SD型潛孔錘跟管鉆具的研制

2016-11-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

趙建勤,宋軍,羅宏保,王勇

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都610081)

摘要:介紹了新型潛孔錘跟管鉆具——SD型潛孔錘跟管鉆具的工作原理。運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真有限元程序ANSYS WorI【bench 12.O軟件對(duì)跟管鉆具進(jìn)行輔助分析。并通過了生產(chǎn)試驗(yàn)。SD型潛孔錘跟管鉆具為我國(guó)頻繁發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害治理.特別是邊坡應(yīng)急處置提供了一種新的器具。

關(guān)鍵詞:空氣潛孔錘;跟管鉆進(jìn);復(fù)雜地層;地質(zhì)災(zāi)害

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜和特殊的國(guó)家.尤其是西部地區(qū),由于青藏高原的隆升,使得該地區(qū)不但有極其復(fù)雜的地形地貌,而且存在著一系列活躍的動(dòng)力地質(zhì)作用,加之伴隨經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大規(guī)模工程建設(shè)和資源開發(fā)在一定程度上的不規(guī)范性和盲目性.從而導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。雨季突發(fā)性、群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害造成的損失更加突出。如在長(zhǎng)江三峽工程庫區(qū),已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害就達(dá)1500余處,對(duì)庫區(qū)移民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。2008年四川汶川大地震、2009年重慶武隆縣鐵礦鄉(xiāng)雞尾山滑坡、2010年全國(guó)大范圍的大雨暴雨等形成的地質(zhì)災(zāi)害,其種類多、分布廣、危害大,造成了人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。同時(shí)也暴露了我國(guó)應(yīng)對(duì)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害能力差的弱點(diǎn)。為了改變現(xiàn)狀,加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害減災(zāi)和應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)研究,科學(xué)技術(shù)部啟動(dòng)了“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“重大地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及應(yīng)急救災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研究”.我單位承擔(dān)了其中一個(gè)課題“地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置快

速治理技術(shù)研究與示范”,新型潛孔錘跟管鉆具——SD型潛孔錘跟管鉆具的研制屬于該課題內(nèi)容之一。我所是國(guó)內(nèi)最早開始研究潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)的單位.自“七·五”開始研究潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)以來,特別是經(jīng)“九·五”及以后進(jìn)行的進(jìn)一步開發(fā)、完善.現(xiàn)已形成了一系列的潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)科研成果、國(guó)家專利和規(guī)格齊全的跟管鉆具系列產(chǎn)

品。SD型潛孔錘跟管鉆具是在我所SP型潛孔錘跟管鉆具的基礎(chǔ)上。進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化再創(chuàng)新,將跟管鉆具的中心鉆頭和偏心鉆頭合二為一形成為整體的導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭.再通過計(jì)算機(jī)仿真有限元程序ANSYS Work.bench 12.0軟件對(duì)跟管鉆具進(jìn)行應(yīng)力分析、計(jì)算、改進(jìn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明:SD型潛孔錘偏心跟管鉆具具有結(jié)構(gòu)合理、強(qiáng)度高。受力條件好,能量傳遞效率高,工作更可靠等特點(diǎn)。其外形如圖l所示,已獲得了國(guó)家專利,專利號(hào)是:ZL200620035 162.X。

2 SD型潛孔錘跟管鉆具工作原理

SD型潛孔錘偏心跟管鉆具的工作原理如圖2所示:

跟管鉆具工作時(shí)由鉆機(jī)提供回轉(zhuǎn)扭矩及給進(jìn)動(dòng)力。正常鉆進(jìn)時(shí),潛孔沖擊器工作的動(dòng)力——空氣,由空氣壓縮機(jī)提供。經(jīng)鉆機(jī)、鉆桿進(jìn)入潛孑L沖擊器使其工作.沖擊器的活塞沖擊跟管鉆具的導(dǎo)正器。導(dǎo)正器將沖擊波和鉆壓傳遞給導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭.對(duì)孔底巖石進(jìn)行破碎。同時(shí)。鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn).鉆桿將回轉(zhuǎn)扭矩傳遞給沖擊器并由沖擊器通過花鍵帶動(dòng)跟管鉆具的導(dǎo)正器轉(zhuǎn)動(dòng).導(dǎo)正器上有偏心孔.導(dǎo)正器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)向偏心復(fù)

合鉆頭張開.并在開啟到設(shè)計(jì)位置后被限位,使導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭隨導(dǎo)正器旋轉(zhuǎn)。在潛孔錘驅(qū)動(dòng)下導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭鉆出比套管外徑大的鉆孔(導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭的中心鉆頭部分起破碎巖石和定心作用,導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭的偏心鉆頭部分起破碎巖石和擴(kuò)孔作用).使套管不受孔底巖石的阻礙而跟進(jìn)。套管的重力大于地層對(duì)套管外壁的摩擦阻力時(shí),套管以自重跟進(jìn):當(dāng)套管外壁的摩擦阻力超過套管的重力時(shí),內(nèi)層跟管鉆具繼續(xù)向前破碎巖石.直到導(dǎo)正器上的凸肩與套管靴上的凸肩接觸,此時(shí),導(dǎo)正器將鉆壓和沖擊渡部分地傳給套管靴.迫使套管靴帶動(dòng)套管與鉆具同

步跟進(jìn).保護(hù)已鉆孔段的孔壁。導(dǎo)正器表面開有吹掃巖屑的氣孔。也有使孔底巖屑能夠排出的氣槽。大部分壓縮空氣經(jīng)沖擊器作功后通過導(dǎo)正器中心孔、導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭到達(dá)孔底.沖刷孔底已被破碎或松散的巖石及冷卻鉆頭。并攜帶巖粉經(jīng)導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器的排粉槽進(jìn)入套管與沖擊器、鉆桿的環(huán)狀空間被高速上返的氣流或泡沫排出孔外。

正常鉆進(jìn)時(shí).導(dǎo)正器表面的氣孔被套管靴內(nèi)壁封閉。使絕大部分空氣進(jìn)入鉆頭工作區(qū),對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻和清洗孔底。提鉆吹孔時(shí),只要導(dǎo)正器表面的孔露出套管靴,解除封閉狀態(tài)。

大量空氣將通過此二孔進(jìn)入套管對(duì)套管內(nèi)巖屑進(jìn)行強(qiáng)力吹除。當(dāng)鉆進(jìn)工作告一段落,需將鉆具提出時(shí).可慢速反轉(zhuǎn)鉆具幾轉(zhuǎn),偏心鉆頭又依靠慣性力和摩擦力收回,如圖2中提升狀態(tài).整套鉆具的外徑小于管靴、套管的內(nèi)徑.即可將鉆具提出到進(jìn)行配接鉆桿和套管的位置或?qū)@具提出孔外.套管留在孔內(nèi)護(hù)壁,完成鉆孔。

潛孔錘偏心跟管鉆具在鉆孔內(nèi)工作時(shí).其受力狀態(tài)十分復(fù)雜:既要承受軸向高頻沖擊交變載荷.同時(shí)要承受回轉(zhuǎn)扭矩和軸向拉壓交變載荷。因此需要從鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、加工工藝過程等方面進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和嚴(yán)格加以控制。鉆具零部件的強(qiáng)度直接關(guān)系到偏心跟管鉆具的工作可靠性。加大偏心距時(shí)能獲得較大的鉆孔直徑,有利于套管跟進(jìn)。但同時(shí)會(huì)使回轉(zhuǎn)扭矩增大、降低鉆具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,導(dǎo)致鉆具的實(shí)際使用強(qiáng)度降低,影響到鉆具的可靠性。鉆具結(jié)構(gòu)中導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭上沖擊力、扭矩和軸向拉壓力的傳遞方式也直接關(guān)系到鉆具的使用可靠性和使用壽

命。在鉆具的傳力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能得到基本滿足的基礎(chǔ)上,還要兼顧鉆具的加工工藝性,便于加工制造和降低制造成本。

從跟管鉆具的鉆進(jìn)效率對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),偏心跟管鉆具的擴(kuò)孔直徑與鉆進(jìn)效率基本上成正比關(guān)系.但是不能無限制地加大擴(kuò)孔直徑。結(jié)構(gòu)上擴(kuò)孔直徑主要由鉆具的偏心距來確定.選擇偏心距的大小時(shí)首先要能滿足鉆

具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要。增大偏心距時(shí)。不僅會(huì)增大鉆具的回轉(zhuǎn)扭矩。使鉆具承受的工作負(fù)荷加大.同時(shí)還會(huì)削弱鉆具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.影響到鉆具的使用壽命和工作可靠性,偏心距選大時(shí)還會(huì)增大加工制造過程的難度。如圖3所示.擴(kuò)孔直徑D與偏心距A的關(guān)系:

設(shè)計(jì)時(shí)擴(kuò)孔直徑D一般要比套管外徑大10mm以上:應(yīng)盡量增大偏心鉆頭外圓半徑尺,以能通過套管靴為原則;轉(zhuǎn)動(dòng)角p一般選擇在900—1600之間。

跟管鉆具排渣槽設(shè)計(jì)得合理與否,直接關(guān)系到鉆進(jìn)能否順利進(jìn)行。壓縮空氣在潛孔沖擊器中推動(dòng)活塞做功后作為廢氣排出,用來冷卻鉆頭,清除孔底巖渣并將巖渣帶出孔外。由于跟管鉆具的鉆頭部分在套管之外。

并且鉆出的孔徑大于套管外徑,部分氣體可能從套管外壁流走。嚴(yán)重時(shí),大部分氣體不進(jìn)入套管內(nèi)吹除巖渣,導(dǎo)致巖渣沉積卡鉆。因此,所設(shè)計(jì)的氣道既要保證氣流在鉆進(jìn)時(shí)有效地吹除孔底巖渣,又要保證大部分氣流能從套管返出,至少在吹孑L狀態(tài)時(shí)應(yīng)該如此。氣槽形狀。斷面大小與其他方面相互制約。槽開得小會(huì)引起孔底巖渣不能順利排出。堵塞氣流。槽開得大套管靴上凸肩受壓過大,發(fā)生變形,也會(huì)卡住鉆具。根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)跟管鉆具的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐,我們?cè)O(shè)計(jì)了二個(gè)直槽式排渣槽。

3 SD型潛孑L錘跟管鉆具的計(jì)算機(jī)仿真分析

潛孔錘偏心跟管鉆具在鉆進(jìn)過程中.要承受沖擊、扭轉(zhuǎn)、巖土擠壓與摩擦等載荷,這些載荷使偏心跟管鉆具處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。為了驗(yàn)證偏心跟管鉆具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,我們選用了計(jì)算機(jī)仿真有限元程序

ANSYS Workbench 12.O軟件對(duì)偏心跟管鉆具進(jìn)行應(yīng)力分析,以了解偏心跟管鉆具在各種載荷下的應(yīng)力狀態(tài),并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定合理的偏心跟管鉆具結(jié)構(gòu).以達(dá)到減少試驗(yàn)時(shí)間、提高效率及產(chǎn)品可靠性等目的。本次通過計(jì)算機(jī)仿真分析的潛孑L錘偏心跟管鉆具.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明,其結(jié)構(gòu)合理,達(dá)到了原設(shè)計(jì)的要求。

仿真分析的主要內(nèi)容是根據(jù)潛孔錘偏心跟管鉆具所用材料、模擬不同載荷等作業(yè)環(huán)境計(jì)算出導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器、套管與巖土相互作用下的應(yīng)力響應(yīng)特性。分析方法采用極限靜力學(xué)分析方法。這是常見的對(duì)沖擊載荷的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。沖擊載荷是一種隨時(shí)間變化的動(dòng)力載荷。典型沖擊載荷的形態(tài)如圖4所示。

根據(jù)偏心跟管鉆進(jìn)特點(diǎn)及計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度,整個(gè)系統(tǒng)的模擬仿真分三個(gè)步驟:

(1)導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭和導(dǎo)正器模型分析

對(duì)導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭和導(dǎo)正器建模,分析導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭和導(dǎo)正器在各種復(fù)雜載荷下的應(yīng)力響應(yīng)特點(diǎn)。

(2)導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器和套管模型分析對(duì)導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器和套管

、

建模.分析三者在各種復(fù)雜載荷下的應(yīng)力響應(yīng)特點(diǎn)。

(3)導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器和套管模型與巖土模型相互作用分析。

對(duì)導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器、套管以及巖土建模,分析巖土作用下,偏心跟管鉆具的應(yīng)力響應(yīng)特點(diǎn)。通過Pm,E軟件完成導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器、套管以及巖土的三維建模.幾何模型如圖5所示。

偏心跟管鉆具仿真分析給定的材料是合金鋼(24SiMnNi2crMoA),其力學(xué)性能參數(shù)偏心跟管鉆具在施工過程中,載荷工況復(fù)雜.在此只選取三個(gè)步驟中的最大載荷情況進(jìn)行敘述。這些載荷包括:

(1)最大扭矩肘=3500N·m

(2)復(fù)合偏心鉆頭側(cè)向所承受的巖土頂

推力Ⅳ-200kN:

(3)最大鉆壓和沖擊載荷300kN,最大鉆

壓尸=100kN;沖擊頻率廠-850次,分,單次最

大沖擊能ED-592J;

(4)孔深60米,此時(shí)套管長(zhǎng)度較長(zhǎng),所受

摩擦力較大.其上端幾乎豎向全約束:

(5)孔壁地層對(duì)套管總摩擦阻力,力的分

布規(guī)律為:

(6)扭矩以及沖擊載荷加鉆壓;

(7)巖土圍壓載荷,模擬巖土圍壓地下60米深所受的載荷.在模型上部施加1411200Pa的圍壓載荷,周邊約束法向位移:

(8)套管端部全約束;

(9)整體施加重力載荷。

根據(jù)有限元程序ANSYS workbench12.O軟件對(duì)偏心跟管鉆具進(jìn)行的應(yīng)力計(jì)算.

我們得到:

①通過間隙配合連接的導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器和套管。經(jīng)ANsYs分析已經(jīng)清楚地展示了其接觸區(qū)域不是整個(gè)接觸面.而是幾個(gè)區(qū)域。鉆壓和沖擊載荷對(duì)導(dǎo)正器和導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭應(yīng)力影響較小。而側(cè)向巖土頂

推力對(duì)導(dǎo)正器和導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭應(yīng)力影響大,如圖6所示。

②最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)位置在步驟一、二、三的計(jì)算結(jié)果中是一致的。都在相同位置出現(xiàn)塑性屈服。如圖7所示。

這些位置是偏心跟管鉆具在工作過程中的應(yīng)力危險(xiǎn)位置.這種屈服流動(dòng)可能造成的零件失效形式有三種:

(1)塑性破壞,由于持續(xù)塑性流動(dòng),導(dǎo)致零件出現(xiàn)塑性斷裂或垮塌。

(2)零件產(chǎn)生較大的塑性變形,影響正常使用功能。

(3)塑性疲勞破壞。

我們看到,計(jì)算中的接觸器塑性屈服流動(dòng)是自限性的,即隨著塑性屈服流動(dòng).接觸面積增加,導(dǎo)致接觸應(yīng)力集中下降。使屈服流動(dòng)停止,不會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的屈服流動(dòng)。在分析結(jié)果

中.我們也看到屈服流動(dòng)區(qū)域集中在一個(gè)小的區(qū)域中。不會(huì)持續(xù)擴(kuò)大。

分析結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)總變形小于0.005ⅡlIrI.沒有產(chǎn)生較大的塑性變形,也不會(huì)影響接觸配合和設(shè)備的功能完整性。

③隨著步驟二考慮了套管對(duì)鉆具進(jìn)行約束作用及步驟三考慮了套管和巖土同時(shí)對(duì)鉆具進(jìn)行約束作用。其最大應(yīng)力應(yīng)變值相應(yīng)變小.如圖8、9、10所示,這證明了步驟一、二對(duì)鉆具載荷約束情況是較為合理的,也是偏于安全的。

4 SD型潛孔錘跟管鉆具生產(chǎn)試驗(yàn)

生產(chǎn)試驗(yàn)主要考核SD型潛孔錘跟管鉆具的各項(xiàng)性能參數(shù).實(shí)施地點(diǎn)分別為四川省石棉縣大渡河流域國(guó)電大崗山水電站、云南省麗江梨園水電站等地。

(1)國(guó)電大崗山水電站生產(chǎn)試驗(yàn)情況SD型潛孔錘跟管鉆具在進(jìn)行了第一次

現(xiàn)場(chǎng)鉆具結(jié)構(gòu)合理性初步試驗(yàn)并得到確認(rèn)后.于2008年10月至12月在四川省石棉縣大渡河流域國(guó)電大崗山水電站2000kN錨索孔進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備、器具為:空壓機(jī):柳州富達(dá)移動(dòng)式螺桿空氣壓縮

機(jī):

鉆機(jī):無錫雙帆YG一80錨固鉆機(jī):

鉆桿:咖89x1500mm:

套管:西168×10×1500mm:

鉆具:SDl68型跟管鉆具。

鉆進(jìn)地層:大崗山水電站左岸壩頂以上壩肩邊上游接近水口邊坡。左岸壩頂以上至纜機(jī)平臺(tái)邊坡高135m,基巖裸露、崩坡基層,零星分布。邊坡內(nèi)發(fā)育10余條巖脈和斷層.

高程1135m以下為拱肩槽邊坡。1270m高程以上為纜機(jī)邊坡,1135m至1360m高程之間地形坡度為50~70度,基巖裸露,由Y24—1花崗巖構(gòu)成陡壁,有輝綠巖脈穿插,零星分布崩坡積物。

此次試驗(yàn)共跟管鉆進(jìn)了201米.跟管鉆具工作穩(wěn)定、可靠、壽命長(zhǎng)。取得了比用戶現(xiàn)用的偏心跟管鉆具平均跟管鉆進(jìn)時(shí)效提高了50%以上的好效果。

(2)麗江梨園水電站綜合試驗(yàn)情況

2009年6月至8月,在對(duì)跟管鉆具進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)完善后,又在云南省麗江梨園水電站進(jìn)行了綜合性試驗(yàn)。

此次試驗(yàn)對(duì)空壓機(jī)、鉆機(jī)、鉆桿、潛孔錘及管靴、套管等進(jìn)行了盡可能合理的選型、配套,具體的試驗(yàn)設(shè)備、器具為:

空壓機(jī):美國(guó)壽力移動(dòng)式螺桿空壓機(jī):

鉆機(jī):成都哈邁YXZ70A型錨固鉆機(jī):

鉆桿:咖89×1500mm;

套管:西168 x lO×1500mm;

套管靴:內(nèi)螺紋套管靴:

沖擊器:英格索蘭DHD350型高氣壓沖

擊器,工作氣壓0.7—2.4MPa:

鉆具:SDl68型高氣壓潛孔錘偏心跟管鉆具。

鉆進(jìn)地層:

地質(zhì)情況非常復(fù)雜。覆蓋層比較厚,破碎帶以玄武巖為主,同時(shí)夾有較多的粘土,并伴有大孤石。該邊坡正在下滑。此次綜合性試驗(yàn)共施工2000kN的錨索孔8個(gè),累計(jì)有效跟管進(jìn)尺共191.5米.取得了比較好的綜合性試驗(yàn)效果。此次試驗(yàn)SDl68型跟管鉆具為大噸位預(yù)應(yīng)力錨索孔跟管鉆進(jìn)快速施工提供了一種好的方法。

達(dá)到或超過了課題的考核指標(biāo)。

5結(jié)語

當(dāng)前我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治工作十分繁重.特別是汶川地震、玉樹地震引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害和三峽庫區(qū)以及因降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害很多,新型潛孔錘跟管鉆具——SD型潛孑L錘跟管鉆具的研制成功為地質(zhì)災(zāi)害治理特別是邊坡應(yīng)急處置提供了一種新方法,對(duì)加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害治理技術(shù)研究,保障國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn):

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口帳春地院探工系.多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)呻l(上),1987.

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