CN113700441B - 一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头及钻杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头及钻杆，通过在公接头内设置自锁连杆，实现了公接头外螺纹断裂后断裂处以浅的公接头外螺纹部分与断裂处以深的公接头体螺纹部分之间的轴向连接，利用断裂处以深的公接头体外螺纹依然啮合于母接头内螺纹形成的连接体，从而将断裂处以深的全部钻杆提出，有效解决了现有钻杆断裂后的掉钻问题，保证了钻孔施工的安全性，促进了煤矿安全高效开采。

Description

一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头及钻杆

技术领域

本发明属于煤矿井下钻探机具技术领域，具体涉及一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头及钻杆。

背景技术

煤炭行业作为我国重要的传统能源行业，是我国国民经济的重要组成部分，煤炭安全高效开采对保障能源安全、促进经济发展和保持社会稳定意义重大。煤炭开采过程中面临瓦斯、突水、冲击地压等灾害的威胁，钻孔是煤矿治理瓦斯、防治水害、消减地应力等灾害的主要技术手段，钻杆是钻孔施工必不可少的钻探机具，也是煤矿重要资产之一。然而，钻杆在施工过程中会不断磨损和疲劳，当达到一定程度后易在薄弱位置发生断裂，导致掉钻甚至钻孔报废，增加了施工周期和生产成本，一定程度影响了煤炭的安全高效开采。

目前，钻杆连接主要采用螺纹连接方式，由于结构特点，公接头螺纹大端部位是主要应力集中区，极易发生疲劳断裂，施工现场实践也表明，约80%的钻杆断裂发生在公接头螺纹大端倒数第一牙与倒数第二牙附近。钻杆断裂导致钻探施工的中止，需将因断裂而掉落在孔内的钻杆捞出后方可继续钻进，打捞掉落钻杆虽有一定的成功率，但需频繁的起、下钻，增大了工人劳动强度，影响了施工效率，增加了钻孔生产成本和周期；若打捞不成功，不仅会加剧上述损失，还会造成钻杆掉钻，导致钻孔报废，遗留在孔内的钻杆更会给后续的煤层回采作业带来安全隐患。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头及钻杆，以解决钻杆断裂导致的掉钻难题，满足煤矿安全高效成孔需求。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头，该公接头设有中心通孔且在该中心通孔内设有自锁连杆；

所述公接头两端分别为公接头焊接端面和公接头端面，在靠近公接头端面设有公接头外螺纹；公接头中心通孔为孔径逐级减小的第一台阶孔、第二台阶孔和第三台阶孔，且在第三台阶孔内壁设有公接头内螺纹；

所述自锁连杆包括管状的连杆本体，连杆本体一端外壁为环形凸台，另一端外壁为自锁连杆外螺纹；环形凸台位于第一台阶孔内且环形凸台外径大于第二台阶孔孔径以使环形凸台能被第一台阶孔与第二台阶孔之间的台肩限位，自锁连杆外螺纹能与公接头内螺纹旋合以将自锁连杆安装在公接头的中心通孔内。

本发明还包括如下技术特征：

可选地，所述第一台阶孔、第二台阶孔和第三台阶孔自公接头焊接端面至公接头端面依次布设；

或所述第一台阶孔、第二台阶孔和第三台阶孔自公接头端面至公接头焊接端面依次布设。

可选地，所述公接头焊接端面与公接头外螺纹之间为圆柱形的公接头外壁，公接头外壁和公接头外螺纹相接处为公接头台肩，公接头外螺纹为缩径锥形；所述公接头焊接端面与第一台阶孔之间为缩径状的公接头缩径内壁。

可选地，所述自锁连杆除自锁连杆外螺纹与公接头内螺纹旋合外，自锁连杆其余部位均不与公接头接触以保证施钻过程中自锁连杆不承受力。

可选地，所述环形凸台的外径小于第一台阶孔孔径，连杆本体的外径小于第二台阶孔孔径。

一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆，包括杆体和设在杆体两端的公接头和母接头；所述公接头为所述的具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头；

所述母接头设有中心通孔，母接头两端分别为母接头焊接端面和母接头台肩，在靠近母接头台肩设有母接头内螺纹；所述母接头内螺纹能与公接头外螺纹旋合以实现钻杆间螺纹连接；所述杆体设有中心通孔，杆体、公接头、母接头和自锁连杆的中心通孔均同轴。

可选地，所述母接头焊接端面和母接头台肩之间为圆柱形的母接头外壁；所述母接头中心通孔包括靠近母接头台肩的母接头缩口锥孔、母接头直孔和靠近母接头焊接端面的母接头扩孔，母接头缩口锥孔内壁设有所述母接头内螺纹。

可选地，所述公接头外壁、母接头外壁和杆体外壁直径相同。

可选地，所述公接头焊接端面与杆体一端焊接，母接头焊接端面与杆体另一端焊接。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

（1）本发明钻杆公接头中心通孔采用不等径设计，用于固定安装及轴向限位自锁连杆，实现了公接头大端外螺纹断裂后断裂处以浅的公接头外螺纹部分与断裂处以深的公接头体螺纹部分之间的轴向连接，利用断裂处以深的公接头体外螺纹依然啮合于母接头内螺纹形成的连接体，从而将断裂处以深的全部钻杆提出，有效解决了现有钻杆断裂后的掉钻问题，保证了钻孔施工的安全性，促进了煤矿安全高效开采。

（2）本发明的自锁连杆正常施工时不受力，只在公接头外螺纹断裂后才工作，可靠性高。

（3）本发明结构简单，加工制造难度低，自锁连杆完全内装于公接头，钻杆的搬运、加接、拧卸等使用方式与现有钻杆完全一致，不会增加操作流程。

附图说明

图1为本发明实施例1公接头和自锁连杆安装结构示意图；

图2为本发明实施例1公接头结构示意图；

图3为本发明实施例2公接头和自锁连杆安装结构示意图；

图4为本发明自锁连杆结构示意图；

图5为本发明母接头结构示意图；

图6为本发明实施例3具有断裂自锁功能的矿用钻杆剖面示意图；

图7为本发明实施例3正常施钻时公接头和母接头连接示意图；

图8为本发明实施例3公接头螺纹断裂后的连接示意图；

图9为本发明实施例3中一根自锁连杆抗拉试验曲线；

图10为本发明实施例3中另一根自锁连杆抗拉试验曲线；

图11为本发明实施例4具有断裂自锁功能的矿用钻杆剖面示意图；

附图标记含义：

1.公接头，2.自锁连杆，3.母接头，4.杆体，5.连接体，11.公接头端面，12.公接头外螺纹，13.公接头台肩，14.公接头外壁，15.公接头焊接端面，16.公接头内螺纹，101.第一台阶孔，102.第二台阶孔，103.第三台阶孔，21.环形凸台，22.连杆本体，23.自锁连杆外螺纹，31.母接头台肩，32.母接头外壁，33.母接头焊接端面，34.母接头缩口锥孔，35.母接头直孔，36.母接头扩孔，37.母接头内螺纹。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头，如图1、图2和图4所示，该公接头1设有中心通孔且在该中心通孔内设有自锁连杆2。

公接头1两端分别为公接头焊接端面15和公接头端面11，在靠近公接头端面11设有公接头外螺纹12；公接头中心通孔为多台阶状，且自公接头焊接端面15至公接头端面11为孔径逐级减小的第一台阶孔101、第二台阶孔102和第三台阶孔103，且在第三台阶孔103内壁设有公接头内螺纹16。

自锁连杆2包括管状的连杆本体22，连杆本体22一端外壁为环形凸台21，另一端外壁为自锁连杆外螺纹23；环形凸台21位于第一台阶孔101内且环形凸台21外径大于第二台阶孔102孔径以使环形凸台21能被第一台阶孔101与第二台阶孔102之间的台肩限位，自锁连杆外螺纹23能与公接头内螺纹16旋合以将自锁连杆2安装在公接头1的中心通孔内。

公接头焊接端面15与公接头外螺纹12之间为圆柱形的公接头外壁14，公接头外壁14和公接头外螺纹12相接处为公接头台肩13，公接头外螺纹12为缩径锥形；公接头焊接端面15与第一台阶孔101之间为缩径状的公接头缩径内壁。

自锁连杆2除自锁连杆外螺纹23与公接头内螺纹16旋合外，自锁连杆2其余部位均不与公接头1接触以保证施钻过程中自锁连杆2不承受力。

环形凸台21的外径小于第一台阶孔101孔径，连杆本体22的外径小于第二台阶孔102孔径；自锁连杆2的长度略大于第一台阶孔101和第二台阶孔102的长度之和。

使用时，将自锁连杆2装配至公接头中心通孔，且使自锁连杆外螺纹23端面与公接头端面11齐平，由于自锁连杆2除自锁连杆外螺纹23与公接头内螺纹16啮合外，其余部位均不与公接头1内壁接触，保证施钻过程中自锁连杆2不承受力；由于自锁连杆2完全内装于公接头1内，不会影响具有断裂自锁功能的矿用钻杆搬运、加接与拧卸等操作。

本实施例自锁连杆外螺纹23长度与公接头内螺纹16长度相同。

将自锁连杆2装配至公接头1时，自锁连杆外螺纹23端部与公接头1端面齐平，以使公接头与母接头旋合及拧卸时与传统钻杆一致。

实施例2：

本实施例提供一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头，如图3和图4所示，该公接头1设有中心通孔且在该中心通孔内设有自锁连杆2。本实施例与实施例1的不同之处在于，公接头中心通孔自公接头端面11至公接头焊接端面15为孔径逐级减小的第一台阶孔101、第二台阶孔102和第三台阶孔103，且在第三台阶孔103内壁设有公接头内螺纹16；其他设置及功能和实施效果均与实施例1相同。

实施例3：

本实施例提供一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆，如图5至10所示，包括杆体4和设在杆体两端的公接头1和母接头3；公接头1为实施例1中的具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头。

母接头3设有中心通孔，母接头3两端分别为母接头焊接端面33和母接头台肩31，在靠近母接头台肩31设有母接头内螺纹37；母接头内螺纹37能与公接头外螺纹12旋合以实现钻杆间螺纹连接；杆体4设有中心通孔，杆体4、公接头1、母接头3和自锁连杆2的中心通孔均同轴。

母接头焊接端面33和母接头台肩31之间为圆柱形的母接头外壁32；母接头中心通孔包括靠近母接头台肩31的母接头缩口锥孔34、母接头直孔35和靠近母接头焊接端面33的母接头扩孔36，母接头缩口锥孔34内壁设有母接头内螺纹37。母接头的中心通孔孔径满足施钻时水、空气等流体介质通过及冷却钻头和冲洗钻渣的需求。

本实施例中，公接头外壁14、母接头外壁32和杆体4外壁直径相同，该钻杆配套钻机额定拉力不小于180kN。

公接头1与母接头3旋合后，公接头台肩13与母接头台肩31紧密配合。

公接头焊接端面15与杆体4一端焊接，母接头焊接端面33与杆体4另一端焊接。具体的，钻杆摩擦焊接前，将自锁连杆内装于公接头，然后再将公接头和母接头分别摩擦焊接于杆体两侧，形成断裂自锁功能的矿用钻杆。

具有断裂自锁功能的钻杆外壁可设计为外平、三棱、螺旋或三棱螺旋等多种结构，增强钻杆的成孔能力，以满足不同地层条件施工要求。

具体的，本实施例中，公接头外壁14、母接头外壁32和杆体4外壁直径均为Φ73mm，公接头外螺纹12长度60mm；公接头1的第一台阶孔101孔径Φ45mm；第二台阶孔102孔径Φ32mm，长度65mm；第三台阶孔103孔径Φ29mm，长度30mm；公接头内螺纹16的牙高为1mm、螺距为4mm。自锁连杆2的中心通孔孔径为Φ20mm，自锁连杆2的环形凸台21外径为Φ42mm，自锁连杆2长度96mm，连杆本体22外径Φ31mm，自锁连杆2外螺纹长度30mm。

对本实施例自锁连杆外螺纹23强度按下述公式进行校核：

F₁=π [（d-2h）²-d₁ ²]*σ/4

F₂=π（d-2h）*p*n*σ/2

上述公式中，F₁为自锁连杆螺纹部位抗拉能力（kN），F₂为自锁连杆螺纹部位抗剪能力（kN），d为连杆本体外径（mm），d₁为自锁连杆通孔孔径（mm），h为螺纹牙高（mm），p为螺距（mm），n为完整螺纹牙数，σ为自锁连杆材料的抗拉强度（MPa）。将具体参数：d=31mm，h=1mm，d₁=20mm，p=4mm，n=6，σ=1080MPa，代入上述公式，计算可得F₁=374kN，F₂=1180kN，两者均大于配套钻机额定拉力的2倍，达到设计要求。

如图7所示，钻探施工时，公接头外螺纹与相邻钻杆母接头内螺纹的配合体承受钻机输出的扭矩、起拔、给进、弯矩等载荷，实现钻进、起钻或下钻等功能，由于自锁连杆与公接头存在装配间隙，公接头弹性变形范围内的微小变形不会作用于自锁连杆，即钻杆正常施钻时，自锁连杆不受力，确保了自锁连杆的可靠性。自锁连杆中心通孔为水、空气等流体介质提供循环通道。

如图8所示，施钻过程中公接头外螺纹在大端部位断点d处断裂，d处至公接头端面之间的外螺纹依然啮合于钻杆母接头内螺纹形成连接体5，连接体5通过公接头1与自锁连杆之间的啮合螺纹连接于自锁连杆，而自锁连杆自左向右被公接头1的第一台阶孔和第二台阶孔之间的台肩限位，故断点d处两侧通过自锁连杆仍保持轴向连接，从而可将d处以深的钻具全部提出，彻底解决钻杆因公接头螺纹根部断裂导致的掉钻难题，保证钻孔施工的安全性。

如图9和图10所示，按照上述参数加工2根自锁连杆2，材料均采用42CrMo，并经调质热处理，对自锁连杆2进行拉伸试验，试验结果表明，2根自锁连杆抗拉能力分别为381kN和383kN，与理论计算的抗拉能力374kN接近，且均满足配套钻机额定拉力2倍要求。

实施例4：

本实施例提供一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆，如图11所示，包括杆体4和设在杆体两端的公接头1和母接头3；公接头1为实施例2中的具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头；其他设置及功能和实施效果均与实施例3相同。

Claims (9)

1.一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头，其特征在于，该公接头（1）设有中心通孔且在该中心通孔内设有自锁连杆（2）；

所述公接头（1）两端分别为公接头焊接端面（15）和公接头端面（11），在靠近公接头端面（11）设有公接头外螺纹（12）；公接头中心通孔为孔径逐级减小的第一台阶孔（101）、第二台阶孔（102）和第三台阶孔（103），且在第三台阶孔（103）内壁设有公接头内螺纹（16）；

所述自锁连杆（2）包括管状的连杆本体（22），连杆本体（22）一端外壁为环形凸台（21），另一端外壁为自锁连杆外螺纹（23）；环形凸台（21）位于第一台阶孔（101）内且环形凸台（21）外径大于第二台阶孔（102）孔径以使环形凸台（21）能被第一台阶孔（101）与第二台阶孔（102）之间的台肩限位，自锁连杆外螺纹（23）能与公接头内螺纹（16）旋合以将自锁连杆（2）安装在公接头（1）的中心通孔内。

2.如权利要求1所述的具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头，其特征在于，所述第一台阶孔（101）、第二台阶孔（102）和第三台阶孔（103）自公接头焊接端面（15）至公接头端面（11）依次布设；

或所述第一台阶孔（101）、第二台阶孔（102）和第三台阶孔（103）自公接头端面（11）至公接头焊接端面（15）依次布设。

3.如权利要求2所述的具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头，其特征在于，所述公接头焊接端面（15）与公接头外螺纹（12）之间为圆柱形的公接头外壁（14），公接头外壁（14）和公接头外螺纹（12）相接处为公接头台肩（13），公接头外螺纹（12）为缩径锥形；所述公接头焊接端面（15）与第一台阶孔（101）之间为缩径状的公接头缩径内壁。

4.如权利要求3所述的具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头，其特征在于，所述自锁连杆（2）除自锁连杆外螺纹（23）与公接头内螺纹（16）旋合外，自锁连杆（2）其余部位均不与公接头（1）接触以保证施钻过程中自锁连杆（2）不承受力。

5.如权利要求4所述的具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头，其特征在于，所述环形凸台（21）的外径小于第一台阶孔（101）孔径，连杆本体（22）的外径小于第二台阶孔（102）孔径。

6.一种具有断裂自锁功能的矿用钻杆，包括杆体（4）和设在杆体两端的公接头（1）和母接头（3）；其特征在于，所述公接头（1）为权利要求5所述的具有断裂自锁功能的矿用钻杆公接头；

所述母接头（3）设有中心通孔，母接头（3）两端分别为母接头焊接端面（33）和母接头台肩（31），在靠近母接头台肩（31）设有母接头内螺纹（37）；所述母接头内螺纹（37）能与公接头外螺纹（12）旋合以实现钻杆间螺纹连接；所述杆体（4）设有中心通孔，杆体（4）、公接头（1）、母接头（3）和自锁连杆（2）的中心通孔均同轴。

7.如权利要求6所述的具有断裂自锁功能的矿用钻杆，其特征在于，所述母接头焊接端面（33）和母接头台肩（31）之间为圆柱形的母接头外壁（32）；所述母接头中心通孔包括靠近母接头台肩（31）的母接头缩口锥孔（34）、母接头直孔（35）和靠近母接头焊接端面（33）的母接头扩孔（36），母接头缩口锥孔（34）内壁设有所述母接头内螺纹（37）。

8.如权利要求6所述的具有断裂自锁功能的矿用钻杆，其特征在于，所述公接头外壁（14）、母接头外壁（32）和杆体（4）外壁直径相同。

9.如权利要求6所述的具有断裂自锁功能的矿用钻杆，其特征在于，所述公接头焊接端面（15）与杆体（4）一端焊接，母接头焊接端面（33）与杆体（4）另一端焊接。

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