浅谈PDC锚杆钻头失效原因及改进对策①

刘祖建

（桂林金刚石工业有限公司，广西桂林541199）

浅谈PDC锚杆钻头失效原因及改进对策①

刘祖建

（桂林金刚石工业有限公司，广西桂林541199）

近年来，以聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）为切削刃的新型锚杆钻头发展迅速，逐步取代了传统的锚杆钻头，但是作为新兴的发展迅速的地质钻探工具，PDC锚杆钻头也出现了良莠不齐、质量不稳定的现象，PDC锚杆钻头的制造和使用也缺乏针对性的系统研究和理论指导。文章对长期以来PDC锚杆钻头在使用过程中的各种失效现象进行了总结和系统的分析，并有针对性的提出了改进的对策。

聚晶金刚石复合片；锚杆钻头；失效；改进

早期锚杆钻头的切削齿往往采用硬质合金制成［1］，为了提高速度，锚杆钻头两翼上的刃尖与旋转中心不对称，有一点偏心差，普通硬质合金的岩石钻头主要适用于页岩、砂页岩及部分砂岩（磨蚀性不高的砂岩），寿命为30m左右。高于常规钻头价格50%的国产优质合金钻头，可以钻进抗压强度60～80MPa的中等磨蚀性岩石，寿命可达25～30m。但由于合金在钻进中会迅速钝化，钻进的速度也不理想。而近年来，锚杆钻头由于切削部分采用新型超硬材料金刚石复合片制作，寿命大大增加，钻进效率也明显提高。

聚晶金刚石复合片（PDC）既有金刚石耐磨性高的特点，也有硬质合金抗冲击韧性强的优点［2］，用它制作的钻头在软～中硬岩层中寿命长、效率高。我国已广泛将PDC用于制作地质和石油钻头，但在锚杆钻头制作方面与美、英等发达国家相比，还有相当差距。与地质钻头相比，锚杆钻头直径小，有其独特的布齿方式；工作条件不同，对钻头体强度及焊接强度要求更高。

国内生产PDC锚杆钻头上采用的是中低端复合片，这种复合片基本上只能满足最低磨耗比的性能要求，而对于小钻头方面占主要失效因素的抗冲击性能问题没有得到应有的重视，或是限制于成本和技术，没有得以解决，所以在实际使用时，在软地层（f值在6左右）上，较好的PDC锚杆钻头能够达到硬质合金钻头寿命的10倍左右［3］，但是随着可钻性系数上升，钻头失效迅速加快，在f大于10的地层上，PDC锚杆钻头甚至由于崩刃而根本不能使用。

2 PDC主要失效形式

金刚石复合片钻头的工作条件极为苛刻，PDC在工作中不但承受巨大的压力，同时还承受交变的冲击力，各种力的复合作用导致切削过程中的摩擦异常激烈。在具体使用过程中，由于地质条件复杂、人工操作、工艺处理等方面存在着不规范之处，使PDC的优势未能很好地发挥出来，造成不该有的损失。笔者长期深入锚杆钻头使用的现场并大量回收了钻探中失效的钻头，并做了大量的系统分析工作，发现PDC主要失效形式有如下三类：

2.1 宏观破裂

宏观破裂一般表现为PCD层的破裂，其主要原因是锚杆钻头在钻进过程中遇到硬质岩石或岩性变化较大的岩层时，受到较大的交变冲击，又由于轴向力和水平切削力的联合作用、钻机振动、钻具与孔壁的摩擦等因素的影响，使PDC在短时间内承受超负载荷而导致PCD层破裂，致整个锚杆钻头报废。图1所示为锚杆钻头PCD层宏观破裂及断裂的几种情况。

图1 锚杆钻头复合片PCD层破裂（a，b）和断裂（c）Fig.1 Rupture（a，b）and fracture（c）of PCD layer

2.2 PCD层与硬质合金层的分离

图2所示为PCD层与硬质合金层的分离形貌，导致的主要原因是PCD复合层的工艺技术不够成熟和稳定，PCD层与硬质合金的附着力较差，从而造成PCD薄膜过早地从硬质合金层上剥离而失效，极大降低了PDC钻头的使用寿命和切削性能。

2.3 脱焊

PCD的焊接工艺性差，且各种参数控制要求高，操作中稍有不慎便可导致PCD层在使用过程中的脱焊，致使整个钻头报废。

图2 PCD层与硬质合金层的分离ig.2 The separation between PCD layer and hard alloy layer

3 分析和讨论

经过系统分析，锚杆钻头产生如上失效的主要原因及解决存在问题的对策如下：

3.1 设计不合理

图3所示为PCD锚杆钻头的布齿参数，由图可知PDC齿在空间的方向由以下3个方向参量确定。法向角γ指PDC齿的方向基准线与钻头中心线的夹角；齿前角α指PDC齿的方向基准线与切削齿工作平面之间的夹角；侧转角β指过中心点和钻头中心线的平面与切削齿工作平面之间的夹角。以上3个参数是由钻头结构确定的，其中法向角取决于钻头冠部形状和径向布置，而齿前角和侧转角由切削齿工作角度设计确定。在锚杆钻头的参数优化设计方面，有研究表明，齿前角和侧转角对钻头的寿命和效率有最大的影响，必须根据钻进地层的特点进行优化设计。在市场上，有些厂家为了提高钻头寿命，设计了大于35°的齿前角，极大地影响了钻进的效率，甚至根本不进尺，反之，如果设计了较小的齿前角，钻头的寿命往往也不够理想，PDC切削刃容易出现崩齿，金刚石层大块脱落的现象。因此，钻头厂家应该按照参数优化设计的方案，选择适中的齿前角和侧转角，而不是盲目的随意进行修改。

图3 PDC锚杆钻头布齿参数示意图Fig.3 The parameters of PDC anchor bits

3.2 原材料质量低劣

锚杆钻头生产的主要原材料有复合片、钢体和焊料。很多钻头厂家为了降低成本采用了劣质的原材料，在恶劣的工况条件下，这些钻头很快就会失效。

首先是复合片的质量，作为钻头的切削刃，复合片的质量在很大程度上决定了钻头的质量。例如，钻探中PCD层与硬质合金层分离，俗称“脱层”就是最典型的复合片质量问题；而有些劣质的复合片磨耗比极低，PCD层很快磨损，表现为钻头不耐用；有些复合片在使用时PCD层容易破碎，如图1所示，这也可能是复合片的质量问题。但是需要注意的是，复合片的磨损过快和破碎也可能是由于焊接工艺不当造成的。

其次是钻头钢体的选择，锚杆钻头应该选择优质的合金钢来制造，如35Cr，40Cr等，如果采用普通的材料制作，很可能由于钢体自身快速的磨损而导致钻头的失效。

最后是焊料的选择，在复合片的焊接中，一般要求使用银钎焊，成本较高，为了降低成本，有极少数的厂家采用了不合格的银焊料，甚至是铜焊料，由于这些焊料本身的熔点远远高于标准的银焊料，在焊接时很容易造成复合片的热损坏，另外，不合格的焊料也会造成虚焊，或是焊接强度不够等问题。

3.3 焊接工艺不正确

PDC与钻头体的焊接强度是影响较硬岩层钻进用PDC钻头的质量关键，由于PDC的底衬是硬质合金，薄层金刚石是经特殊工艺复合在硬质合金基体上的，PDC的焊接实质上是硬质合金与钢体或胎体的焊接。它是用钎焊的方法将PDC焊接在钻头体上。可通过以下措施提高PDC的焊接强度：

（1）采用先进的可控性强的高频感应钎焊或真空钎焊工艺，由于锚杆钻头体型小，升温快，在焊接时要注意温度的控制，采用专用的小功率焊机，升温速度相对较慢，工人在生产时容易控制。

（2）选用低熔点高强度的优质焊料、焊剂。要求对钻头体具有良好的浸润性和可焊性，焊接温度必须符合复合片允许的极限温度（一般＜700℃），焊料抗氧化性能好，焊剂除氧化性强、排气性好外，对钎缝有保护作用。

（3）采用合适的PDC片预处理技术，如镀Ni、Ni－Co、Ni－W等方法，以增强PDC的可焊性。

（4）焊接各工序采用合理的处理工艺。焊前准备可采用特殊的喷砂工艺处理焊接面并彻底清洗干净，焊接面平面度要好，不得有毛刺；焊接时，注意让PDC在空位上移动，使焊料充分流动并排气，并不停加入焊丝，使PDC周围焊料充分，焊缝饱满；焊接结束后，应进行热处理以消除内应力。

3.4 使用不当

PDC是一种超硬材料，不管复合片的质量如何优良，PCD层总具有一定的脆性，所以在使用时应注意尽量避免PDC刃口的人为破坏，尤其是开钻凿眼要尽量避免造成剧烈的碰撞；软岩中钻进压力不宜过大，以避免钻成螺旋孔壁和糊钻；而在较破碎的岩层中，压力也不宜过大，以避免卡钻造成钻孔报废；应经常检查钻杆、接头、丝扣的磨损，发现问题及时更换；钻进过程中听见不正常声响，应及时检查；新钻头使用时应采用比正常钻进规程小的参数

4 结语

总之，PDC锚杆钻头作为锚杆钻头的新秀受到了市场越来越多的青睐，并且由于进入的技术和资金门槛低，大量的作坊式工厂蜂拥而起，这些厂家打着自己或是假冒的名牌，生产了大量的劣质的产品，不仅造成了正规厂家和钻头使用者的损失，也大量浪费了资源，而通过对钻头失效原因的了解和分析，能够更好的选择优质的产品并最大的实现其价值，这有利于保证稳定高效的生产和资源的节约、环境的友好。

［1］ 刘礼智.Φ27、28锚杆钻头的研制与使用［J］.金属矿山，1987（7）：58.

［2］ 刘向东，屈钧利.锚杆PDC钻头主要几何参数的优化研究［J］.煤矿机械，2010（1）：29－31.

［3］ 张菁.PDC抗冲击性能及结构参数优化研究［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

锚杆支护是有利于加快井巷掘进速度、提高顶板支护效果、降低支护劳动强度和减少支护材料消耗的先进技术，国外采煤技术先进国家的锚杆支护率往往超过80%，在我国，锚杆支护也是煤矿巷道支护的主要发展形式，譬如大同煤矿集团公司锚杆支护率超过50%，锚杆支护技术的发展需要大量锚杆孔钻进设备作保证，这主要有钻具和钻头两个方面。

与锚杆钻机配套的钻具，因破岩方式不同而不同，总的来说有回转类破岩钻具、冲击类破岩钻具以及回转冲击类破岩钻具。煤矿锚杆钻机多为回转式，所以回转式钻头也比较流行。为配合推广小直径树脂锚杆，多采用27～29mm的回转钻头，其结构类型多为两翼对称、两翼不对称和两翼连筋式。

2012－06－28

刘祖建（1958－），男，桂林金刚石工业有限公司技术开发部部长，工程师。E－mail:liuzujian1958＠163.com。