水平定向钻机 (第一部分)
◇徐工研究院 张启君
概述
水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施(管道、电缆等)的一种施工机 械，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中，它适用于沙土、粘土、 卵石等地况，我国大部分非硬岩地区都可施工。工作环境温度为-15℃~+45℃。水平定向钻进技术是 将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，它具有施工速度 快、施工精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线铺设施工 工程中。水平定向钻进设备，在十几年间也获得了飞速发展，成为发达国家中新兴的产业。目前其发 展趋势正朝着大型化和微型化、适应硬岩作业、自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自 动润滑、防触电系统等自动化作业功能、超深度导向监控、应用范围广等特征发展。该种设备一般适 用于管径φ300~φ1200mm的钢管、PE管，最大铺管长度可达1500m，适应于软土到硬岩多种土壤条 件，应用前景广阔。下面因此对水平定向钻的研究意义十分重要！
1 水平定向钻机的相关产品与关键技术及分类
1.1国内外相关产品的发展特点
国内有徐工的ZD1245/ZD1550/ZD2070/ZD25100系列水平定向钻机，ZD系列水平定向钻 机在国内首次采用了电液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节能、防触电报警等多项先进技术。在钻杆自动装卸钻杆、 自动锚固、自动润滑、自动钻进和回拖、触电保护等方面具有创新点，主要技术性能指标达到了 国外同类产品的先进水平，在提高工作效率，安全防护，减轻劳动强度等方面居国内同类型产品 的领先水平。为目前国内技术最先进，自动化程度最高的钻机。中国地质科学院勘探技术研究所、 连云港黄海机械厂、北京土行孙非挖技术有限公司生产的DDW80、DDW100、DDW200系列水平 定向钻、中联重科、深圳钻通公司生产的ZT10，ZT12、ZT15、ZT20系列水平定向钻。在以上的 国内钻机中目前以徐工的ZD系列水平定向钻机的配备为最好，该系列产品在国内首次采用了电 液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节能、防触电报警等多项先进技术。 在钻杆自动装卸钻杆、自动锚固、自动润滑、自动钻进和回拖、触电保护等方面领先，主要技术 性能指标达到了国外同类产品的先进水平，在提高工作效率，安全防护，减轻劳动强度等方面居 国内同类型产品的领先水平。国外的Ditch Witch公司是世界上生产非开挖定向钻机较先进的公司，具有先进的控制技术和良好的通讯设备，技术性 能先进、操作性能良好，目前生产的系列产品有JT520、JT920L、JT1720M I、JT4020MI、JT7020MI和广普型钻机JT2720AT、JT4020AT等中小型钻 机。Ditch Witch的钻孔资料处理系统，可进行钻孔轨迹设计，进行相关钻孔数据的记录。其中 DitchWitch公司JT2720/JT2720M、JT4020/JT4020M型定向钻是其在我国销售的主导产品。VERMEER公司是世界上另一非开挖设备的著名生产厂家，其水平定向钻机从迷你型钻机到大型 钻机有多种型号，主要有：PL8000、D7*11A、D10*15A、D16*20A、D18*22、D24*26、D24* 40、D33*44、D40*40、D50*100、D80*120、D100*120、D150*300、D200*300、D300*500等 ；美国CASE公司生产的60系列五种型号，美国凯斯公司是发展水平定向钻产业较晚的公司，产品 有凯斯6010、凯斯6030等型号的新型定向钻，但生产的产品性能先进，尤其是在PLC控制，自动 更换钻杆等方面有其独特的先进性和优越性。其中凯斯6030型定向钻是其在我国销售的主导产 品，主轴最大扭矩5423N.m，主轴三速旋转，最大进给力与回拖力均为13.6T，满载钻杆整机重 量7.8T，可满足一般施工工程的需要。典型的施工工程有上海信息港工程、黄埔江工程等。另外， 生产水平定向钻机的国外公司还有美国的AUGERS公司，INGERSOLL—RAND公司，德国 的FLOWTEX、HUTTE公司，英国的POWERMOLE、STEVE VICK公司，瑞士的TERRA公司，加拿大的UTILX公司和意大利的 TECNIWELL公司等。目前国外水平定向钻的产品大都具有以下几个技术特点：主轴驱动齿轮箱 采用高强度钢体结构，传动扭矩大，性能可靠；全自动的钻杆装卸存取装置；大流量的泥浆供应系统 和流量自动控制装置；先进的液压负载反馈，多种电气逻辑控制系统，高质量的PLC电子 电路系统确保长时间地工作可靠性；高强度整体式钻杆以及钻进和回拖钻具；快速锚固定位 装置；先进的电子导向发射和接收系统。
综合国外水平定向钻机的特点，主要有：
1)中小型定向钻机多采用橡胶履带底盘，具有自行走功能，减小对人行道和草坪的损坏。带钻杆 自动装卸装置，可方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率；大型钻机带随车吊，便 于吊装钻杆；
2)系列化程度高，从2T到600T，适合不同口径和长度，各类地层的施工；具有多种硬岩施工方 法，如泥浆马达、顶部冲击、双管钻进，能进行软、硬岩层的施工。
3)液压系统采用电液比例控制技术，或负荷传感系统，液压元件采用了国际先进成熟的产品；
4)应用先进的PLC控制和电液比例控制技术，主要实现四个方面的自动控制功能：自动钻进，自 动回拖、自动锚固，和行走时的无级变速控制和转向控制，自动化程度高。
5)作业安全和舒适，具有驾驶室，具有无线 (或有线)导向控制系统、地下电缆与管道探测技术、防触电安全保护技术、远程控制紧急停机技术等安全 措施，确保机器和人员的安全。
6)先进的钻进规划设计软件：如VERMEER公司的ATLAS BORE PLANNER软件和美国十方公司的DRILLSMART软件等，专为HDD(水平定向 钻进)施工而开发，可根据施工要求和资料，模拟生成设计施工路线和报告。
国内外同类技术及厂家比较表如表1、表2下：
表1 国内外同类技术比较表
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CASE6030 |
沟神JT2720 |
威猛D24×40A |
廊坊GPS10 |
徐工ZD1245 |
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最大回拖/进给力(KN) |
136/136 |
120/120 |
108/108 |
150/70 |
122/108 |
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动力头最大扭矩(Nm) |
5423 |
3660 |
5415 |
6000 |
4500 |
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主轴最大转速(r/min) |
三速 |
215 |
260 |
80 |
210 |
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自动装卸钻杆 |
有 |
有 |
有 |
无 |
有 |
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最大钻进长度(m) |
300 |
300 |
300 |
300 |
300 |
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自动锚固 |
有 |
有 |
有 |
无 |
有 |
表2 国内外同类厂家比较表
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企 业 |
主要产品 |
目前的规模 |
特 点 |
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北京土行孙公司 |
DDW80、DDW100、DDW150、DDW200、DDW250、DDW320 |
已形成系列化、批量化，年产量已达160余台 |
拖式、自行走式均有，液控，钻杆手工装卸，无自动化 |
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深圳钻通 |
ZT-8、ZT-10、ZT-15、ZT-20、ZT-25 |
已形成系列化，批量化，年产量已达130余台 |
拖式、自行走式均有，液控，钻杆手工装卸，无自动化 |
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中联重科 |
KSD15、KSD25 |
已批量生产，年产量达20余台 |
自行走，动力系与主机两单元体，干湿两用，全负荷敏感控 制，英国技术，回拖 力15~25吨 |
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连云港黄海机械厂 |
回拖力8~36吨 |
已形成系列化，批量化，年产量已达50余台 |
拖式、自行走式均有，液控，钻杆手工装卸，无自动化 |
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廊坊华元机电 |
HY-3000、HY-2000、HY-1300、HY-800 |
主要从事大型定向钻机的生产，已形成小规模 |
行走方式拖式，液压 系统进口，动力系统与主机两单元体，回拖力在80~300吨 |
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凯斯(美国) |
CASE6010、CASE6030、CASE6060、CASE6080、CASE60100、CASE60120 |
批量进口，年销量20~30台 |
电子控制，自动化程度高，动力强劲，可靠性高。 |
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Ditch Witch(美国) |
JT920、JT1720、JT2720、JT4020、JT7020 |
批量进口，年销量20~30台 |
电子控制，自动化程度最高，动力强劲，可靠性高；钻岩技术 先进，注重人身保护 |
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VERMEER公司 |
PL8000、D7*11A、D10*15A、D16*20A、D18*22、D24*26、D24*40、D33*44、 D40*40、D50*100、D80*120、D100*120、D150*300、D200*300、 D300*500 |
批量进口，年销量20~30台 |
电子控制，自动化程度高，动力强劲，可靠性高。 |
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德国海瑞克 |
回拖力100~600吨 |
进口数台 |
成熟技术，底盘分模块式、拖式、履带式多种 |
