基于Solidworks和Simulation的钻杆断裂原因分析

    钻机是煤矿井下钻进瓦斯抽（排）放孔、煤层注水孔、防突卸压孔、地质勘探孔及有关工程的常用工具，具有钻进能力大、钻进速度快、操作简单、工作稳定可靠、移动安装方便等特点，因此，在煤矿生产中具有举足轻重的地位。郑煤集团各矿钻杆的使用量很大，由于各矿主采煤层属于豫西三软不稳定煤层，钻孔岩层变化复杂，钻杆在钻进过程中受到各种载荷作用，经常出现钻杆断裂现象。钻孔过程中钻杆往往在钻进最后阶段断裂，使钻孔失效，需另外选择钻孔位置进行作业，同时断裂钻杆前端连接部分均无法拔出，影响正常生产，而且造成人力、财力的损失。因此，正确分析钻杆断裂原因，对采取有效措施、提高钻杆质量、降低钻孔事故率、保证正常的生产需求均具有十分重要的意义。

1 钻杆断裂主要形式

    常用的外平钻杆结构如图1所示。该类钻杆发生断裂的主要形式有：①钻杆与接头焊缝处断裂；②内螺纹接头部变形或开裂；③外螺纹连接头螺纹尾部断裂；④外螺纹接头螺纹滑扣。

图1 外平钻杆结构

2 钻杆发生断裂影响因素

    2.1 材质

    钻杆设计由无缝地质钢管和内外螺纹连接接头焊接而成，然而，钢管和接头如果本身存在裂纹等质量问题，在现场使用过程中将会导致钻杆断裂现象。

    2.2 加工工艺

    (1)焊接质量。目前钻杆焊接方式为利用摩擦焊机直接焊接而成，可能由于摩擦焊机压力、温度等参数未调好而使钻杆产生质量问题。

    (2)螺纹加工精度。生产过程中螺纹和牙形加工误差，会导致外螺纹连接接头和内螺纹连接接头断面间隙达不到要求，使钻杆在使用过程中承受的载荷均由螺纹承受，螺纹连接部分容易发生裂纹，或者内外连接螺纹滑扣，从而导致钻杆断裂。

    2.3 使用

    钻杆使用不合理，同样会引起钻杆断裂问题。

3 钻杆强度有限元分析

    随着计算机技术的发展，在机械工程中，有限元法已经作为一种常用的方法被广泛使用。计算零部件的应力、应变，进行动态计算及稳定分析等均可以使用有限元法。通过应用有限元分析钻杆，可以发现其容易发生断裂部位进而有针对性地对其进行设计改造。

    3.1 钻杆材料属性

    钻杆的材料属性见表1。