地質鉆桿鐓頭過程中裂紋的成因及解決對策

摘 要：地質鉆桿是采用地質合金鋼管，經摩擦焊接工藝設計和生產出的地質鉆探工具，其在地質勘探中發揮著重要的作用。為了保證鉆桿的強度，一般在對其進行加工時，都會在兩頭進行鐓頭加厚處理，但是在鐓頭過程中，許多鉆桿出現了裂紋，影響了其使用性能和安全。文章結合相應的方法，對地質鉆桿鐓頭過程中裂紋產生的原因進行了分析，并提出了合理有效的解決對策。

關鍵詞：地質鉆桿；鐓頭；裂紋成因；解決對策

中圖分類號：P634.42 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）30-0156-02

隨著社會經濟的發展，地質勘探工作發揮著越來越重要的作用，對于地質勘探的設備和器具也提出了更高的要求。作為地質勘探中應用十分廣泛的地質鉆桿，其質量也受到了相關人員的充分重視。鉆桿在鉆柱系統中起著傳遞動力、輸送泥漿的作用，因此必須具備良好的抗沖擊性能和抗扭性能，一旦鉆桿出現故障，必然會影響地質勘察工作的有效進行，甚至造成巨大的經濟損失和人員傷亡。因此，做好地質鉆桿的裂紋分析，確保鉆桿的質量，是十分重要的。

1 地質鉆桿裂紋的產生

在對地質鉆桿進行生產時，首先要結合地質勘探的實際需求以及客戶的而要求，截取適當長度的無縫鋼管，形成基礎桿體，然后，采用中頻爐，對鋼管的兩端進行加熱，并利用鐓壓機，結合熱擠壓的方法，將一些鋼材添加到鋼管兩端，對其鐓頭進行加厚處理。這樣可以為鉆桿兩頭后續螺紋的加工提供良好的基礎條件。但是在對鉆桿進行鐓頭加厚處理后，后續加工過程中去除表面的氧化層，發現鉆桿存在裂紋現象，而且裂紋集中分布在鉆桿的變徑處，大體上成軸向分布，嚴重影響了鉆桿的強度和使用安全，需要引起相關技術人員的重視，對裂紋產生的原因進行分析，并對其進行解決。

2 地質鉆桿裂紋產生的原因分析

2.1 分析方法

①要針對發生裂紋的鉆桿進行相應的化學成分檢驗。在實驗室環境下，取鉆桿樣品，利用ARL 23460直讀光譜儀，對鉆桿的材質進行分析，其分析結果見表1。

從表中可以看出，該鉆桿管材的材質和材料成分可以滿足相應的標準和規范，并不存在問題，因此裂紋并不是由于鋼管材質較差引起的。

②對鉆桿中鍛打區的尺寸進行檢驗，發現其可以滿足

YB 235-70《地質鉆探用鋼管》中對于鉆桿加厚尺寸的要求，也不是產生裂紋的原因。

③對裂紋進行宏觀檢驗，發現裂紋主要集中分布在鍛打區域的變徑位置，整體呈軸向分布，每一根鉆桿上的裂紋約有2～4條，長度在15～30 mm不等。運用相應的儀器設備對裂紋的內部進行觀察，發現去呈現出暗灰色，斷面的表面曲折，周邊不存在明顯的剪切唇，而且裂紋的微觀形態具有沿晶斷裂的特征。

④對鉆桿的力學性能進行檢測和分析。在裂紋位置取樣，然后按照《鉆探用無縫鋼管》（GB/T 9808-2008）以及《室溫拉伸試驗方法》（GB/T 228）的相關標準和要求，對樣本進行相應的力學性能檢測。通過將檢測結果與標準值進行對比，發現鋼管的塑性和強度都可以滿足相應的標準。

⑤對鉆桿進行金相檢驗。結合金相檢驗的相關標準和要求，在鉆桿的裂紋位置進行取樣，經磨光、拋光處理，并用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕后，放到光學顯微鏡下，對其組織進行觀察。根據觀察到的結果，結合GB/T 10561-2005鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法，對試樣中的非金屬夾雜物進行判斷，評定為D類2級。試樣的顯微組織為鐵素體和珠光體，并且在縱橫面上呈帶狀分布。

2.2 分析結果

結合上述試驗分析得出結果，可以明確鋼管自身的物理和化學性質，以及非金屬夾雜物的含量和等級，都能夠滿足相關標準和規范的要求，并不會造成裂紋。對鉆桿縱橫斷面上的金相組織進行比較分析，發現其原始組織呈現為帶狀，直接影響著管材的軸向韌性，但是在鐓頭過程中，由于應力都集中在管徑的變化位置，超出了管材的承受極限，因此導致了變徑位置軸向裂紋的產生。為了驗證分析結果的準確性，重新取多根出現裂紋的鉆桿，制作沖擊試驗，進行相應的抗沖擊試驗。試驗結果表明，加工后的鉆桿與45 MnB鋼材國家標準相比，其沖擊韌性較低，這也表明了裂紋原因分析結果的準確性。

3 地質鉆桿裂紋的解決對策

了解了裂紋產生的原因，相關技術人員需要采取合理有效的措施，對裂紋問題進行解決，以確保鉆桿的質量。為了消除鉆桿帶狀組織缺陷引發的裂紋問題，可以對中頻爐加熱管頭的加熱速度以及冷卻時間進行控制。這里所說的加熱速度，是指中頻爐的喂進裝置將鉆桿推入中頻爐感應圈的速度，而冷卻時間則是指鉆桿鐓打完成后，一直到淬入水中的保溫時間。由于當前我國并沒有一個相對統一的標準，因此，在對加熱速度和冷卻時間進行設置時，需要運用黃金分割法對其進行計算。其計算流程如下：

假設因素范圍為區間[a，b]，c為區間中利用相應的公式ac/ab=cb/ac計算得出的安排試驗的黃金分割點，則可以對加熱速度和冷卻時間進行細分。加熱速度可以細分為5 mm/s，15 mm/s、25 mm/s、35 mm/s和45 mm/s，其各自對應的冷卻時間為2 min、10 min、20 min、30 min以及40 min。

經實際檢驗，最終選擇加熱速度為15 mm/s，對應的冷卻時間為30 min。經過這樣處理后，發現鉆桿的裂紋現象大部分消失。同時，對處理后的鉆桿進行制樣，利用光學顯微鏡分析其顯微組織，發現其帶狀組織呈現出十分明顯的減緩趨勢，結合相應的標準，可以評定為C等1級。另外，對加工后的管材進行沖擊試驗，發現其沖擊韌性得到了顯著提高。因此，將加熱速度設置為15 mm/s、冷卻時間設置為30 min，可以有效解決鉆桿鐓頭過程中的裂紋問題。

4 結 語

總而言之，地質鉆桿在地質勘探中發揮著非常重要的作用，其加工質量也受到了人們廣泛的關注。本文針對地質鉆桿鐓頭過程中產生裂紋的原因進行了全面分析，并提出了針對性的解決措施，可以大幅減少鉆桿加工中的裂紋問題，推動鉆桿生產的順利進行。

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