馬惠民，劉江，張進(jìn)

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概述

雙壁鉆桿應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，除水文水井鉆探外，目前也已在大口徑瓦斯排放井、通風(fēng)井、礦山搶險(xiǎn)救援井中得到應(yīng)用。我國(guó)通過(guò)一系列研究與推廣應(yīng)用，縮短了與世界先進(jìn)水平的差距，增強(qiáng)了國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力，已經(jīng)成為創(chuàng)收的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。氣舉反循環(huán)工藝的推廣應(yīng)用，充分顯示了鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長(zhǎng)、成井質(zhì)量好，在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)安全可靠，而且對(duì)地下水源污染小，節(jié)省輔助時(shí)間和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

雙壁鉆桿作為氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝的主要組成部分，對(duì)于該工藝的大力推廣應(yīng)用，有著十分重要的作用。雙壁鉆桿由外管總成和內(nèi)管總成兩部份組成（見(jiàn)圖1）。外管總成主要承受高強(qiáng)度的拉力、抗扭和沖擊力，內(nèi)管主要是承擔(dān)排渣和吸取井底沉積物。由于內(nèi)、外管結(jié)構(gòu)和使用性能要求不同，所以在制造過(guò)程中就要根據(jù)各自的工作方式，選擇符合結(jié)構(gòu)要求的加工材料。但因材料的化學(xué)成分、金相組織、物理性能及力學(xué)性能都有較大的差別，為此在焊接中相互間的焊接性能相差很大，這樣就給雙壁鉆桿加工過(guò)程中增加了一定的焊接難度。

2 外管總成的焊接

外管總成由管體和公、母鎖接頭焊接而成（見(jiàn)圖2）。鎖接頭使用材料為35CrMo、外管使用材料為DZ50。鉆桿焊縫抗內(nèi)壓力最大8MPa。由于材料的特殊性，使用一般的焊接方法，焊后會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的焊趾冷裂紋及焊縫金屬縱向裂紋。為此編制了以下焊接工藝流程。

圖2 外管總成結(jié)構(gòu)圖

圖1 雙壁鉆桿結(jié)構(gòu)圖

2.1 焊前準(zhǔn)備

（1）清理焊道左右50mm處的鐵銹、氧化皮、油污。

（2）選用 NBC-500型電焊機(jī)。

（3）選用直徑1.2mm的H08MnSiA焊絲，并將表面清理干凈。

（4）準(zhǔn)備純度在99.5%以上的CO2氣體。

（5）做好個(gè)人防護(hù)用品和輔助工具的準(zhǔn)備工作。

2.2 焊接工藝

（1）為了防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊前把待焊處預(yù)熱至140～260℃。現(xiàn)場(chǎng)用氧乙炔焰加熱焊縫附近處150mm寬的區(qū)域。焊接時(shí)層間溫度應(yīng)不低于預(yù)熱溫度。

（2）焊接工藝參數(shù)：電弧電壓24～26V，焊接電流220～260A，焊接速度150～200mm／min，氣體流量15～20L／min。

（3）焊接方法：采用多層多道，并保證焊縫與母材平滑過(guò)渡。

（4）為消除焊接應(yīng)力，焊后應(yīng)將焊件進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，現(xiàn)場(chǎng)用氧乙炔中心火焰加熱焊縫附近200mm寬的區(qū)域。具體加溫緩冷方法見(jiàn)圖3。

圖3 熱處理曲線圖

2.3 易出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法

（1）為防止產(chǎn)生氣孔，CO2氣體流量不宜調(diào)得太高或太低，要保證氣體純度，焊接時(shí)要避風(fēng)。

（2）為防止焊接偏弧，噴嘴應(yīng)對(duì)準(zhǔn)焊縫中間部位。

2.4 焊接檢驗(yàn)

（1）焊縫表面不允許有裂紋、氣孔、夾渣、咬邊、過(guò)燒等缺陷出現(xiàn)。

（2）使用專用的打壓設(shè)備、工具和工裝對(duì)鉆桿進(jìn)行水密性壓力試驗(yàn)，要求打壓6MPa，保持壓力30min無(wú)滲漏現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 內(nèi)管總成的焊接

內(nèi)管總成由Φ73×5mm的無(wú)縫管和公、母密封套組成（見(jiàn)圖4）。內(nèi)管總成的公、母密封套材料為45號(hào)鋼，而內(nèi)管的材料為16Mn。內(nèi)管受外壓為0.7～3.0MPa，為此要求焊后做水密性試驗(yàn)：水壓6MPa保持30min無(wú)滲漏現(xiàn)象出現(xiàn)為合格。由于兩種材料的化學(xué)成份和金相組織有較大的差異，為此編制以下流程進(jìn)行運(yùn)作。

圖4 內(nèi)管總成結(jié)構(gòu)圖

3.1 焊前準(zhǔn)備

（1）對(duì)焊道左右50mm處進(jìn)行清理鐵銹、氧化皮、油污。

（2）選用Z500-A型硅整流弧焊機(jī)，采用直流反接方法進(jìn)行焊接。

（3）選用直徑3.2mm、J506低氫型焊條，焊前把焊條放入烘箱中用50～250℃加溫烘培1～2h后再用70～100℃進(jìn)行恒溫，并做到隨焊隨取，以消除焊條中的氫含量，防止焊接中出現(xiàn)氫氣孔。

（4）采用手工電弧焊，直流反接。（5）焊接電流：90～105A。

3.2 焊接工藝

（1）焊前對(duì)焊接部位左右100mm處用氧乙炔火焰進(jìn)行預(yù)熱處理，加溫到250～400℃，并用銅絲刷將焊道清理干凈。

（2）在焊接工裝架上進(jìn)行45°角爬坡、逆時(shí)針圓周焊。注意焊條接頭處的連接方法。

（3）焊接完成后應(yīng)進(jìn)行回火處理（現(xiàn)場(chǎng)用氧乙炔火焰加溫到250～400℃后自然空冷）。

3.3 焊接檢驗(yàn)

（1）焊縫表面不允許有裂紋、氣孔、夾渣、咬邊、過(guò)燒等缺陷出現(xiàn)。

（2）使用專用的打壓設(shè)備、工具和工裝對(duì)鉆桿進(jìn)行水密性壓力試驗(yàn)，要求打壓6MPa，保持壓力30min無(wú)滲漏現(xiàn)象出現(xiàn)。

4 塞孔焊接

塞焊焊接時(shí)焊縫與母材的各項(xiàng)指標(biāo)差別較大，再加上焊接條件不好（見(jiàn)圖5），故采用低氫鈉型焊條。此焊條能滿足異種材料的焊接，但是焊接工藝性能較差。在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生氫氣孔、咬邊和熱裂紋。而銷孔塞焊時(shí)使用大電流吹噴排渣的方法，造成熔池中的溫度偏高而不穩(wěn)定，焊后周邊容易產(chǎn)生冷裂紋現(xiàn)象。

根據(jù)上述對(duì)焊條的要求和相應(yīng)的預(yù)防措施，制定以下焊接工藝：

（1）采用Z500-A型硅整流弧焊機(jī)。

（2）采用手工電弧焊、直流反接。焊接電流參考值180～220A。

（3）為防止焊接時(shí)產(chǎn)生熱裂縫應(yīng)采用焊前預(yù)熱。在銷孔周圍150mm范圍內(nèi)用氧乙炔中心火焰把鎖接頭局部加熱到250～400℃，增加母材的韌性，降低焊縫和熱影響區(qū)冷卻速度，防止產(chǎn)生馬氏體。

（4）使用J807直徑4.0mm低氫納型焊條，并對(duì)焊條焊前進(jìn)行烘焙處理，把焊條放入烘箱中用150～250℃恒溫2h，再用70℃左右的溫度進(jìn)行保溫，保證焊條隨用隨取。

圖5 雙壁鉆桿公鎖接頭塞孔焊接示意圖

（5）焊接方法：由于塞焊孔較深，采用大電流吹噴方法。焊條靠底孔壁作圓周順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)，在大電流的吹噴作用下保證藥渣從較深的熔池中排出。此時(shí)熔池溫度較高而不穩(wěn)定，在熔池中間部位容易產(chǎn)生氣孔和塑性裂紋。有效的防止方法就是用手錘敲擊焊縫周邊部位，促使集中的應(yīng)力均勻的擴(kuò)散。焊接時(shí)應(yīng)在銷子與孔壁的縫間起弧，更換焊條應(yīng)快速，防止間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熔池冷卻后產(chǎn)生夾渣現(xiàn)象。焊接結(jié)束收弧時(shí)應(yīng)在熔池中間部位、壓低焊條填滿弧坑，防止產(chǎn)生弧坑裂紋。

（6）為了防止焊后出現(xiàn)冷裂紋，焊接完成后應(yīng)及時(shí)用氧乙炔中心火焰（600～650℃）對(duì)焊縫周圍100mm范圍進(jìn)行回火處理，并把焊件放入保溫材料（珍珠巖）中自然冷卻。

（7）待焊件完全冷卻至常溫后進(jìn)行水密性試驗(yàn)，使用專用的測(cè)壓設(shè)備、工具和工裝對(duì)焊縫進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，保證焊接處及周邊范圍內(nèi)在表壓4MPa狀態(tài)下保持15min無(wú)滲漏現(xiàn)象。檢驗(yàn)不合格或發(fā)現(xiàn)有滲漏或出現(xiàn)漏點(diǎn)和潮濕應(yīng)進(jìn)行返工，返工時(shí)應(yīng)采用機(jī)械加工方法將填充材料徹底去盡，同時(shí)更換銷子。按照以上焊接工藝和步驟重新進(jìn)行焊接、壓力測(cè)試。直到合格為止。

5 雙壁鉆桿在氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝推廣中取得的效果

通過(guò)多年來(lái)的氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)大面積的推廣應(yīng)用，此技術(shù)已在我國(guó)地質(zhì)、冶金、建設(shè)、水利、煤田和軍工等系統(tǒng)普遍采用，并在巴基斯坦、馬里、玻利維亞、菲律賓、尼日利亞等國(guó)外承包工程中使用。由于此項(xiàng)技術(shù)推廣成績(jī)突出，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益十分顯著，曾在1993年獲得地質(zhì)礦產(chǎn)部科技成果一等獎(jiǎng)。

其突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

5.1 鉆進(jìn)效率高

由于氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)沖洗液在雙壁鉆桿內(nèi)上返的速度高出常規(guī)鉆進(jìn)10～50倍，因而排渣速度快。在一般鉆進(jìn)比較困難的卵礫石層中，只要卵礫石礫徑小于鉆桿內(nèi)徑，便可不經(jīng)破碎直接排至地表，這便大大地減少了鉆屑在孔底的重復(fù)破碎，減少了功率消耗，提高了鉆進(jìn)效率。從各地使用后的資料看出，鉆進(jìn)第四系砂粘土層，最高時(shí)效超過(guò)12m／h，平均可達(dá)6.3m／h，砂層可達(dá)20m／h，鉆進(jìn)卵礫石地層達(dá)1～1.5m／h，鉆進(jìn)4～6級(jí)基巖地層達(dá)1～3m／h。同正循環(huán)鉆進(jìn)相比時(shí)效提高1.2～3倍。

5.2 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)取芯、取樣，判層及時(shí)準(zhǔn)確

所謂連續(xù)取芯、取樣就是邊鉆進(jìn)邊獲取。這種方式因其沖洗液的流向與巖芯（樣）進(jìn)入內(nèi)管的方向一致，避免了沖洗液對(duì)巖芯的正面沖刷和液柱壓力對(duì)巖芯所造成的擠夾和磨損。提高了巖芯完整性和純潔性，獲取的巖芯部位準(zhǔn)確，使所鉆地層層位清楚，劃分含水層埋深、位置、厚度精確。從使用過(guò)的牙輪取芯鉆頭、硬質(zhì)合金連續(xù)取芯鉆頭、全面鉆進(jìn)牙輪鉆頭、刮刀鉆頭等，已證明巖芯、巖樣均能及時(shí)返出地表，不存在重復(fù)破碎，加之液流速度的提高，巖芯選擇性磨損大為減少，采取率能達(dá)到100%，得到了地質(zhì)人員的認(rèn)可。

5.3 能減少成井時(shí)間，且質(zhì)量高

根據(jù)廣大用戶反饋的資料充分說(shuō)明，凡是采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝施工的水井，井徑規(guī)則，井底干凈，孔斜率小，出水量大，成井時(shí)間短。一般相同條件比正循環(huán)洗井縮短1／2，出水量平均增大1／3，優(yōu)質(zhì)孔率為100%。

5.4 鉆探成本低

因氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝比常規(guī)鉆進(jìn)成井質(zhì)量好，效率高，鉆頭壽命長(zhǎng)，事故少，材料消耗低等，所以鉆探成本大為降低。從我國(guó)所使用過(guò)這種工藝方法的單位成本核算反映，氣舉反循環(huán)比正循環(huán)可以降低成本約50元／m，平均一眼水井500m深，這樣就可節(jié)約投資25000元，一機(jī)臺(tái)若以每年成井8眼，則可節(jié)約20萬(wàn)元。

5.5 社會(huì)效益高

在復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)綜合效率是正循環(huán)鉆進(jìn)的3～6倍。尤為突出的是克服了正循環(huán)復(fù)雜地層無(wú)法鉆進(jìn)，而造成某些地區(qū)長(zhǎng)期缺水的實(shí)際困難。

6 結(jié)論

（1）外管總成采用CO2氣體保護(hù)焊，焊縫的抗裂紋性好、熔深大、效率高。再加上焊前預(yù)熱、焊后緩冷及高溫回火等措施，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。此方法在批量生產(chǎn)中，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益、而且可以大幅度地提高生產(chǎn)率、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）內(nèi)管總成采用了常規(guī)的焊接方法，具有操作簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)、對(duì)焊工的操作技能要求不高等特點(diǎn)。依照編制的焊接工藝施焊，得到了滿意的焊縫，滿足了設(shè)計(jì)的要求。

（3）塞孔焊接，操作簡(jiǎn)單，對(duì)焊工的操作技能要求不高。但在焊接過(guò)程中出現(xiàn)冷、熱裂紋的機(jī)率會(huì)高一些，只要嚴(yán)格遵照焊接工藝進(jìn)行焊接完全可以防止冷、熱裂紋出現(xiàn)，可操作性強(qiáng)，能避免焊接過(guò)程中產(chǎn)生其它不利因素，并且焊接時(shí)對(duì)鉆具機(jī)械性能影響極小。

使用上述的焊接工藝，能很好的解決異種材料在特殊用途中的焊接問(wèn)題，并有效控制了在大電流塞焊中容易產(chǎn)生熱裂紋和焊后產(chǎn)生冷裂紋等缺陷。在焊接過(guò)程中既能減輕對(duì)鉆具機(jī)械性能的損傷，又提高了鉆具加工的生產(chǎn)效率，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。實(shí)踐證明雙壁鉆桿在氣舉反循環(huán)鉆探技術(shù)應(yīng)用中，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效果非常顯著，因此在我國(guó)已受到廣大鉆探職工和援外承包打井單位作為高效設(shè)備配套使用。

［1］許劉萬(wàn)，等.多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)及其新發(fā)展［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（10）.

［2］許劉萬(wàn).SHB系列雙壁鉆具結(jié)構(gòu)性能分析［J］.水利水電鉆探，1991（1）.

［3］史耀武，等.焊接技術(shù)手冊(cè)［M］.福州：福建科技出版社，2005.

［4］張仁武.焊接工程手冊(cè)［M］.太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

［5］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.