高强度自润滑地质钻杆接头的研究.pdf

“百人计划”研究工作总结报告

研究项目名称:高强度自润滑地质钻杆接头的研究

受资助人：车延岗

所在单位：中国地质科学院勘探技术研究所

起止时间：2007年12月～2010年12月

目录

一、研究领域及资助研究项目概况1

二、研究领域国内外发展趋势和前沿2

三、研究工作总结4

1、合同计划实施情况4

（1）完成了项目整体调研工作4

（2）完成了钻杆丝扣失效分析4

（3）确定了钻杆接头优化方案5

（4）设计了试验方案7

（5）进行了35CrMo合金钢的低温离子渗硫工艺研究8

（6）对表面硫氮复合处理层和原始渗氮表面摩擦学性能做了深入的对比试

验12

（7）对渗氮层和硫氮复合处理层的耐腐蚀性能做了对比实验17

（8）进行了实际应用效果研究19

（9）对失效丝扣进行了分析19

2.研究成果取得的主要成果和创新点22

(1)主要成果22

(2)主要创新点22

(3)理论意义23

3.发表论论文、论著情况。取得专利情况。完成的研究报告或工作报告情况等。

23

4.获奖励情况，包括科技成果奖、学术奖和工作奖24

5.资助期间承担的其它科研项目情况24

四、单位审核意见26

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一、研究领域及资助研究项目概况

本项目的研究领域是针对地质钻杆接头的优化设计和丝扣表面处理工艺进

行研究，改善其结构和摩擦磨损性能，制造出新型高强度自润滑地质钻杆接头。

钻杆是地质钻探钻具中最主要的。而又最容易损坏的部分。根据统计，在回

转钻进中，因钻杆引起的事故约占事故总数的百分之八十左右。由钻杆组成的钻

杆柱是用来传递扭矩和钻压的，是输送冲洗液和取出岩心（绳索取心时）的通道。

与国外相比，我国在岩心钻探工具上最大的差距，是钻杆的强度低、寿命短，

以及取心钻具强度低、可靠性差，这些差距导致施工中钻进效率低、孔内事

故多。国产绳索取心钻杆只能用于1000m左右的钻孔，各种取心钻具在1000m

以上钻孔中使用时也都存在强度低、寿命低和可靠性差等问题，这些问题严

重影响了绳索取心方法的推广应用规模与钻进深度。因此，提高钻杆的质量，

延长钻杆的使用寿命是非常必要的。目前国内外用于生产钻杆管体和接头的钢材

大都选用专门的材料，专门设计钢的化学成分，如Cr-Mo系列AISI4137HM钢，

同时严格控制冶金工艺，增加钢的淬透性，细化晶粒，保证均匀的显微组织和机

械性能及良好的可焊性能，保证均匀一致的硬度，增加材料韧性，提高钢的断裂

韧性，延长疲劳裂纹孕育期。由此可以判断，除了选用优质的材料外，必需解决

钻杆接头的优化设计和表面处理等关键问题，才能生产出品质优良的钻杆接头和

钻杆。该项目可直接用于各种地质钻杆接头的加工与处理，提升钻杆接头的工作

可靠性，为我国地质钻探提供技术支持，体现我国的钻探施工技术水平。

本资助研究项目完成的主要工作内容为：

（1）丝扣的失效分析及受力有限元计算，对损坏丝扣失效形式进行分析，

对丝扣受力进行有限元计算，优化丝扣的设计。

（2）35CrMo合金钢的低温离子渗硫工艺研究，通过改变温度，保温时间等

工艺参数的实验，考察各工艺参数对膜厚的影响。在研究的基础上得到一组稳定

的渗硫工艺处理参数。再结合成熟的离子渗氮工艺得到硫氮复合处理的工艺参

数。

（3）复合处理层分析，分析硫氮复合处理层的表面物相结构，对复合处理

层进行形貌观察和进行元素含量的分析并对其力学性能进行分析。研究其组织结

构对性能的影响。

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（4）35CrMo合金钢硫氮复合处理层摩擦磨损性能研究，研究硫氮复合处理

对合金钢摩擦磨损行为的影响。考察硫氮复合处理合金钢在不同润滑条件下的抵

抗磨损的性能。

（5）复合处理层的耐腐蚀性能研究，研究在不同环境下复合处理层的耐腐

蚀性能。探讨硫氮复合处理层的耐腐蚀性能对其实际使用的影响。

（6）硫氮复合处理丝扣的实际应用效果研究，对实际丝扣零件进行渗氮渗

硫复合处理，考察其实际应用的效果，并与原有的表面处理效果进行比较，分析

其不同的作用机理。

二、研究领域国内外发展趋势和前沿

目前国内生