地质钻杆镦头过程中裂纹的成因及解决对策
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摘 要：地质钻杆是采用地质合金钢管，经摩擦焊接工艺设计和生产出的地质钻探工具，其在地质勘探中发挥着重要的作用。为了保证钻杆的强度，一般在对其进行加工时，都会在两头进行镦头加厚处理，但是在镦头过程中，许多钻杆出现了裂纹，影响了其使用性能和安全。文章结合相应的方法，对地质钻杆镦头过程中裂纹产生的原因进行了分析，并提出了合理有效的解决对策。
中图分类号：P634.42 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）30-0156-02
随着社会经济的发展，地质勘探工作发挥着越来越重要的作用，对于地质勘探的设备和器具也提出了更高的要求。作为地质勘探中应用十分广泛的地质钻杆，其质量也受到了相关人员的充分重视。钻杆在钻柱系统中起着传递动力、输送泥浆的作用，因此必须具备良好的抗冲击性能和抗扭性能，一旦钻杆出现故障，必然会影响地质勘察工作的有效进行，甚至造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，做好地质钻杆的裂纹分析，确保钻杆的质量，是十分重要的。
1 地质钻杆裂纹的产生
在对地质钻杆进行生产时，首先要结合地质勘探的实际需求以及客户的而要求，截取适当长度的无缝钢管，形成基础杆体，然后，采用中频炉，对钢管的两端进行加热，并利用镦压机，结合热挤压的方法，将一些钢材添加到钢管两端，对其镦头进行加厚处理。这样可以为钻杆两头后续螺纹的加工提供良好的基础条件。但是在对钻杆进行镦头加厚处理后，后续加工过程中去除表面的氧化层，发现钻杆存在裂纹现象，而且裂纹集中分布在钻杆的变径处，大体上成轴向分布，严重影响了钻杆的强度和使用安全，需要引起相关技术人员的重视，对裂纹产生的原因进行分析，并对其进行解决。
2 地质钻杆裂纹产生的原因分析
2.1 分析方法
①要针对发生裂纹的钻杆进行相应的化学成分检验。在实验室环境下，取钻杆样品，利用ARL 23460直读光谱仪，对钻杆的材质进行分析，其分析结果见表1。
从表中可以看出，该钻杆管材的材质和材料成分可以满足相应的标准和规范，并不存在问题，因此裂纹并不是由于钢管材质较差引起的。
②对钻杆中锻打区的尺寸进行检验，发现其可以满足
YB 235-70《地质钻探用钢管》中对于钻杆加厚尺寸的要求，也不是产生裂纹的原因。
③对裂纹进行宏观检验，发现裂纹主要集中分布在锻打区域的变径位置，整体呈轴向分布，每一根钻杆上的裂纹约有2～4条，长度在15～30 mm不等。运用相应的仪器设备对裂纹的内部进行观察，发现去呈现出暗灰色，断面的表面曲折，周边不存在明显的剪切唇，而且裂纹的微观形态具有沿晶断裂的特征。
④对钻杆的力学性能进行检测和分析。在裂纹位置取样，然后按照《钻探用无缝钢管》（GB/T 9808-2008）以及《室温拉伸试验方法》（GB/T 228）的相关标准和要求，对样本进行相应的力学性能检测。通过将检测结果与标准值进行对比，发现钢管的塑性和强度都可以满足相应的标准。
⑤对钻杆进行金相检验。结合金相检验的相关标准和要求，在钻杆的裂纹位置进行取样，经磨光、抛光处理，并用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀后，放到光学显微镜下，对其组织进行观察。根据观察到的结果，结合GB/T 10561-2005钢中非金属夹杂物显微评定方法，对试样中的非金属夹杂物进行判断，评定为D类2级。试样的显微组织为铁素体和珠光体，并且在纵横面上呈带状分布。
2.2 分析结果
结合上述试验分析得出结果，可以明确钢管自身的物理和化学性质，以及非金属夹杂物的含量和等级，都能够满足相关标准和规范的要求，并不会造成裂纹。对钻杆纵横断面上的金相组织进行比较分析，发现其原始组织呈现为带状，直接影响着管材的轴向韧性，但是在镦头过程中，由于应力都集中在管径的变化位置，超出了管材的承受极限，因此导致了变径位置轴向裂纹的产生。为了验证分析结果的准确性，重新取多根出现裂纹的钻杆，制作冲击试验，进行相应的抗冲击试验。试验结果表明，加工后的钻杆与45 MnB钢材国家标准相比，其冲击韧性较低，这也表明了裂纹原因分析结果的准确性。
3 地质钻杆裂纹的解决对策
了解了裂纹产生的原因，相关技术人员需要采取合理有效的措施，对裂纹问题进行解决，以确保钻杆的质量。为了消除钻杆带状组织缺陷引发的裂纹问题，可以对中频炉加热管头的加热速度以及冷却时间进行控制。这里所说的加热速度，是指中频炉的喂进装置将钻杆推入中频炉感应圈的速度，而冷却时间则是指钻杆镦打完成后，一直到淬入水中的保温时间。由于当前我国并没有一个相对统一的标准，因此，在对加热速度和冷却时间进行设置时，需要运用黄金分割法对其进行计算。其计算流程如下：
假设因素范围为区间[a，b]，c为区间中利用相应的公式ac/ab=cb/ac计算得出的安排试验的黄金分割点，则可以对加热速度和冷却时间进行细分。加热速度可以细分为5 mm/s，15 mm/s、25 mm/s、35 mm/s和45 mm/s，其各自对应的冷却时间为2 min、10 min、20 min、30 min以及40 min。
经实际检验，最终选择加热速度为15 mm/s，对应的冷却时间为30 min。经过这样处理后，发现钻杆的裂纹现象大部分消失。同时，对处理后的钻杆进行制样，利用光学显微镜分析其显微组织，发现其带状组织呈现出十分明显的减缓趋势，结合相应的标准，可以评定为C等1级。另外，对加工后的管材进行冲击试验，发现其冲击韧性得到了显著提高。因此，将加热速度设置为15 mm/s、冷却时间设置为30 min，可以有效解决钻杆镦头过程中的裂纹问题。
4 结 语
总而言之，地质钻杆在地质勘探中发挥着非常重要的作用，其加工质量也受到了人们广泛的关注。本文针对地质钻杆镦头过程中产生裂纹的原因进行了全面分析，并提出了针对性的解决措施，可以大幅减少钻杆加工中的裂纹问题，推动钻杆生产的顺利进行。
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