧制缺陷也是影响钻杆质量的重要因素。小钢厂轧制的钢管壁厚均匀情况严重，当钻杆较大的扭力作用时，容易在壁厚较薄处纵向裂开。有的钢管有重皮、气孔等缺陷，钻杆易从此处断裂或刺漏。钻杆接头受力最为复杂，接头材料很高综合机械性能。钻杆接头多采用35CrMo或42CrMo棒料制造，但经过锻造的接头材料能大大提高其综合机械性能。（2）加工工艺选择：目前国内非开挖钻杆从加工工艺分主要有整体锻造钻杆（简称整体钻杆）、镦粗＋摩擦焊钻杆（简称镦焊钻杆）和单纯摩擦焊钻杆（简称摩擦焊钻杆）。三种钻杆的优缺点比较如表二。表二性能、价格摩擦焊钻杆整体钻杆镦焊钻杆丝扣耐磨性好差好

8、接头强度高