煤矿钻探用钻杆疲劳寿命预测研究.pdf

第 ４８ 卷第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４８ Ｎｏ􀆱 ６ ２０２０ 年６ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｎ.２０２０ 移动扫码阅读 孟祥辉.煤矿钻探用钻杆疲劳寿命预测研究[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８６１４８－ １５３􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０６􀆱 ０１９ ＭＥＮＧ Ｘｉａｎｇｈｕｉ.Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｆｏｒ ｍｉｎｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ ２０２０ꎬ４８６１４８－１５３􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０６􀆱 ０１９ 煤矿钻探用钻杆疲劳寿命预测研究 孟 祥 辉１ꎬ２ １.中煤科工集团重庆研究院有限公司ꎬ重庆 ４０００３９ꎻ ２.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室ꎬ重庆 ４０００３９ 摘 要目前矿用钻杆在煤矿井下施工疲劳寿命预测困难ꎬ无报废标准和报废依据ꎬ导致煤矿井下钻 杆断裂事故频发ꎬ严重影响煤矿井下勘探钻孔、瓦斯抽采钻孔、探放水钻孔的施工安全和施工进度ꎮ 矿用钻杆的工况条件复杂ꎬ基于弹塑性力学无法对钻杆疲劳寿命、断裂失效原因、结构工艺的优化提 高进行可靠研究ꎻ通过综合钻杆所受到转矩、弯矩、轴向力以及井壁的约束作用力等复合载荷条件建 立钻杆约束模型ꎬ提出基于断裂力学和损伤力学、运用解析法和有限元分析方法对钻杆的疲劳寿命进 行研究ꎬ并基于研发的钻杆动态性能试验系统对钻杆的疲劳寿命进行试验ꎬ提出矿用钻杆疲劳寿命预 测研究方法ꎬ为钻探施工和钻杆的设计提供依据ꎮ 结果表明按照现有钻杆杆体、螺纹的加工工艺ꎬ７３ 型钻杆在转矩 ４ ０００ Ｎ􀅱ｍꎬ施工钻孔终孔直径为 ９６ ｍｍ 时ꎬ通过钻杆动态性能试验系统对钻杆的疲 劳寿命进行试验ꎬ钻杆的疲劳寿命为 ５.３２１０５４.７８１０５转ꎬ疲劳寿命与所建立的钻杆疲劳寿命预测 模型一致ꎬ钻杆疲劳寿命最小位置在公螺纹处ꎬ杆体在受到 １ ｍｍ 以下划痕对钻杆整体疲劳寿命无 影响ꎮ 关键词钻杆ꎻ疲劳断裂ꎻ寿命预测ꎻ裂纹ꎻ钻探 中图分类号ＴＤ４２１ꎻＴＰ２７３ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０２００６－０１４８－０６ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｆｏｒ ｍｉｎｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ＭＥＮＧ Ｘｉａｎｇｈｕｉ１ꎬ２ １.Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐꎬ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３９ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２.Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇａｓ Ｄｉｓａｓｔｅｒ ＤｅｔｅｃｔｉｎｇꎬＰｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇꎬ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３９ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＡｔ ｐｒｅｓｅｎｔꎬ ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｓｃｒａｐ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｎｄ ｓｃｒａｐ ｂａｓｉｓꎬ ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｔ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ａｎｄ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｃｏｎ￣ ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇꎬ ｇａｓ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ. Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｉｎｅ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｘꎬ ｓｏ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅꎬ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｒｅａｓｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｒｅｌｉａｂｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ. Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅꎬ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｂｙ ｔｏｒｑｕｅꎬ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ａｎｄ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｓｈａｆｔ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄꎬ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅꎬ ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅꎬ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓꎬ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔꎬ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｉｐｅ ｒｏｄ ｂｏｄｙꎬ ｓｃｒｅｗ ｔｈｒｅａｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ７３ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｉｎ ４ ０００ Ｎ􀅱ｍꎬ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｅｎｄ ｈｏｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ９６ ｍｍꎬ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅꎬ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ５.３２１０５４.７８１０５ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓꎬ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔꎬ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｆａ￣ ｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｌｅ ｔｈｒｅａｄꎬ ｒｏｄ ｂｏｄｙ ｕｎｄｅｒ ｂｙ １ ｍｍ ｓｃｒａｔｃｈ ｃａｎ ｎｏｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｉｐｅꎻｆａｔｉｇｕｅ ｆｒａｃｔｕｒｅꎻｌｉｆｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎꎻｃｒａｃｋｌｅꎻｄｒｉｌｌｉｎｇ 收稿日期２０１９－１０－０８ꎻ责任编辑赵 瑞 基金项目国家科技重大专项资助项目２０１６ＺＸ０５０４５－００３－００４ꎻ中煤科工集团重庆研究院有限公司重点基金资助项目２０１５ＺＤＸＭ１７ 作者简介孟祥辉１９８７ꎬ男ꎬ山东潍坊人ꎬ助理研究员ꎬ硕士ꎮ Ｅ－ｍａｉｌｍｅｎｇｘｉａｎｇｈｕｉ０７＠ １２６.ｃｏｍ ８４１ 孟祥辉煤矿钻探用钻杆疲劳寿命预测研究２０２０ 年第６ 期 ０ 引 言 瓦斯突出造成的煤矿事故严重威胁煤矿安全生 产和工作人员安全ꎬ目前瓦斯抽采是预防瓦斯灾害 发生的有效方法ꎮ 钻杆作为钻探抽采瓦斯施工用的 核心部件ꎬ需要传递钻机钻进的转矩和轴向的钻进 压力ꎬ输送排渣水、气ꎬ钻杆在工作中受到轴向力、弯、 扭以及传递水的压力等复杂工况[１－４]ꎮ 文献[１－２]对 煤矿进水平钻进工况进行分析ꎻ文献[３－４]对石油钻具 疲劳断裂模型进行分析ꎬ但煤矿井下用钻杆与石油钻 具工况不同ꎬ其运动受到井壁的约束ꎬ受到轴向推进 力、弯矩、转矩以及传递水的压力ꎬ对钻杆的破坏作用 很强ꎬ其主要的断裂失效方式为疲劳失效[５－６]ꎮ 钻杆研 究采用弹塑性力学理论无法对钻杆的裂纹扩展机理、 疲劳寿命等方面进行可靠的研究[７－９]ꎬ此外ꎬ钻杆的模 型建立、试验困难ꎬ因此煤矿用钻杆的疲劳寿命研究滞 后ꎬ缺乏对煤矿用钻杆使用寿命的量化评价理论基础ꎮ 因此研究矿用钻杆的疲劳寿命及寿命薄弱部分ꎬ为钻 杆寿命的设计和制定钻杆报废标准提供依据ꎬ同时为 矿用施工钻孔工艺设计提供理论基础[１０－１２]ꎮ 笔者基于 断裂力学、损伤力学运用解析法、有限元分析法与试验 相结合ꎬ对矿用钻杆的疲劳寿命进行研究ꎬ以期为钻杆 的使用和设计制造提供理论依据ꎮ １ 钻杆约束模型 钻杆在施工钻进过程中受到轴向的推进力、转 矩、钻孔中的弯矩、离心力等ꎮ 钻孔施工过程中钻杆 在推进压力大于钻杆的临界值或由于横向力的作用 使钻杆产生一定的弯曲ꎬ钻杆产生的弯曲程度较大 就会与井孔的侧壁接触ꎬ则为钻杆的第 １ 次弯曲 曲线Ⅰꎬ如图 １ 所示ꎮ 图 １ 井孔中钻杆弯曲示意 Ｆｉｇ.１ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｉｎ ｗｅｌｌ ｈｏｌｅ 如果在受到更大的钻杆重力、推进力等轴向力 的作用下钻杆弯曲程度加大ꎬ呈现曲线Ⅱ所示的第 ２ 次弯曲ꎻ如果有更大的轴向力会产生曲线Ⅲ所示 的第 ３ 次弯曲[１３－１５]ꎮ 施工中钻杆承受的合力作用ꎬ对钻杆失效起主 要作用的是轴向力、转矩、弯曲应力等ꎬ因此假设钻 杆处于稳态旋转中ꎬ将其弯曲半波作为两侧铰接的 压杆稳定系统ꎬ基于此假设可得受力及变形模型如 图 ２ 所示ꎮ 图 ２ 钻杆的受力及变形模型 Ｆｉｇ.２ Ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ 设所取段的弯曲变形处于同一主惯性平面中ꎬ 在 ＡＣ 和 ＣＢ 两部分中挠曲轴微分方程式为 ＥＩ ｄ２ｖ ｄｘ２ ＝ Ｍｘ ＝ Ｑｃ ｌ ｘ － Ｆｖ ０ ≤ ｘ ≤ ｌ － ｃ １ ＥＩ ｄ２ｖ ｄｘ２ ＝ Ｍｘ ＝ Ｑｌ － ｃｌ － ｘ ｌ － Ｆｖ ｌ － ｃ ≤ ｘ ≤ ｌ２ 式中 Ｆ 为钻杆的所受的轴向力ꎻ Ｑ 为钻杆所受到 的横向力ꎻ Ｍ 为钻杆所受弯矩ꎻ ＥＩ为抗弯强度ꎻ ｌ 为 所研究钻杆的一个半波长ꎻ ｘ 为点 Ａ 到等效横向力 Ｑ 距离ꎻ ｃ 为点 Ｂ 到等效横向力 Ｑ 距离ꎻ ｖ 为所选取 点等效距离ꎮ ２ 解析法预测钻杆疲劳寿命 基于钻杆约束模型对钻杆进行疲劳寿命研究ꎬ 需要获得初始裂纹的裂纹形状因子 Ｆｍꎬ钻杆材料的 应力强度因子 Ｋ１ꎬ弯曲应力 σꎬ并需要获得相关金 属的断裂韧性 ＫＩＣ [１６－１８]ꎮ Ｆｏｒｍａｎ 疲劳寿命模型为 ｄａ ｄＮ ＝ ｅ ΔＫ ｍ １ － ＲＫＩＣ－ ΔＫ ３ 式中 ｄａ ｄＮ 为裂纹的开裂速度ꎻＮ 为在循环应力作用 下的应力循环次数ꎻ ａ 为裂纹尺寸ꎻΔＫ 为强度因子 幅值ꎻ ＫＩＣ为相关材料的断裂韧性ꎻ Ｒ 为应力比ꎻ ｅ、 ｍ 为材料的常数ꎮ 基于 Ｆｏｒｍａｎ 模型的钻杆疲劳寿命如下 Ｎ ＝ ∫ ａｃ ａ０ １ － ＲＫＩＣ － Ｆ ｍΔσ πａ ｃ ＦｍΔσπａ ｍ ｄａ ＝ １ － ＲＫＩＣ ｃ ＦｍΔσ π ｍ∫ ａｃ ａ０ ａ－ ｍ ２ｄａ － １ ｃ ＦｍΔσ πｍ－１∫ ａｃ ａ０ ａ－ ｍ－１ ２ｄａ ＝ ９４１ ２０２０ 年第６ 期煤 炭 科 学 技 术第４８ 卷 １ － ＲＫ１Ｃ ｃ ＦｍΔσ π ｍ ａ １－ ｍ ２ ｃ － ａ １－ ｍ ２ ０ １ － ｍ ２ － １ ｃ ＦｍΔσ πｍ－１ ａ １－ ｍ－１ ２ ｃ － ａ １－ ｍ－１ ２ ０ １ － ｍ － １ ２ ４ 式中 Δσ 为所受到的最大循环应力和最小循环应 力之差ꎻ ａ０、 ｂ０分别为裂纹椭圆形中的长半轴与短 半轴ꎻ Ｆｍ为裂纹形状因子ꎻ ａｃ为临界裂纹长度ꎮ 出现初始裂纹的钻杆在扩展过程中受到多方面 因素的影响ꎬ除钻杆的自身结构、材料的内在因素 外ꎬ还会受到钻机的转矩、钻压、转速、井孔直径、钻 井倾角等影响[１９]ꎮ 设置钻杆及钻井施工相关参数 如下 １钻杆的主要参数钻杆的材料为 ４２ＣｒＭｏ ꎻ钻 杆直径 Ｄ ＝ ７３ ｍｍꎻ钻杆内径 ｄ ＝ ５５ ｍｍꎻ每根钻杆长 度 Ｌ１＝ １.５ ｍꎻ每米钻杆的质量 １４２ Ｎ/ ｍꎻ杨氏模量 Ｅ ＝２０６ ＧＰａꎻ钻杆在运输、搬运、加载中杆体受到的 碰撞、夹持等产生的划痕裂纹一般小于 １ ｍｍꎻ设钻 杆材料的断裂韧性 ＫＩＣ＝ ９８.９ ＭＰａ􀅱ｍ １/ ２ꎻ钻杆半波 长 ４.３７ ｍꎻ材料疲劳裂纹扩展性能常数 ｃ ＝ ６.１４ １０－１４ꎬ ｍ ＝ ３.１６ꎮ ２施工参数转矩 Ｔ＝４ ０００ Ｎ􀅱ｍꎬ钻压 ｐ 研究 范围设为 ７０１３０ ｋＮꎻ钻进施工中转速 ｎｒ研究范围 为 ６０１００ ｒ/ ｍｉｎꎮ 由以上所建立的钻杆疲劳寿命预测模型进行研 究ꎬ设钻压保持一定值不变ꎬ改变旋转速度６０１００ ｒ/ ｍｉｎꎬ钻压取 ７０、１００、１３０ ｋＮꎻ钻机转速取 ６０、７０、 ８０、９０、１００ ｒ/ ｍｉｎꎮ 经计算得钻杆疲劳寿命的变化 规律如图 ３ 所示ꎮ 随着钻压的增大、钻机转速的提 高ꎬ钻杆的疲劳寿命减小ꎬ其中钻压 ７０ ｋＮꎬ转速为 ６０ ｒ/ ｍｉｎ 时ꎬ疲劳寿命为 ６.５１１０６转ꎻ钻压为 １３０ ｋＮꎬ转速为 １００ ｒ/ ｍｉｎ 时ꎬ疲劳寿命为 ５.２９１０６转ꎮ 在不同钻压和转速条件下ꎬ钻杆疲劳寿命见表 １ꎬ其 图 ３ 钻杆疲劳寿命的变化规律 Ｆｉｇ.３ Ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ 中疲劳寿命减小的机理如下①钻压的增大导致 钻杆的应力幅变大ꎬ因此应力强度变化幅 ΔＫ 随之 增大ꎬ导致钻杆疲劳寿命降低ꎻ②在钻机转速增大 时ꎬ钻杆所受到的离心力增加ꎬ交变应力、频率加 快ꎬ使钻杆的初始裂纹生长速度加快ꎬ导致钻杆疲 劳寿命降低ꎮ 表 １ 钻杆疲劳寿命 Ｔａｂｌｅ １ Ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ 钻压/ ｋＮ 不同钻杆旋转速度１０６ｒ􀅱ｍｉｎ －１ 下的疲劳寿命/ 转 ６０７０８０９０１００ ７０６.５１６.４８６.４１６.２８６.０７ １００６.２９６.２３６.１２５.９５５.６８ １３０６.０６５.９８５.８２５.６１５.２９ ３ 基于有限元法钻杆疲劳寿命仿真 钻杆疲劳断裂主要是螺纹失效以及杆体刺漏断 裂ꎬ断裂主要发生在应力集中、腐蚀以及热处理产生 的高应力缺陷部分[１９]ꎮ 钻杆采用螺纹连接ꎬ其螺纹 部分存在应力集中ꎬ解析法难以准确求得螺纹部分 的疲劳寿命ꎬ因此基于有限元对钻杆螺纹连接部分 疲劳寿命进行研究ꎮ ３.１ 有限元分析建模 在三维软件中建立钻杆的三维模型ꎬ钻杆建模 直径 Ｄ ＝ ７３ ｍｍꎻ钻杆内径 ｄ ＝ ５５ ｍｍꎻ每根钻杆长度 Ｌ１＝ １.５ ｍꎮ 模型分析中对４ 根钻杆装配形成装配体ꎬ 钻杆材料为 ４２ＣｒＭｏ ꎬ对其参数设置如下弹性模量 Ｅ ＝ ２０６ １０９Ｐａꎻ抗拉强度 １ ０８０ ＭＰａꎻ屈服强度 ９６０ ＭＰａꎻ泊松比 ０.２８ꎻ切变模量 ８.２５１０４ＭＰａꎮ 根据所建 立的受力模型添加约束ꎬ添加转矩 ４ ０００ Ｎ􀅱ｍꎬ轴向力 Ｆ＝１００ ｋＮꎬ中间添加径向约束 Ｌ＝１１.５ ｍｍꎮ 在所建立的钻杆装配体模型中ꎬ因为钻杆的连 接部分螺纹结构形状较钻杆基体部分结构变化大ꎬ 因此在算例中采用二阶四面体单元进行网格划分ꎬ 为提高对钻杆装配体整体仿真的精度对存在应力集 中的部分进行网格细化ꎮ 对钻杆公螺纹、母螺纹部 分进行局部网格控制ꎬ设置钻杆公螺纹部分的单元 格大小为 ０.５ ｍｍꎬ设置比例为 １.５ꎬ对公螺纹与钻杆 杆体的过渡部分进行同样的单元格设置ꎮ ３.２ 钻杆有限元求解分析 对所建立的钻杆模型进行有限元分析ꎬ求得钻 杆的应力分布如图 ４ 所示ꎬ钻杆的最大应力在钻杆 公螺纹根部的连接处ꎬ最大为 ４６７ ＭＰａꎬ在公螺纹应 力最大处对应的最大应变为 ４.８１０ －３ ｍｍꎮ 钻杆材 料 ４２ＣｒＭｏ 屈服强度为 ９６０ ＭＰａꎬ在钻杆的公螺纹和 母螺纹根部存在应力集中ꎬ在离开螺纹根部的应力 ０５１ 孟祥辉煤矿钻探用钻杆疲劳寿命预测研究２０２０ 年第６ 期 集中区域ꎬ其安全系数为保持在 ２.５ 以上ꎬ从图 ４ 可 以看出钻杆的杆体部分有较高的安全系数ꎮ 图 ４ 钻杆公接头和母接头应力分布 Ｆｉｇ.４ Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｍａｌｅ ａｎｄ ｆｅｍａｌｅ ｊｏｉｎｔｓ 从图 ４ 可以看出ꎬ钻杆公接头的螺纹根部应力 最大ꎬ因此钻杆的整体强度最小的部分是公螺纹接 头处ꎮ 其螺纹结构尺寸上为突变的部分ꎬ其螺纹传 递转矩大小由螺纹第 １ 圈向后递减ꎬ因此在结构的 突变部分及螺纹传递转矩的结构形式导致钻杆的螺 纹根部应力最大ꎬ在离开结构突变的部分后应力变 化逐渐均匀ꎬ因此在公螺纹和母螺纹根部处存在应 力集中ꎮ 母螺纹的螺纹根部直径比公螺纹的螺纹根 部直径大ꎬ因此在受到弯扭组合时公螺纹的应力 更大ꎮ ３.３ 钻杆疲劳寿命求解分析 在钻杆应力有限元求解的基础上进行分析ꎬ定 义 ４２ＣｒＭｏ Ｓ－Ｎ 曲线ꎬ输入载荷时间历程并基于 Ｓ－ Ｎ 疲劳寿命曲线进行仿真ꎬ设置“恒定振幅事件”为 随机交互ꎻ设置“计算交替应力”选项为对等应力ꎮ 经过仿真得到钻杆的疲劳寿命云图图 ５ꎬ从图 ５ 可以看出钻杆破坏时对钻杆施加载荷的循环次数ꎬ 钻杆的最小疲劳寿命为５.１１０５转ꎬ在此模型中表示 当受到模型中所施加的载荷在经过 ５.１１０５次循环 后钻杆产生疲劳破坏ꎮ 图 ５ 钻杆疲劳寿命云图 Ｆｉｇ.５ Ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ 从模型中可以看出钻杆的疲劳寿命最小处发生 在公螺纹的根部ꎬ经数据检测发现在模型仿真中最 小值为 ５.１１０５转ꎬ此点发生在螺纹的第 １ 圈的根 部ꎬ因此从钻杆整体寿命考虑钻杆的公螺纹是疲劳 寿命最小的部分ꎮ 钻杆疲劳寿命敏感曲线如图 ６ 所示ꎬ为加载载 荷在初始载荷 ｕ 倍、转速 １/ ｕ 倍时钻杆的疲劳寿命ꎮ 由图 ６ 可知ꎬ在钻杆的加载载荷 ０.８ 倍以下时ꎬ钻杆 的疲劳寿命超过 １.０１０６转ꎬ钻杆达到无限疲劳寿 命ꎬ认为载荷在小于此载荷条件下不会损伤钻杆的 疲劳寿命ꎮ 当对钻杆施加的载荷超过初始载荷的 １.９倍时ꎬ钻杆的疲劳寿命低于 ５１０４转ꎬ钻杆为低周 疲劳寿命阶段ꎬ对钻杆疲劳寿命损伤严重ꎬ不能在此 种载荷下工作ꎮ 图 ６ 钻杆疲劳敏感曲线 Ｆｉｇ.６ Ｆａｔｉｇｕｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ４ 钻杆疲劳寿命试验 ４.１ 钻杆疲劳寿命试验方法 为模拟钻杆在工作状态下的疲劳破坏条件ꎬ需 要对钻杆加载转矩、拉压力、横向弯矩以及旋转速 度ꎮ 在试验中对所试验钻杆施加复合载荷、转矩、拉 压力、横向弯矩和转速ꎮ 载荷加载方式选用等幅载 荷加载ꎬ钻杆的疲劳寿命研究对其因加载方式产生 的误差小ꎬ因此选用此种加载方式ꎮ 基于 ＺＳ－２５０００ 钻杆动态性能试验系统图７ꎬ 对钻杆疲劳寿命进行加载、试验ꎬ试验系统有转矩加 载系统、轴向力加载系统、径向力加载系统、转速控 制系统ꎬ并设置有转矩转速传感器、拉压传感器、位 移传感器检测控制加载输出ꎮ 图 ７ 钻杆试验系统原理 Ｆｉｇ.７ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ４.２ 试验方案 利用钻杆试验系统对钻杆的疲劳寿命进行试 验ꎬ应用该试验系统对钻杆施加模拟的径向力、轴向 力、转矩和转速ꎬ在试验中每旋转 ２ １０４转对钻杆 １５１ ２０２０ 年第６ 期煤 炭 科 学 技 术第４８ 卷 进行一次破坏性检查ꎬ试验参数如下钻杆直径 ７３ ｍｍꎻ每根钻杆长度为 １.５ ｍꎻ钻杆试验系统施加 的转矩 ４ ０００ Ｎ􀅱ｍꎬ钻压 １００ ｋＮꎻ钻杆试验系统施 加转速 ｎｒ研究范围为 ６０１００ ｒ/ ｍｉｎꎻ径向位移单边 最大为 １１.５ ｍｍꎮ 由以上所建立的钻杆疲劳寿命预测模型进行研 究ꎬ钻压为 １００ ｋＮꎻ转矩为 ４ ０００ Ｎ􀅱ｍꎻ钻机转速为 ６０、７０、８０ 、９０、１００ ｒ/ ｍｉｎꎬ对钻杆疲劳寿命进行试 验ꎬ其试验加载参数见表 ２ꎮ 表 ２ 钻杆疲劳寿命试验加载参数 Ｔａｂｌｅ ２ Ｌｏａｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｒｉｌｌｐｉｐｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｔｅｓｔ 转矩/ Ｎ􀅱ｍ 径向位 移/ ｍｍ 钻压/ ｋＮ 转速/ ｒ􀅱ｍｉｎ －１ ４ ０００１１.５１００６０１００ 试验钻杆的半波长约为 ４.３７ ｍꎬ试验台长度为 ６ ０００ ｍｍꎬ推进行程为 ３００ ｍｍꎬ因此连接 ４ 根钻杆 进行试验ꎬ在钻杆 ４.４ ｍ 处由径向力组件施加径向 位移ꎮ ４.３ 疲劳试验研究 基于钻杆疲劳寿命试验系统对试验钻杆进行试 验ꎬ分为 ５ 组试验ꎬ其中试验中转矩为 ４ ０００ Ｎ􀅱ｍꎬ 径向位移约束 １１.５ ｍｍꎬ轴向力 １００ ｋＮ 转速ꎬ转速 取值为 ６０、７０、８０、９０、１００ ｒ/ ｍｉｎꎮ 在每加载 ２ １０４ 转后进行检查时如果钻杆及钻杆的接头处无明显的 破坏ꎬ并且钻杆能够顺利的拆装ꎬ则继续进行试验ꎬ 如果钻杆产生突然断裂或有明显裂痕ꎬ并不能正常 连接ꎬ则判断为失效ꎮ 钻杆疲劳寿命试验数据见 表 ３ꎮ 表 ３ 钻杆疲劳寿命试验数据 Ｔａｂｌｅ ３ Ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｏｆ ｄｒｉｌｌ ｐｉｐｅ 转速/ ｒ􀅱ｍｉｎ －１ 转矩/ Ｎ􀅱ｍ 径向位移 约束/ ｍｍ 轴向力/ ｋＮ 试验疲劳 寿命/１０５转 ６０４ ０００１１.５１００５.３２ ７０４ ０００１１.５１００５.２９ ８０４ ０００１１.５１００５.２０ ９０４ ０００１１.５１００５.０４ １００４ ０００１１.５１００４.７８ 经过有限元仿真钻杆的最小疲劳寿命为 ５.１ １０５转ꎬ仿真获得的结果是在钻杆公螺纹的根部应力 最大ꎬ为 ４６７ ＭＰａꎬ同时其仿真的疲劳寿命最小ꎬ试 验中疲劳寿命为 ４.７８１０５５.３２１０５转ꎬ与有限元 仿真结果接近ꎬ钻杆破坏位置都是在公螺纹处ꎬ与仿 真结果一致ꎮ 基于解析法研究钻杆疲劳寿命ꎬ钻杆杆体疲劳 寿命为 ６.０７１０６６.５１１０６转ꎮ 杆体因碰撞、夹持 等原因产生 １ ｍｍ 以下的裂纹时ꎬ杆体部分疲劳寿 命比接头部分的疲劳寿命高一个数量级ꎬ因此杆体 部分的使用寿命较螺纹部分安全ꎮ 钻杆在运输、安 装中因为运输环境和安装条件比较差ꎬ因此容易产 生碰撞ꎬ划伤等问题ꎬ在杆体与螺纹的使用寿命对比 中可知ꎬ在钻杆外侧产生 １ ｍｍ 左右的划痕或碰撞 产生的损伤对钻杆整体寿命没有影响ꎮ ５ 结 语 １基于断裂力学、损伤力学ꎬ运用解析法、有限 元仿真法与试验相结合研究矿用钻探用钻杆的疲劳 寿命ꎮ ２获得了钻杆在煤矿井下工况条件下的疲劳 寿命ꎬ并通过试验验证其研究方法的有效性ꎬ为研究 煤矿钻杆疲劳寿命提供一种研究方法ꎬ对钻杆的使 用和设计制造提供理论依据ꎮ ３研究结果表明７３ 型钻杆在转矩 ４ ０００ Ｎ􀅱ｍꎬ 钻孔直径为 ９６ ｍｍ 时ꎬ钻杆疲劳寿命为 ４.７８１０５ ５.３２１０５转ꎬ通过钻杆动态性能试验系统对钻杆疲 劳寿命进行试验验证ꎬ其与疲劳寿命理论研究方法 一致ꎮ 参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ [１] 王春华ꎬ刘亚强ꎬ王 超.钻杆多指标法测定煤体应力试验研 究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６１１１３３－１３９. 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