直连式绳索取芯钻杆的制作方法

本发明涉及一种地质勘探设备，特别是一种直连式绳索取芯钻杆。

背景技术：

绳索取心钻进技术在我国的实践应用已有30多年的历史，由于它具有钻进效率高、岩心采取率高、劳动强度低等优点，现已成为我国目前找矿的主要手段，而绳索取心钻杆作为高成本、高消耗的主要钻进工具一直是国内许多家钻具生产企业、钻探施工单位关注的焦点。传统通用型直连式绳索取心钻杆采用内外平结构，原材料属于高精度冷拔无缝钢管，经过整体调质等处理后定尺销售给钻具制造企业，钻具制造企业在钻杆两端直接加工成公母螺扣，对螺扣表面再经硬化处理等一系列工序后将钻杆产品销售给钻探施工单位进行实际施工。大量孔内事故证实，90%以上出现的孔底事故都是发生在钻杆公母螺扣连接部位，特别是在公母螺扣根部第一扣位置处的断裂事故（根源是由于局部薄弱和应力集中产生的）占绝大多数。分析以上事故原因，钻杆在受载条件下，连接螺纹副间间隙增大，钻杆公扣有向内收缩的趋势，母扣则有向外张开的趋势，这与常见的钻杆变形“喇叭口”形式完全相符，用有限元分析软件对螺纹模型进行模拟分析螺纹受力情况，得出结论是钻杆的最大复合应力值出现在连接外螺纹根部的第一扣处，向螺纹端部逐渐减少，第一丝扣复合应力值最大，第二丝扣复合应力值大约减少50%，这说明钻进过程中钻杆柱折断容易发生的地方就是钻杆外螺纹根部第一扣位置处。由于钻杆在孔内综合受力较复杂，需要同时承受拉伸、压缩、扭转、弯曲应力及冲击载荷作用，所以如何使螺扣承载受力能力更大更加均匀，足以保证钻探施工的顺利完成而尽量减少孔内事故发生，根据通用型绳索取心钻杆用管材尺寸及允许偏差可知，钻杆外径尺寸范围是φ69.9～70.25mm，内径尺寸范围是φ59.9～60.25mm，壁厚允许偏差是±0.3mm，若不考虑钻杆本身内外径尺寸的偏差和壁厚的偏差（不可避免），就会出现钻杆端部螺扣壁厚不均，可使用深度有限，薄弱部位就会在实际使用受力过程中由于产生应力集中而为孔内事故埋下隐患。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种减少应力集中、增加螺纹强度，可避免发生孔内事故，保证施工安全系数的直连式绳索取芯钻杆。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的，一种直连式绳索取芯钻杆，其特点是：包括钻杆本体，钻杆本体的一端外壁上设有外螺纹，钻杆本体的另一端内壁设有与外螺纹配合的内螺纹，内螺纹与外螺纹之间的钻杆本体设置为钻杆光杆段；所述内螺纹的牙底锥度与外螺纹的牙顶锥度相同、内螺纹的牙顶锥度与外螺纹的牙底锥度相同，且内螺纹的牙底锥度大于内螺纹的牙顶锥度；在外螺纹根部第一螺纹扣的钻杆本体内壁处设有一圈向外凸起的缩孔加强环，缩孔加强环上周向分布有若干的缩孔通水槽，所述内螺纹外端部的钻杆本体外壁处设有与缩孔加强环配合提高钻杆承受能力的扩孔加强环，扩孔加强环上周向分布有若干扩孔通水槽，制备步骤如下，（1）在距钻杆本体一端4-16mm处通过局部扩孔机对钻杆本体进行扩孔处理，在钻杆本体的外壁上形成扩孔加强环，再通过拉床作用，在扩孔加强环形成扩孔通水槽，在距钻杆本体另一端16-32mm处通过局部缩孔机对钻杆本体进行缩孔处理，在钻杆本体的内壁上形成缩孔加强环，再通过冲床作用，在缩孔加强环形成缩孔通水槽；（2）利用车床对钻杆本体进行加工，制得钻杆本体的内、外螺纹，清理内、外螺纹螺纹扣内污物，保证表面干净；（3）将钻杆本体内、外螺纹的螺纹扣浸入碱性溶液中，进行加热除油；（4）冲洗内、外螺纹螺纹扣之间残留的碱性液体；（5）对内、外螺纹的螺纹扣表面进行酸洗；（6）冲洗内、外螺纹螺纹扣的表面酸液；（7）对内、外螺纹的螺纹扣进行施镀处理，增加螺纹扣表面硬度；（8）对施镀处内、外螺纹的螺纹扣进行回火处理；（9）涂漆打包即可制得。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述钻杆本体外螺纹与内螺纹的接触面为单侧受力接触锥面，在内、外螺纹的单侧受力接触锥面的根部均设有光滑过渡的应力分散圆弧凹槽。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，在外螺纹的根部开有应力分散密封凹槽，应力分散密封凹槽内安装有与内螺纹外端面配合密封的密封装置。

与现有技术相比，本发明综合成本消耗较低，经济性能较好，对钻杆本体两端分别进行局部扩孔和局部缩孔处理，在保证钻杆原材料消耗不变的前提下增加了外螺扣根部第一扣部位和与之配合的内螺纹第一扣处的承载复合应力能力和受力集中部位的承受能力，有效解决了钻杆出现“喇叭口”的问题，提高了钻杆整体的承载能力，大幅降低了因螺扣破坏而引起的孔底事故。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的右视结构示意图；

图3为图1中ⅰ处的局部放大结构示意图；

图4为图3中ⅱ处的局部放大结构示意图。

具体实施方式

一种直连式绳索取芯钻杆，包括钻杆本体，钻杆本体的一端外壁上设有外螺纹5，钻杆本体的另一端内壁设有与外螺纹配合的内螺纹2，内螺纹2与外螺纹5之间的钻杆本体设置为钻杆光杆段3；所述内螺纹2的牙底锥度与外螺纹的牙顶锥度相同、内螺纹的牙顶锥度与外螺纹的牙底锥度相同，且内螺纹的牙底锥度大于内螺纹的牙顶锥度；在外螺纹根部第一螺纹扣的钻杆本体内壁处设有一圈向外凸起的缩孔加强环4，缩孔加强环4上周向分布有若干的缩孔通水槽7，所述内螺纹外端部的钻杆本体外壁处设有与缩孔加强环配合提高钻杆承受能力的扩孔加强环1，扩孔加强环1上周向分布有若干扩孔通水槽6，制备步骤如下，（1）在距钻杆本体一端4-16mm处通过局部扩孔机对钻杆本体进行扩孔处理，在钻杆本体的外壁上形成扩孔加强环，再通过拉床作用，在扩孔加强环形成扩孔通水槽，在距钻杆本体另一端16-32mm处通过局部缩孔机对钻杆本体进行缩孔处理，在钻杆本体的内壁上形成缩孔加强环，再通过冲床作用，在缩孔加强环形成缩孔通水槽；（2）利用车床对钻杆本体进行加工，制得钻杆本体的内、外螺纹，清理内、外螺纹螺纹扣内污物，保证表面干净；（3）将钻杆本体内、外螺纹的螺纹扣浸入碱性溶液中，进行加热除油；（4）冲洗内、外螺纹螺纹扣之间残留的碱性液体；（5）对内、外螺纹的螺纹扣表面进行酸洗；（6）冲洗内、外螺纹螺纹扣的表面酸液；（7）对内、外螺纹的螺纹扣进行施镀处理，增加螺纹扣表面硬度；（8）对施镀处内、外螺纹的螺纹扣进行回火处理；（9）涂漆打包即可制得。所述碱性溶液是由偏硅酸钠、碳酸钠、氢氧化钠和水组成的，加热到60度以上即可与螺纹扣表面油污发生反应沉淀下来，达到去污效果。所述内、外螺纹以锥面贴紧不易松动，与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。利用缩孔加强环，增加了外螺纹根部第一扣处环状截面积，增加了该处强度，提高了该处能承受最大复合应力的能力；在该处还设有圆周均匀分布的缩孔通水槽口，内管总成通过该处时能保证有足够的环流空间，在钻进过程中无论是取岩心提内管过程或是取完岩心下内管过程，内管总能都能顺利通过该处，保证正常钻进，同理，利用扩孔加强环，也提高了与外螺纹对接处最大复合应力的能力，同时也有效解决了钻杆母扣变形“喇叭口”的问题；在该处也设有圆周均匀分布的扩孔通水槽口，在起下钻杆时该处也能保证与孔壁具有足够的环流空间，保证正常起下钻杆钻具。所述钻杆原材料选择30crmnsia，规格φ70.1×5无缝管，原材料经入厂检验，（预加热），两端进行局部扩孔和局部缩孔处理，端部热处理，金相分析+机械性能测试，硬度检测，校直，探伤，机加工和精车挑扣，塞环规检测，螺扣经镀镍磷，回火，打标，涂漆，上护塞、护帽，打包、称重，入库。

本发明将内螺纹牙底锥度和外螺纹牙顶锥度相同，且大于内螺纹牙顶锥度和外螺纹牙底锥度（内螺纹牙顶锥度和外螺纹牙底锥度相同），这样，可形成外螺纹从根部到端面牙深逐渐减小，内螺纹从端面到根部牙深逐渐减小，增加了内外螺纹大端第一扣处受力接触面积，使该处复合应力集中受力分散开来，有效缓解了第一扣处应力集中现象，将螺纹连接受力进一步均匀分散开，螺纹连接段承载能力增加。

所述钻杆本体外螺纹与内螺纹的接触面为单侧受力接触锥面9，在内、外螺纹的单侧受力接触锥面9的根部均设有光滑过渡的应力分散圆弧凹槽10。这样，在螺扣进行连接受力时，外螺纹牙顶与内螺纹牙底面接触受力，外螺纹牙底与内螺纹牙顶面不接触不受力，外螺纹牙型单侧面与内螺纹牙型相对应的单侧面接触受力，此接触面牙根处均设有相应的应力分散圆弧凹槽10。外螺纹牙型另一侧面与内螺纹牙型相对应侧面不接触不受力，这种结构的牙型设计减少了应力集中，增强了螺纹强度。

在外螺纹的根部开有应力分散密封凹槽，应力分散密封凹槽内安装有与内螺纹外端面配合密封的密封装置8。所述密封装置8为o型橡胶密封圈，将o型橡胶密封圈安装在此处，一方面，当两支钻杆拧紧时，内螺纹对应的此处圆弧面与外螺纹此处的o型橡胶密封圈接触，o型橡胶密封圈发生变形，起到与15°锥面双重密封作用，解决了钻杆连接螺纹处经常出现的不密封问题；另一方面，外螺纹大端根部在此处的凹槽设计，很大程度上分散了外螺纹大端根部附近的应力集中现象，增强了螺纹的受力强度。