基于Simulation樁頂鉆機鉆桿系統研究

聶文杰，張 波，侯紅恩，龍海濱

(太重(天津)濱海重型機械有限公司技術中心 天津300457)

0 引 言

鉆桿系統是樁頂鉆機的關鍵部件，連接動力頭與鉆具，傳遞動力頭扭矩和壓力，鉆桿工作中若產生嚴重彎曲變形，會導致鉆具無法正常工作，因此有必要對鉆桿的應力、變形、穩定性等方面進行研究，以保證鉆桿的剛度、強度，確保鉆機可靠工作。本項目基于 DR5800樁頂鉆機，鉆桿最大承受鉆壓 1450kN，最大扭矩 500kN·M，鉆頭卡阻狀態最大扭矩750kN·M，具體研究了鉆桿的剛度、強度、穩定性，分析當前鉆桿系統設計結構是否合理。

1 樁頂鉆機簡介

圖1 樁頂鉆機Fig.1 Pile top drilling rig

樁頂鉆機是風電樁基施工的關鍵設備，如圖1所示，主要由龍門架、動力頭、主平臺、樁接頭、穩定器、鉆桿、過渡接頭、平衡器、鉆具等部件組成。樁頂鉆機通過樁接頭與基礎樁上端固定，利用龍門架內液壓缸提供垂直鉆壓，利用液壓馬達通過動力頭傳動扭矩。鉆桿系統是連接動力頭與鉆具的關鍵部件，傳遞扭矩和壓力到鉆具處，完成對巖石層的鉆挖工作。

2 鉆桿類型分析及受力模型簡化

2.1 鉆桿類型分析

目前主流鉆桿類型分為單層壁鉆桿和雙層壁鉆桿，如圖2、3所示。單層壁鉆桿由厚壁鋼管構成泥漿管路，由兩側橡膠軟管構成氣體管路，鉆桿結構緊湊，但氣體管路裸露在外，易受泥漿侵蝕；雙層壁鉆桿由內外兩側薄壁鋼管分別構成泥漿管路和氣體管路，這種結構可有效保護氣體管路不受外部泥漿的侵蝕，但雙層壁鉆桿既需要保證內部泥漿排出的通徑，又要將氣體管路包裹進去，因此最外層的管徑相應需要加大，造成上部法蘭變大，鉆桿重量變大，同時也使得整機夾持裝置、動力頭等尺寸加大。結合本機類型及鉆桿的優缺點，本文采用單層壁鉆桿為研究對象，鉆桿材料選用 42CrMo，外徑 380mm，內徑310mm，單根鉆桿長度 3m，最大鉆深情況下共需21根鉆桿，合計總長63m。

圖2 單層壁鉆桿Fig.2 Single wall drill pipe

圖3 雙層壁鉆桿Fig.3 Double wall drill pipe

2.2 鉆桿受力模型簡化

鉆桿主要作用是傳遞軸向壓力和扭矩。樁頂鉆機實際工作中的工況主要分為2類：正常工作狀態和卡阻工作狀態。正常工作狀態下，鉆桿承受鉆孔所需的正壓力和扭矩；卡阻工作狀態，鉆頭卡入巖層之中，需要更大的扭矩克服巖層阻力。2種工作狀態中，受力均包括正壓力F，扭矩M，鉆桿重力G，詳細數值見表 1。根據受力情況，本文將鉆桿的兩端簡化為下端固定、上端鉸支的壓桿[1]，如圖4。

表1 鉆桿受力及42CrMo許用數值Tab.1 Drill pipe force and 42 CrMo permitted values

圖4 鉆桿受力模型簡化Fig.4 Simplification of drill pipe force model

3 鉆桿系統分析

3.1 鉆桿靜力分析

鉆桿靜力分析是在鉆桿承受靜態正壓力和扭矩情況下的應力應變分析，保證鉆桿的應力應變狀態滿足設計要求。

3.1.1 正常工作狀態下分析結果

鉆桿最大應力為 206MPa，發生在鉆桿與接頭連接焊縫處(圖5)，安全系數 4.5，大于 3，滿足設計要求。

鉆桿最大垂直變形量 11.7mm，由圖6可見，垂直變形量由上到下逐漸變小，最大變形發生在上部與動力頭連接部位。

圖5 應力分析Fig.5 Stress analysis

圖6 垂直變形 Fig.6 Vertical deformation

圖7 扭轉變形Fig.7 Torsional deformation

鉆桿扭轉最大變形量 92.3mm，由圖 7可見，扭轉變形量由鉆桿最大外徑向中心逐漸變小，最大變形發生在鉆桿上部最大外徑處，安全系數 3.5，大于 2，滿足設計要求。

3.1.2 卡阻工作狀態下分析

鉆桿最大應力 293MPa，發生在鉆桿與接頭連接焊縫處如圖8所示，安全系數3.17，大于3，滿足設計要求。

鉆桿最大垂直變形量：11.7mm，由圖 9可見，垂直變形量由上到下逐漸變少，最大變形發生在上部與動力頭連接部位。

鉆桿扭轉最大變形量：138.5mm，由圖10可見，扭轉變形量由鉆桿最大外徑向中心逐漸變少，最大變形發生在鉆桿上部最大外徑處，安全系數 2.34，大于2，滿足設計要求。

圖8 應力分析Fig.8 Stress analysis

圖9 垂直變形Fig.9 Vertical deformation

圖10 扭轉變形Fig.10 Torsional deformation

3.2 鉆桿模態分析

鉆機工作過程中，鉆桿要承受動力頭的扭矩和壓力，同時鉆桿要以一定的回轉速度轉動，這將產生振動，鉆桿的橫向振動將會對鉆機的鉆孔垂直度產生重大影響[2]，故需通過鉆桿的模態分析為避免共振提供理論依據。經研究當鉆進深度不斷增加時，其固有頻率不斷減小。這是由于隨著鉆進的深入，鉆桿的整體長度增加，使得鉆桿的整體剛度降低，固有頻率減小，因此轉速的變化極易引起鉆桿的共振。

DC-DC技術是電能變換的重要形式,廣泛應用于各種電子、電器設備領域[1]。在直流電機驅動、不間斷電源、航空航天電源、太陽能風能發電領域有廣泛應用。直流變換電路拓撲眾多,最基本的是Buck和 Boost電路,廣泛應用的如反激電路等[2-6]。

DR5800樁頂鉆機最大回轉速度 15r/min，因此激勵源頻率 f=15/60=0.25，模態分析結果如表2所示，一階模態如圖11所示，可知鉆桿激勵源頻率遠離鉆桿各階模態，故鉆桿無發生共振的風險。數據中鉆桿振動頻率出現兩兩相近的情況，這主要是因為所建模型軸對稱，其在對稱平面出現2種相同振型。

圖11 一階模態Fig.11 First-order modes

3.3 鉆桿屈曲分析

鉆進過程中，鉆桿處于受壓狀態，限制鉆桿變形的穩定器支撐在井壁上，受到摩擦力。鉆桿在較小壓力作用下可以保持穩定，但當巖層較硬，壓力增大到一定程度時，鉆桿容易發生彎曲失穩，甚至折斷。由于鉆孔直徑(D=5800mm)與鉆桿直徑(d=380mm)相差很大，在加壓運轉過程中，易引起鉆桿失穩破壞。為保證鉆桿穩定運行，需根據實際工況增設穩定器，支撐在井壁上。

表2 模態分析結果匯總Tab.2 Summary of modal analysis results

利用能量法推導鉆桿在同時承受壓力、扭矩、重力作用下的臨界壓力方程如下[3]：

式中：F—臨界壓力；E—彈性模量；I—界面慣性矩；l—鉆桿長度；m—鉆桿質量；T—扭矩；G—切邊模量；δ—穩定器與樁的間距。

可見隨著鉆深的增加，臨界壓力值呈減少趨勢。因此有必要在不同鉆深工況下，討論鉆桿穩定性問題。

利用 Solidworks Simulation的屈曲分析模塊分析不同鉆桿長度下的臨界載荷如圖12，可知鉆桿長度約為40m時，載荷因子小于2，此時有必要增加穩定器，穩定器結構如圖13所示。

下面的分析中，在鉆桿長度為 30m 時，增加穩定器，分析可知增加穩定器后 63m 長鉆桿屈曲載荷因子為 2.3138，可滿足工作要求，分析結果如圖14。隨著鉆進長度的增加，在豎直鉆桿上間隔布置穩定器，主要有 2個作用：導向作用，保證鉆具系統在鉆孔過程中保持一定的方向；增加鉆桿剛度，限制鉆桿變形，從而減小鉆桿失穩屈曲變形的可能性。

圖12 鉆桿長度與載荷因子關系Fig.12 Relationship between length of drill pipe and load factor

圖13 穩定器支撐圖Fig.13 Stabilizer support diagram

圖14 屈曲分析結果Fig.14 Result of buckling analysis

3.4 鉆桿疲勞分析

大量工程實踐表明，構件在交變應力長期作用下，即使其最大工作應力低于材料的強度極限，甚至低于屈服極限，也常會在沒有明顯塑性變形的情況下突然發生斷裂破壞。由于這種破壞經常發生在構件長期運轉后，故稱為疲勞破壞。鉆桿系統處于正壓力及扭矩的交變應力作用下，工作周期長，鉆桿易發生疲勞破壞。

本文采用恒幅載荷下的有限壽命設計。額定扭矩為對稱循環交變應力，R=-1，工作時間占比 80%，50%扭矩工作時間占比 20%，安全系數 1.34；正壓力為脈動循環交變應力，R=0，安全系數1.34。疲勞分析結果表明，由于模型中的交變應力始終小于 S-N曲線值的最小值，如圖15所示，鉆桿并無產生疲勞破壞，分析結果如圖16所示。

圖15 42CrMo S-N曲線Fig.15 42CrMo S-N curve

圖16 疲勞分析結果Fig.16 Results of fatigue analysis

4 結論及展望

文中分析了主流鉆桿的類型，總結不同類型鉆桿的優缺點。分析鉆桿工況，將鉆桿工況分為正常工作狀態和卡阻工作狀態，最后在不同工況下分別進行了靜力分析、頻率分析、屈曲分析、疲勞分析，確定鉆桿結構滿足工況要求。

由于樁頂鉆機的工況復雜，本文的分析仍有許多技術需要進一步研究：

①疲勞分析中的 S-N曲線數值是根據《機械工程材料性能數據手冊》中φ120熱軋棒材在99.9%存活率下的缺口式樣數據編制，試驗棒材與本項目的鉆桿系統有較大差別，因此準確的 S-N曲線數據需要進一步通過試驗獲得。

②本文的分析未考慮泥漿對鉆桿的沖刷腐蝕，這是以后需要進一步研究的，另外對于特殊工況的把握尚未掌握充足的理論基礎，例如在塌方特殊情況下，鉆桿如何保證強度穩定性問題也需要進一步研究。