CN102094197A - 助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法。可有效解决在钻进过程中产生塌孔时，依靠螺旋提供助动力有效带走紧抱在钻杆上的煤屑，疏通风力或水力排屑主通道，提高钻进速度和成孔长度，并提高钻杆的机械强度延长其使用寿命的问题。技术方案是：先将钻杆钢管加工成光面钻杆；将光面钻杆的两端分别装在熔覆设备上，通过等离子束流将合金粉末和钻杆表面同步熔化，原位形成螺旋凸棱，制成助排屑耐磨螺旋钻杆。本发明方法简单，设备先进，用本方法制成的助排屑耐磨螺旋钻杆和现有方法相比加工成本低、耐磨性能好，在松软煤层和瓦斯突出煤层中使用，可有效提高钻进速度和成孔长度，钻杆的使用寿命也大大延长。

Description

助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽放技术领域，特别涉及一种助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法。

技术背景

深孔高效钻进技术是煤矿瓦斯抽采的关键技术之一，钻孔深度决定着瓦斯抽采的范围和效率。由于煤层的赋存条件不同，煤层深孔钻进的难易程度差别很大。松软煤层和瓦斯突出煤层在我国可采煤层中占有很大比例，在松软、突出煤层中钻孔，尤其是在地应力高的区域，容易出现塌孔和卡钻现象，钻孔成孔率低，成孔深度浅，施工难度大。松软、突出煤层中钻孔一直是国内外钻探技术的难题之一，是瓦斯治理的一个技术瓶颈。

目前国内瓦斯抽放钻孔常用的钻进方式有光面钻杆钻进，风力或水力排屑，这种钻进方法一般钻头比钻杆的直径大，依靠高压气流或水流将钻屑从钻杆和钻孔壁之间的空隙中排出。螺旋叶片钻杆钻进，依靠螺旋机械动力排屑。光面钻杆钻进风力或水力排屑方式在没有瓦斯突出，硬度系数较高的煤层中钻速度快、成孔质量好、成孔也比长。但是在松软煤层和瓦斯突出煤层中钻进时，由于地应力、瓦斯压力、钻杆震动等因素，在钻孔内经常出现局部塌孔抱钻情况，此时风力或水力排屑通道堵塞，轻者卡钻、丢钻，严重时因摩擦发热引起煤和瓦斯燃烧，酿成重大安全事故。使用螺旋叶片钻杆钻进需要强大的机械动力，在钻孔达到一定的长度时容易出现吸钻、断杆现象。

为解决该类难题，专家、学者和现场技术人员都在不断的研究，到目前为止还没有找到更好的解决办法。专利号为200610111830.5公开的一种突出煤层扒孔降温钻具及钻进方法，该专利中提供了一种在光面钻杆表面加工成上螺旋沟槽的新型钻杆。该种钻杆在实际应用中也能起到了带走塌孔时抱在钻杆上面的煤屑，疏通主排屑通道的作用，但由于沟槽造成了钻杆断面积减少，再加上应力集中、磨损等因素，钻杆更易折断。专利申请号为200910064357.5公开了双动力低螺旋钻杆及其加工方法。该专利中提出了两种螺旋加工方法，一是将钢管轧制成带一条或多条的直凸棱然后再加热扭转成螺旋钻杆，另一种是用特制的高硬度模具将普通光面钻辊(挤)压成螺旋凸棱。两种方法制成的螺旋钻杆都能起到疏通主排渣通道，增加钻进长度的作用，但其缺点是加工成本高，所形成的螺旋凸棱和钻杆主体是同一种材质硬度低，在钻进过程中突起的部分将很快被磨损。

综上所述，发明一种既能助排屑又耐磨，而且加工成本又低的加工方法势在必行。

发明内容

本发明之目的就是为了解决现有技术的不足，提供一种助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法。可有效解决在钻进过程中产生塌孔时，依靠螺旋提供助动力有效带走紧抱在钻杆上的煤屑，疏通风力或水力排屑主通道，提高钻进速度和成孔长度，并提高钻杆的机械强度延长其使用寿命的问题。

本发明所采用的技术方案是：用等离子熔覆专用设备在钻杆表面加工成不同于钻杆本身材质的耐磨合金螺旋，即：先将钻杆钢管加工成光面钻杆；将光面钻杆的两端分别装在熔覆设备上，通过等离子束流将合金粉末和钻杆表面同步熔化，原位形成螺旋凸棱，制成助排屑耐磨螺旋钻杆。所述的熔覆设备包括等离子电源、数控柜、执行机构、氩气瓶、冷水机、送粉器和等离子炬，所述的执行机构包括机座、支架、旋转动力头和尾架。旋转动力头由驱动电机、减速机和卡盘组成，卡盘上装有起弧接杆，尾架上装有与起弧接杆在同一轴线上相对应的收弧接杆，支架的横梁上装有驱动电机、等离子炬和送粉器，送粉器的出粉管与等离子炬的进粉管相连，等离子炬与等离子电源相连、氩气瓶通过数控柜与送粉器和等离子炬相连，冷水机与等离子炬和收弧接杆相连，数控柜分别控制驱动电机、等离子电源、等离子炬、氩气源、送粉器和冷水机。

本发明方法简单，设备先进，用本方法制成的助排屑耐磨螺旋钻杆和现有方法相比加工成本低、耐磨性能好，在松软煤层和瓦斯突出煤层中使用，可有效提高钻进速度和成孔长度，钻杆的使用寿命也大大延长。

附图说明

附图是本发明设备的结构主视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式做详细说明。

由附图所示的设备，本发明在具体实施中，用等离子熔覆专用设备在被熔覆的光面钻杆表面加工成不同于钻杆本身材质的耐磨合金螺旋熔覆层，具体实现步骤如下：

(1)首先采用常规方法将钻杆加工为光面，成被熔覆的光面钻杆3；

(2)将被熔覆的光面钻杆3装在等离子熔覆专用设备上，方法是，将被熔覆的光面钻杆3的两端分别和起弧接杆6和收弧接杆2联接在一起，钻杆和两端的接杆同直径，然后将起弧接杆6装卡在卡盘7上，收弧接杆2装卡在尾架1的三个滚轮15之间，调整尾架上的三个滚轮，使钻杆和起弧钻杆以及收弧钻杆在一条中心线上，然后再把将等离子炬4移动至起弧接杆6的上方，等离子炬4的喷嘴底端距被熔覆的光面钻杆3之间的高度调整到8～20mm(根据被熔覆钻杆直径而定)，将喷嘴中心向钻杆旋转方向的反方向偏移1～15毫米(根据被熔覆钻杆直径而定)，再将合金粉末装入送粉器14中；

(3)将送粉量调整到30～100g/min之间，离子气流量调整到0.4～1.0m³/h之间，送粉气流量调整到0.2～0.8m³/h之间，保护气流量调整到0.4～1.2m³/h之间，熔覆电流调整到50～300A之间，等离子炬4的行走速度调整到30～180mm/min之间，卡盘7的旋转速度调整到0.5～3.0r/min之间，冷却水流量调整到0.4～1.2m³/h之间；

(4)开启数控柜12上熔覆开关，数控系统控制等离子电源、执行机构、等离子炬、氩气源、送粉器和冷水机协调工作，旋转动力头8驱动卡盘7，带动起弧接杆6，被熔覆的光面钻杆3和收弧接杆2一起转动，支架9的横梁上电机驱动等离子炬沿横梁作直线运动，同时，等离子电源13给等离子4炬供电，离子炬4的钨极和被熔覆的光面钻杆3之间形成等离子束流，等离子束流的热能将被熔覆的光面钻杆3的表面与送粉器4送达的合金粉末同步熔化，数控柜13控制各部分按既定着程序自动运行，即可在光面钻杆的表面上熔覆成宽5～20mm，高1～10mm螺旋熔覆层5(又称耐磨螺旋凸棱、螺旋耐磨熔覆层，以下同)，螺旋熔覆层5的旋转方向和钻进方向相一致，在等离子束流的高能量作用下和在控制系统的控制下，设备自动在光面钻杆表面熔覆上一条或多条耐磨螺旋凸棱，即成助排屑耐磨螺旋钻杆。

所述的合金粉末是由Cr、C、Si、B、Mn、Ni、Re(稀土)、Al₂O₃、Fe混合均匀在一起组成，具体配比见下表：

合金粉末成分表(wt％重量百分比)

Cr

C

Si

B

Mn

Ni

Re

Al2O3

余量

10～20

1.0～3.0

1.5～3.5

1.0～2.0

2.0～4.0

2.0～5.0

1.0～2.0

1.0～5.0

铁

所述的光面钻杆上的螺旋熔覆层5为圆弧形或方形，硬度HRC35～65之间，熔覆层和钻杆体呈冶金结合。

所述的熔覆，是指在数控柜12的集中控制下，设备产生等离子能量束流，将合金粉末熔炼在被熔覆的光面钻杆3的表面上，熔覆层和钻杆体呈冶金结合，冷水机11为等离子炬4和收弧接杆2及被熔覆的光面钻杆3提供冷却，氩气瓶10中的氩气有三种作用，即作为离子气产生等离子束流，作为是送粉的动力，作为保护气保护熔覆层不被氧化以保证最佳效果。

所述的执行机构包括机座底座16、旋转动力头8、尾架1、支架9，底座16的一端装有旋转动力头8，旋转动力头8上有电机、减速机和卡盘7，卡盘7上装有起弧接杆6，底座的另一端装有尾架1，尾架1上装三个调心滚轮15，调心滚轮上装卡收弧接杆2，起弧接杆2与起弧接杆6在同一轴心线上，支架9由两根竖梁和一根横梁构成，横梁上装有驱动电机(图中未画出)等离子炬4和送粉器14，驱动电机带动送粉器和等离子炬沿横梁作直线运动，送粉器的出粉口和等离子炬的进粉口相连，等离子电源等与离子炬4相连，氩气瓶10通过数控柜分别和送粉器和等离子炬相连，冷水机与等离子炬5和收弧接杆2相连，数控系统分别控制驱动电机、等离子电源、等离子炬、送粉器和冷水机按程序协调工作。

所述的熔覆设备是，包括等离子电源、数控器、执行机构、氩气瓶、冷水机、送粉器和等离子炬，所述的执行机构包括底座16、支架9、旋转动力头8、尾架、等离子炬4和送粉器14，底座16的一端上装有旋转动力头8，旋转动力头上装有第一驱动电机、减速机17和卡盘7，卡盘7上装有起弧接杆6，底座16的另一端装有尾架1，尾架1上装有三个调中心的滚轮15，调中心的滚轮15上装有收弧接杆2，底座16的后侧有支架9，支架由两根竖梁和一根横梁构成，支架9的横梁上装有连在一起的第二驱动电机18、等离子炬4和送粉器14，送粉器14的出粉口和等离子炬的进粉口相连，等离子电源13与等离子炬相连，氩气瓶10通过数控柜与送粉器14和等离子炬4相连，冷水机11分别与等离子炬4和收弧接杆2相连，数控柜12分别和两个驱动电机、等离子电源、等离子炬、送粉器和冷水机相连。

为了保证使用效果，所述的尾架1上有3个按120度均布的滚轮15，即所述的滚轮15呈120度均布在尾架1上。三个滚轮既同时聚中调节，也可单独分别调节以保证收弧接杆2和起弧接杆6中同一中心线上；所述的起弧接杆和收弧接杆相对应的一端上制有螺纹，所述的起弧接杆和收弧接杆的直径与被熔覆的光面钻杆3直径相同。

所述的等离子电源是由两个工业上通用的氩弧焊机组成，所述的收弧接杆上制有冷却水进出口，冷却水进出口也可以设计在起弧接杆6或者是被熔覆钻杆3上。即所述的收弧接杆，或起弧接杆，或被熔覆的光面钻杆3上有冷却水进出口，图中未标示。

本发明具有以下有益的技术效果：

(1)耐磨螺旋凸棱(螺旋熔覆层)一步成形，钻杆无变形，不需要后期校直处理，生产效率提高、生产成本降低。

(2)螺旋凸棱硬度高、耐磨性能好，熔覆层和钻杆体呈深度冶金结合，抗冲击性能好，钻杆的使用寿命长。

(3)熔覆后增大了钻杆的断面面积，明显提高了钻杆的机械强度和刚度，不容易出现断钻杆现象。

(4)在松软煤层和瓦斯突出煤层使用时，正常钻进时，在主排屑动力(风力或水力)和螺旋机械推力的双重作用下，加快排屑速度从而提高钻进速度。当出现塌孔形成钻穴时，依靠螺旋推动力，排出因塌孔抱在钻杆周围的煤屑，疏通主排屑通道，消除抱死钻杆、卡钻丢钻杆现象，延长钻孔长度，从而提高瓦斯抽采效率。

(5)在岩层中使用，耐磨螺旋起保径作用，可有效避免钻杆和岩壁的直接摩擦，钻杆的使用寿命大大延长。

深孔高效钻进技术是井下瓦斯抽采的关键技术之一，钻孔深度决定着瓦斯抽采的范围和效率。由于煤层的赋存条件不同，煤层深孔钻进的难易程度差别很大。松软煤层和瓦斯突出煤层在我国可采煤层中占有很大比例，在松软和突出煤层中钻孔，尤其是在地应力高的区域，容易出现塌孔和卡钻现象，钻孔成孔率低，成孔深度浅，施工难度大。松软和突出煤层中钻孔一直是国内外钻探技术的难题之一，成为松软突出煤层瓦斯治理的一个技术瓶颈。本发明的研制成功将有效解决了上述问题。本发明效果之好，是原未曾预料到的，特别是有效解决了松软和突出煤层中钻孔技术的难题，成为松软和突出煤层瓦斯治理上的一大创造，经济和社会效益巨大。

Claims (10)

1.一种助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法，其特征在于，用等离子熔覆专用设备在被熔覆的光面钻杆表面加工成不同于钻杆本身材质的耐磨合金螺旋熔覆层，其步骤是：

(1)首先将钻杆加工为光面，成被熔覆的光面钻杆(3)；

(2)将被熔覆的光面钻杆(3)装在等离子熔覆专用设备上，方法是，将被熔覆的光面钻杆(3)的两端分别和起弧接杆(6)和收弧接杆(2)联接在一起，钻杆和两端的接杆同直径，然后将起弧接杆(6)装卡在卡盘(7)上，收弧接杆(2)装卡在尾架(1)的三个滚轮(15)之间，调整尾架上的三个滚轮，使钻杆和起弧钻杆以及收弧钻杆在一条中心线上，然后再将等离子炬(4)移动至起弧接杆(6)的上方，等离子炬(4)的喷嘴底端距被熔覆的光面钻杆(3)之间的高度调整到8～20mm，将喷嘴中心向钻杆旋转的反方向偏移1～15毫米，再将合金粉末装入送粉器(14)中；

(3)将送粉量调整到30～100g/min之间，离子气流量调整到0.4～1.0m³/h之间，送粉气流量调整到0.2～0.8m³/h之间，保护气流量调整到0.4～1.2m³/h之间，熔覆电流调整到50～300A之间，等离子炬(4)的行走速度调整到30～180mm/min之间，卡盘(7)的旋转速度调整到0.5～3.0r/min，冷却水流量调整到0.4～1.2m³/h之间；

(4)开启数控柜(12)上熔覆开关，电机驱动卡盘(7)，带动起弧接杆(6)、被熔覆的光面钻杆(3)和收弧接杆(2)一起转动，等离子炬(4)和送粉器(14)在支架(9)的横梁上作直线运动，同时，等离子电源(13)点燃等离子炬(4)，使等离子炬和钻杆之间形成等离子能量束流，在数控柜的控制下，将合金粉末和钻杆表面同步熔化，在光面钻杆表面沿长度方向形成宽5～20mm，高1～10mm螺旋熔覆层(5)的旋转方向和钻进方向相一致；

在等离子束流的高能量作用下和在控制系统的控制下，设备自动在光面钻杆表面熔覆上一条或多条耐磨螺旋凸棱，即成助排屑耐磨螺旋钻杆。

2.根据权利要求1所述的助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法，其特征在于，所述的合金粉末是由Cr、C、Si、B、Mn、Ni、Re、Al₂O₃、Fe混合均匀在一起组成，其各组分的重量百分比是：

Cr     C        Si       B        Mn       Ni       Re       Al₂O₃    余量为

10～20 1.0～3.0 1.5～3.5 1.0～2.0 2.0～4.0 2.0～5.0 1.0～2.0 1.0～5.0 铁。

3.根据权利要求1所述的助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法，其特征在于，所述的光面钻杆上的螺旋熔覆层为圆弧形或方形，硬度HRC35～65之间，熔覆层和钻杆体呈冶金结合。

4.根据权利要求1所述的助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法，其特征在于，所述的熔覆过程中，不断由冷水机(11)向等离子炬与尾架(1)上的收弧接杆(2)和被熔覆的光面钻杆(3)的孔内送冷水，送冷水量由数控器设定控制，送粉器(14)向等离子炬(4)送出的合金粉末，在由氩气瓶(10)送出的氩气保护下，进入等离子束流在钻杆表面所形成的熔池内，使熔覆层不被氧化。

5.根据权利要求1所述的助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法，其特征在于，所述的等离子熔覆专用设备是，包括等离子电源、数控器、执行机构、氩气瓶、冷水机、送粉器和等离子炬，所述的执行机构包括底座(16)、支架(9)、旋转动力头(8)、尾架(1)、等离子炬(4)和送粉器(14)，底座(16)的一端上装有旋转动力头(8)，旋转动力头上装有第一驱动电机、减速机(17)和卡盘(7)，卡盘(7)上装有起弧接杆(6)，底座(16)的另一端装有尾架(1)，尾架(1)上装有三个调中心的滚轮(15)，调中心的滚轮(15)上装有收弧接杆(2)，底座(16)的后侧有支架(9)，支架由两根竖梁和一根横梁构成，支架(9)的横梁上装有连在一起的第二驱动电机(18)、等离子炬(4)和送粉器(14)，送粉器(14)的出粉口和等离子炬的进粉口相连，等离子电源(13)与等离子炬相连，氩气瓶(10)通过数控柜与送粉器(14)和等离子炬(4)相连，冷水机(11)分别与等离子炬(4)和收弧接杆(2)相连，数控柜(12)分别和两个驱动电机、等离子电源、等离子炬、送粉器和冷水机相连。

6.根据权利要求5所述的助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法，其特征在于，所述的滚轮(15)呈120度均布在尾架(1)上。

7.根据权利要求5所述的助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法，其特征在于，所述的起弧接杆和收弧接杆的中心在同一水平轴线上，起弧接杆和收弧接杆相对应的一端上有螺纹。

8.根据权利要求5所述的助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法，其特征在于，所述的起弧接杆和收弧接杆的直径与被熔覆的光面钻杆(3)直径相同。

9.根据权利要求5所述的助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法，其特征在于，所述的等离子电源是由两个氩弧焊机组成。

10.根据权利要求5所述的助排屑耐磨螺旋钻杆等离子熔覆加工方法，其特征在于，所述的收弧接杆，或起弧接杆，或被熔覆的光面钻杆(3)上有冷却水进出口。

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