鉆桿斷裂的原因是什么？如何避免？

鉆桿最可怕的失效形式是鉆桿的斷裂。鉆桿在導(dǎo)向、定向鉆進(jìn)鋪管過程中一但斷裂，將會對工程造成嚴(yán)重影響，不僅是經(jīng)濟上的損失，而且影響工期，失去信譽，后果不堪設(shè)想。因此，作為施工企業(yè)，一定要學(xué)會如何正確地選擇和使用鉆桿；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。

鉆桿失效（主要是斷裂）產(chǎn)生的原因：除鉆桿自身質(zhì)量問題外，施工中不當(dāng)?shù)牟僮魇鞘广@桿失效的主要原因。

1、 鉆桿主要失效形式及原因分析

非開挖導(dǎo)向、定向鉆進(jìn)用鉆桿往往在受到較大拉力和扭力作用的同時，還受到彎曲力的作用。鉆桿通過曲線段時，鉆桿被迫彎曲，弧線內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力作用，弧線外側(cè)受拉應(yīng)力作用。當(dāng)鉆桿在曲線段旋轉(zhuǎn)時，桿體就受到拉壓交變應(yīng)力的作力，而鉆孔曲率半徑越小交變應(yīng)力就越大。研究表明，這個交變應(yīng)力達(dá)到一定值后，就極容易使鉆桿產(chǎn)生疲勞裂紋。鉆桿剛開始產(chǎn)生的疲勞裂紋疲勞裂紋非常微小，肉眼很難發(fā)現(xiàn)，但疲勞裂紋發(fā)展速度極快，最后表現(xiàn)為突然的脆性斷裂。試驗證明，鉆桿受交變應(yīng)力作用而疲勞斷裂是非開挖鉆桿斷裂失效的主要原因。很多鉆桿在施工導(dǎo)向孔時發(fā)生斷裂事故就佐證了這一結(jié)論。

目前我國的非開挖施工隊伍有很多是經(jīng)驗豐富素質(zhì)高的專業(yè)公司，但更多的是臨時拼湊起來的沒有任何施工經(jīng)驗和技術(shù)的隊伍，他們往往連鉆桿（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造成鉆桿斷裂的人為方面的主要原因。

2、 避免鉆桿非正常失效的措施

根據(jù)鉆桿的失效原因分析，鉆桿除正常磨損而失效外，鉆桿的非正常失效原因可分為為兩個方面：工人操作原因和鉆桿自身質(zhì)量原因。因此，我們可以從提高鉆桿質(zhì)量和規(guī)范操作兩方面來避免鉆桿非正常失效。

3、提高鉆桿質(zhì)量

（1）鉆桿材料選擇：為適應(yīng)非開挖導(dǎo)向、定向鉆桿的受力分析，鉆桿桿體應(yīng)有較高的抗拉強度、較好抗彎性能和較好的沖擊韌性。桿體材料應(yīng)選擇中碳合金結(jié)構(gòu)無縫鋼管，合金元素中應(yīng)含有Cr、Mo等元素以提高材料的抗拉強度和沖擊韌性，含有Mn、Si等元素以提高材料的彈性（即抗彎性能）。有時還含有微量的B、V等元素以提高材料的淬透性。常用的桿體材料有：36Mn2V、35CrMo、42MnMo7、35CrMnSi、45MnMoB。

用于桿體的無縫鋼管的壁厚均勻度和軋制缺陷也是影響鉆桿質(zhì)量的重要因素。小鋼廠軋制的鋼管壁厚均勻情況嚴(yán)重，當(dāng)鉆桿較大的扭力作用時，容易在壁厚較薄處縱向裂開。有的鋼管有重皮、氣孔等缺陷，鉆桿易從此處斷裂或刺漏。

鉆桿接頭受力復(fù)雜，接頭材料很高綜合機械性能。鉆桿接頭多采用35CrMo或42CrMo棒料制造，但經(jīng)過鍛造的接頭材料能大大提高其綜合機械性能。

（2）加工工藝選擇：目前國內(nèi)非開挖鉆桿從加工工藝分主要有整體鍛造鉆桿（簡稱整體鉆桿）、鐓粗＋摩擦焊鉆桿（簡稱鐓焊鉆桿）和單純摩擦焊鉆桿（簡稱摩擦焊鉆桿）。

（3）鐓粗加厚段的處理：不管是整體鉆桿還是鐓焊鉆桿，鐓厚部分與未鐓厚部分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)有足夠的長度，壁厚過渡均勻、光滑，無折皺。桿體經(jīng)鐓鍛后進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理，以去除過渡段內(nèi)應(yīng)力，并提高其綜合機械性能。

（4）接頭結(jié)構(gòu)型式

a. 應(yīng)力分散槽：試驗研究表明，非開挖導(dǎo)向、定向鉆桿受循環(huán)彎曲應(yīng)力作用而疲勞斷裂是鉆桿的主要失效形式，而這種失效主要發(fā)生在鉆桿公接頭根部或公接頭螺紋根部。在鉆桿公接頭根部設(shè)計應(yīng)力分散槽可有效地減小該處應(yīng)力集中，從而提高其抗彎能力。此外，盡量增大螺紋直徑、錐度螺紋設(shè)計和加大螺紋絲底圓弧半徑也能明顯改善鉆桿公接頭根部的抗彎能力。

b. “雙頂”結(jié)構(gòu)：所謂“雙頂”結(jié)構(gòu)，即在鉆桿公、母扣擰緊時母扣端部與公扣臺肩處頂緊的同時，母扣的內(nèi)臺肩處也與公扣的端部頂緊?！半p頂” 結(jié)構(gòu)鉆桿的加工難度大，但它與“單頂”鉆桿相比具有多方面的*性：

(1) 密封效果好 鉆進(jìn)液由內(nèi)向外泄漏需經(jīng)兩個密封面，泄漏阻力大。

(2) 能承受更大的扭矩 “雙頂”鉆桿提供兩個抗扭臺肩，其臺肩總接觸面積遠(yuǎn)大于普通鉆桿，因而承受的扭矩也遠(yuǎn)大于普通鉆桿。

(3) 提高鉆桿的使用壽命 普通鉆桿往往因為接頭磨損，母扣端部變薄而被公扣錐成喇叭口，從而使整根鉆桿失效?！半p頂”鉆桿在接頭磨損嚴(yán)重后內(nèi)臺肩仍有效地起作用，鉆桿仍能繼續(xù)使用。

(4) 絲扣的表面處理：絲扣表面氮化處理能有效地防止粘扣，還能提高絲扣的耐磨性，從而提高其使用壽命。氮化層厚度一般在0.2~0.3mm，厚度過大容易產(chǎn)生碎性裂紋，厚度過小則抗粘扣效果差。整體鉆桿無法進(jìn)行氮化處理，取而代之的是層厚小得多的磷化處理。

(5) 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，以保證鉆桿的互換性。接頭螺紋緊密距應(yīng)控制在合理的范圍之內(nèi)，保證絲扣嚙合良好。

4、施工工藝的改進(jìn)

（1）規(guī)范操作：施工中要嚴(yán)格按照各種鉆桿所允許的拉力、扭矩和曲率半徑來使用鉆桿。對于施工企業(yè)來說，只有按規(guī)范使用鉆桿，才能有效避免鉆桿的非正常失效。

（2）過渡桿的作用：在擴孔和拉管過程中，與擴孔鉆頭連接的那根鉆桿的曲率半徑很可能遠(yuǎn)小于鉆孔設(shè)計的曲率半徑，即r<，從而使這根鉆桿在回轉(zhuǎn)并受拉力作用下而受到較大的循環(huán)應(yīng)力作用，使其疲勞損傷，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋而斷裂。這種斷裂多發(fā)生在距鉆桿公接頭0.3~0.8m之間。在普通鉆桿與擴孔鉆頭之間連接過渡桿，可使擴孔鉆頭與普通鉆桿之間的小曲率過渡由加過渡桿來承擔(dān)，從而保護(hù)了普通鉆桿。過渡桿的這種作用往往被用戶所忽視，但是很多看似無法解釋的斷鉆桿事故其原因就在于此。

（3）防止鉆桿失穩(wěn)：鉆桿是力學(xué)中的細(xì)長桿，在受壓力作用下有失穩(wěn)的趨勢。因此，在導(dǎo)向孔施工階段要對處于自由狀態(tài)的鉆桿進(jìn)行約束，防止在造斜頂進(jìn)過程中鉆桿失穩(wěn)而彎曲失效。鉆桿失穩(wěn)情況多發(fā)生在鉆機夾持器至入地點之間的鉆桿段，應(yīng)盡量縮短該段長度，或采取適當(dāng)?shù)募s束措施。為防鉆桿失穩(wěn)，一般應(yīng)使鉆桿自由段長度小于鉆桿直徑的20倍。

（4）絲扣油的使用：質(zhì)量好的絲扣油能有效防止鉆桿粘扣、減小卸扣扭矩、減少扣面磨損。

（5）沖洗液的使用：在砂層、卵礫石層中鉆進(jìn)時，應(yīng)用優(yōu)質(zhì)泥漿作沖洗液。泥漿在鉆桿外壁形成泥皮，起潤滑作用，能減小鉆進(jìn)扭矩，減少鉆桿磨損，對保護(hù)鉆桿起到非常重要的作用。

（6）鉆桿的檢查：鉆桿使用一段時間后，就應(yīng)檢查鉆桿的磨損、彎曲、表面劃痕等情況，要及時淘汰磨損過度、明顯彎曲及表面劃痕較深的鉆桿。尤其要仔細(xì)檢查鐓鍛過渡段的磨損情況，該處往往最易被磨損變薄而斷裂。