复合载荷作用下矿用定向钻杆接头的三维力学特性分析

煤矿钻杆在严苛的服役环境和复杂的受力状态下易失效,不仅影响正常生产,而且还因打捞困难致使事故恶化。针对上述问题,以煤矿?73 mm外平定向钻杆为研究对象,对不同载荷下钻杆接头进行了受力分析,并通过单轴拉伸试验获得了接头材料的力学性能参数,构建了接头材料的本构模型。在此基础上,应用虚功原理、Von Mises屈服准则和接触非线性理论建立了钻杆接头螺纹的弹塑性有限元分析模型,分析了不同工况载荷作用下接头部位的受力状态及应力场分布规律。研究结果表明：在预紧扭矩为2000 N·m时,该钻杆接头具有良好的密封性能和联接强度;单扭和拉扭载荷下,靠近主台肩的第一螺纹牙为主要失效部位;在压、弯、扭载荷下,主台肩为主要失效部位;在钻机最大扭矩与推进力的作用下,接头的抗弯能力达到3°/3 m。     

高强度绳索取芯钻杆接头螺纹强度分析

绳索取芯钻杆壁薄,坑道水平孔施工时,受重力影响,易振动,钻杆与孔壁摩擦造成钻杆损坏。新研制的高强度绳索取芯钻杆采用杆体与公、母接头焊接的结构形式,公、母接头加厚来提高强度。针对钻杆的接头螺纹部位易损坏的现状,建立公、母接头的轴对称分析模型,经过网格划分、约束、载荷的添加和数据分析,得到钻杆在拉扭、压扭载荷作用下应力分布情况,分析结果显示,钻杆公、母接头强度满足强度要求。     

大直径定向长钻孔用ф73mm钻杆接头设计及应用

针对煤矿井下大直径定向长钻孔施工时常规钻杆频繁发生断裂及粘扣等问题,分析了钻杆失效原因,通过优选接头材质并借鉴石油管接头的设计经验,开发出双顶结构接头及W-038R螺纹牙型,并利用有限元分析软件、室内试验及现场试验的方式依次对设计开发的W-038R螺纹接头和常规V-040螺纹接头进行对比,结果表明,工况加载条件下W-038R螺纹接头应力分布要明显优于V-040螺纹接头,前者可以满足使用要求,而后者会发生联接失效;室内静扭试验表明,设计的W-038R螺纹接头静扭能力可达22 000 Nm,是V-040螺纹接头1.5倍;现场试验表明,同等施工条件下,W-038R螺纹接头钻杆千米扩孔进尺钻具事故率约为V-040螺纹接头常规外平钻杆的18%。     

ф63.5mm外平钻杆接头抗扭强度数值分析

采用有限单元法对ф63.5mm外平钻杆接头的抗扭强度进行了数值分析,结果表明,该规格的钻杆接头能够承受的最大扭矩约为6 030 Nm,分析结果与试验结果一致。在此扭矩下,钻杆最大等效应力出现在公接头锥扣大端螺纹处,值为960.29 MPa,约等于钻杆材料的屈服强度960MPa。母接头此时的最大等效应力为801.9 MPa,位于母接头锥扣的小端螺纹处。分析结果合理地解释了在钻杆实际使用过程中公接头经常先断裂的原因。     

提高钻杆接头螺纹强度的有效方法研究

以接触非线性有限元理论为基础，建立了钻杆接头螺纹非线性有限元分析模型。运用大型通用有限元分析软件研究了钻杆接头螺纹外径对其强度的影响规律。研究结果表明，适当增大螺纹外径，可以有效改善接头螺纹内部的应力分布状态，接头螺纹整体强度提高约32％。     

深井中钻铤螺纹联接的强度研究

改进了文献〔１〕中的理论模型并利用一种修正的弹簧模型，通过对石油钻柱接头螺纹的受力分析，分别建立了上扣扭矩、轴向外载作用下螺纹载荷分布的计算模型，详细分析了螺纹载荷分布规律，指出了螺纹锥度、不同润滑脂的润滑所产生的摩擦系数、螺纹牙的弹性系数对螺纹联接的载荷分布规律的影响关系，给出了改善接头受力状态、减小应力集中的主要措施。还通过一种简单的力学模型得到了螺纹联接的极限轴向外载。     

螺旋槽定向钻杆螺纹强度分析

针对螺旋槽定向钻杆的螺纹联接处在使用过程中容易出现的强度失效问题,结合钻杆的受力特点,对其螺纹强度展开研究,建立了钻杆螺纹的三维模型,应用有限元法分析了钻杆分别在受扭矩、拉力、压力工况下,螺纹的应力分布规律。依据分析结果,提出了钻杆在工作条件下的薄弱位置。研究结果表明:在不同工况下,螺纹应力分布特点各不相同。螺纹的首尾两端是强度失效更可能发生的位置。     

摩擦系数对钻杆锥螺纹接头连接性能的影响

研究钻杆锥螺纹接头结构在施加载荷后的受力特点及变形情况,推导出了锥螺纹预紧力随螺纹端面摩擦系数与螺旋副之间摩擦系数变化关系式。建立了螺纹机构的接触有限元分析模型,分析了在多组摩擦系数影响下的连接螺纹最大等效应力变化;并找出了连接螺纹最大等效应力随摩擦系数的变化规律。结果表明,螺纹在受载时的最大等效应力对摩擦系数的变化相当敏感,从而为钻杆螺纹的合理设计和加工工艺提供了依据。     

高强度大通孔钻杆接头圆锥梯形螺纹的有限元分析及改进设计

结合钻杆的受力特点,对其螺纹参数展开研究,建立了接头圆锥梯形螺纹的三维模型,应用有限元法分析了接头螺纹在多种工况下的等效应力与接触应力分布规律;依据分析结果,提出了复合锥度设计与柱面结构密封的改进方案。研究结果表明,新设计有效地改善了内、外螺纹最后啮合处的应力集中,提高了螺纹密封性能。试验结果显示该接头的承载与密封性能达到了设计目标,完全满足煤矿井下定向钻进施工的需要。     

对钻杆螺纹过早松旷而报废的初步分析

钻杆螺纹除了起连接作用外，主要是传递扭矩。但频繁的拧、卸却是钻杆螺纹磨损的重要原因。欲延长钻杆螺纹的寿命，除了提高钻杆接头的材质、加工精度及热处理工艺之外，还必须有合理的螺纹公差值和公差范围。这些数值的大小决定着钻杆螺纹拧卸回     

基于ANSYS绳索取心钻杆和连接接头的应力分析

对绳索取心钻探施工的工况进行了分析,利用ANSYS软件对绳索取心钻杆以及连接接头的应力状态进行了三维模拟,提出了不同工况条件下,钻杆柱最大应力出现的位置。所得的结论对预防钻杆折断事故、优化接头螺纹设计、确定合理钻进参数有一定的参考意义。     

浅谈钻杆焊缝的质量

机钻杆是用无缝钢管和带螺纹的接头焊接而成的组合体（参见图１）。钻杆工作时要承受强大的轴向压力与回转扭矩，因此对焊缝有较高的质量要求。钻杆焊接要注意以下问题以确保焊接质量。１接头装配要到位无缝钢管与上下接头装配时螺纹一定要拧紧，使钢管端面与接头的端面密切接触。如未拧紧留有间隙，焊缝将难以承受钻进时强大的扭矩而开裂。２正确选配焊条钻杆焊接用焊条应根据钻杆的材质及载荷而选配：（ｌ）母材钻杆用无缝钢管一般为低炭或中炭钢（２０’、４５＊）等，接头一般为４５＃钢。中炭钢可焊性较差，容易形成裂纹；（２）钻杆载…     

煤矿定向钻杆接头螺纹应力集中性研究

煤矿定向钻杆使用载荷在远低于钻杆屈服强度的情况下依然经常发生钻杆断裂事故，经过事后分析发现煤矿定向钻杆螺纹应力集中是主要原因，这不仅影响正常生产而且还难以打捞，造成人力、财力的损失。采用非线性接触单元对螺纹配合面之间的接触建立有限元模型，不同类型的加载由拉压、纯预紧力和它们的组合组成应用于模型，通过分析得出了公接头和母接头的最大应力集中系数。     

组装工艺对铝合金钻杆性能的影响及自动化组装装置研制

为了满足日益增长的深部钻探对钻杆的性能要求,需要研制可以适应极端工况的轻质高强度钻杆。铝合金钻杆具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强等优点,但耐磨性和螺纹强度不足。在实际使用过程中,铝合金钻杆需配合钢接头一起使用,主要由钢接头承受拧卸力。目前国内外的铝合金钻杆组装技术主要有预扭矩法、热组装技术和冷组装技术。热组装技术在实际应用中表现出更适合深孔钻井铝合金钻杆的特性,但组装过程中的高温会降低铝合金杆体螺纹部位的强度。本文对铝合金钻杆杆体与钢接头热组装过程中的实际温度进行了测量试验,试验结果表明外冷却可以避免铝合金钻杆杆体螺纹部位较长时间处于较高温度,而内冷却可以使螺纹部位的最高温度降低25℃左右。对螺纹连接部位做轴向拉伸有限元分析,通过公式拟合得出螺纹根部最大应力与轴向拉力之间的关系,公式计算表明热组装过程中存在的高温会使铝合金钻杆最大轴向拉力下降约65 kN。由试验与模拟结果可见内外冷却机构对于热组装装置的重要性,作者结合前期工作,介绍一套全尺寸铝合金钻杆杆体和钢接头自动化过盈热组装装置的研制。     

YQ150A潜孔钻钻杆接头与轴承压盖的改造

武钢金山店铁矿王豹山露采车间岩石较硬,YQ150A型潜孔钻常出故障。最为突出的是回转机构的钻杆接头与减速器下面的轴承压盖的联接部位(见图)。原接头只靠6个M18的螺栓联接传递主钻杆扭矩,还承受一定的冲击应力。6个螺桂经常被切断、扭弯、损坏螺纹。螺栓消耗较大,特别是轴承压盖上的6个内螺纹孔易损坏,更换轴承压盖耽误工时,给生产带来一定影响。我们把轴承压盖与钻杆接头改用花键联接,即能定心,又能传递钻杆的全部扭矩。把     

复合载荷下外螺旋钻杆力学参数的仿真与分离

基于受压力、弯矩和转矩复合载荷下圆柱钻杆三参数的分离,提出了一种通过拟合修正得到复合载荷下外螺旋钻杆的压力、弯矩和转矩分离的新方法。与传统的单一分离弯矩和转矩或者压力和转矩相比,实现了对复杂结构外螺纹钻杆在复合载荷下压力、弯矩及转矩的分离。利用ANSYS软件对外螺旋钻杆进行有限元仿真分析,得到复合载荷下外螺旋钻杆的压力、弯矩和转矩的误差分别为0.41%、1.69%和0.0002%,从而验证了此种分离修正方法的可行性。该方法为分析复合载荷下外螺旋钻杆力学参数的分布提供了理论依据。     

“骨筋”特性仿生钻杆公接头断裂防掉技术

针对钻探施工过程中因钻杆公接头断裂导致的掉钻问题，基于仿生学原理，以动物“骨筋”结构为仿生原形，提出了“骨筋”特性仿生公接头技术，在公接头（骨）内孔设置自锁连杆（筋），形成骨筋复合双连接单元，满足了公接头螺纹部位正常施钻时承受载荷与断裂后保持轴向连接的双重要求，实现了“打断骨头连着筋”的效果；阐述了仿生公接头的工作原理，介绍了自锁连杆设计方法，对研制的?73 mm仿生钻杆进行了接头螺纹及内筋性能试验。结果表明：“骨筋”特性?73 mm仿生钻杆抗扭能力达到20.12 kN·m，抗拉能力达到1 444 kN，断裂位置均位于公接头螺纹大端，接头断裂后自锁连杆仍能保持钻杆轴向连接，实现了断裂防掉功能，抗拉能力达到384 kN，满足了提钻强度需求。     

KQ—150型潜孔钻机回转接头的修复

我国用于露天采矿的KQ型(YQ型)潜孔钻机的钻具由钻杆及冲击器等组成,其回转扭矩靠回转接头传递。回转接头前端的两个导向键,不仅起着与钻杆联接的功能,而且又是回转扭矩的主要承受者。在作业中,因岩石硬度、钻孔条件不同,该键所承受的扭力及剪切载荷也相应产生变化,尤其是当扩孔及处理卡钻头、卡钻杆等事故时,该键所承受的交变扭矩及剪切载荷会急剧增加,在此工况下,工作的回转接头极易使两个导向键磨损或者断裂。原设计该接头为一整体零件,以往在修理     

钻杆螺纹失效分析及改进措施

介绍了钻杆接头螺纹的失效类型,采用弹性有限元方法建立了钻杆联接螺纹分析模型;讨论了钻杆断裂的具体失效原因,针对钻杆断裂的原因,在结构上提出了增加应力减荷槽和切削公扣大端第1牙高度的改进方案。     

矿用钻杆的失效修复及分体式设计应用

基于露采钻机钻杆的失效形式及原因分析,改进了两端内、外锥形螺纹接头的材质和结构,重新制作并替代了失效钻杆的螺纹接头,与钻杆管体重新联接,提出了失效钻杆修复工艺方案。结合修复工艺方案,从结构改进设计角度,提出了分体式钻杆的设计方案,并针对其特点和应用效果进行了说明和分析。失效钻杆修复工艺和分体式钻杆具有一定的推广应用价值。