田东庄，陈彦宇，李 晴，董萌萌，牟培英

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

钻杆是煤层瓦斯抽采、探放水和地质勘探等钻孔施工的主要装备之一。在钻孔施工过程中，钻杆受拉、压、弯、扭等多种交变载荷的作用，且伴有震动和冲击。除此之外，钻杆的外表面受孔壁的摩擦而磨损，其内外表面受泥浆介质，尤其酸性泥浆介质的腐蚀。当发生埋钻、卡钻等孔内异常事故时，由于强力回转和起拔，导致因扭矩过大和起拔力过大出现钻杆断裂失效等事故较为频繁。据统计，钻杆发生失效主要有以下3 种形式：①公接头螺纹大端第1 扣至第2 扣处断裂；② 母接头开裂或变形成喇叭口；③公母扣磨损严重。上述3 种类型的失效都与钻杆螺纹紧密关联，约占钻杆失效的70%以上，因此，有效预防螺纹失效对减少钻孔孔内事故具有十分重要的意义[1-3]。

近年来，随着我国煤矿井下近水平定向钻进技术的不断发展，一些超大扭矩的坑道钻机相继问世，例如 ZDY15000LD、ZYWL-20000DS 和 ZDY-30000LSD 定向钻机等。由此衍生出新的钻进工艺与技术，例如大直径顶板高位水平定向长钻进技术和复杂地层近水平超长钻进技术等，上述技术能够低成本、高效率抽采瓦斯，受到矿方的高度认可。但是，同时使得在钻进过程中钻杆承受的扭矩、拉力等载荷越来越大，因此，对钻杆的连接强度和密封性能等提出了更高要求[4-5]。

目前，煤矿用钻杆螺纹主要采用API 螺纹或改进后的API 螺纹，API 螺纹具有加工容易、可重复上扣和良好的经济性等优点，但其抗拉强度不高、且不具备气密封特点[6-8]。随着超高压水射流钻进、超高压水力压裂、空气潜孔锤钻进等新的施工工艺涌现[9-12]，钻杆螺纹在连接强度和密封性能等方面已难以满足在复杂地层长钻孔的施工要求。因此，笔者总结当前煤矿用钻杆螺纹结构特点及研究现状，分析钻杆螺纹在设计、生产及使用过程中存在的问题，并结合石油钻杆特殊螺纹的技术特点等，探讨煤矿用钻杆螺纹的发展方向。

1 钻杆螺纹结构特点

钻杆螺纹的结构形式直接决定了钻杆的连接强度、使用寿命、加工难易程度及施工过程中的装卸效率等，并影响用户和钻杆生产企业的经济效益。因此，设计结构合理，适合加工生产、使用以及具有经济效益的钻杆螺纹具有十分重要的意义[13]。

目前，煤矿用钻杆螺纹结构种类较多，按牙形分为三角形螺纹、偏梯形螺纹和梯形螺纹。三角形螺纹也称圆螺纹，牙形角为60°，圆顶圆底；圆螺纹因其加工容易、密封性好、有一定的连接强度、现场维护和使用简单、价格便宜等优点，被广泛使用[14]。偏梯形螺纹具有3°承载牙侧面和10°引导牙侧面，不同厂商生产的牙形角略有差别；偏梯形螺纹能够承受足够大的拉伸或压缩载荷，但其密封性较低，尤其是在一定的弯曲应力和轴向拉力作用下，密封性能进一步降低，因此，一般通过增加扭矩台肩或密封面来提高其密封性能[15-16]；偏梯形螺纹主要用于定向钻进类钻杆，如通缆钻杆。梯形螺纹的牙型为等腰梯形，其牙型角为30°或90°等，具有牙根强度高、对中性好、工艺性好、螺纹啮合后不易松动等优点。

按台肩形式，煤矿用钻杆螺纹结构分为单台肩结构和双台肩结构。双台肩结构的主要目的是控制上扣扭矩，其抗扭、耐粘扣性、抗压缩和抗弯等性能参数优于单台肩结构。双台肩结构在工作过程中，主台肩面和螺纹段为承受载荷主体，辅助台肩面承受部分载荷，起一定的过载保护作用[17-18]。双台肩结构主要应用于高扭矩、高钻压的钻进工况。双台肩结构分为逆向台肩和直台肩，逆向台肩又细分为辅助台肩为逆向台肩、主台肩为逆向台肩和主辅台肩均为逆向台肩3 种类型，如图1 和图2 所示。逆向台肩能够改善接头接触应力分布，同时使得密封特性得到改善。主台肩为逆向台肩的主要作用是缓解母接头胀扣的发生，辅助台肩为逆向台肩的主要目的是改善密封效果，同时对上扣定位起到很好的作用。

图1 双台肩和单台肩螺纹结构Fig.1 Threaded structure of dual-shoulder and single-shoulder

图2 辅助台肩为逆向台肩的螺纹结构Fig.2 Threaded structure of the auxiliary and reverse shoulder

按密封形式，分为弹性密封(O 型橡胶圈密封或聚四氟乙烯的密封环等)、金属对金属密封和复合密封(金属密封+弹性密封)。弹性密封结构比较简单，即在螺纹端部加工一个或多个密封槽，通过密封环堵塞螺纹间隙形成密封作用，其寿命有限，一般螺纹连接3～5 次后就需更换。金属对金属密封结构是由光滑的金属表面弹性过盈配合而实现密封的，应用于高温、高压工况[19-20]。复合密封是金属密封失效后，靠软密封保证零泄漏。金属-金属密封分为柱面对柱面密封、锥面对锥面密封和球面对锥面密封等(图3)，其中锥面-锥面密封结构密封效果好，且比较容易进行高精度加工，被广泛使用。

螺纹紧密距是影响煤矿用钻杆螺纹能否正常拆卸的最主要因素之一。在处理钻孔孔内事故过程中，强力回转和起拔钻杆常常引起螺纹变形严重，导致钻杆无法正常拆卸[21]。为了便于拆卸，煤矿用钻杆螺纹采用负紧密距。若螺纹紧密距值的绝对值较大，则导致公母螺纹预紧后，螺纹的有效接触面积减小，螺纹的连接强度降低，因此，煤矿用钻杆螺纹紧密距值的绝对值不宜过大。一般地，螺纹紧密距的取值为-0.8～-3 mm[22-23]。

图3 密封结构Fig.3 Sealing structure

2 研究现状

2.1 螺纹应力分布

研究钻杆螺纹应力分布情况主要是分析它在拉、扭、弯等载荷作用下的受力和变形情况，为优化螺纹结构提供指导。目前采用的研究方法主要有解析法、有限元法和试验法。

a.解析法 应用解析法对钻杆螺纹进行分析具有很多局限性。假定钻杆公母螺纹在螺纹预紧及受力后，最大变形量在弹性范围内，通过弹性力学的本构模型进行力学分析。螺纹啮合后，公母螺纹的接触面是一个空间螺旋曲面，接触较为复杂。钻进过程中，钻杆的受力为复合且无规律载荷，啮合螺纹的局部应力往往超出材料的屈服极限，因此，难以建立精确的数学模型。虽然传统的弹性力学理论是在做了很多假设的基础上对钻杆螺纹进行理论分析，其准确性较低，但这种方法力学概念清楚，给人以完整的力学形象，具有重要的指导意义[24]。目前，关于螺纹连接强度的理论研究成果较多，如许红林[25]采用理论建模的方法系统地建立了一套特殊螺纹连接强度和密封理论体系。

b.有限元法 随着有限元技术的飞跃发展，一些大型商业有限元软件，如ANSYS、ABAQUS 等对钻杆螺纹的分析能力越来越强，这极大地推动了钻杆螺纹的研究进程。当前有限元法已经成为研究与开发钻杆螺纹的主要手段之一。钻杆螺纹的有限元分析是一个综合材料非线性和边界条件非线性的弹塑性接触问题，其中接触分析是重点，也是难点[26-27]。目前国内外学者主要采用二维轴对称有限元模型研究不同钻杆螺纹参数对其某一方面性能参数的影响规律，这些研究对钻杆螺纹的研发具有积极的推动作用。由于三维模型建模困难、计算复杂，钻杆螺纹三维有限元分析的研究还没有很大的进展。一些学者通过建立钻杆螺纹三维模型，在复合载荷下分析接触应力分布规律，所得结果与螺纹实际受力特征存在一定的差异[28]。

c.试验法 试验法在钻杆螺纹性能研究和开发中具有十分重要的作用。通过室内试验测试钻杆螺纹在不同轴向力、不同扭矩或不同弯矩下的连接强度和密封性能。目前煤矿用钻杆螺纹仍主要采用单一纯静态载荷作为数值仿真的结果验证和评判螺纹性能的标准[19,29]。但试验法难以反映钻杆螺纹内部真实的应力和应变情况。有学者采用光弹性法研究螺纹连接内部的应变情况，由于螺纹在承受较大轴向载荷时表面应变比较大，往往超出普通应变片的测量范围，导致难以了解螺纹在屈服后各个部位的应力和应变的发展趋势；同时螺纹的失效是在一瞬间发生的，如何捕捉瞬时的应变也是一个难题[30]。

2.2 螺纹失效

由于钻杆复杂的受力情况和使用环境，使得钻杆失效事故屡见不鲜。通过对钻杆的失效分析，能及时地分析、总结钻杆失效原因，并提出切实有效的解决措施及预防手段。钻杆螺纹失效种类繁多，大体分为以下几种类型：疲劳破坏、脆断、粘扣、胀扣、刺扣和密封失效、台肩面和螺纹表面擦伤等，其中疲劳破坏和脆断占钻杆螺纹失效总量的80%以上[2,31]。由此可见，有效预防钻杆螺纹失效的关键在于预防螺纹疲劳破坏和脆断上。

a.疲劳破坏 钻杆螺纹疲劳破坏的主要原因是由于钻杆在弯曲钻孔轨迹中旋转时发生周期性交变弯曲应力所致。钻杆螺纹的疲劳破坏主要有疲劳断裂和螺纹牙的剪切失效2 种形式[32-33]。由于螺纹接头的刚性比钻杆管体的刚性大，所以应力集中主要发生在螺纹接头上，大部分钻杆螺纹的断裂均发生在公接头大端第1 扣和第2 扣之间。

b.脆 断 钻杆螺纹在加工和使用过程中由于各种原因，如锻造、热处理、车螺纹等，在钻杆接头的内部或表面已经存在各种类型的裂纹。据研究表明，钻杆螺纹连接处要承受相当高的局部应力，致使这一部位的材料处于全面屈服状态。在高应变的塑性区中，较小的裂纹也可能扩展，进而引起全面屈服脆性断裂[29]。另外，疲劳破坏和脆断都与材料冲击功有很大的关系。

c.粘 扣 粘扣是指钻杆螺纹或主辅台肩面间的金属粘接在一起，影响钻杆的密封性和结构完整性，严重时会造成泄漏等事故。目前对螺纹粘扣的失效机理并没有形成统一的认识，一种观点认为接触应力过大是引起螺纹粘扣的根本原因，在上扣过程中，上扣扭矩和几何过盈造成螺纹局部接触应力过大，导致材料发生塑性变形，产生宏观粘扣现象。另一种观点认为粘扣是由公母螺纹之间的粘着磨损、磨料磨损和腐蚀磨损混合引起的一种失效现象[34-35]。此外，研究表明，发生粘扣一方面与螺纹自身抗粘扣性能差有关，另一方面与操作不当有关，如在螺纹旋合时存在偏斜对扣、高速上扣等。

d.刺扣和密封失效 刺扣是指高压水或高压泥浆将钻杆螺纹刺坏的一种破坏形式。根据位置不同，刺扣可分为螺纹的母线方向刺扣和螺旋方向刺扣。母线刺扣是由于台肩密封不严，从台肩的缝隙中刺出，螺纹和台肩都被破坏。发生螺旋刺时，台肩完好无损，而螺纹根部沿着螺旋方向被高压水刺出一条通道，引起密封失效[36]。

总之，大量学者采用理论、仿真和试验等方法对钻杆螺纹失效进行了大量研究，并采用宏观形貌分析、金相检验、力学性能测试等方法对发生失效的钻杆螺纹进行分析。如许志倩等[37]依据螺纹啮合变形协调方程，建立了螺纹牙啮合简化的力学模型，统计螺纹不同失效形式的概率及可靠度；陈守俊等[35]对螺纹粘扣失效的过程进行试验，研究接触应力大小对发生粘扣失效的影响规律；曾钟等[31]采用多种方法对套管螺纹断裂失效进行分析并提出预防措施。上述研究对预防螺纹失效、优化螺纹结构具有十分重要的意义。

3 存在的问题

由于起步较晚，与石油钻杆螺纹相比，我国煤矿用钻杆螺纹在研发和制造过程中还存在很多问题，主要表现在以下几方面。

3.1 基础研究工作不到位

我国煤矿用钻杆螺纹的研发经历了从引进、模仿到自主研发的过程，对螺纹的设计原理，如密封设计、强度设计、防粘扣设计等方面还缺乏深层次认识。具体表现为以下几个方面。

①密封可靠性低，由于密封结构设计及公差选择不当导致在使用过程中，钻杆易发生上扣不到位或泄漏等，同时螺纹密封结构与接头材料性能之间的关系研究不足。

② 复合载荷下螺纹应力分布情况研究不足，科研人员采用有限元法在不同拉力、不同扭矩或不同弯矩下分析了螺纹应力分布情况，但实际中，螺纹往往受拉、弯、扭等多种载荷，缺乏复合载荷作用下螺纹的应力分布研究。

③缓解螺纹应力集中方法研究不足，大量仿真分析和应用实践表明钻杆公接头大端第1 扣至第2扣处为应力集中区域，在复合载荷下，该处易发生断裂失效。但针对这一问题，各科研院所及企业未能提出合理的改进措施，缺乏相关研究[22]。

④ 粘扣，由于螺纹过盈量或金属密封面过盈量选择不当，导致螺纹粘扣或主密封粘接。

⑤ 上扣扭矩对螺纹连接强度的影响研究不足，由于煤矿坑道钻机还未实现自动化钻进，上扣扭矩无法精确控制，导致行业内还未大量开展不同上扣扭矩对螺纹连接性能影响的研究。

3.2 制造技术滞后

①螺纹加工误差大，目前钻杆螺纹制造企业普遍采用数控车床批量加工钻杆螺纹，加工误差大，误差可达0.1mm，甚至更高。

② 螺纹检测技术落后，通过专用的塞规或环规配合相应的紧密距判断加工的螺纹是否合格。虽然通过通止规可以判断公母螺纹是否能够正常旋合，但无法掌握螺纹牙的接触情况，而螺纹牙的接触情况直接影响螺纹的连接强度和可靠性等。目前行业内已实现了基于机器视觉的钻杆公螺纹高精度检测，并建立了公螺纹加工及检测一体化、自动化生产线[38]。但针对母螺纹高精度、高效、自动化检测技术的研究仍主要停留在实验室研究阶段，未见商业化应用的公开报道。

3.3 钻探新技术对螺纹结构的要求

机械化自动加杆对螺纹结构提出更高的要求。随着各大矿区大力推进“机械化换人、自动化减人、智能化无人”绿色智慧矿山建设，具备机械化自动加杆功能的坑道钻机具有广阔的市场前景。机械化自动加杆要求钻杆容易对扣、上扣，钻杆螺纹具有较大的锥度，一般建议锥度为1︰6，或者锥度比更大。锥度比较大导致钻杆接头处的过水或过风面积减少，不能满足大水流量或大风量的钻进工艺要求。因此，机械化自动加杆对螺纹结构提出了新的较高要求。

钻探新工艺对螺纹结构提出更高的要求。随着新的钻孔施工工艺，如超高压水力压裂技术、超高压水力割缝技术、超高压空气钻进技术等得到逐步推广，上述施工工艺对钻杆的密封性能提出了较高要求[39]。

4 展 望

a.开展大直径钻杆螺纹的研究。随着“以孔代巷”定向钻进技术和大直径潜孔锤反循环钻进技术等在各大矿区逐步推广应用，对成孔直径和成孔深度提出更高要求，部分矿区要求成孔直径达300 mm以上。因此，需要开展大直径钻杆螺纹的研究。

b.研究适用于机械化自动加杆的螺纹结构。机械化自动加杆的螺纹需具备较大的锥度比，一般建议锥度比为1︰6 或更大，同时要求具备较大的过水或过风面积和较好的密封性能。此外，随着煤矿坑道钻机逐步实现自动化钻进，上扣扭矩能够精确控制，因此，还需要研究不同型号螺纹结构的最佳上扣扭矩，提高钻杆螺纹的使用性能。

c.随着超长定向孔滑动钻进减阻工艺、超高压水力割缝技术等得到逐步推广，超高强度、超高压密封钻杆具有广阔的市场前景。研制超高强度、超高压密封钻杆的关键在于开发具有超高连接强度、耐超高水压的钻杆螺纹。石油用特殊螺纹，即非API螺纹具有超高连接强度、优质密封性能、容易上扣等优点。因此，应结合石油用特殊螺纹开发煤矿用特殊螺纹。

d.优化螺纹牙受力分布研究。对煤矿用钻杆螺纹进行改进或是开发煤矿用特殊螺纹，例如采用变螺距螺纹、增加应力释放槽、公接头端部螺纹削平等方式改善螺纹牙受力分布，减少钻杆从公接头大端第1 扣至第2 扣处断裂事故的发生。

e.研究动态循环复合载荷试验方法评判钻杆螺纹的性能。由于在实际钻进过程中，钻杆受力状态非常复杂，受力包括挤压、弯曲、扭转及内外流体压力等。为模拟井下复杂工况，需研究动态循环复合载荷试验方法，全方位评判钻杆螺纹的各项性能指标。

f.提高螺纹加工精度和检测精度，引进或研制适合煤矿用钻杆螺纹加工的专用数控管螺纹加工机床，提高螺纹加工质量；同时探索高精度、高效率的母螺纹检测方法，如基于激光位移传感器的螺纹检测、探针接触式螺纹检测、机器视觉螺纹检测等。激光位移传感器具有量程大、精度高等特点，但对于牙形角较大的牙形斜面，传感器能够收集反射回光较少，导致测量困难。探针接触式螺纹检测具有检测精度高等特点，但其检测速度较慢。机器视觉用于母螺纹检测时，由于在内孔成像畸变严重，因此，相比其他检测方法，基于机器视觉技术实现高精度母螺纹检测难度较大。总之，需通过研究先进的管螺纹制造技术来进一步提高钻杆螺纹加工质量。

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