一体式非开挖钻杆镦锻工艺研究

曹 毅，贾丙军

（河北省地矿局第一地质大队，河北邯郸 056006）

0 引言

钻杆是一种尾部带有螺纹的钢管，用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提升、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。钻杆按加工方法可分为加厚型钻杆和加强型钻杆；按使用场合可区分为绳索取芯钻杆、非开挖钻杆、煤钻杆、锚固钻杆、地质钻杆、水井钻杆、石油钻杆等。加强型钻杆因其公母接头调质处理后，通过摩擦焊焊接成一体，使其适应钻孔环境的能力、使用寿命、钻孔效率都明显优于加厚型钻杆。

目前，国内加强型钻杆加工一般采用摩擦焊接方式，工序繁多，同时受操作者技术水平影响，加工质量不稳定。对此，尝试不通过摩擦焊接，直接将钻杆两端镦锻成公母接头，研究出一种一体式非开挖加强型钻杆镦锻工艺。

1 项目背景

钻杆一直是国内地质勘查、矿产开采、市政施工、管道建设的必用设备，市场前景广阔。根据加工方法区分为加厚型钻杆和加强型钻杆，加厚型钻杆一般用于孔浅、施工材质软的施工条件，具有生产成本低的优点，但其寿命、抗弯、抗压、抗扭的能力均低于加强型钻杆。加强型钻杆因其公母接头调质处理后，通过摩擦焊焊接成一体，使其综合力学性能大幅提升。河北省地矿局第一地质大队2008 年生产的加强型Φ71 mm 绳索取芯钻杆，在云南某地进行钻孔施工时，创下了当时同类规格钻杆钻孔深度2860 m 的国内新记录。

加强型钻杆为保证焊接强度，通常需要对钻杆进行镦厚加工，以扩大焊接面积，同时采用金属摩擦焊机对加工好的钻杆、公母接头进行摩擦焊接，从而达到良好的使用效果。但采用此种加工工艺成本会有所提高。首先需花数十万或者上百万购买摩擦焊设备；其次是焊接完后，需对焊接过程中产生的飞边进行热处理和车削，增加生产成本和人员投入；再者，焊接过程存在偏心、焊接不牢的现象，加工质量不易保证，同时因钻杆体未进行热处理，其力学性能大幅低于两端接头，造成杆体易损坏。

目前，国内非开挖钻杆一直采用摩擦焊焊接方式。因此针对非开挖钻杆研发一种端部镦锻加厚一体式钻杆加工工艺。该工艺可直接将钻杆两头镦锻为公母接头粗车尺寸，镦锻完成后，将钻杆整体热处理，大幅提升钻杆的综合力学性能，解决目前加强型钻杆加工质量不易保证、工序繁多、成本高、杆体性能不佳等问题。

2 设计思路

通常，加厚钻杆生产工艺只应用于绳索取芯钻杆和水井钻杆，杆体镦粗后变化不大或内孔要求不严。非开挖钻杆接头一直采用圆钢下料、钻床钻孔、粗车精车的工艺，因此不仅要求镦锻变形量大，对成型质量也有严格要求。设计镦锻公接头一端要求内孔从Φ49 mm 镦锻成Φ17 mm，同时要求成型长度达到105 mm；母接头一端要求镦成两个1∶8 的锥度孔，同时要求成型长度达到115 mm。非开挖钻杆采用此种加工工艺具有一定的难度，镦锻变形量大，不易成功，这也是多年来国内鲜有采用此种加工工艺的原因。

该工艺难点在于保证钻杆体在镦锻机的镦锻工作下，完成内孔高质量成型，同时保证同轴度良好。根据成型尺寸计算得出镦锻变形量和钻杆加热长度，设计出成型模套内孔尺寸Φ74.5 mm、长度200 mm，母接头挤压芯子按照图纸要求加工成两个1∶8 的锥度外圆，公接头挤压芯子加工成Φ17 mm、长度180 mm，保证足够的定位长度，公母接头挤压芯子顶锻位置都成Φ74 mm，选用YDG200 型镦管机进行镦锻。

3 初次镦锻

由于工件压缩变形量大，镦锻过程中易出现褶皱、凹坑、偏心、长度不够等镦锻缺陷，合理的加热工艺尤为关键，必须确保工件镦锻部位加热均匀透彻，方能达到高质量镦锻效果。因此编写加热程序为：启动加热程序50 s，钻杆体温度加热至750 ℃保温45 s；二次加热90 s，钻杆体加热至1140 ℃二次保温60 s，选用100 kW 中频加热炉作为加热设备。中频炉配有温控模块和红外线温度感应探头，可根据工件温度变化调整加热功率。

按照理论加热长度320 mm 对钻杆体进行加热，同时调整镦管机夹紧压力为15 MPa，顶锻压力为15 MPa，进行第一次镦锻试验。启动镦管机，对加热好的钻杆快速进行镦锻。镦锻完成后检查钻杆两端，公母接头部位成型良好，成型尺寸符合图纸要求。但在镦锻3 支钻杆后，挤压芯子出现严重变形，不能继续进行镦锻加工（图1）。

图1 出现严重变形的挤压芯子

通常一支挤压芯子需要通过下料、粗车、二次调质、精车、精磨、铣槽，方能达到使用条件，整个加工周期需要1 个月。显然，重新加工新的挤压芯子不现实，同时挤压芯子易变形的问题并没有得到很好的解决，极有可能耗时1 个月加工好的挤压芯子，镦锻几支后又会出现严重变形，加工陷入停滞之中。

4 分析改进

出现严重变形的挤压芯子为公接头端，该芯子定位部分长度180 mm，直径只有17 mm，在镦锻过程中因为直径太细，极易和加热好的钻杆一起升温，造成金属组织改变而失去热处理效果，同时，在冷却过程中又会快速变冷造成变形，因此镦锻几支后就会出现弯曲、断裂等现象。

镦锻过程一直是冷热循环，挤压芯子出现磨损不可避免，但通常也是镦锻几千支钻杆后才会更换挤压芯子，此次镦锻刚完成3 支，若按镦锻几支就更换一次挤压芯子，显然此工艺不适用于非开挖钻杆加工。芯子直径细和长度长是变形严重的首要原因，但要保证公接头端的成型尺寸，就必须采用此规格的挤压芯子。

仔细观察出现严重变形的挤压芯子，发现出现严重变形的只有定位部分，其他地方均完好无损，只要能解决这一部分的问题，镦锻工作就能继续进行。为完成镦锻任务，根据多年的加工经验，不断摸索、大胆尝试，创造性地设计出一种舍弃式挤压芯子。

舍弃式挤压芯子专门针对镦锻易变形的部位，加工多个配件，通过螺纹与挤压芯子连接，当出现严重变形时，只需换上新的配件即可，无需进行挤压芯子整体加工（图2）。通过对配件螺纹部位加工出过渡圆弧和定位台阶，配件与挤压芯子连接后，与整体式挤压芯子几乎无异。同时，将公接头端镦锻工作设计成两道次镦锻，先将钻杆体镦锻成锥形孔，再用挤压芯子镦锻成型，进一步减轻镦锻过程中对挤压芯子的损伤。

图2 舍弃式挤压芯子配件

5 二次镦锻

将出现严重变形的挤压芯子定位部分切除掉，在车床上进行钻孔、螺纹、定位台阶的加工，选取经过热处理的棒料加工出一道挤压芯子配件和二道挤压芯子配件各1 件，与先前剩余的挤压芯子相配合。

启动中频加热设备对工件进行加热，考虑到当时为冬季，作业环境温度较低，应适当提高镦锻温度和保温时间，因此编写加热程序为启动加热程序50 s，钻杆体温度加热至750 ℃，保温60 s；二次加热90 s，钻杆体加热至1180 ℃二次保温90 s，同时用红外测温枪测量工件加热部位温度，待加热程序结束时，通过测量得出工件加热部位前端温度为1180 ℃，后端温度为1135 ℃，前后温度均符合镦锻要求。

将第一道次挤压芯子配件安装到YDG200 镦管机上，连续镦锻10 支钻杆，钻杆成型良好，挤压芯子无明显变形、损伤。不用拆装挤压芯子直接更换第二道次挤压芯子，将已完成第一道次的10 支钻杆连续镦锻，测量镦锻后钻杆体尺寸，均符合图纸要求，同时挤压芯子使用良好，钻杆镦锻试验成功（图3）。

图3 镦锻前后对比

6 连续镦锻

选取热处理后的棒料加工出一道挤压芯子配件和二道挤压芯子配件各5 件，配件一旦出现变形、裂痕，立刻更换新的配件，对本次合同1200 支钻杆进行连续镦锻。整个镦锻工作完成后，仅更换一道次配件1 次，二道次配件3 次，每次更换配件均在20 min 内完成。1200 支钻杆镦锻完成后，检查钻杆两头成型质量，均符合图纸要求，同时挤压芯子未出现变形、损伤，可继续镦锻使用。钻杆进行热处理后，直接精车两端螺纹即可完成全部加工。后期合同继续采用该工艺进行镦锻加工，已连续镦锻非开挖钻杆2500 支。已完成2500 支钻杆镦锻的舍弃式挤压芯子见图4。

图4 已完成2500 支钻杆镦锻的舍弃式挤压芯子

7 结语

一体式非开挖钻杆镦锻工艺的研究成功，解决了目前非开挖钻杆存在的起步门槛高、后期工序繁多、浪费资源、焊接质量不稳定、钻杆接头和钻杆体力学性能不匹配等问题。非开挖钻杆采用此工艺加工后，在保证良好整体性的同时，生产成本较改进前降低30%，整体热处理后，钻杆使用寿命也会大幅延长。

创新是前进的动力，机械生产需要在日常生产中不断摸索改进，从而提高生产效率和加工水平。此次镦锻成功，使非开挖钻杆加工工艺向前迈进了一步。舍弃式挤压芯子大大降低挤压芯子的研发成本，相对于原设计，操作便利，只需要更换配件即可，更换配件的时间仅需20 min，有效保证镦锻加工顺利进行。通过对2500 支钻杆的镦锻工作进行统计，该技术将挤压芯子加工周期从21 d 缩短到4 h，同时原材料使用仅为原来的1/10。该技术值得推广其他规格钻杆、二氧化碳致裂器的镦锻加工，以进一步降低生产成本，提高生产效率。