CN111113055A - 用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，将现有的整体式转变为三段式，应用连续驱动摩擦焊接将杆体和接头焊接在一起，使用了热流模式和摩擦阻抗调控无磁钢连续驱动摩擦焊制备方法，解决了焊接变形强化丢失的问题的同时提高焊缝强度，且焊接完成后对钻杆进行回火处理，释放焊接应力，焊缝强度提高，在三段式结构的基础上针对钻杆接头螺纹处这一薄弱环节进行了表面硬化处理，保证无磁的同时，实现了只在钻杆接头处的局部强化，有效的增加接头的上卸扣次数，本发明提高了自身强度、寿命和抗扭性，增大钻进过程中可承受的扭矩，在提高定向钻进效率的同时降低了生产成本，减少了在钻进过程中由于钻具失效导致的安全损失和事故发生的概率。

Description

用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法

技术领域

本发明涉及煤矿机械设备制备的技术领域，尤其涉及一种用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法。

背景技术

定向钻进技术是煤炭安全绿色高效开采的先进手段，无磁钻杆作为定向钻进技术重要载体，是该技术成功实施的保障。定向钻进的基本原理是依靠感应大地磁场测量钻进的方位和深度，但由于常规钻具往往都具有磁性，干扰磁性测量设备的测量，不能正确得到钻进轨迹测量信息，故需将测斜仪器放置在无磁钻具内，使其免受外界磁场的影响，从而保证测量结果的准确性。

目前煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆存在以下不足：1.现有无磁钻杆采用整体式结构，其制备方法为在整根厚壁无磁钻杆钢管两端加工母螺纹来实现与普通钻杆的连接，结构如图1所示，该加工方法不仅加工成本高，而且该类钻杆重量大(单根3m长钻杆重达70Kg)，从地面搬运到井下劳动强度高；2.整体式钻杆的孔内直径有限，导致测斜仪系统在无磁钻杆内的布置受到限制；3.无磁钻杆接头处硬度低常常出现粘扣现象，需对其进行特殊处理，现该类钻杆通过整体钻杆的特殊处理提高接头硬度，但钻杆整体处理仍存在以下问题：①整体硬化处理导致钻杆中间部分硬度增加，钻进施工中钻机卡瓦无法抓紧钻杆，导致钻杆打滑，易发生安全事故；②整体硬化大大增加了生产成本。所以寻找高性能、长寿命的无磁钻杆便成为解决该类钻杆钻进过程中粘扣和脆断问题的根本途径。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，适用于地质勘探及钻探定向钻进的无磁钻杆，以解决当前采用铍铜制造的无磁钻杆存在稳定性差，强度低，经常出现断裂和粘扣而导致钻进效率低下和成孔率低的问题，具有高强度、长寿命、高性价比的优点。

为实现上述目的，本发明公开了1.一种用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，无磁钻杆包括母接头、杆体和公接头三部分，母接头、杆体和公接头均使用同种材质的无磁钢管材加工，杆体和母接头以及公接头的外径一致，杆体的内径大于母接头以及公接头的钢管内径，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：无磁钻杆中母接头和公接头中硬化处理，先完成母接头以及公接头的机加工以及螺纹加工，所述母接头的一端设有母接头焊接面，另一端通过机加工形成内螺纹，所述公接头的一端设有公接头焊接面，另一端通过机加工形成外螺纹，对所述内螺纹和外螺纹进行螺纹表面硬化处理，表面硬化处理后的螺纹硬度提高到100HRC，；

步骤二：无磁钻杆连续驱动摩擦焊界面处理，将硬化处理后的母接头焊接面和公接头焊接面的硬化层车掉1～2mm，清理母接头、杆体和公接头待焊界面的氧化皮和油污；

步骤三：将母接头和杆体进行焊接；

步骤四：公接头和杆体焊接；

步骤五：热处理，采用中频感应加热调质热处理工艺对焊缝处进行局部热处理，焊缝的组织发生了转变，高温铁素体发生了固溶，同时细化晶粒，消除内应力，从而能有效提高焊缝强度。

其中：所述无磁钢管中具体的材料化学成分为：C 0.025％、Si 0.4％、Mn 18％、Cr18％、Mo 0.2％、N％0.55％，其余为Fe，其磁导率为1.002。

其中：步骤三中，先将母接头中具有内螺纹的另一端布置在焊机旋转端的夹具中，杆体放置在移动端夹具中，焊接开始时，移动端向旋转端快速移动靠近，主轴带动母接头开始高速旋转，旋转的同时杆体向母接头的方向缓慢移动，直到母接头和杆体接触，在摩擦压力的作用下开始摩擦生热，随着母接头和杆体的温度迅速升高，连接处发生摩擦变形，当变形量达到设定的顶锻量阈值时母接头停止旋转，此时杆体移动端沿着轴向方向施加顶锻压力并保压一定的时间，形成母接头和杆体之间的焊缝，保压结束后卸载顶锻压力。

其中：还包含步骤六：切削飞边。

其中：还包含步骤七：超声波探伤。

其中：步骤三中焊接参数如下：主轴转速1451r/min、顶锻量13mm、摩擦压力4MPa、顶锻压力6Mpa和保压时间3min。

其中：步骤五中，利用电磁感应原理，通过交变磁场中闭合导体产生的涡流和磁滞损失作用于焊缝处引起热效应，在极短的时间内产生大量的热能，以此来对焊缝进行热调质处理，调质的主要参数为加热温度和加热时间，无磁钻杆放入中频感应加热线圈中将焊缝放置在闭合导体中心处进行加热，加热到760℃并保温350s，焊缝从中心到母材微观组织存在差异，位于摩擦界面附近的窄小区域此区域聚集了大量的变形能，促进了奥氏体再结晶，形成了细小的奥氏体组织。

通过上述内容可知，本发明的用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法具有如下效果：

1.创新采用的无磁钢无磁钻杆可完全替代传统的地质类铍铜无磁钻杆，且在满足钻杆无磁性的前提下提高了钻杆强度，使用寿命和性价比，首次实现了钢类无磁钻杆在地质和煤炭勘探领域的应用；

2.将无磁钻杆整体结构调整为三段分体式结构，解决了由于接头的加工对杆体内孔限制的问题，同时减少单根钻杆的重量，减少生产成本的同时降低了施工中搬迁钻杆的劳动强度；

3.将无磁钻杆整体结构调整为三段式分体结构，实现了对无磁钻杆接头部分的单独低成本表面硬化处理，提高接头处的耐磨性，解决了接头粘扣的问题，提高反复上卸扣次数的同时也提高了钻杆的抗扭性能，在保证达到地质钻杆国家标准的要求的前提下降低了生产成本；

4.接头螺纹采用地质钻杆普遍采用的的偏梯形螺纹，通用性好，能与同规格普通地质钻杆螺纹进行连接。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了现有技术中整体式无磁钻杆的结构示意图。

图2显示了本发明无磁钻杆的结构示意图。

图3显示了本发明无磁钻杆中母接头的结构示意图。

图4显示了本发明无磁钻杆中公接头的结构示意图。

图5显示了本发明无磁钻杆定向钻进使用的示意图。

附图标记：

1、母接头，2、焊缝，3、钻杆杆体，4、飞边，5、公接头，10、母接头焊接面，11.内螺纹，50、公接头焊接面，51、外螺纹，6、钻头，7、孔底马达，8、测斜仪器，9、无磁钻杆，11、常规钻杆，12、送水器。

具体实施方式

参见图2，显示了本发明的无磁钻杆的结构示意图。

所述无磁钻杆主要包括母接头1、杆体3和公接头5三部分，参见图2所示，钻杆三部分母接头1、杆体3和公接头5均使用同种材质的无磁钢管材加工，其中，本发明的无磁钢管中具体的材料化学成分为：C 0.025％、Si 0.4％、Mn 18％、Cr 18％、Mo 0.2％、N％0.55％，其余为Fe，其磁导率为1.002。

保证杆体3和母接头1以及公接头5的外径一致的前提下，杆体3的内径可大于母接头1以及公接头5的钢管内径。具体而言，本发明的用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法包括如下步骤：

步骤一：无磁钻杆中母接头和公接头需硬化处理，其中，可首先完成母接头1以及公接头5的机加工以及螺纹加工，所述母接头1的一端设有母接头焊接面10，另一端通过机加工形成内螺纹11，所述公接头5的一端设有公接头焊接面50，另一端通过机加工形成外螺纹52，对所述内螺纹11和外螺纹52进行螺纹表面硬化处理，表面硬化处理后的螺纹硬度从45HRC提高到100HRC，极大的提高了螺纹的耐磨性，可有效的减少螺纹连接出现的粘扣导致钻杆报废的情况发生，由此，对接头螺纹处局部的硬化处理较钻杆整体硬化处理成本降低45％；

步骤二：无磁钻杆连续驱动摩擦焊界面处理，将硬化处理后的母接头焊接面10和公接头焊接面50的硬化层车掉1～2mm，同时清洗无磁钢的母接头1、杆体3和公接头5，清理母接头1、杆体3和公接头5待焊界面的氧化皮和油污；

步骤三：将母接头1和杆体3进行焊接，由于焊机只有一个旋转端，故需对母接头和公接头先后进行焊接，首先完成母接头和杆体焊接，根据无磁钢在焊接快速加热和快速冷却中容易析出损害强度的硬脆σ相的特性设置摩擦焊接机主要焊接参数，合理的焊接参数是获得良好焊缝性能的前提条件，本发明采用的特定焊接参数如下：主轴转速1451r/min、顶锻量13mm、摩擦压力4MPa、顶锻压力6Mpa和保压时间3min，参数确定后调整接头和工件，保证焊机的移动端和旋转端夹具保持同轴，首先将母接头1中具有内螺纹11的另一端布置在焊机旋转端的夹具中，杆体3放置在移动端夹具中，焊接开始时，移动端向旋转端快速移动靠近，主轴带动母接头1开始高速旋转，旋转的同时杆体2向母接头1的方向缓慢移动，直到母接头1和杆体3接触，在摩擦压力的作用下开始摩擦生热，随着母接头1和杆体3的温度迅速升高，连接处发生摩擦变形，当变形量达到设定的顶锻量阈值时母接头1停止旋转，此时杆体3移动端沿着轴向方向施加顶锻压力并保压一定的时间，形成母接头1和杆体3之间的焊缝2，保压结束后卸载顶锻压力，移动端迅速带着焊接完成的母接头向远离旋转端的轴向方向进行移动；

步骤四：公接头5和杆体3焊接：完成步骤三中母接头1和杆体3的焊接后，将杆体3旋转180°仍旧放置在移动端，将公接头5放入旋转端夹具中，按照步骤三的焊接过程完成公接头5和杆体2的焊接；

步骤五：热处理，焊接完成的无磁钻杆长度一般为3m，焊缝不便进行整体热处理，故特别采用中频感应加热调质热处理工艺，利用电磁感应原理，通过交变磁场中闭合导体产生的涡流和磁滞损失作用于焊缝处引起热效应，在极短的时间内产生大量的热能，以此来对焊缝进行热调质处理，调质的主要参数为加热温度和加热时间，本发明对焊接完成后的焊缝处进行局部热处理，无磁钻杆放入中频感应加热线圈中将焊缝放置在闭合导体中心处进行加热，加热到760℃并保温350s。由于摩擦焊热循环的作用，焊缝从中心到母材微观组织存在差异。焊缝中心是整个焊缝区经历温度变化和变形最剧烈的区域，位于摩擦界面附近的窄小区域此区域聚集了大量的变形能，促进了奥氏体再结晶，形成了细小的奥氏体组织。热力影响区为机械力与热共同影响的区域，其最明显的组织特征是晶粒被拉长，流线方向显示出在摩擦过程中热塑金属的流动和变形方向，越靠近母材晶粒越趋于正常。摩擦焊接后的热处理工序再次使焊缝2的组织发生了转变，硬脆σ相发生了固溶，同时消除内应力，从而能有效提高焊缝强度；

步骤六：切削飞边：在焊接过程中由于顶锻力的作用，导致接头和杆体塑形变形部分向杆体两面挤出，形成关于杆体外壁对称的内外飞边4，焊接完成后将外飞边切削掉，避免增大钻杆在钻进过程中阻力；

步骤七：超声波探伤：最后需对整根钻杆尤其是焊缝处进行超声波探伤，保证钻杆无缺陷存在。

基于本发明制备的无磁钻杆焊接后达到以下力学性能：

磁导率：1.003；

接头螺纹硬度：110HRC-120HRC之间；

屈服强度：624Mpa；

抗拉强度：751Mpa；

断后延伸率：38％；

最大静扭矩：规格为Ф73*7mm静扭矩为23937Nm、规格为Ф89*8mm静扭矩为36497Nm；

参见图5所示，为定向钻探过程设备示意图，无磁钻杆9为本发明涉及的无磁钻杆，在钻进过程中，孔底马达7带动钻头6旋转完成煤层或岩层的切削，测斜仪器8被放置在本发明无磁钻杆9中，同时上述8和9两部分共同组成定向钻进孔底测试系统，该系统与普通地质钻杆10连接，并在孔口位置连接送水器11向孔底注水。

实施例一：

以Ф89mm的摩擦焊接式无磁钻杆为例，该钻杆配套ZDY12000LD定向钻机及Ф120钻头进行地质钻进试验，现场采用泥浆脉冲无线随钻测量方式进行定向先导孔施工，累计进尺200m，无磁钻杆未出现断裂、粘扣现象，试验效果良好，满足项目施工需求。

实施例二：

以规格为Ф63.5mm摩擦焊接式无磁钻杆为例，与Ф89mm无磁钻杆加工工艺相同，该钻杆配套ZDY4000LD(C)窄体履带定向钻机和Ф75mm钻头，施工本煤层定向勘探孔，累计进尺施工600m，期间无断裂、粘扣情况发生，试验效果良好，满足项目施工需求。

由此，本发明采用了常规钻杆三段式的加工方法，将无磁钢钻杆分为了公接头、母接头和杆体三部分进行加工，并通过连续驱动摩擦焊将其焊接在一起。由于无磁钢摩擦焊焊缝要经历高温热循环，焊缝中有硬脆σ相析出，导致焊缝强度降低，本发明利用感应热处理的方法，调控σ相，使其消失，提高强度，最终强度提高到了700MPa。

由于杆体和接头分别加工，故杆体壁厚不受接头螺纹加工的影响，在钻杆规格相同的情况下，本发明所述钻杆接头壁厚保持不变，杆体内孔加大，在保证强度和寿命的前提下减少了重量，降低了生产成本。

由于无磁钻杆在钻进过程中，钻杆接头连接处受力复杂，且施工过程中需对钻杆多次上卸扣，导致钻杆接头处易出现粘扣现象，一旦粘扣至少要报废两根钻杆，这极大的影响了钻杆的使用寿命，故本发明在改变钻杆结构的基础上对钻杆接头螺纹处进行硬化处理，将螺纹处硬度从45HRC提高到100HRC，大大提高螺纹的耐磨性，有效减少螺纹连接出现的粘扣导致钻杆报废的情况发生。

本发明所述无磁钢钻杆杆体和接头部分均采用同种无磁钢钢管加工，由于钻进过程中接头处承担载荷大于管体处，为了提高接头强度，故接头所用无磁钢钢管壁厚要大于管体。无磁钻杆加工步骤如下所述：首先对公接头进行外螺纹加工、母接头进行内螺纹加工，加工后去油污清洗，清洗后烘干，接下来对螺纹部分进行表面硬化处理，硬化完成后准备接头和杆体的焊接，在摩擦焊接前，须车掉公接头、母接头焊接面的硬化层，并对接头和杆体的焊接面进行清洗，去除焊件表面的氧化膜和油污，最后通过连续驱动摩擦焊将接头和杆体焊接在一起。本发明无磁钻杆接头均采用与普通地质钻杆相同的螺纹牙型-偏梯形螺纹，能够保证可以与任一同规格的普通钻杆进行连接，不需要额外的加工连接接手，节省了生产成本。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (7)

1.一种用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，无磁钻杆包括母接头、杆体和公接头三部分，母接头、杆体和公接头均使用同种材质的无磁钢管材加工，杆体和母接头以及公接头的外径一致，杆体的内径大于母接头以及公接头的钢管内径，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：无磁钻杆中母接头和公接头中硬化处理，先完成母接头以及公接头的机加工以及螺纹加工，所述母接头的一端设有母接头焊接面，另一端通过机加工形成内螺纹，所述公接头的一端设有公接头焊接面，另一端通过机加工形成外螺纹，对所述内螺纹和外螺纹进行螺纹表面硬化处理，表面硬化处理后的螺纹硬度提高到100HRC，；

步骤二：无磁钻杆连续驱动摩擦焊界面处理，将硬化处理后的母接头焊接面和公接头焊接面的硬化层车掉1～2mm，清理母接头、杆体和公接头待焊界面的氧化皮和油污；

步骤三：将母接头和杆体进行焊接；

步骤四：公接头和杆体焊接；

步骤五：热处理，采用中频感应加热调质热处理工艺对焊缝处进行局部热处理，焊缝的组织发生了转变，高温铁素体发生了固溶，同时细化晶粒，消除内应力，从而能有效提高焊缝强度。

2.如权利要求1所述的用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，其特征在于：所述无磁钢管中具体的材料化学成分为：C 0.025％、Si 0.4％、Mn 18％、Cr 18％、Mo 0.2％、N％0.55％，其余为Fe，其磁导率为1.002。

3.如权利要求1所述的用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，其特征在于：步骤三中，先将母接头中具有内螺纹的另一端布置在焊机旋转端的夹具中，杆体放置在移动端夹具中，焊接开始时，移动端向旋转端快速移动靠近，主轴带动母接头开始高速旋转，旋转的同时杆体向母接头的方向缓慢移动，直到母接头和杆体接触，在摩擦压力的作用下开始摩擦生热，随着母接头和杆体的温度迅速升高，连接处发生摩擦变形，当变形量达到设定的顶锻量阈值时母接头停止旋转，此时杆体移动端沿着轴向方向施加顶锻压力并保压一定的时间，形成母接头和杆体之间的焊缝，保压结束后卸载顶锻压力。

4.如权利要求1所述的用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，其特征在于：还包含步骤六：切削飞边。

5.如权利要求4所述的用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，其特征在于：还包含步骤七：超声波探伤。

6.如权利要求1所述的用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，其特征在于：步骤三中焊接参数如下：主轴转速1451r/min、顶锻量13mm、摩擦压力4MPa、顶锻压力6Mpa和保压时间3min。

7.如权利要求1所述的用于煤矿坑道定向钻进用无磁钻杆的制备方法，其特征在于：步骤五中，利用电磁感应原理，通过交变磁场中闭合导体产生的涡流和磁滞损失作用于焊缝处引起热效应，在极短的时间内产生大量的热能，以此来对焊缝进行热调质处理，调质的主要参数为加热温度和加热时间，无磁钻杆放入中频感应加热线圈中将焊缝放置在闭合导体中心处进行加热，加热到760℃并保温350s，焊缝从中心到母材微观组织存在差异，位于摩擦界面附近的窄小区域此区域聚集了大量的变形能，促进了奥氏体再结晶，形成了细小的奥氏体组织。

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