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1、大口径定向钻穿越钻杆断裂分析和预防 2008-09-26 11:34:59 作者：yufangchuan 来源： 浏览次数：251 网友评论 5 条 文字大小：【大】【中】【小】 评分等级：0简介：大口径管道定向钻穿越是管道施工中难度大、风险高的一种特殊施工方法。在目前国内大口径管道定向钻穿越施工中，由于各施工单位对大口径管道定向钻穿越的经验不足，相继出现了一些问题，其中主要的问题是在扩孔和回拖过程中钻杆断裂问题。本文分析了钻杆断裂的原因，并探讨了相应的预防措施，提出更好的解决问题的方法。1 钻杆受力和断裂的主要原因1. 1 钻杆断裂的原因众所周知，在穿越过程中，特别是在扩孔和回拖过程中，钻杆
2、的基本受力为扭矩、拉力和弯矩。从目前大口径定向钻所配置的钻杆情况看，一般选用 S135 127mm、114.3mm (5in、4.5in ) IF 和 S135 168.3mm (6.625in ) FH 两种钻杆; 从钻杆的基本参数看，127mm (5in) 钻杆一般能承受 6 万 N m 以上的扭矩，168. 3mm (6.625in ) 钻杆能承受 10 万 Nm 左右的扭矩，其能承受的拉力也较大 , 一般都能满足穿越长度小于 2000m 的大口径管道回拖所需要的拉力和扭矩。因此 ，我们认为造成钻杆断裂的主要原因是钻杆所承受弯矩过大。从钻杆断裂的断口形状看，也属于钻杆弯矩过大造成的断裂，
3、只有极少数钻杆的断裂是因为承受的扭矩过大以及钻杆使用时间过长，发生疲劳破坏。从断裂位置来看，一般在前几根扩孔器、麻花钻杆位置、公扣与母扣联接处和钻杆摩擦焊处。1. 2 弯矩过大的原因通过总结定向钻穿越施工的经验，我们认为钻杆承受弯矩过大的原因主要有两方面:(1) 在钻导向孔过程中，如果实际曲线与理论曲线偏差较大，或出现急弯、死折等，都可能使钻杆产生过大的弯矩。(2) 由于扩孔后孔洞不规则，使管道与扩孔器以及钻杆轴线形成夹角, 从而造成钻杆承受弯矩过大。扩孔器在自身重力和两侧钻杆重力的作用下 ,切削土壤时为偏心切削，即下方切削量较大、上方较小，也就是说每次扩孔以后的孔洞中心线与导向孔中心线都有向
4、下的偏离。根据土壤的地质情况不同向下所产生的偏心程度也不同，土壤越软则孔洞向下的偏心量就越大，而土壤越硬孔洞向下的偏心量就越小，因而在不均匀地质条件下扩孔后的孔洞底部就会形成一个波浪形曲线，所形成的孔洞断面是一个不规则的椭圆形，这就给管道的回拖造成了极其不利的影响。其主要影响是在回拖管道时，管道在孔洞的上方贴近孔壁飘浮向前滑行，而管道牵引头前端的万向节和扩孔器及钻杆在重力作用下处在孔洞的下方，这样管道轴线与扩孔器以及钻杆的轴线在纵向就形成了夹角，这个夹角越大钻杆的弯曲应力就越大。另外，在扩孔时，由于扩孔器偏心切削土壤，造成扩孔器偏心受力，也相应增加了钻杆的弯曲应力。2 预防措施2. 1 确保导
5、向孔的质量对于导向孔的施工，大口径管道与一般小口径管道的要求有所不同: 小口径管道的导向孔的曲率半径较小，大口径管道的导向孔的曲率半径较大(对 D1016mm 钢管，曲率半径一般不小于 1200m)，因而大口径管道的导向孔的曲线应更平滑，更应贴近理想的设计曲线，这样就要求控向更精确，曲线设计更合理。要确保导向孔的质量，首先要在控向曲线的设计上下功夫。依据设计要求确定管线入土角和穿越曲率半径以及设计埋深、曲线方程，并根据每根钻杆的实际长度计算出钻导向孔时探头所处的理论深度、俯 (仰) 角、切线角及所在的水平面坐标位置等参数，并将探头实际参数与理论参数随时进行比较，以保证实际钻孔曲线与理论曲线更加
6、接近，误差更小。若实际曲线与理论曲线偏差较大时要缓慢纠正，以防出现死折。当导向孔曲率半径过小或过大时都应该重钻。另外，钻孔前对管道入土点和出土点自然地面的标高进行精确测量，并用探头测出穿越轴线所处的方位角，方位角的测量点一般不少于 10 点, 取其平均值作为控向的输入原始方位角。对于地面磁场干扰严重的地方 (如高压线、铁塔等) ，采用外加磁场的办法进行控向，确保其控向所测参数的精确度。2. 2 合理配置扩孔钻具扩孔器在扩孔过程中易产生扩孔偏心，为了尽可能地保证导向孔与扩孔孔洞的同心度，应合理地配置扩孔钻具。(1) 单纯采用翅形扩孔器进行扩孔是不合适的，因为翅形扩孔器外表面积小，洞壁对其约束作用
7、小，所以扩孔偏心很大。若单纯采用切削能力较强的桶形扩孔器，虽然扩孔偏心量较小，但切削后洞内的土壤不易被泥浆携带到地面上，孔洞成孔困难，对管线回拖不利。(2) 采用桶形扩孔器与翅形扩孔器串联进行扩孔，既保证了大型扩孔器具有很好的切削土壤的能力，又保证了扩孔后的孔洞与导向孔的同心度。但采用时必须保证翅形扩孔器的外形尺寸比桶形扩孔器的外形尺寸大一个级别 , 以便泥浆更好地携带出孔洞内的泥土和切削附着物返到穿越两侧，保证较好的扩孔效果。(3) 扩孔器前端增加扶正器对控制孔洞的偏心有一定的作用，但这种方式在实际扩孔中也有一定的弊端。现有国产扶正器没有自行切削土壤的能力，扩孔时容易造成扶正器前端堆积土质较
8、多，而增加钻机的牵拉力和钻杆的扭矩，这点对扩孔是极其不利的。2. 3 合理使用钻杆麻花钻杆较普通钻杆有着更高的强度和刚度，其抗弯和抗变形能力更强，因而其变形能力较普通钻杆差，在较大弯矩的作用下容易断裂；而普通钻杆在较大弯矩作用下很易变形，但不易断裂和破坏。所以在扩孔和管道回拖时建议使用普通钻杆。2. 4 合理选择管道牵引头与万向节间的软联接管道牵引头与万向节之间宜采用软联接过渡。软联接越短，回拖时管道与钻杆形成的夹角越大；软联接越长，管道与钻杆形成的夹角越小，扩孔回拖时，钻杆的弯矩越小，钻杆越不易破坏和断裂。反之就越容易造成钻杆的破坏或断裂，所以在以后的施工中要细心考虑这一点。2. 5 严格控制管道出土角严格控制管道的出土角，也是降低管道与钻杆夹角的一个重要措施。管道回拖前，在距入洞口约 4050m 处，根据管道出土角挖斜坡，斜坡的角度与出土角尽量相同，使入洞时的管道与钻杆轴线的夹角趋近于 0，以尽可能降低钻杆的弯曲弯形。
