淺談PDC錨桿鉆頭失效原因及改進(jìn)對(duì)策①

劉祖建

（桂林金剛石工業(yè)有限公司，廣西桂林541199）

淺談PDC錨桿鉆頭失效原因及改進(jìn)對(duì)策①

劉祖建

（桂林金剛石工業(yè)有限公司，廣西桂林541199）

近年來(lái)，以聚晶金剛石復(fù)合片（polycrystalline diamond compact，PDC）為切削刃的新型錨桿鉆頭發(fā)展迅速，逐步取代了傳統(tǒng)的錨桿鉆頭，但是作為新興的發(fā)展迅速的地質(zhì)鉆探工具，PDC錨桿鉆頭也出現(xiàn)了良莠不齊、質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象，PDC錨桿鉆頭的制造和使用也缺乏針對(duì)性的系統(tǒng)研究和理論指導(dǎo)。文章對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)PDC錨桿鉆頭在使用過(guò)程中的各種失效現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié)和系統(tǒng)的分析，并有針對(duì)性的提出了改進(jìn)的對(duì)策。

聚晶金剛石復(fù)合片；錨桿鉆頭；失效；改進(jìn)

早期錨桿鉆頭的切削齒往往采用硬質(zhì)合金制成［1］，為了提高速度，錨桿鉆頭兩翼上的刃尖與旋轉(zhuǎn)中心不對(duì)稱(chēng)，有一點(diǎn)偏心差，普通硬質(zhì)合金的巖石鉆頭主要適用于頁(yè)巖、砂頁(yè)巖及部分砂巖（磨蝕性不高的砂巖），壽命為30m左右。高于常規(guī)鉆頭價(jià)格50%的國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鉆頭，可以鉆進(jìn)抗壓強(qiáng)度60～80MPa的中等磨蝕性巖石，壽命可達(dá)25～30m。但由于合金在鉆進(jìn)中會(huì)迅速鈍化，鉆進(jìn)的速度也不理想。而近年來(lái)，錨桿鉆頭由于切削部分采用新型超硬材料金剛石復(fù)合片制作，壽命大大增加，鉆進(jìn)效率也明顯提高。

聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）既有金剛石耐磨性高的特點(diǎn)，也有硬質(zhì)合金抗沖擊韌性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)［2］，用它制作的鉆頭在軟～中硬巖層中壽命長(zhǎng)、效率高。我國(guó)已廣泛將PDC用于制作地質(zhì)和石油鉆頭，但在錨桿鉆頭制作方面與美、英等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有相當(dāng)差距。與地質(zhì)鉆頭相比，錨桿鉆頭直徑小，有其獨(dú)特的布齒方式；工作條件不同，對(duì)鉆頭體強(qiáng)度及焊接強(qiáng)度要求更高。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)PDC錨桿鉆頭上采用的是中低端復(fù)合片，這種復(fù)合片基本上只能滿(mǎn)足最低磨耗比的性能要求，而對(duì)于小鉆頭方面占主要失效因素的抗沖擊性能問(wèn)題沒(méi)有得到應(yīng)有的重視，或是限制于成本和技術(shù)，沒(méi)有得以解決，所以在實(shí)際使用時(shí)，在軟地層（f值在6左右）上，較好的PDC錨桿鉆頭能夠達(dá)到硬質(zhì)合金鉆頭壽命的10倍左右［3］，但是隨著可鉆性系數(shù)上升，鉆頭失效迅速加快，在f大于10的地層上，PDC錨桿鉆頭甚至由于崩刃而根本不能使用。

2 PDC主要失效形式

金剛石復(fù)合片鉆頭的工作條件極為苛刻，PDC在工作中不但承受巨大的壓力，同時(shí)還承受交變的沖擊力，各種力的復(fù)合作用導(dǎo)致切削過(guò)程中的摩擦異常激烈。在具體使用過(guò)程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜、人工操作、工藝處理等方面存在著不規(guī)范之處，使PDC的優(yōu)勢(shì)未能很好地發(fā)揮出來(lái)，造成不該有的損失。筆者長(zhǎng)期深入錨桿鉆頭使用的現(xiàn)場(chǎng)并大量回收了鉆探中失效的鉆頭，并做了大量的系統(tǒng)分析工作，發(fā)現(xiàn)PDC主要失效形式有如下三類(lèi)：

2.1 宏觀(guān)破裂

宏觀(guān)破裂一般表現(xiàn)為PCD層的破裂，其主要原因是錨桿鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中遇到硬質(zhì)巖石或巖性變化較大的巖層時(shí)，受到較大的交變沖擊，又由于軸向力和水平切削力的聯(lián)合作用、鉆機(jī)振動(dòng)、鉆具與孔壁的摩擦等因素的影響，使PDC在短時(shí)間內(nèi)承受超負(fù)載荷而導(dǎo)致PCD層破裂，致整個(gè)錨桿鉆頭報(bào)廢。圖1所示為錨桿鉆頭PCD層宏觀(guān)破裂及斷裂的幾種情況。

圖1 錨桿鉆頭復(fù)合片PCD層破裂（a，b）和斷裂（c）Fig.1 Rupture（a，b）and fracture（c）of PCD layer

2.2 PCD層與硬質(zhì)合金層的分離

圖2所示為PCD層與硬質(zhì)合金層的分離形貌，導(dǎo)致的主要原因是PCD復(fù)合層的工藝技術(shù)不夠成熟和穩(wěn)定，PCD層與硬質(zhì)合金的附著力較差，從而造成PCD薄膜過(guò)早地從硬質(zhì)合金層上剝離而失效，極大降低了PDC鉆頭的使用壽命和切削性能。

2.3 脫焊

PCD的焊接工藝性差，且各種參數(shù)控制要求高，操作中稍有不慎便可導(dǎo)致PCD層在使用過(guò)程中的脫焊，致使整個(gè)鉆頭報(bào)廢。

圖2 PCD層與硬質(zhì)合金層的分離ig.2 The separation between PCD layer and hard alloy layer

3 分析和討論

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析，錨桿鉆頭產(chǎn)生如上失效的主要原因及解決存在問(wèn)題的對(duì)策如下：

3.1 設(shè)計(jì)不合理

圖3所示為PCD錨桿鉆頭的布齒參數(shù)，由圖可知PDC齒在空間的方向由以下3個(gè)方向參量確定。法向角γ指PDC齒的方向基準(zhǔn)線(xiàn)與鉆頭中心線(xiàn)的夾角；齒前角α指PDC齒的方向基準(zhǔn)線(xiàn)與切削齒工作平面之間的夾角；側(cè)轉(zhuǎn)角β指過(guò)中心點(diǎn)和鉆頭中心線(xiàn)的平面與切削齒工作平面之間的夾角。以上3個(gè)參數(shù)是由鉆頭結(jié)構(gòu)確定的，其中法向角取決于鉆頭冠部形狀和徑向布置，而齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角由切削齒工作角度設(shè)計(jì)確定。在錨桿鉆頭的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，有研究表明，齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角對(duì)鉆頭的壽命和效率有最大的影響，必須根據(jù)鉆進(jìn)地層的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在市場(chǎng)上，有些廠(chǎng)家為了提高鉆頭壽命，設(shè)計(jì)了大于35°的齒前角，極大地影響了鉆進(jìn)的效率，甚至根本不進(jìn)尺，反之，如果設(shè)計(jì)了較小的齒前角，鉆頭的壽命往往也不夠理想，PDC切削刃容易出現(xiàn)崩齒，金剛石層大塊脫落的現(xiàn)象。因此，鉆頭廠(chǎng)家應(yīng)該按照參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，選擇適中的齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角，而不是盲目的隨意進(jìn)行修改。

圖3 PDC錨桿鉆頭布齒參數(shù)示意圖Fig.3 The parameters of PDC anchor bits

3.2 原材料質(zhì)量低劣

錨桿鉆頭生產(chǎn)的主要原材料有復(fù)合片、鋼體和焊料。很多鉆頭廠(chǎng)家為了降低成本采用了劣質(zhì)的原材料，在惡劣的工況條件下，這些鉆頭很快就會(huì)失效。

首先是復(fù)合片的質(zhì)量，作為鉆頭的切削刃，復(fù)合片的質(zhì)量在很大程度上決定了鉆頭的質(zhì)量。例如，鉆探中PCD層與硬質(zhì)合金層分離，俗稱(chēng)“脫層”就是最典型的復(fù)合片質(zhì)量問(wèn)題；而有些劣質(zhì)的復(fù)合片磨耗比極低，PCD層很快磨損，表現(xiàn)為鉆頭不耐用；有些復(fù)合片在使用時(shí)PCD層容易破碎，如圖1所示，這也可能是復(fù)合片的質(zhì)量問(wèn)題。但是需要注意的是，復(fù)合片的磨損過(guò)快和破碎也可能是由于焊接工藝不當(dāng)造成的。

其次是鉆頭鋼體的選擇，錨桿鉆頭應(yīng)該選擇優(yōu)質(zhì)的合金鋼來(lái)制造，如35Cr，40Cr等，如果采用普通的材料制作，很可能由于鋼體自身快速的磨損而導(dǎo)致鉆頭的失效。

最后是焊料的選擇，在復(fù)合片的焊接中，一般要求使用銀釬焊，成本較高，為了降低成本，有極少數(shù)的廠(chǎng)家采用了不合格的銀焊料，甚至是銅焊料，由于這些焊料本身的熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的銀焊料，在焊接時(shí)很容易造成復(fù)合片的熱損壞，另外，不合格的焊料也會(huì)造成虛焊，或是焊接強(qiáng)度不夠等問(wèn)題。

3.3 焊接工藝不正確

PDC與鉆頭體的焊接強(qiáng)度是影響較硬巖層鉆進(jìn)用PDC鉆頭的質(zhì)量關(guān)鍵，由于PDC的底襯是硬質(zhì)合金，薄層金剛石是經(jīng)特殊工藝復(fù)合在硬質(zhì)合金基體上的，PDC的焊接實(shí)質(zhì)上是硬質(zhì)合金與鋼體或胎體的焊接。它是用釬焊的方法將PDC焊接在鉆頭體上。可通過(guò)以下措施提高PDC的焊接強(qiáng)度：

（1）采用先進(jìn)的可控性強(qiáng)的高頻感應(yīng)釬焊或真空釬焊工藝，由于錨桿鉆頭體型小，升溫快，在焊接時(shí)要注意溫度的控制，采用專(zhuān)用的小功率焊機(jī)，升溫速度相對(duì)較慢，工人在生產(chǎn)時(shí)容易控制。

（2）選用低熔點(diǎn)高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)焊料、焊劑。要求對(duì)鉆頭體具有良好的浸潤(rùn)性和可焊性，焊接溫度必須符合復(fù)合片允許的極限溫度（一般＜700℃），焊料抗氧化性能好，焊劑除氧化性強(qiáng)、排氣性好外，對(duì)釬縫有保護(hù)作用。

（3）采用合適的PDC片預(yù)處理技術(shù)，如鍍Ni、Ni－Co、Ni－W等方法，以增強(qiáng)PDC的可焊性。

（4）焊接各工序采用合理的處理工藝。焊前準(zhǔn)備可采用特殊的噴砂工藝處理焊接面并徹底清洗干凈，焊接面平面度要好，不得有毛刺；焊接時(shí)，注意讓PDC在空位上移動(dòng)，使焊料充分流動(dòng)并排氣，并不停加入焊絲，使PDC周?chē)噶铣浞郑缚p飽滿(mǎn)；焊接結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行熱處理以消除內(nèi)應(yīng)力。

3.4 使用不當(dāng)

PDC是一種超硬材料，不管復(fù)合片的質(zhì)量如何優(yōu)良，PCD層總具有一定的脆性，所以在使用時(shí)應(yīng)注意盡量避免PDC刃口的人為破壞，尤其是開(kāi)鉆鑿眼要盡量避免造成劇烈的碰撞；軟巖中鉆進(jìn)壓力不宜過(guò)大，以避免鉆成螺旋孔壁和糊鉆；而在較破碎的巖層中，壓力也不宜過(guò)大，以避免卡鉆造成鉆孔報(bào)廢；應(yīng)經(jīng)常檢查鉆桿、接頭、絲扣的磨損，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)更換；鉆進(jìn)過(guò)程中聽(tīng)見(jiàn)不正常聲響，應(yīng)及時(shí)檢查；新鉆頭使用時(shí)應(yīng)采用比正常鉆進(jìn)規(guī)程小的參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

總之，PDC錨桿鉆頭作為錨桿鉆頭的新秀受到了市場(chǎng)越來(lái)越多的青睞，并且由于進(jìn)入的技術(shù)和資金門(mén)檻低，大量的作坊式工廠(chǎng)蜂擁而起，這些廠(chǎng)家打著自己或是假冒的名牌，生產(chǎn)了大量的劣質(zhì)的產(chǎn)品，不僅造成了正規(guī)廠(chǎng)家和鉆頭使用者的損失，也大量浪費(fèi)了資源，而通過(guò)對(duì)鉆頭失效原因的了解和分析，能夠更好的選擇優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品并最大的實(shí)現(xiàn)其價(jià)值，這有利于保證穩(wěn)定高效的生產(chǎn)和資源的節(jié)約、環(huán)境的友好。

［1］ 劉禮智.Φ27、28錨桿鉆頭的研制與使用［J］.金屬礦山，1987（7）：58.

［2］ 劉向東，屈鈞利.錨桿PDC鉆頭主要幾何參數(shù)的優(yōu)化研究［J］.煤礦機(jī)械，2010（1）：29－31.

［3］ 張菁.PDC抗沖擊性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［D］，2011.

The reasons of losing efficacy of PDC anchor bit and improving countermeasure

LIU Zu－jian
（Guilin Diamond Industrial Ltd.，Guilin541199，China）

Nowadays，the new type anchor bits using polycrystalline diamond compact（PDC）as cutting edge has rapidly developed in the anchor bits markets，which has replaced the traditional anchor bits gradually.However，PDC anchor bits also showed unstable performance.In addition，there is no relative systematic research and theoretical guidance in manufacture and use of PDC anchor bits.In this paper，several kinds of losing efficacy phenomenon were summarized and analyzed systematically，and the relative improved countermeasures were proposed.

PDC；anchor bit；lose efficacy；improvement

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0028－04

1 概述

錨桿支護(hù)是有利于加快井巷掘進(jìn)速度、提高頂板支護(hù)效果、降低支護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度和減少支護(hù)材料消耗的先進(jìn)技術(shù)，國(guó)外采煤技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的錨桿支護(hù)率往往超過(guò)80%，在我國(guó)，錨桿支護(hù)也是煤礦巷道支護(hù)的主要發(fā)展形式，譬如大同煤礦集團(tuán)公司錨桿支護(hù)率超過(guò)50%，錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展需要大量錨桿孔鉆進(jìn)設(shè)備作保證，這主要有鉆具和鉆頭兩個(gè)方面。

與錨桿鉆機(jī)配套的鉆具，因破巖方式不同而不同，總的來(lái)說(shuō)有回轉(zhuǎn)類(lèi)破巖鉆具、沖擊類(lèi)破巖鉆具以及回轉(zhuǎn)沖擊類(lèi)破巖鉆具。煤礦錨桿鉆機(jī)多為回轉(zhuǎn)式，所以回轉(zhuǎn)式鉆頭也比較流行。為配合推廣小直徑樹(shù)脂錨桿，多采用27～29mm的回轉(zhuǎn)鉆頭，其結(jié)構(gòu)類(lèi)型多為兩翼對(duì)稱(chēng)、兩翼不對(duì)稱(chēng)和兩翼連筋式。

2012－06－28

劉祖建（1958－），男，桂林金剛石工業(yè)有限公司技術(shù)開(kāi)發(fā)部部長(zhǎng)，工程師。E－mail:liuzujian1958＠163.com。