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非開挖導(dǎo)向、定向鉆進用鉆桿的失效原因及解決措施
鉆桿最可怕的失效方式是鉆桿的開裂。鉆桿在導(dǎo)向、定向鉆進鋪管過程中一但開裂，將會對工程構(gòu)成嚴(yán)峻影響，不僅是經(jīng)濟上的丟失，并且影響工期，失掉諾言，后果不堪設(shè)想。因而，作為施工公司，一定要學(xué)會如何正確地挑選和運用鉆桿；而作為鉆桿生產(chǎn)廠家，要知道非開挖工程對鉆桿的特殊要求，生產(chǎn)出高強度、高彈性和高可靠性的鉆桿。
筆者在1994年至1998年間曾帶隊做過多項導(dǎo)向鉆進非開挖鋪管工程，雖然其時的鉆桿質(zhì)量十分差，但在施工過程中從未遇到斷鉆桿事端。后來，筆者從事非開挖技能和鉆具的研討、規(guī)劃作業(yè)，此時期也是中國非開挖鋪管技能迅猛發(fā)展的時期，經(jīng)常有施工單位陳述鉆桿開裂事端，總覺得有些費解。所以，筆者親身在施工現(xiàn)場查詢了多起事端因素，一起規(guī)劃了多種構(gòu)造方式的鉆桿進行實驗。通過多年的事端剖析和實驗研討，總結(jié)出一些鉆桿失效（首要是開裂）發(fā)生的因素：除鉆桿本身質(zhì)量問題外，施工中不妥的操作是使鉆桿失效的首要因素。筆者撰寫此文詣在避免施工公司重復(fù)走彎路，也算作為中國非開挖技能的發(fā)展做一點奉獻。
二、 鉆桿首要失效方式及因素剖析
非開挖導(dǎo)向、定向鉆進用鉆桿通常在遭到較大拉力和扭力效果的一起，還遭到曲折力的效果。鉆桿通過曲線段時，鉆桿被逼曲折，弧線內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力效果，弧線外側(cè)受拉應(yīng)力效果。當(dāng)鉆桿在曲線段旋轉(zhuǎn)時，桿體就遭到拉壓交變應(yīng)力的作力，而鉆孔曲率半徑越小交變應(yīng)力就越大。研討標(biāo)明這個交變應(yīng)力到達一定值后，就極簡單使鉆桿發(fā)生疲憊裂紋。鉆桿剛開始發(fā)生的疲憊裂紋疲憊裂紋十分細小，肉眼很難發(fā)現(xiàn)，但疲憊裂紋發(fā)展速度極快，最終表現(xiàn)為俄然的脆性開裂。實驗證實，鉆桿受交變應(yīng)力效果而疲憊開裂對錯開挖鉆桿開裂失效的首要因素。許多鉆桿在施工導(dǎo)向孔時發(fā)生開裂事端就佐證了這一定論。
目前中國的非開挖施工部隊有許多是經(jīng)歷豐富素質(zhì)高的專業(yè)公司，但更多的是暫時湊集起來的沒有任何施工經(jīng)歷和技能的部隊，他們通常連鉆桿（或鉆孔）的曲率半徑都沒聽說過，讓他們來指揮非開挖施工是構(gòu)成鉆桿開裂的人為方面的首要因素。
表一中列出幾種多見的鉆植失效方式及失效因素。
表一
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失效稱號 |
表現(xiàn)方式 |
失效因素 |
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操作因素 |
鉆桿本身因素 |
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公扣根部開裂 |
斷口較平坦，無塑性變形 |
1．曲率半徑過小 2．?dāng)U孔鉆頭與正常鉆桿間未銜接過度桿 |
1．氮化層太厚 2．無應(yīng)力減輕槽 3．調(diào)質(zhì)處理硬度太高 |
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斷口呈螺旋狀，有有些塑性變形 |
施加的扭矩過大 |
1．接頭資料強度低 2．調(diào)質(zhì)處理硬度太低 |
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斷口處有縮徑 |
施加的拉力過大 |
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桿體開裂 |
斷口較平坦，無塑性變形 |
1．率半徑過小 2．?dāng)U孔鉆頭與正常鉆桿間未銜接過度桿 |
1． 桿體資料耐性差 2． 桿體有嚴(yán)峻劃痕 |
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斷口呈螺旋狀，有有些塑性變形 |
施加的扭矩過大 |
1．接頭資料強度低 2．調(diào)質(zhì)處理硬度太低 3． 桿體磨損變薄 |
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斷口處有縮徑 |
施加的拉力過大 |
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桿體至接頭過渡段開裂 |
沖突焊口處斷 |
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1． 焊口處未加厚 2． 沖突焊接技能不對 |
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桿體曲折變形 |
有不行康復(fù)的曲折變形 |
1．施工導(dǎo)向孔時鉆桿處于自在狀況的長度過長 2．孔內(nèi)遇較大障礙物 |
桿體資料剛性差 |
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絲扣嚴(yán)峻變形 |
絲扣齒形變形嚴(yán)峻，公母扣旋合變松，乃至脫扣 |
1． 所受負荷過大 2． 未運用絲扣油 |
絲扣有些調(diào)質(zhì)硬度過低，未做硬化處理 |
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粘扣 |
上扣時有冒煙景象，卸扣扭矩大，扣面有削落景象 |
未運用合格絲扣油 |
1． 絲扣硬化處理不合格 2． 扣面光潔度低 |
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母扣漲大 |
母扣呈喇叭口狀擴展 |
1． 母接頭磨損過度 2． 受扭矩過大 |
非“雙頂”構(gòu)造 |
三、 避免鉆桿非正常失效的辦法
依據(jù)鉆桿的失效因素剖析，鉆桿除正常磨損而失效外，鉆桿的非正常失效因素可分為為兩個方面：工人操作因素和鉆桿本身質(zhì)量因素。因而，咱們能夠從進步鉆桿質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)操作兩方面來避免鉆桿非正常失效。
1．進步鉆桿質(zhì)量
（1）鉆桿資料挑選：為習(xí)慣非開挖導(dǎo)向、定向鉆桿的受力剖析，鉆桿桿體應(yīng)有較高的抗拉強度、較好抗彎功能和較好的沖擊耐性。桿體資料應(yīng)挑選中碳合金構(gòu)造無縫鋼管，合金元素中應(yīng)富含Cr、Mo等元素以進步資料的抗拉強度和沖擊耐性，富含Mn、Si等元素以進步資料的彈性（即抗彎功能）。有時還富含微量的B、V等元素以進步資料的淬透性。常用的桿體資料有：36Mn2V、35CrMo、42MnMo7、35CrMnSi、45MnMoB。
用于桿體的無縫鋼管的壁厚均勻度和軋制缺點也是影響鉆桿質(zhì)量的重要因素。小鋼廠軋制的鋼管壁厚均勻狀況嚴(yán)峻，當(dāng)鉆桿較大的扭力效果時，簡單在壁厚較薄處縱向裂開。有的鋼管有重皮、氣孔等缺點，鉆桿易從此處開裂或刺漏。
鉆桿接頭受力最為復(fù)雜，接頭資料很高歸納機械功能。鉆桿接頭多采用35CrMo或42CrMo棒料制作，但通過鑄造的接頭資料能大大進步其歸納機械功能。
（2）加工技能挑選：目前國內(nèi)非開挖鉆桿從加工技能分首要有全體鑄造鉆桿（簡稱全體鉆桿）、鐓粗＋沖突焊鉆桿（簡稱鐓焊鉆桿）和單純沖突焊鉆桿（簡稱沖突焊鉆桿）。三種鉆桿的優(yōu)缺點對比如表二。
表二
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功能、報價 |
沖突焊鉆桿 |
全體鉆桿 |
鐓焊鉆桿 |
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絲扣耐磨性 |
好 |
差 |
好 |
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接頭強度 |
高 |
中 |
高 |
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接頭加工精度 |
高 |
差 |
高 |
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保定尺長度 |
易 |
難 |
易 |
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焊縫強度 |
低 |
—— |
高 |
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全體功能 |
差（易斷） |
較好 |
極好 |
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報價 |
低 |
高 |
低 |
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性價比 |
低 |
中 |
高 |
（3）鐓粗加厚段的處理：不管是全體鉆桿仍是鐓焊鉆桿，鐓厚有些與未鐓厚有些之間的過渡段處理好壞是影響鐓鍛質(zhì)量的主因素。過渡段應(yīng)有滿足的長度，壁厚過渡均勻、光滑，無折皺。桿體經(jīng)鐓鍛后最佳進行全體調(diào)質(zhì)處理，以去掉過渡段內(nèi)應(yīng)力，并進步其歸納機械功能。
（4）接頭構(gòu)造型式
a. 應(yīng)力渙散槽：實驗研討標(biāo)明，非開挖導(dǎo)向、定向鉆桿受循環(huán)曲折應(yīng)力效果而疲憊開裂是鉆桿的首要失效方式，而這種失效首要發(fā)生在鉆桿公接頭根部或公接頭螺紋根部。在鉆桿公接頭根部規(guī)劃應(yīng)力渙散槽可有效地減小該處應(yīng)力集中，然后進步其抗彎才干。此外，盡量增大螺紋直徑、錐度螺紋規(guī)劃和加大螺紋絲底圓弧半徑也能顯著改善鉆桿公接頭根部的抗彎才干。
b. “雙頂”構(gòu)造：所謂“雙頂”構(gòu)造，即在鉆桿公、母扣擰緊時母扣端部與公扣臺肩處頂緊的一起，母扣的內(nèi)臺肩處也與公扣的端部頂緊。“雙頂” 構(gòu)造鉆桿的加工難度大，但它與“單頂”鉆桿比較具有多方面的優(yōu)越性：
l 密封效果好 鉆進液由內(nèi)向外走漏需經(jīng)兩個密封面，走漏阻力大。
l 能接受更大的扭矩 “雙頂”鉆桿提供兩個抗扭臺肩，其臺肩總觸摸面積遠大于通常鉆桿，因而接受的扭矩也遠大于通常鉆桿。
l 進步鉆桿的運用壽命 通常鉆桿通常由于接頭磨損，母扣端部變薄而被公扣錐成喇叭口，然后使整根鉆桿失效。“雙頂”鉆桿在接頭磨損嚴(yán)峻后內(nèi)臺肩仍有效地起效果，鉆桿仍能持續(xù)運用。
（5）絲扣的外表處理：絲扣外表氮化處理能有效地避免粘扣，還能進步絲扣的耐磨性，然后進步其運用壽命。氮化層厚度通常在0.2~0.3mm，厚度過大簡單發(fā)生碎性裂紋，厚度過小則抗粘扣效果差。全體鉆桿無法進行氮化處理，取而代之的是層厚小得多的磷化處理。
（6）螺紋加工精度：接頭螺紋應(yīng)在數(shù)控車床上用成形螺紋車刀加工，以確保鉆桿的互換性。接頭螺紋緊密距應(yīng)控制在合理的范圍之內(nèi)，確保絲扣嚙合杰出。
2．施工技能的改善
（1）標(biāo)準(zhǔn)操作：施工中要嚴(yán)厲依照各種鉆桿所允許的拉力、扭矩和曲率半徑來運用鉆桿。對于施工公司來說，只要按標(biāo)準(zhǔn)運用鉆桿，才干有效避免鉆桿的非正常失效。
（2）過渡桿的效果：在擴孔和拉管過程中，與擴孔鉆頭銜接的那根鉆桿的曲率半徑很可能遠小于鉆孔規(guī)劃的曲率半徑（如圖1），即r<
（3）避免鉆桿失穩(wěn)：鉆桿是力學(xué)中的細長桿，在受壓力效果下有失穩(wěn)的趨勢。因而，在導(dǎo)向孔施工階段要對處于自在狀況的鉆桿進行束縛，避免在造斜頂進過程中鉆桿失穩(wěn)而曲折失效。鉆桿失穩(wěn)狀況多發(fā)生在鉆機夾持器至入地址之間的鉆桿段，應(yīng)盡量縮短該段長度，或采納恰當(dāng)?shù)氖`辦法。為防鉆桿失穩(wěn)，通常應(yīng)使鉆桿自在段長度小于鉆桿直徑的20倍。
（4）絲扣油的運用：質(zhì)量好的絲扣油能有效避免鉆桿粘扣、減小卸扣扭矩、削減扣面磨損。
（5）沖洗液的運用：在砂層、卵礫石層中鉆進時，運用優(yōu)異泥漿作沖洗液。泥漿在鉆桿外壁構(gòu)成泥皮，起光滑效果，能減小鉆進扭矩，削減鉆桿磨損，對維護鉆桿起到十分重要的效果。
（6）鉆桿的查看：鉆桿運用一段時間后，就應(yīng)查看鉆桿的磨損、曲折、外表劃痕等狀況，要及時篩選磨損過度、顯著曲折及外表劃痕較深的鉆桿。尤其要仔細查看鐓鍛過渡段的磨損狀況，該處通常最易被磨損變薄而開裂