基于有限元的钻杆螺纹失效分析案例
2022-12-2 10:31:32
基于有限元的钻杆螺纹失效分
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详细介绍
煤矿用坑道钻机由于它重量轻，能解体，操作简单，使用可靠，在煤矿已被广泛使用。在井下施工瓦斯抽放孔、注浆灭火孔、煤层注水孔、地质勘探孔及其它工程钻孔时，经常出现钻杆接头断裂事故。钻杆断裂不仅影响正常生产，而且还往往因难于打捞而使事故恶化，造成人力、财力的损失。从形式上看，由于连接螺纹应力集中的影响以及交变应力的作用，绝大多数都是在钻杆接头螺纹处发生断裂。因此，有必要对钻杆的接头进行研究，以寻求和探讨解决的途径。根据现场考察发现，目前使用的 Φ42 钻杆存在以下失效形式：
钻进过程中，钻杆是通过螺纹连接而成的细长管柱，在钻头引导下进入已钻孔底部进行钻进，钻杆内外环中有钻孔液流动，钻杆与孔壁之间有环型间隙存在。钻杆的受力变形由两部分组成，第一部分是已钻孔形态迫使直线钻杆产生弯曲变形。第二部分是钻杆在钻进过程中产生的组合变形，一方面钻头处的轴向集中力(钻压)，而钻压又受钻杆变形影响，属几何非线性动力学问题;另一方面，钻杆在各种载荷的作用下，其变形受到孔眼约束，与孔壁在任一深度位置、任一孔壁圆周方向上产生接触，属接触非线性动力学问题。
钻杆接头结构设计采用 2D 轴对称单元模拟，轴对称单元能以较小的计算成本达到非常高的精度。这里采用轴对称单元进行二维有限元分析计算。
利用 ABAQUS 软件对所建立的有限元模型进行计算，得出在该受力工况下的应力图，如图 4~6 所示：
从图可以看出其最大等效应力为 786.3MPa，分布在公、母螺纹的第一牙处。，就钻杆接头部分强度分析计算而言，钻杆接头螺纹处(第一螺纹处)应力值偏大。如果钻杆选用 45号钢，钻杆接头螺纹强度明显不足;如果钻杆选用 40Cr，钻杆接头螺纹强度基本持平;如果钻杆选用 42CrMo，钻杆接头螺纹强度富余量也不明显。
根据上述分析可以看出，钻杆接头螺纹应力值偏高，接头螺纹强度偏低，是导致钻杆接头断裂的原因之一。
4钻杆材质分析
钻杆的断裂现象始终是与材料和结构的孔洞、缺口或裂纹相联系的。在材料的这种宏观不连续部分最明显的特点是应力分布不均匀，这种现象称为应力集中。缺陷(孔洞、缺口、裂纹等)和应力集中往往是造成结构破损的最重要原因。从抽象的观点讲，缺陷的出现，导致完整材料的某些对称性破缺，而且导致数学上的奇异性发生，值得一提的是，出现在钻杆上的裂纹通常是横向分布的，并且靠近“加厚过度带”早期出现的裂纹大都在锥型体与管柱之间过度区域的圆周上，这个过渡区强度很高，这些裂纹通常直而无分支，自然形成穿晶现象，而且这些现象总是伴随着疲劳断裂。
宏观形貌：肉眼观察发现，三次断口均有显著的旋转疲劳特征，第三次样件尤为明显。可见，裂纹起源于左上部位，在旋转载荷下沿逆时针方向疲劳扩展，断裂面积达到大约一半时(图 7 中直线处)，弯曲应力的作用开始占据主导作用，疲劳纹大致与钻杆圆周平行。
微观形貌：利用扫描电镜观察了断口的微观形貌。发现断口靠螺纹根部的边缘较为平坦，与此处的应力集中有关，螺纹面有大量腐蚀坑和小裂纹，说明腐蚀对裂纹的产生有一定促进作用;断口微观形貌以韧窝为主，显示韧性断裂特征;珠光体较多，是其硬度较高的原因之一。
5失效原因分析及改进措施
5.1 失效原因分析
通过对钻杆螺纹进行强度分析和材质分析，找出钻杆螺纹失效原因：
① 应力集中：钻杆接头螺纹原始模型有限元分析结果表明：在公扣第一螺纹牙处根部受到严重的应力集中，极容易引起疲劳破坏。
② 热处理工艺不稳定：通过钻杆的材质分析可以知道：钻杆过渡段形成一个组织不稳定的高应力区。如果在组织不稳定区的表面存在缺陷，它可能来自热处理中裂纹，也可能喷砂不均匀，成为疲劳源区。由于高应力的作用，接着在外部循环载荷的作用下，裂纹疲劳扩展，钻杆发生过载断裂。
③ 存在腐蚀：从分析的样品看，外表面发生了严重的腐蚀点坑，当蚀坑的深度使管子的壁厚承受不了内部压力时，穿孔现象就会发生。钻杆的腐蚀属于煤矿井下酸性环境引起的腐蚀。与断裂不同，腐蚀是一个缓慢的过程，蚀坑必然存在一个积累过程。防止腐蚀失效的措施，首先是钻杆存放位置尽量远离井下酸性环境的来源，其次是定期的清洗是可以避免腐蚀失效的。
5.2 改进措施
1) 结构改进措施：针对导致钻头断裂的原因，考虑改进方案与原设计的互换性问题，从以下两个方面进行改进：
切削公螺纹大端第一牙，使螺牙承受载荷均匀化;
开弯曲应力减荷槽，避免弯曲应力出现在螺纹薄弱区域;
改进前后结构对比见图12，按照上述方法重新对钻杆接头的强度进行有限元分析计算，计算结果见图13-15。
2) 材质及热处理改进措施：钻杆材料尽量选用强度较高的合金结构钢。严格控制热处理工艺和适当提高热处理后的硬度和强度，保证钻杆产品组织性能的均匀性和一致性。
6结论
通过上述改进措施加工出的钻杆，在全国多家大煤矿井下的实际应用，钻杆断裂的事故率明显降低，取得了较好的效果，为企业节约了大量的改进费用，缩短了改进时间，创造了较大的经济效益和社会效益。
Φ42 钻杆：公扣接头螺纹第 1~2 圈处断裂现象严重;母扣接头岔口现象严重;公、母扣磨损现象严重;少量钻杆弯曲现象;极少量接头与钻杆焊接部分断裂。
图1 钻杆断裂的实物图
2钻杆受力状况及实体模型钻进过程中，钻杆是通过螺纹连接而成的细长管柱，在钻头引导下进入已钻孔底部进行钻进，钻杆内外环中有钻孔液流动，钻杆与孔壁之间有环型间隙存在。钻杆的受力变形由两部分组成，第一部分是已钻孔形态迫使直线钻杆产生弯曲变形。第二部分是钻杆在钻进过程中产生的组合变形，一方面钻头处的轴向集中力(钻压)，而钻压又受钻杆变形影响，属几何非线性动力学问题;另一方面，钻杆在各种载荷的作用下，其变形受到孔眼约束，与孔壁在任一深度位置、任一孔壁圆周方向上产生接触，属接触非线性动力学问题。
图2 钻杆接头几何模型
图3 钻杆公接头与母接头
3钻杆接头强度有限元分析钻杆接头结构设计采用 2D 轴对称单元模拟，轴对称单元能以较小的计算成本达到非常高的精度。这里采用轴对称单元进行二维有限元分析计算。
利用 ABAQUS 软件对所建立的有限元模型进行计算，得出在该受力工况下的应力图，如图 4~6 所示：
图4 钻杆接头等效应力
图5 钻杆公接头等效应力
图6 钻杆母接头等效应力
从图可以看出其最大等效应力为 786.3MPa，分布在公、母螺纹的第一牙处。，就钻杆接头部分强度分析计算而言，钻杆接头螺纹处(第一螺纹处)应力值偏大。如果钻杆选用 45号钢，钻杆接头螺纹强度明显不足;如果钻杆选用 40Cr，钻杆接头螺纹强度基本持平;如果钻杆选用 42CrMo，钻杆接头螺纹强度富余量也不明显。
根据上述分析可以看出，钻杆接头螺纹应力值偏高，接头螺纹强度偏低，是导致钻杆接头断裂的原因之一。
4钻杆材质分析
钻杆的断裂现象始终是与材料和结构的孔洞、缺口或裂纹相联系的。在材料的这种宏观不连续部分最明显的特点是应力分布不均匀，这种现象称为应力集中。缺陷(孔洞、缺口、裂纹等)和应力集中往往是造成结构破损的最重要原因。从抽象的观点讲，缺陷的出现，导致完整材料的某些对称性破缺，而且导致数学上的奇异性发生，值得一提的是，出现在钻杆上的裂纹通常是横向分布的，并且靠近“加厚过度带”早期出现的裂纹大都在锥型体与管柱之间过度区域的圆周上，这个过渡区强度很高，这些裂纹通常直而无分支，自然形成穿晶现象，而且这些现象总是伴随着疲劳断裂。
图7 断口宏观形貌
宏观形貌：肉眼观察发现，三次断口均有显著的旋转疲劳特征，第三次样件尤为明显。可见，裂纹起源于左上部位，在旋转载荷下沿逆时针方向疲劳扩展，断裂面积达到大约一半时(图 7 中直线处)，弯曲应力的作用开始占据主导作用，疲劳纹大致与钻杆圆周平行。
图8 裂纹
图9 腐蚀坑
图10 韧窝
图11 珠光体+铁素体
微观形貌：利用扫描电镜观察了断口的微观形貌。发现断口靠螺纹根部的边缘较为平坦，与此处的应力集中有关，螺纹面有大量腐蚀坑和小裂纹，说明腐蚀对裂纹的产生有一定促进作用;断口微观形貌以韧窝为主，显示韧性断裂特征;珠光体较多，是其硬度较高的原因之一。
5失效原因分析及改进措施
5.1 失效原因分析
通过对钻杆螺纹进行强度分析和材质分析，找出钻杆螺纹失效原因：
① 应力集中：钻杆接头螺纹原始模型有限元分析结果表明：在公扣第一螺纹牙处根部受到严重的应力集中，极容易引起疲劳破坏。
② 热处理工艺不稳定：通过钻杆的材质分析可以知道：钻杆过渡段形成一个组织不稳定的高应力区。如果在组织不稳定区的表面存在缺陷，它可能来自热处理中裂纹，也可能喷砂不均匀，成为疲劳源区。由于高应力的作用，接着在外部循环载荷的作用下，裂纹疲劳扩展，钻杆发生过载断裂。
③ 存在腐蚀：从分析的样品看，外表面发生了严重的腐蚀点坑，当蚀坑的深度使管子的壁厚承受不了内部压力时，穿孔现象就会发生。钻杆的腐蚀属于煤矿井下酸性环境引起的腐蚀。与断裂不同，腐蚀是一个缓慢的过程，蚀坑必然存在一个积累过程。防止腐蚀失效的措施，首先是钻杆存放位置尽量远离井下酸性环境的来源，其次是定期的清洗是可以避免腐蚀失效的。
5.2 改进措施
1) 结构改进措施：针对导致钻头断裂的原因，考虑改进方案与原设计的互换性问题，从以下两个方面进行改进：
切削公螺纹大端第一牙，使螺牙承受载荷均匀化;
开弯曲应力减荷槽，避免弯曲应力出现在螺纹薄弱区域;
改进前后结构对比见图12，按照上述方法重新对钻杆接头的强度进行有限元分析计算，计算结果见图13-15。
图12 改进前后结构对比分析
图13 钻杆接头等效应力
图14 钻杆公接头等效应力
图15 钻杆母接头等效应力
表1 原始与改进方案结果对比表
2) 材质及热处理改进措施：钻杆材料尽量选用强度较高的合金结构钢。严格控制热处理工艺和适当提高热处理后的硬度和强度，保证钻杆产品组织性能的均匀性和一致性。
6结论
通过上述改进措施加工出的钻杆，在全国多家大煤矿井下的实际应用，钻杆断裂的事故率明显降低，取得了较好的效果，为企业节约了大量的改进费用，缩短了改进时间，创造了较大的经济效益和社会效益。
