一體式非開挖鉆桿鐓鍛工藝研究

曹 毅，賈丙軍

（河北省地礦局第一地質大隊，河北邯鄲 056006）

0 引言

鉆桿是一種尾部帶有螺紋的鋼管，用于連接鉆機地表設備和位于鉆井底端鉆磨設備或底孔裝置。鉆桿的用途是將鉆探泥漿運送到鉆頭，并與鉆頭一起提升、降低或旋轉底孔裝置。鉆桿必須能夠承受巨大的內外壓、扭曲、彎曲和振動。鉆桿按加工方法可分為加厚型鉆桿和加強型鉆桿；按使用場合可區分為繩索取芯鉆桿、非開挖鉆桿、煤鉆桿、錨固鉆桿、地質鉆桿、水井鉆桿、石油鉆桿等。加強型鉆桿因其公母接頭調質處理后，通過摩擦焊焊接成一體，使其適應鉆孔環境的能力、使用壽命、鉆孔效率都明顯優于加厚型鉆桿。

目前，國內加強型鉆桿加工一般采用摩擦焊接方式，工序繁多，同時受操作者技術水平影響，加工質量不穩定。對此，嘗試不通過摩擦焊接，直接將鉆桿兩端鐓鍛成公母接頭，研究出一種一體式非開挖加強型鉆桿鐓鍛工藝。

1 項目背景

鉆桿一直是國內地質勘查、礦產開采、市政施工、管道建設的必用設備，市場前景廣闊。根據加工方法區分為加厚型鉆桿和加強型鉆桿，加厚型鉆桿一般用于孔淺、施工材質軟的施工條件，具有生產成本低的優點，但其壽命、抗彎、抗壓、抗扭的能力均低于加強型鉆桿。加強型鉆桿因其公母接頭調質處理后，通過摩擦焊焊接成一體，使其綜合力學性能大幅提升。河北省地礦局第一地質大隊2008 年生產的加強型Φ71 mm 繩索取芯鉆桿，在云南某地進行鉆孔施工時，創下了當時同類規格鉆桿鉆孔深度2860 m 的國內新記錄。

加強型鉆桿為保證焊接強度，通常需要對鉆桿進行鐓厚加工，以擴大焊接面積，同時采用金屬摩擦焊機對加工好的鉆桿、公母接頭進行摩擦焊接，從而達到良好的使用效果。但采用此種加工工藝成本會有所提高。首先需花數十萬或者上百萬購買摩擦焊設備；其次是焊接完后，需對焊接過程中產生的飛邊進行熱處理和車削，增加生產成本和人員投入；再者，焊接過程存在偏心、焊接不牢的現象，加工質量不易保證，同時因鉆桿體未進行熱處理，其力學性能大幅低于兩端接頭，造成桿體易損壞。

目前，國內非開挖鉆桿一直采用摩擦焊焊接方式。因此針對非開挖鉆桿研發一種端部鐓鍛加厚一體式鉆桿加工工藝。該工藝可直接將鉆桿兩頭鐓鍛為公母接頭粗車尺寸，鐓鍛完成后，將鉆桿整體熱處理，大幅提升鉆桿的綜合力學性能，解決目前加強型鉆桿加工質量不易保證、工序繁多、成本高、桿體性能不佳等問題。

2 設計思路

通常，加厚鉆桿生產工藝只應用于繩索取芯鉆桿和水井鉆桿，桿體鐓粗后變化不大或內孔要求不嚴。非開挖鉆桿接頭一直采用圓鋼下料、鉆床鉆孔、粗車精車的工藝，因此不僅要求鐓鍛變形量大，對成型質量也有嚴格要求。設計鐓鍛公接頭一端要求內孔從Φ49 mm 鐓鍛成Φ17 mm，同時要求成型長度達到105 mm；母接頭一端要求鐓成兩個1∶8 的錐度孔，同時要求成型長度達到115 mm。非開挖鉆桿采用此種加工工藝具有一定的難度，鐓鍛變形量大，不易成功，這也是多年來國內鮮有采用此種加工工藝的原因。

該工藝難點在于保證鉆桿體在鐓鍛機的鐓鍛工作下，完成內孔高質量成型，同時保證同軸度良好。根據成型尺寸計算得出鐓鍛變形量和鉆桿加熱長度，設計出成型模套內孔尺寸Φ74.5 mm、長度200 mm，母接頭擠壓芯子按照圖紙要求加工成兩個1∶8 的錐度外圓，公接頭擠壓芯子加工成Φ17 mm、長度180 mm，保證足夠的定位長度，公母接頭擠壓芯子頂鍛位置都成Φ74 mm，選用YDG200 型鐓管機進行鐓鍛。

3 初次鐓鍛

由于工件壓縮變形量大，鐓鍛過程中易出現褶皺、凹坑、偏心、長度不夠等鐓鍛缺陷，合理的加熱工藝尤為關鍵，必須確保工件鐓鍛部位加熱均勻透徹，方能達到高質量鐓鍛效果。因此編寫加熱程序為：啟動加熱程序50 s，鉆桿體溫度加熱至750 ℃保溫45 s；二次加熱90 s，鉆桿體加熱至1140 ℃二次保溫60 s，選用100 kW 中頻加熱爐作為加熱設備。中頻爐配有溫控模塊和紅外線溫度感應探頭，可根據工件溫度變化調整加熱功率。

按照理論加熱長度320 mm 對鉆桿體進行加熱，同時調整鐓管機夾緊壓力為15 MPa，頂鍛壓力為15 MPa，進行第一次鐓鍛試驗。啟動鐓管機，對加熱好的鉆桿快速進行鐓鍛。鐓鍛完成后檢查鉆桿兩端，公母接頭部位成型良好，成型尺寸符合圖紙要求。但在鐓鍛3 支鉆桿后，擠壓芯子出現嚴重變形，不能繼續進行鐓鍛加工（圖1）。

圖1 出現嚴重變形的擠壓芯子

通常一支擠壓芯子需要通過下料、粗車、二次調質、精車、精磨、銑槽，方能達到使用條件，整個加工周期需要1 個月。顯然，重新加工新的擠壓芯子不現實，同時擠壓芯子易變形的問題并沒有得到很好的解決，極有可能耗時1 個月加工好的擠壓芯子，鐓鍛幾支后又會出現嚴重變形，加工陷入停滯之中。

4 分析改進

出現嚴重變形的擠壓芯子為公接頭端，該芯子定位部分長度180 mm，直徑只有17 mm，在鐓鍛過程中因為直徑太細，極易和加熱好的鉆桿一起升溫，造成金屬組織改變而失去熱處理效果，同時，在冷卻過程中又會快速變冷造成變形，因此鐓鍛幾支后就會出現彎曲、斷裂等現象。

鐓鍛過程一直是冷熱循環，擠壓芯子出現磨損不可避免，但通常也是鐓鍛幾千支鉆桿后才會更換擠壓芯子，此次鐓鍛剛完成3 支，若按鐓鍛幾支就更換一次擠壓芯子，顯然此工藝不適用于非開挖鉆桿加工。芯子直徑細和長度長是變形嚴重的首要原因，但要保證公接頭端的成型尺寸，就必須采用此規格的擠壓芯子。

仔細觀察出現嚴重變形的擠壓芯子，發現出現嚴重變形的只有定位部分，其他地方均完好無損，只要能解決這一部分的問題，鐓鍛工作就能繼續進行。為完成鐓鍛任務，根據多年的加工經驗，不斷摸索、大膽嘗試，創造性地設計出一種舍棄式擠壓芯子。

舍棄式擠壓芯子專門針對鐓鍛易變形的部位，加工多個配件，通過螺紋與擠壓芯子連接，當出現嚴重變形時，只需換上新的配件即可，無需進行擠壓芯子整體加工（圖2）。通過對配件螺紋部位加工出過渡圓弧和定位臺階，配件與擠壓芯子連接后，與整體式擠壓芯子幾乎無異。同時，將公接頭端鐓鍛工作設計成兩道次鐓鍛，先將鉆桿體鐓鍛成錐形孔，再用擠壓芯子鐓鍛成型，進一步減輕鐓鍛過程中對擠壓芯子的損傷。

圖2 舍棄式擠壓芯子配件

5 二次鐓鍛

將出現嚴重變形的擠壓芯子定位部分切除掉，在車床上進行鉆孔、螺紋、定位臺階的加工，選取經過熱處理的棒料加工出一道擠壓芯子配件和二道擠壓芯子配件各1 件，與先前剩余的擠壓芯子相配合。

啟動中頻加熱設備對工件進行加熱，考慮到當時為冬季，作業環境溫度較低，應適當提高鐓鍛溫度和保溫時間，因此編寫加熱程序為啟動加熱程序50 s，鉆桿體溫度加熱至750 ℃，保溫60 s；二次加熱90 s，鉆桿體加熱至1180 ℃二次保溫90 s，同時用紅外測溫槍測量工件加熱部位溫度，待加熱程序結束時，通過測量得出工件加熱部位前端溫度為1180 ℃，后端溫度為1135 ℃，前后溫度均符合鐓鍛要求。

將第一道次擠壓芯子配件安裝到YDG200 鐓管機上，連續鐓鍛10 支鉆桿，鉆桿成型良好，擠壓芯子無明顯變形、損傷。不用拆裝擠壓芯子直接更換第二道次擠壓芯子，將已完成第一道次的10 支鉆桿連續鐓鍛，測量鐓鍛后鉆桿體尺寸，均符合圖紙要求，同時擠壓芯子使用良好，鉆桿鐓鍛試驗成功（圖3）。

圖3 鐓鍛前后對比

6 連續鐓鍛

選取熱處理后的棒料加工出一道擠壓芯子配件和二道擠壓芯子配件各5 件，配件一旦出現變形、裂痕，立刻更換新的配件，對本次合同1200 支鉆桿進行連續鐓鍛。整個鐓鍛工作完成后，僅更換一道次配件1 次，二道次配件3 次，每次更換配件均在20 min 內完成。1200 支鉆桿鐓鍛完成后，檢查鉆桿兩頭成型質量，均符合圖紙要求，同時擠壓芯子未出現變形、損傷，可繼續鐓鍛使用。鉆桿進行熱處理后，直接精車兩端螺紋即可完成全部加工。后期合同繼續采用該工藝進行鐓鍛加工，已連續鐓鍛非開挖鉆桿2500 支。已完成2500 支鉆桿鐓鍛的舍棄式擠壓芯子見圖4。

圖4 已完成2500 支鉆桿鐓鍛的舍棄式擠壓芯子

7 結語

一體式非開挖鉆桿鐓鍛工藝的研究成功，解決了目前非開挖鉆桿存在的起步門檻高、后期工序繁多、浪費資源、焊接質量不穩定、鉆桿接頭和鉆桿體力學性能不匹配等問題。非開挖鉆桿采用此工藝加工后，在保證良好整體性的同時，生產成本較改進前降低30%，整體熱處理后，鉆桿使用壽命也會大幅延長。

創新是前進的動力，機械生產需要在日常生產中不斷摸索改進，從而提高生產效率和加工水平。此次鐓鍛成功，使非開挖鉆桿加工工藝向前邁進了一步。舍棄式擠壓芯子大大降低擠壓芯子的研發成本，相對于原設計，操作便利，只需要更換配件即可，更換配件的時間僅需20 min，有效保證鐓鍛加工順利進行。通過對2500 支鉆桿的鐓鍛工作進行統計，該技術將擠壓芯子加工周期從21 d 縮短到4 h，同時原材料使用僅為原來的1/10。該技術值得推廣其他規格鉆桿、二氧化碳致裂器的鐓鍛加工，以進一步降低生產成本，提高生產效率。