煤矿用钻杆断裂原因及解决措施浅析

【摘 要】 安全一直是煤矿井下施工的重中之重，在煤矿井下瓦斯抽采、煤矿探放水钻孔等施工过程中，钻杆是钻孔装备的重要组成部分，钻杆在钻进过程中的受力状态复杂，实际工况要求钻杆具备良好的性能。在实际的煤矿施工中如果钻杆断裂，必定会对造成安全事故，本文分析了煤矿钻孔用钻杆材质、加工工艺与质量、现场使用时钻进工艺等产生钻杆断裂的原因，并提出了如何提高并稳定钻杆质量、减少防止钻杆施工过程中发生断裂事故的措施。

【关键词】 钻杆 煤矿坑道钻机 钻杆断裂 原因分析 解决措施

在煤矿井下瓦斯抽采、探放水的钻孔施工中，经常使用煤矿坑道钻机，钻杆作为钻机的重要组成部分，在钻孔施工现场大量使用。实际钻进过程中，钻杆处于孔内复杂的工作状态，通常承受拉、压、弯、剪扭、液力、振动等交变载荷，并伴随着液体的冲刷，钻进时经常出现钻杆断裂现象。钻杆断裂不仅影响正常生产，而且还因打捞困难使事故恶化，造成人力、财力的损失，给煤矿的施工安全带来很大影响。因此，正确客观分析钻杆的断裂原因，提前采取有效预防措施，提高控制钻杆质量，降低钻孔事故率，有重要的意义。

1 煤矿勘探用全液压动力头式钻机介绍

分体式全液压动力头式煤矿坑道钻机现已成为国内普遍生产的一种矿用回转式钻机。在煤矿井下钻孔施工中被广泛应用，其结构分主机、泵站、操纵台三大部分，适用于回转和冲击回转给进，主要用于煤矿瓦斯抽采、煤矿井下探放水、探地质构造、探煤层厚度、煤层注浆注水及管棚等各类工程钻孔的施工。

其解体性好，搬迁方便，机械式拧卸钻具，卡盘、夹持器与油缸之间，回转器与夹持器之间可联动操作，自动化程度高，工作效率高，操作简便，工人劳动强度小；采用双泵系统，回转参数与给进参数独立调节，提高了钻机对各种不同钻机工艺的适应能力，用支撑油缸调整机身倾角方便省力，回转器采用通孔结构，钻杆长度不受给进行程的限制，操作台集中操作，人员可远离孔口，有利于人身安全。

2 煤矿用钻杆介绍

在煤矿瓦斯抽放、对煤层注水等钻孔施工过程中，钻杆是必不可少的设备，作为钻机的配套设备，钻杆质量的好坏就直接影响施工的安全与进度，然而由于煤矿中钻杆需要承受的压力、材质、以及加工工艺的不同，使得钻杆存在一些质量的问题，这必将影响煤矿施工的进度。下图是直径为42毫米的钻杆结构图，不仅包括外锥螺纹接头、无缝地质钢管还包括内锥螺纹接头，这个就是矿用钻杆的最基本结构。因此我们要想提高钻杆的质量，就要先从钻杆断裂的原因着手，从而找到对钻杆质量安全的控制对策（如图1）。

3 煤矿用钻杆断裂原因的分析

3.1 钻杆的断裂形式

钻杆在实际施工过程中主要有几下集中断裂的形式：（1）螺纹接头焊缝处断裂；（2）内螺纹接头端部变形成喇叭口或彻底开裂；（3）外螺纹接头处大端螺纹尾部断裂；（4）外螺纹接头螺纹脱扣滑扣或断裂；（5）钻杆杆体钢管中间处断裂。

3.2 钻杆断裂原因分析

3.2.1 杆体母材材质质量缺陷

钻杆常用母材无缝钢管在冶炼加工中本身存在裂纹、结疤等质量问题。加之对钻杆母材经常进行抽样的质量检测，没有对全部母材进行控制，母材材质问题便成为钻杆质量残疵的源头，在现场使用中，因钻杆母材材质的质量问题导致经常发生钻杆扭曲变形、焊缝断裂、螺纹接头大端螺纹尾部断裂等现象。

3.2.2 加工工艺与质量

公母螺纹接头与钢管连接工艺；第一、摩擦焊接工艺与质量：目前钻杆的公母接头与钻杆杆体主要通过摩擦焊接连接。这种工艺方法是两种材料在高挤压力作用下强力接触并相对旋转，通过接触面摩擦产生高温，将接触部分的材料加热到塑性状态，使两者紧紧地挤压连接在一起。这种焊接方式焊缝承载能力较高，而且焊接缺陷相对较少，但焊缝接触面积的大小会影响到其承载能力，且在实际焊接工艺中，因为摩擦焊机挤压力、温度等参数未调好造成钻杆从焊缝处断裂的事故时有发生。第二、接头与钢管采用先螺纹联接而后手工普通焊接的工艺与质量；钻杆螺纹公母接头与钻杆杆体通过普通焊接连接时，焊接人员水平、焊接过程中对于焊条、焊缝的宽度与焊接方式选择执行不到位，都会造成焊接质量的问题；焊接温度的不稳定导致焊缝中的奥氏体组织转化成马氏体组织，使焊缝脆化，马氏体组织还会以条状的形态留在焊缝中，当受到强烈荷载时，钻杆就会产生焊缝裂纹，另外中碳钢可焊性差，手工焊接夹渣、气孔等焊接缺陷难以避免。加之联接螺纹并不能加强接头焊缝的承载能力。当焊缝因承载过大出现裂纹时，联接螺纹只能加快焊缝裂纹扩大，最终导致钻杆的断裂。目前很多小企业钻杆加工现场经常采用这种方法。

3.2.3 钻杆连接接头的尺寸精度误差

第一、连接螺纹加工精度达不到要求；由于螺纹锥度、牙形等的加工误差，导致两根钻杆连接时，尽管公扣、母扣接头端的径向松动。造成在钻进施工过程中，钻杆高速旋转承受径向冲击载荷，导致接头螺纹尾部发生断裂；由于螺纹中径精度误差控制不好，钻杆连接时接头端间隙达不到技术要求。使得钻杆所承受的弯曲、扭转载荷全部由螺纹承受，这样钻杆在螺纹联接处易发生疲劳裂纹，导致螺纹滑扣脱扣。第二、接头螺纹同轴度超差；由于材料、工艺方法、人员失误等原因，两端公扣、母扣螺纹同轴度超差导致钻杆在连接处发生弯曲。这样在钻进过程中，钻杆不但要承受正常的轴向负荷，而目螺纹连接处还要承受很大的径向载荷。

3.2.4 钻杆危险断而应力集中

钻杆公扣、母扣接头端台肩根部应有R>0.5的圆角，圆角过小或者没有圆角会导致钻杆在使用过程中产生应力集中现象，最终疲劳断裂。

3.2.5 机加工质量

钻杆的杆体的外表面一般用车床加工加工，由于车削加工造成钻杆表面有大的裂纹缺陷，也是造成钻杆断裂的原因之一。同时很深的机加工刀痕本身是一个尖锐的缺口，存在较大的应力集中，在应力集中区很容易萌生疲劳裂纹，导致钻杆断裂。

3.3 钻杆现场的不合理使用和突发事件

施工现场钻杆的管理混乱、分级不明、钻机故障、钻进参数的设置不合理、选配不当等现场因素都会造成钻杆的断裂。钻进过程中钻杆突然受到极为苛刻的交变扭矩和顶力，譬如遇到硬的岩石、地质塌陷、卡钻、跳钻等突发变化，也容易使钻杆瞬间受力过载导致断裂。

4 防止钻杆断裂的预防解决对策

4.1 加强钻杆母材钢管的质量控制

从源头保障，加强钻杆母材的定货和到货的质量检验与管理工作，必要时对母材取样做理化检验、金相分析和力学性能试验等，使其机械强度、材料等符合要求。

4.2 加强钻杆生产线质量控制与成品钻杆的试验

（1）严格按照设计图样加工钻杆，加强钻杆生产线与关键工艺与成品的质量监控，确保成品钻杆的质量过关，不断改进工艺手段和工艺方法，建议对钻杆管材通过改变成分或增加回火工序，消除马氏体组织，提高材料的韧性，最终提高钻杆质量。（2）在钻杆的焊接过程中，对杆体和接头的材料进行分析，选择适合匹配的焊接方法、焊材和焊接温度、时间等参数；严格控制摩擦焊机压力、温度等参数。（3）对于成品钻杆的关键连接尺寸公差严格把控，对螺纹部位、杆体和手工焊缝和摩擦焊缝进行无损探伤，对于和合格的产品返修或者报废。（4）对成品钻杆进行整体的强度试验，譬如进行弯曲、扭转、扭转疲劳、弯扭拉复合疲劳强度试验等，掌握实验数据，为钻杆的现场试用和研发生产提供数据支撑。

4.3 加强钻杆的现场使用管理

（1）加强施工现场钻杆的分级管理、做到分级实时明晰、统一调配使用，避免新旧混用。严格执行钻杆的使用制度，保护好内涂层钻杆的涂层。（2）实时注意钻机的维护维修，加强责任心，严格执行各项操作规程，在打钻中尽量避免卡钻、跳钻等突发变化，降低钻机故障和力突变带来的钻杆断裂事故；在遇到地质情况复杂且经常突变的岩层时，施工人员可根据经验，在设备中增加限扭矩控制仪，以免钻杆超载。（3）钻进参数的设置不合理、选配不当等现场因素都会造成钻杆的断裂。钻进过程中钻杆突然受到极为苛刻的交变扭矩和顶力，譬如遇到硬的岩石、地质塌陷、，也容易使钻杆瞬间受力过载导致断裂。（4）钻杆的工作环境比较恶劣，在其长期的服役过程中，会产生很多的缺陷。建议每批钻杆每次使用前后尽量通过探伤方法掌握其缺陷及损伤程度，并根据不同裂纹作针对性处理，提高钻杆使用的可靠性。（5）针对不同岩性、钻孔深度和钻孔直径的要求，合理选用钻进参数，防止钻杆过载。

5 结语

本文列举了煤矿坑道钻机用钻杆在钻孔施工过程中常见的断裂形式，分析了钻杆不同断裂形式产生的原因，并就如何提高稳定钻杆的质量，如何预防、避免、减少钻杆断裂事故的发生率从不同角度提出了改进的措施方法，从而减少由于钻杆断裂造成的煤矿井下事故的发生率，提高煤矿生产的安全性。

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