張喜超

(連云港黃海機械股份有限公司，江蘇連云港222062)

1 研制背景

與普通金剛石鉆進相比，繩索取心鉆探具有鉆進效率高，人工勞動強度低，鉆頭壽命長，鉆孔質(zhì)量好，鉆孔事故率低等優(yōu)點［1］。目前，繩索取心鉆進已成為我國地質(zhì)巖心鉆探的主流技術(shù)方法。為滿足“攻深找盲”、“探尋第二礦空間”和深部地球科學(xué)研究等需要，近幾年我國繩索取心鉆探應(yīng)用深度不斷延伸，鉆孔深度已超過3000 m［2］。對于如此長距離連接地面與地下之間的繩索取心鉆桿來講，無疑是一種挑戰(zhàn)，同時也體現(xiàn)了中國地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)在國際上的地位。

1974年美國休斯公司首先將摩擦焊接技術(shù)用于連接石油鉆桿和接頭，獲得了專利。日本于1978年也成功地將摩擦焊技術(shù)用于地?zé)徙@桿。我國是世界上研究摩擦焊最早的國家之一。摩擦焊接是利用摩擦焊機將鉆桿管體與鉆桿接頭焊接在一起的連接方式。摩擦焊接因其適合異種金屬焊接，而且參數(shù)重復(fù)性好、精度高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、無污染、高效等特點，廣泛應(yīng)用于石油、地質(zhì)等機械制造行業(yè)。近年來，我國的摩擦焊繩索取心鉆桿的制造能力和質(zhì)量水平均有較大提高［3］。

2 深孔繩索取心鉆桿結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀分析與對比

本文僅探討國內(nèi)適用于2000～3000 m繩索取心鉆桿的連接結(jié)構(gòu)。

2．1 管體兩端加厚、整體調(diào)質(zhì)接頭連接式

鉆桿生產(chǎn)過程:下料→端部加熱→端部鐓粗→整體淬火→整體回火→鉆桿硬度檢測→鉆桿校直→去除表面氧化皮→鉆桿螺紋加工→鉆桿螺紋檢驗→表面處理→上公母接頭→包裝入庫。

管體兩端進行適當(dāng)加厚，使管體端部具有足夠的連接強度所需壁厚，鉆桿管體端部鐓粗后在強度增加的同時，鉆桿的脆性增大，表現(xiàn)在當(dāng)孔內(nèi)正常鉆進時，如遇小掉塊或其他原因引起憋車進而引起某一深度位置處，鉆桿會在慣性扭矩的作用下，瞬間出現(xiàn)脆性斷裂，容易造成重疊事故的出現(xiàn)［4］。為了保證深孔用高強度繩索取心鉆桿體強度，鉆桿體需要整體調(diào)質(zhì)處理，對于端部加厚鉆桿，常采用井式爐懸掛式整體熱處理。調(diào)質(zhì)后管體內(nèi)外表面均會形成0.1～0.3 mm氧化皮，壁厚會在原有基礎(chǔ)上變薄了10%左右。且調(diào)質(zhì)后管體表面粗糙度較之前有大幅度降低，受到調(diào)質(zhì)設(shè)備和工人操作的實際影響，調(diào)質(zhì)硬度的均勻性以及表面粗糙度均存在一定的誤差范圍。熱處理后的管體用液壓校直機進行校直，保證直線度滿足設(shè)計要求［5］。高精度校直機一般中小企業(yè)很難做出大的資金投入，而普通校直機由于工人操作原因又很難保證每一根鉆桿都能達到直線度要求，所以鉆桿管體與接頭同心度也會存在一定誤差，校直后還要進行定型處理。執(zhí)行此工藝的生產(chǎn)任務(wù)量較大，周期較長，加工量受到限制，加工檢驗過程需要嚴格控制。另外，在加強型高鋼級繩索取心鉆桿制造環(huán)節(jié)，由于合金管材鐓粗時其表面溫度較高，在模具老化，磨損嚴重，加工中心偏離較大，管材壁厚受力不均勻等因素的作用下，極易產(chǎn)生鋼管缺陷，為孔底事故的發(fā)生埋下了隱患［6］。表明這種結(jié)構(gòu)的鉆桿用于深孔或特深孔存在局限性。

2．2 管體兩端加厚、整體調(diào)質(zhì)摩擦焊接式

鉆桿管體加工過程和上述深孔用高強度繩索取心鉆桿相同。鉆桿管體兩端進行適當(dāng)加厚，經(jīng)整體調(diào)質(zhì)和校直工序，再與優(yōu)于管體材料的接頭進行焊接，保證焊接后焊縫處具有比管材高的強度，這種結(jié)構(gòu)的鉆桿可以單獨對接頭進行調(diào)質(zhì)和滲氮或更為先進的熱處理方式，大幅度加強螺紋部分的強度，焊縫處的壁厚又比管材本身壁厚大，因此這種結(jié)構(gòu)是比較理想的適應(yīng)于深孔鉆探需求的，只是由于鉆桿管體的加工工序比較長，所以加工量同樣受到限制。

2．3 薄壁摩擦焊接式

薄壁摩擦焊繩索取心鉆桿是先進行焊接，再加工公母接頭內(nèi)外圓和內(nèi)外螺紋以及對焊縫處飛邊的處理，這樣能很好地保證鉆桿兩端螺紋端部壁厚的均勻性和與管體的同心度要求，薄壁摩擦焊繩索取心鉆桿保留了鉆桿管體出廠時優(yōu)良的機械性能，僅在兩端局部進行摩擦焊接及回火后，焊區(qū)兩邊能得到均勻細致的組織，綜合機械性能良好［7］。執(zhí)行此工藝，制造工藝簡單，省工省料，能大幅度降低生產(chǎn)成本。

繩索取心鉆桿柱連接的最理想狀態(tài)應(yīng)是盡量減少鉆桿柱連接薄弱處的數(shù)量，發(fā)揮出鉆桿管體最優(yōu)機械性能，同時接頭螺紋連接處有著與鉆桿體相當(dāng)或更優(yōu)一級的力學(xué)性能。實際使用過程中，在條件允許的情況下應(yīng)盡量減少鉆桿柱外圓與鉆孔內(nèi)壁的間隙，同時應(yīng)避免鉆桿管體在孔內(nèi)接觸鉆孔內(nèi)壁而發(fā)生管體彎曲偏磨損現(xiàn)象。因此，薄壁摩擦焊繩索取心鉆桿適用于深孔鉆探的條件是具備的。

3 薄壁摩擦焊繩索取心鉆桿適用于深孔的優(yōu)勢

(1)鉆桿柱薄弱環(huán)節(jié)螺紋連接部位減少，密封性增強，有效減少孔內(nèi)事故率，提高鉆進效率;

(2)焊縫強度高，接近甚至高于母材，比螺紋連接穩(wěn)定性要好，同心度能很好的保證;

(3)可修復(fù)性高，兩端螺紋磨損失效后，將接頭從焊縫處鋸開，重新配公母接頭進行焊接等一系列工序，降低了施工成本，延長了鉆桿柱的使用壽命;

(4)原材料成本降低，生產(chǎn)工序得到簡化，工人勞動強度大幅降低，生產(chǎn)周期大幅降低。

4 薄壁摩擦焊繩索取心鉆桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4．1 基本結(jié)構(gòu)

圖1 73 mm×5 mm摩擦焊繩索取心鉆桿簡化結(jié)構(gòu)示意圖

4．2 材料選擇

公母接頭材質(zhì)采用XJY950(調(diào)質(zhì))，鉆桿管體材質(zhì)采用27CrMo(調(diào)質(zhì))。

4．3 扣型選擇

扣型采用加強Ⅱ型負角度梯形螺紋。

由于鉆桿管體端面本身就存在尺寸、圓度和壁厚均勻度偏差，為了保證鉆桿管體與公母接頭焊接端面能夠達到理想的結(jié)合，由焊縫處局部放大圖(圖2)可以看出，筆者規(guī)定了公母接頭焊接端壁厚5.5 mm大于鉆桿管體焊接端壁厚5 mm，且公母接頭焊接端外徑比鉆桿管體焊接端外徑大0.25 mm，公母接頭焊接端內(nèi)徑比鉆桿管體焊接端內(nèi)徑小0.25 mm，在焊接過程中焊縫結(jié)合面處，公母接頭焊接端面的表面全部包容了鉆桿管體焊接端面自身存在尺寸、圓度和壁厚均勻度偏差，保證了焊縫結(jié)合面處圓周方向的壁厚比鉆桿管體圓周方向的壁厚大，進而能保證焊縫結(jié)合面處管體端面全部融入到接頭端面里并具有足夠強度;在摩擦焊接過程中在焊縫結(jié)合面處向兩側(cè)擠出的飛邊形成了如圖2所示的過渡段1和過渡段2兩處過渡區(qū)，產(chǎn)生的兩處過渡區(qū)的內(nèi)外圓表面飛邊壁厚均大于公母接頭和鉆桿管體焊接端的壁厚，所以兩處過渡區(qū)的強度均比公母接頭和鉆桿管體焊接端面要大;如圖2所示，過渡段1與母接頭端的過渡圓弧R1和過渡段2與鉆桿管體過渡的相同的圓弧R1使焊縫過渡區(qū)與公母接頭和鉆桿管體能夠?qū)崿F(xiàn)很好的光滑自由過渡。因此，焊縫結(jié)合面以及焊縫過渡區(qū)的壁厚均比公母接頭和鉆桿管體要大，也就是說，摩擦焊接將公母接頭和鉆桿管體焊接端面進行了端部微量加厚之后再熔融結(jié)合在一起，保證了摩擦焊接焊縫處具有足夠的連接強度。

圖2 焊縫處局部放大結(jié)構(gòu)示意圖

5 焊接前準備

5．1 鉆桿管體

對采購進廠的鋼管每批次都抽樣進行化學(xué)成分分析，要求其化學(xué)成分含量符合國家標準《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》(GB/T 222—2006);繩索取心鉆桿用的鋼管應(yīng)滿足《鉆探用無縫鋼管》(GB/T 9808—2008)的標準要求，其尺寸偏差值可通過常規(guī)量具檢測。對繩索取心鉆桿質(zhì)量影響比較大的是管材的形位公差，主要體現(xiàn)在管材的直線度、圓度、內(nèi)外圓同軸度(壁厚均勻度)、通徑要求等幾方面［5］。原材料經(jīng)檢驗合格后，可投入生產(chǎn)使用，經(jīng)下料，車床控制總長及外圓跳動平兩端端面，粗糙度要達到要求。

5．2 公母接頭

原材料同樣需要經(jīng)過入廠檢測，檢驗合格后，可投入生產(chǎn)使用，經(jīng)下料，(熱處理)，車床控制外圓跳動對焊接端內(nèi)外圓表面預(yù)加工，控制長度平兩端端面，外圓表面預(yù)加工，粗糙度要符合要求。

5．3 焊接工藝參數(shù)

焊接工序是在型號為HSMZ－40型摩擦焊機上進行的，通過理論計算和實際驗證后最終確定主要技術(shù)參數(shù)為:一級摩擦?xí)r間4 s，二級摩擦位移4 mm，頂鍛保壓時間5 s，一級壓力1.2 MPa，二級壓力2.2 MPa，頂鍛壓力3.8 MPa，主軸轉(zhuǎn)速900 r/min恒定，焊接過程平穩(wěn)可控，要求具有較高的同心度，焊縫平整光滑。

5．4 工裝卡具

5．5 調(diào)試及焊接

焊接前需要對主軸端前卡瓦和尾座端后卡瓦進行精度檢驗和同軸度校核，焊接過程通過計算機進行實時監(jiān)控記錄(參見圖3)。

圖3 鉆桿摩擦焊接過程示意圖

焊接過程中需要隨時觀察公母接頭焊接端和鉆桿管體焊接端是否對中，焊接過程是否平穩(wěn)，摩擦過程是否發(fā)出刺耳聲響，有無抖動現(xiàn)象，飛邊擠出過程是否平穩(wěn)可靠，焊后飛邊表面是否光滑。

焊后需要檢查主軸端前卡瓦夾緊的公母接頭外表面和尾座端后卡瓦夾緊的鉆桿管體外表面是否有擦傷劃痕出現(xiàn)，若出現(xiàn)影響鉆桿外觀質(zhì)量問題需及時處理解決。

6 焊后工序銜接

6．1 回火工藝

對焊縫采用焊后直接高溫(620℃)回火，焊區(qū)兩邊得到均勻細致的回火索氏體組織，綜合機械性能良好，符合技術(shù)要求［8］。嚴格控制回火溫度及回火區(qū)域范圍，此處是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。

焊后對焊縫內(nèi)外表面飛邊進行去除處理，均需留量，表面粗糙度要符合要求。

如圖1所示，采用帶錐度(保證焊縫兩端能左右光滑過渡)的內(nèi)外砂輪對殘留在焊縫內(nèi)外表面處的飛邊進行打磨處理，保證焊縫處與左右兩端的接頭和管體內(nèi)外表面能夠光滑過渡，粗糙度符合要求。

6．2 焊縫試樣、鉆桿管體和公母接頭試樣機械性能檢測

6．2．1 力學(xué)性能

XJY950調(diào)質(zhì)后性能技術(shù)參數(shù)實際值為:屈服強度≥990 MPa，抗拉強度≥1060 MPa，斷后伸長率≥18%，硬度HRC32～35，沖擊功≥75 J;

27CrMo調(diào)質(zhì)性能技術(shù)參數(shù)實際值為:屈服強度≥1010 MPa，抗拉強度≥1090 MPa，斷后伸長率≥16%，硬度HRC32～34，沖擊功≥41 J;

焊縫處試樣性能技術(shù)參數(shù)實際值為:屈服強度≥980 MPa，抗拉強度≥1040 MPa，斷后伸長率≥15%，硬度 HRC30～33，沖擊功≥48 J。

6．2．2 金相組織

焊縫區(qū)金相組織為索氏體+殘余奧氏體，焊縫區(qū)有明顯界面，界面為冶金結(jié)合，無缺陷，熱影響區(qū)顯微組織為索氏體+鐵素體

對焊縫區(qū)域進行磁粉+超聲波組合無損探傷檢測。首先要對焊縫及熱影響區(qū)的表面進行處理，表面粗糙度達到探傷要求后方可進行探傷作業(yè)。超聲波無損探傷主要是對焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)部進行檢測，檢測前需要對探頭楔塊圓弧面半徑與待檢測材料外圓弧表面進行耦合測試，保證探頭楔塊圓弧面在探傷作業(yè)中與鉆桿表面始終保持良好的接觸，將耦合劑(一般選擇機油)均勻涂抹在需要檢測的外圓表面。若被檢測區(qū)內(nèi)部存在裂紋、疏松、氣孔、夾雜等缺陷，在顯示屏幕中的橫坐標的一定位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標的這個位置就是缺陷在被檢測材料中的深度［9］。磁粉探傷無損檢測主要是對焊縫及熱影響區(qū)的外圓表面進行檢測。

6．3 螺扣加工、鍍鎳磷、回火

對公母接頭的內(nèi)外圓表面，公母接頭的內(nèi)外螺扣進行精加工，保證公母接頭螺扣與鉆桿管體同軸度要求，利用好塞環(huán)規(guī)、塞環(huán)光規(guī)和螺紋牙型檢測規(guī)，調(diào)整控制好公母接頭螺扣尺寸及手擰緊密距。

鉆桿兩端螺扣進行鍍鎳磷、回火處理，增加螺扣表面的硬度和耐磨性，提高鉆桿的使用壽命。

由于繩索取心鉆桿內(nèi)孔要通過內(nèi)管總成，因此要對鉆桿全長進行通徑檢驗。通棒直徑為鉆桿最小公稱內(nèi)徑減1 mm，長度300 mm，通棒應(yīng)能自由通過鉆桿內(nèi)徑［5］。

6．4 鉆桿拉力扭矩試驗

6．5 制造成本對比

與相同規(guī)格、相同材質(zhì)、相同能力鉆桿成本大致對比，可由180元/m降到150元/m。

7 結(jié)語

(1)薄壁摩擦焊繩索取心鉆桿，不僅省工省料，且強度高，能大幅度降低鉆探生產(chǎn)成本，具有很高的經(jīng)濟價值;

(2)采用摩擦焊工藝的薄壁摩擦焊繩索取心鉆桿，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊后必須回火，消除淬硬組織，才能獲得滿意的機械性能，焊縫處必要的檢測手段必須要保證;

(3)XJY950與27CrMo摩擦焊接頭的顯微組織雖經(jīng)回火，尚可見明顯的分界，與我公司生產(chǎn)的采用相同材質(zhì)相同規(guī)格的管體兩端加厚整體調(diào)質(zhì)接頭連接式繩索取心鉆桿的實際應(yīng)用效果對比來看，對機械性能無明顯的影響，明顯地優(yōu)于螺紋連接;

(5)目前該鉆桿已小批量生產(chǎn)并投入實際應(yīng)用，用戶使用后反應(yīng)效果良好，最大鉆孔深度已達2200 m，應(yīng)用效果還需要進一步跟蹤驗證。

［1］ 姜光忍，李忠，王獻斌．繩索取心鉆探施工中鉆桿折斷原因分析及應(yīng)對措施［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(3):15－17．

［2］ 孫建華，況雪軍，肖紅，等．國產(chǎn)繩索取心鉆桿用冷拔無縫鋼管性能分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(S2):123－129．

［3］ 王達，何遠信，等．地質(zhì)鉆探手冊［M］．湖南長沙:中南大學(xué)出版社，2014．

［4］ 董海燕，王魯朝，楊芳，等．國產(chǎn)CNH(T)繩索取心鉆桿在中國巖金勘查第一深鉆工程中的應(yīng)用分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(1):49 －53．

［5］ 張麗君，彭莉，呂紅軍．深孔繩索取心鉆桿質(zhì)量控制措施［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(11):33 －36．

［6］ 孫建華，陳師遜，劉秀美，等．小直徑特深孔繩索取心口徑系列及鉆柱方案［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(8):1－5．

［7］ 張菊琴．回火溫度對鉆桿接頭性能的影響［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5):53 －55．

［8］ 張菊琴．鉆桿摩擦焊接過程參數(shù)控制及焊縫熱處理分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(4):15 －16．

［9］ 劉華南，郭威，孫友宏，等．繩索取心鉆桿超聲波探傷方法分析研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(7):31－33．