力骏气动潜孔锤技术和应用|原创作品交换中心 - 领先的岩土技术社区，岩土领域的媒体、社区与应用平台！

离线pneumec123

技术员

发帖: 47

土币: 236

威望: -4

原创币: 0

只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2014-10-13

一. 引言
1.1 公司背景
PNEUMEC『力骏钻具』品牌由香港力骏机械有限公司全资拥有。公司在1992年成立，拥有二十多年欧美专业生产气动潜孔锤和潜孔钻头的技术和经验。PNEUMEC『力骏钻具』的雷霆系列产品90%远销北欧、美国、非洲、西班牙、巴西、俄罗斯、澳洲、香港、澳门及东南亚等地。力骏气动潜孔锤和潜孔钻头是选用进口的优质铬镍合金钢及航空合金钢材料，经过精密而复杂的技术工序生产而成。『力骏钻具』雷霆系列气动潜孔锤采用无阀式结构。它构思完美、设计独特，操作简单，性能出色及稳定可靠。潜孔钻头尺寸由90MM至1200MM直径可供选择，同时也可以根据客户尺寸要求设计生产。
    在我国，气动潜孔锤技术广泛应用于矿山爆破、水井、地热等工程，主要以小口径为主。大口径气动潜孔锤是中国近年趋向使用起来的一种高效低耗钻孔技术，在岩土钻凿工程领域得到广泛应用。目前大口径气动潜孔锤主要配套长螺旋桩机进行施工，广泛应用在钻孔灌注桩，地下连续墙，预应力管桩引孔桩等基础工程，孔径500~1200MM。根据地层结构复杂程度，可选择直锤钻进或者跟管钻进。2012年上半年，在珠海高栏港中石化工地，工地地基用山体爆破石块填海而成，岩石为坚硬的花岗岩，采用了力骏跟管钻具PCON-E510进行施工（见图1），成为国内较早成功使用大口径气动潜孔锤跟管施工的典范。

图1  高栏港中石化工地采用力骏跟管钻具PCON-E510
1.2.  气动潜孔锤历史
十八世纪中叶(1857年)意大利工程师巴特里特首次发明以压缩空气作为动力介质的世界第一台气动凿岩机, 开创了潜孔锤钻进的新纪元。气动潜孔锤在20世纪60年代引入中国,  70年代中国技术人员已经自行设计研制气动潜孔锤, 应用领域主要是矿山爆破, 其后扩大到水文勘探、水井钻凿, 其硬岩钻进效率较常规钻进高5～8倍, 因此气动潜孔锤钻凿水井在当时被作为一项高新技术广泛应用。 80年代西方工业发达国家又将潜孔锤口径加大(即本文的大口径气动潜孔锤), 并用于各类建筑工程、水利坝基工程的硬岩钻孔施工。

1.3.  气动潜孔锤行业现况
1.3.1 国际气动潜孔锤行业发展现况
近年来, 全球气动潜孔锤行业快速发展, 带动了气动潜孔锤的需求,  根据中国气动潜孔锤行业发展研究报告(2012年)指出,  2010年全球气动潜孔锤市场规模达到0.081亿美元,  2011年增长到0.097亿美元,  2012年, 全球气动潜孔锤市场规模达到0.106亿美元(见图2)。其中以欧洲和美国市场规模最大、其次为日韩等国家(见图3)。

图2 2010年-2012年全球气动潜孔锤市场规模

资料来源：中国气动潜孔锤行业发展研究报告2012年版

图3 2010年-2012年欧洲、美国及日韩气动潜孔锤市场规模

资料来源：中国气动潜孔锤行业发展研究报告2012年版

随着市场的发展, 未来几年全球气动潜孔锤市场规模将呈现稳定性发展, 根据中国气动潜孔锤行业发展研究报告预计到2017年全球气动潜孔锤市场规模将达到0.31亿美元(见图4)。

图4 2013年-2017年全球气动潜孔锤行业市场规模预测

资料来料: 中国气动潜孔锤行业发展研究报告2012年版

1.3.2 中国气动潜孔锤行业发展现况
随着中国社会经济的快速发展, 我国的采矿业、凿井和基础工程等行业也随着快速发展, 从而间接带动了气动潜孔锤行业的发展(见图5)。但市场规模和技术水平与国外发达国家相比, 我国还存在一定的差距。

图5 2010年-2012年中国气动潜孔锤市场规模

资料来源: 中国气动潜孔锤行业发展研究报告2012年版

随着中国工业化、城镇化进程快速推进, 国内投资需求和消费需求保持强劲增长, 气动潜孔锤行业呈现快速发展态势, 各项基础工程对气动潜孔锤需求量不断加大(见图6), 良好的发展前景吸引了更多企业的进入, 竞相争取分食市场大饼, 导致行业竞争非常激烈(见图7), 企业将面临着优胜汰劣的局面。

图6 2013年-2017年中国气动潜孔锤行业市场规模及增速预测

资料来源: 中国气动潜孔锤行业发展研究报告2012年版

二. 气动潜孔锤技术和应用
2.1 气动潜孔锤简介
2.1.1 气动潜孔锤的工作原理
气动潜孔锤的工作原理是以压缩空气为动力的一种气动冲击工具。它由潜孔锤和钻头组合而成（见图8），潜孔锤所产生的冲击功率直接传给钻头，然后由钻机动力头驱动钻杆回转，形成对岩石脉动破碎能力，同时利用潜孔锤排出的压缩空气，对钻头进行冷却并将孔底渣屑快速排出孔外，从而实现快速钻进成孔目的。

图8 力骏THUMPER180气动潜孔锤总成剖面图

2.1.2 气动潜孔锤内部运作程序（见图9）

过程一

潜孔锤处于完全开启状态，活塞停卧于钻头的顶部。同时，钻头完全伸展出潜孔锤的外部，在这个位置，高压空气直接经过潜孔锤的尾管，活塞和钻头清除钻头前端之渣屑。

过程二

潜孔锤处于完全关闭状态，钻头停卧于洞底内。高压空气经过潜孔锤的活塞和尾管，汇集于活塞和钻头之间。

过程三

汇集于活塞和钻头之间的空气开始膨胀，推动活塞向上，控制管开始进入活塞的顶部，使活塞上的空气压缩；另外，底层活塞管之空气狭槽被活塞所覆盖，引致空气停止流通至底部。

活塞继续向上移动，开启着活塞管顶部之空气狭槽，以吸取高压空气，与此同时，处于活塞管底部的空气会继续膨胀。

活塞提起钻头，令到底层之空气由钻头之尾管排出钻头，活塞仍然向上移动，而在活塞上之气压继续增加。

过程四

活塞现处于全力冲击状态，预备向下移动的循环过程。上层储气室继续吸取高压空气，而底层范围继续排气。

过程五

活塞开始向下冲击，当钻头上的尾管进入活塞的底孔时，下层储气室之空气开始压缩。当活塞之上段经过空气狭槽时，上层储气室之空气开始膨胀，空气在下层储气室继续压缩。

过程六

活塞撞击钻头的顶部，活塞周而复始地重复过程二至过程六，此循环过程如果气压在250 PSI（17.2BAR）时，则每分钟重复1400次；如果气压在350 PSI（24.1BAR）时，则每分钟重复1600次。

蓝色：排出的空气粉红条：膨胀的空气红色：高压的空气红条：压缩的空气

                 图9  力骏THUMPER80气动潜孔锤内部运作程序
2.1.3  气动潜孔锤特点
   气动潜孔锤技术得到广泛应用，主要有以下优点：
1）钻进效益高，使用实践证明，比传统钻进效益高了3～10倍；
2）潜孔钻头上使用的硬质合金既可以有效穿越岩层，又比金刚石钻头寿命高，大大减低了钻头成本；
3）成孔垂直度好，减低因孔斜造成的塌孔卡钻事故；
4）比起回转钻进，潜孔锤钻进所需的钻压及扭矩要小得多；
5）气动潜孔锤钻进采用的无循环干式作业，空气既可以提供动力又可以作为排渣介质，不污染空气。
2.2  潜孔钻头简介
2.2.1 潜孔钻头组成（见图10）

图10 潜孔钻头组成

2.2.2 潜孔钻头切面（见图11），并且配用圆形珠，锥形珠或者圆锥形珠（见图12），以适用于不同地层有效钻进。

图11 钻头切面

图12 原子形状

2.2.3 潜孔钻头类别
潜孔钻头分为普通钻头和跟管钻头两种，以力骏公司产品图片为例（见图13）：

跟管PES系列跟管PCON-E系列潜孔锤雷霆系列环钻系列普通钻头BB系列

图13 力骏钻具产品

2.2.4 潜孔钻头尺寸
目前国内外单体潜孔钻头最大可做到1200MM，集束式潜孔锤最大做到3000MM，以下表格是力骏钻具公司的钻头尺寸（见图14）：

图14 力骏潜孔钻头尺寸

2.3 气动潜孔锤常见组合
常见气动潜孔锤由转环，钻杆，REG API接头，炮衣，冲击器及钻头组成（见图15）：

转环

图15 潜孔锤常见组合图

转环

2.4  气动潜孔锤钻探系统组合
    潜孔锤钻探系统由动力头，转环，高压进气喉，油壶，集气箱，空压机，钻机，钻杆及潜孔冲击器组合而成，国内目前主要用长螺旋钻机桩架配套潜孔锤使用，也有部分同旋挖钻机配套使用（见图16）。

                    图16 潜孔锤钻探组合图

2.5 气动潜孔锤使用要素

2.5.1 空气流速

    当空心的钻杆早期被采用时，都是利用水作为清除渣屑的环绕媒介，继而钻掘淤泥。近年来，气体已广泛被使用，如高压空气和自然气体。在特别情况下，泡沫有时也会被使用。
对于使用液体来清洗洞内的渣屑，其流速须达每分钟125英尺（38米）至225英尺（68米）方属有效，此流速受钻掘的进透率、洞径﹝即钻头外径﹞、钻杆及液体的容量所控制。
至于高压空气方面，其流速须达每分钟3,000英尺以上﹝每分钟914米以上﹞，但从以往的经验所知，达到充分清除渣屑的流速，必须在每分钟4,500英尺或以上﹝即每分钟1,371米﹞。由于空气是气动潜孔的主要操作力量，空气的压力决定钻挖效率。高压式的潜孔锤能给予钻头巨大的马力，因而增加钻掘的进透率。另外，进透率增加可减低在转动时钻头与地层之间的磨损，因而增长钻头的寿命。下图为力骏钻具施工案例图片（见图17）。

               图17 力骏钻具施工案例图片

2.5.2 耗气量
    空气的流速能有效地清除洞内的渣屑，其流速必须达每分钟20公呎或以上，视乎地质的密度和渣屑的大小。决定空气流速的因素是空气压缩机的输出率，另外钻头的直径和钻杆的直径都能使空气的流速增强。谨记的是钻杆的直径是不能超过气动潜孔锤的外径。
请用以下公式计算排渣的空气容量：

项目	代号	单位(英制)
空气流速	V	F / MIN
空气容量	Q	F³ / MIN (cfm)
开孔直径	Dh	Inch
钻杆直径	Dp	Inch

     注：CFM = 每分钟立方呎   1000 cfm = 28.3 CMM(每分钟立方米)

    排渣耗气公式：     V  =      184  X  Q
                                      ( Dh² - Dp²)
    例如：
     1) 假设某一桩孔开孔直径为311MM = 12.24英吋，钻杆直径为190MM = 7.5英吋。
         (空气流速每分钟3,000英呎)
         排渣需气量(cfm) = 3000 x [(12.24² - 7.5²)/184] = 1525 cfm
     (1525 CFM / 1000) x 28.3 CMM = 43.2 CMM(每分钟立方米)

     2) 再以上述为例，如果将钻杆直径改为254MM = 10英吋。
         排渣需气量(cfm) = 3000 x [(12.24² - 10²)/184] = 812 cfm
     (812 CFM / 1000) x 28.3 CMM = 23 CMM(每分钟立方米)

     结论：由上述两个结果比较所得，钻杆直径的大小直接影响排渣效果和空气压缩机的气量。客户配用空压机可以根据力骏气动潜孔锤耗气量作为参考（见附表1）。

附表1 力骏气动潜孔锤耗气量附表

2.5.3 钻杆
    钻杆直径的大小很大程度影响桩孔内的空气流速（详见2.7.2 耗气量的案例比较），选择合适尺寸的钻杆可提高空气流速，从而减少空气压缩机的数量或耗气量。钻杆接头分为API和六方连接方式（见图18）。

      273mm直径六角头钻杆（已加杆衣）              273mm直径 8 5/8”API REG 钻杆
                                   图18  钻杆连接方式

2.5.4  水 / 泡沫
    大口径气动潜孔锤钻进时，通常会使用泡沫来协助清理孔内渣屑。对于有缝隙的地层采用泡沫协助排渣，可以减少空气流失，有效清理孔内渣屑。
   潜孔锤钻进过程中，使用水/泡沫来清除渣屑不会对气动潜孔锤造成任何损害，但润滑剂必须适量增加。
下列五项是使用水/泡沫的优点：
   1）协助清除渣屑；
   2）降低空气温度，有助于避免钻机辅助设备由于温度过高造成捆牢或擦损；
   3）保护钻探人员的健康；
   4）减少尘埃对钻探设备造成的破坏；
   5）为轻微破损的零件起到封闭保护作用；
   使用高压空气来清除渣屑时，如地层中有渗水现象，会引致很多难题出现。当钻探过渗水地带后，渣屑和渗出的水份会混成泥浆，这些泥浆附在钻杆和孔壁上，会减低或阻碍潜孔锤运转时对渣屑的清除，如果使用水/泡沫，便可解决此问题。

2.5.5 转速
    碳化物钨钢铢的磨损程度与转速成正比例；合适的转速可减少翻新球齿的频率及增加钻头的寿命，但要透入率满意方能减低转速。通常如花岗岩般坚硬的地质，与页岩及石炭石等软性地质相比，所需的转速较慢。因为对于坚硬的地质，增加转速并不会对钻掘的透入率有多大影响，相反地，软性的地质则有莫大的帮助。无论如何，较高的转速必须小心处理。
   适合的转速需视乎地质、进透率、钻头种类和下压重量而定。最理想的进透率应是钻杆每转动一周，便能钻掘3/8吋﹝即96毫米﹞。
   按照以下指引可帮助决定转速：
   转速﹝每分钟﹞ = 1/2 X 进透率 ﹝尺 / 小时﹞
   转速﹝每分钟﹞ = 1.6 X 进透率 ﹝米 / 小时﹞
   例如：假设某施工工地自己的进透率设定每小时40英吋（即12.2米/小时）
   每小时进透率 = 40尺 / 小时 ﹝即12.2米 / 小时﹞
            = 8 吋 / 分钟
   理想的进透率是转动每周便能钻掘 3/8吋 ﹝即9.5MM)
   转速 =  8 吋   X   1 转   =  21.33转 / 分钟
           1分钟    0.375吋
     或 =  1.6  x  12.2     = 19.52转 / 分钟
   此经验法则给予初步使用者的转速指示。最适宜的转速需由经验和实践中得求。

2.5.6  控制钻头上的重量
   当使用潜孔锤开始钻掘时，必须供应足够的下压重量，迫使潜孔锤和钻头紧贴在一起。在实际中，最大的钻掘效率是需要更多的重量。至于下压重量的增值，便要视乎所用的钻头和钻掘的地质。无可置疑，一个资深的钻探工人很容易便提议适当的下压重量。通常，钻掘一个直径为六吋半（及165MM）的桩，施加于钻头上的下压重量不能超于3,600磅﹝1,630公斤﹞。
   另一快速「经验法则」计算方法是每吋钻头的直径需500磅（即227公斤）下压重量。
   例如： 6 1/2吋的钻头需重力 = 6 1/2 X 500 磅 = 3,250磅（即1,476公斤）
   以下几点是因不适当的重量而可能导致的后果：
   1）进透﹝地层﹞率减弱；
   2）钻头上的柄位或肩位损毁；
   3）前接头内花键与钻头间嵌缝位的损毁；
   4）钻头保持环损毁；
   5）气动潜孔锤不规则的运作导致钻头上的球齿，钻头大端面和前接头磨损。
   下压重量可由增加钻杆或钻探台附设的油压设备提供；当钻掘深孔时，因不断地添加钻杆，钻探台的油压控制设备可“拉回”某程度上的重量，作为补赏因增加钻杆而施加于钻头上的重量。

2.5.7 润滑及保养

气动潜孔锤工作时，必须时刻保持有适量的润滑油润滑，避免潜孔锤内部零件出现非正常磨损和故障，影响潜孔锤的效率和使用寿命。在使用新的钻杆前，应给每一钻杆注下一公升的润滑剂。根据相关经验，当有100cfm气流通过这潜孔锤时，所有力骏气动潜孔锤每小时需要3.1升机油。雷霆180潜孔锤当在150磅/平方英寸压力和1680cfm气流的工作条件下，每小时至少需要6升机油。当潜孔锤在水里或泡沫环境钻孔时，润滑机油油量需要增加50％。不同的钻探场地环境温度需要选择不同牌号的润滑油。如场地气温在摄氏0至25度，要采用30号机油。如气温超过摄氏25度，要采用50号机油。力骏雷霆系列潜孔锤润滑油参照表（见附表3）。以下是几个品牌的参考牌号: