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CN111042741A - 多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头 - Google Patents

多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头 Download PDF

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CN111042741A
CN111042741A CN201911364987.4A CN201911364987A CN111042741A CN 111042741 A CN111042741 A CN 111042741A CN 201911364987 A CN201911364987 A CN 201911364987A CN 111042741 A CN111042741 A CN 111042741A
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CN
China
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diamond
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coring
impregnated bit
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CN201911364987.4A
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叶宏煜
杨凯华
谢涛
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Wuhan Wan Bang Laser Diamond Tools Co Ltd
Original Assignee
Wuhan Wan Bang Laser Diamond Tools Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，它包括位于外层的外环形孕镶金刚石钻头和位于钻头中心位置的中心孕镶金刚石钻头，所述外环形孕镶金刚石钻头和中心孕镶金刚石钻头之间固定连接。该钻头整体磨损趋于均匀，金刚石出刃良好，钻进效率高，钻头使用寿命长，能够满足钻探工程领域大口径不取芯钻进的需求。

Description

多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头
技术领域
本发明属于地质勘探与钻探工程领域，具体是指一种多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头。
背景技术
进入21世纪以来，我国的地质勘探、地热勘探和页岩气新能源勘探的工作迅速发展，除了取芯钻探工程外，还有相当多的不需要取芯的钻探工程。不取芯钻探可以大大减少提钻取芯所花去的大量提下钻时间和工作量，既可以增加纯钻时间和提高钻探效率，还可以明显降低钻探成本和钻探事故发生。因此，对优质不取芯钻头的需求量在与日俱增。不取芯钻头的口径规格一般都比较大，以往都采用热压烧结一次性成形方法制造金刚石钻头；普通热压孕镶金刚石不取芯钻头结构示意图见附图5，附图6为附图5的C向钻头底唇面结构示意图。而且，传统的热压方法制造不取芯金刚石钻头所需的压力比较大，所需的热压功率高，目前的中频烧结机难以实现；以至造成钻头胎体的密实度、胎体“合金”化程度和钻头质量均难以得到保障。同时，一次性成形的整体式不取芯金刚石钻头不能实现钻头的不同环形部位的不同力学性能，它受到了胎体配方及其热压工艺参数的制约。更重要的是，大直径金刚石钻头的转速，从钻头的外缘至中心部位，其转动的线速度逐步降低，其中心部位速度为零；因此钻头破碎岩石的效果(即钻进速度)从钻头的外缘往中心部位逐步降低，中心部位接近为零；钻头环形工作层部位的转动线速度越小，钻进效率越低；如附图6所示，可以把钻头底唇面按钻头转动线速度简化分为D、E、F等几个圆环层区，D层区的线速度高于E层区的线速度，E层区的线速度高于F层区的线速度，造成破碎岩石的效果为D层区高于E层区，E层区高于F层区，造成钻头的不同环形部位破碎岩石的效果不同程度地逐步下降，这种不同部位的钻进速度的不同和变化，严重地制约了不取芯钻头的钻进效果；整体结构型不取芯钻头造成的这一特征是不取芯钻头的一大弱点，成为制约不取芯金刚石钻头高效钻进的瓶颈。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，该钻头整体磨损趋于均匀，金刚石出刃良好，钻进效率高，钻头使用寿命长，能够满足钻探工程领域大口径不取芯钻进的需求。
为实现上述目的，本发明一种多级组合式不取芯金刚石钻头，它包括位于外层的外环形孕镶金刚石钻头和位于钻头中心位置的中心孕镶金刚石钻头，所述外环形孕镶金刚石钻头和中心孕镶金刚石钻头之间固定连接。
以下任一种方案均可作为本发明所述多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头的优选方案之一：
所述外环形孕镶金刚石钻头和中心孕镶金刚石钻头之间设置有1～5级内环形孕镶金刚石钻头，相邻两层孕镶金刚石钻头之间固定连接。
由所述外环形孕镶金刚石钻头逐级向所述中心孕镶金刚石钻头的硬度与耐磨性性能逐次降低，每级钻头相对位于其外侧一级的钻头硬度降低HRC3～HRC5，耐磨性降低15～24mg；可进一步优选的，由所述外环形孕镶金刚石钻头逐级向所述中心孕镶金刚石钻头上，每级钻头相对位于其外侧一级的钻头金刚石体积浓度依次降低3～5％。如此设计以适应钻头不同环形部位对其线速度有不同的要求，达到钻进效果均衡的目的。
所述中心孕镶金刚石钻头与外环形孕镶金刚石钻头以及各层内环形孕镶金刚石钻头底唇面齐平。另可优选的，所述中心孕镶金刚石钻头的底唇面高出其相邻内环形孕镶金刚石钻头的底唇面，高度差为15～40mm，这样可成为导向式不取芯孕镶金刚石钻头。
所述中心孕镶金刚石钻头为内锥形结构，还可优选的：所述中心孕镶金刚石钻头内锥形的内锥度为110°～150°。可进一步优选的：所述中心孕镶金刚石钻头设置有中心孔，中心孔直径为10～22mm，中心孔与钻头中心偏心6mm～16mm。
各级相邻孕镶金刚石钻头之间螺纹连接或者卡接。
为了发挥不取芯钻头的优势，本发明的多级组合式不取芯金刚石钻头，通过将金刚石钻头设计为分层级的结构，每一级钻头的性能相同，而级与级之间存在硬度与耐磨性等力学性参数能的差异，如从钻头外缘向中心部位的每一级钻头的硬度与耐磨性逐级降低、采取的金刚石的粒径逐级提高，或金刚石浓度逐级下降，以保证每级钻头的磨损相同或相近，钻进效果相同或相近，整个钻头的钻进效果平衡且得到提高，适应同一个钻头的不同环形部位不同转速的钻进需要。按照该设计思路，钻头的级数越多，各级之间的性能差距越小，级间性能的影响就越小，钻头的性能越好；以此解决不取芯钻头在钻探工程中钻进速度低、钻探成本高的问题。能有效适应在地热钻井、干热岩钻井与页岩气钻井、甚至救援井钻井中所需不同口径钻头的复杂环境。而普通结构的不取芯钻头为整体结构，由于其结构特点，由钻头的外缘向中心部位的线速度逐步降低，内环部位和中心部位破碎岩石的效果将逐步下降；故整个钻头的钻进效率受内环部位和中心部位的制约，影响了整个钻头的钻进效率。
附图说明
图1为本发明的一种两级组合式不取芯孕镶金刚石钻头的结构示意图。
图2为本发明的一种三级组合式不取芯孕镶金刚石钻头的结构示意图。
图3为图1所示的两级组合式不取芯孕镶金刚石钻头的外环形孕镶金刚石钻头结构示意图。
图4为图1所示的两级组合式不取芯孕镶金刚石钻头的中心孕镶金刚石钻头结构示意图。
图5为现有普通整体式不取芯孕镶金刚石钻头结构的正剖面示意图。
图6为图5中普通整体式不取芯孕镶金刚石钻头结构中C向钻头底唇面结构示意图。
上述附图中，各标号与零部件的对应关系为：1、外环形孕镶金刚石钻头，2、内环形孕镶金刚石钻头，3、中心孕镶金刚石钻头，4、金刚石钻头的胎体，5、金刚石钻头的胎体中的金刚石，6、外环形孕镶金刚石钻头与中心孕镶金刚石钻头的连螺纹，7、中心孕镶金刚石钻头与内环形孕镶金刚石钻头的连接螺纹，8、外环形孕镶金刚石钻头与上部钻具的连接螺纹，9、金刚石钻头的冷却与排粉水路，10、内环孕镶金刚石金刚石钻头、外环孕镶金刚石金刚石钻头以及中心孕镶金刚石钻头两两之间的定位圈，11、钻头的保径焊接层；12、外环形孕镶金刚石钻头保径聚晶体，13、普通整体式不取芯金刚石钻头，14、普通整体式不取芯金刚石钻头胎体，15、普通整体式不取芯金刚石钻头胎体中金刚石，16、普通整体式不取芯金刚石钻头保径焊接层，17、普通整体式不取芯金刚石钻头保径聚晶体，18、普通整体式不取芯金刚石钻头水路，19、普通整体式不取芯金刚石钻头与上部钻具的连接螺纹。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头作进一步描述。
本发明专利的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：
1)设计与制造外环形孕镶金刚石钻头，即依据岩石力学性质和钻进工况要求，设计钻头的规格、结构参数和性能，设计和加工出钻头钢体和石墨模具；然后将预合金粉和金刚石均匀混合料装入石墨模具内，将组装好的模具送入中频电炉中热压烧结，得到外环形孕镶金刚石钻头；
2)设计与制造中心孕镶金刚石钻头，即依据所设计钻头规格，设计中心孕镶金刚石钻头的规格、结构形式和性能，设计和加工出孕镶金刚石钻头钢体与石墨模具；然后将预合金粉和金刚石均匀混合料装入石墨模具内，将组装好的模具送入中频电炉内热压烧结，得到中心孕镶金刚石钻头；
3)设计与制造内环形孕镶金刚石钻头，即依据所设计钻头规格，设计各层内环形孕镶金刚石钻头的规格和结构形式，设计和加工出孕镶金刚石钻头钢体与石墨模具；然后将预合金粉和金刚石均匀混合料装入石墨模具内，将组装好的模具送入中频电炉内热压烧结，得到内环形孕镶金刚石钻头；
4)将中心孕镶金刚石钻头、各层内环形孕镶金刚石钻头和外环形孕镶金刚石钻头进行组装，各层之间形成固定连接，即可完成该多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头。
制备方法中，所述各层孕镶金刚石钻头相关工艺参数为：
1、所述外环形孕镶金刚石钻头结构参数：
(1)外环形孕镶金刚石钻头工作层的环形宽度为10mm～15mm，工作层高度12～15mm。
(2)外环形孕镶金刚石钻头的胎体硬度为HRC15～HRC45，对应的耐磨性为280mg～170mg(采用MPx-2000型摩擦磨损测试仪测试)。
(3)外环形孕镶金刚石钻头胎体材料采用FAM-103、FAM-201、WC与YG8预合金粉，其重量百分比依次分别为38％～44％、28％～32％、17％～23％、8％～10％。
(4)外环形孕镶金刚石钻头的金刚石参数为：粒度35/40目与50/60目，其所占体积百分比依次分别为40％～48％、52％～60％；外环形孕镶金刚石钻头的金刚石整体百分比浓度为75％～100％。
(5)将预合金粉和金刚石均匀混合料装入设计、加工好的石墨模具内，将组装好的模具送入中频电炉内热压烧结；热压烧结外环孕镶金刚石钻头工艺参数为：温度950℃～980℃，压力16MPa～22MPa，保温时间4.5min～6.5min。
2、所述中心孕镶金刚石钻头结构参数：
(1)中心孕镶金刚石钻头可设计为平底形，也可以设计为内锥形；中心钻头的外环形宽8mm～10mm，工作层高12mm～15mm；中心孕镶金刚石钻头的外环形与内锥形为整体结构，内锥度α为110°～150°。
(2)中心孕镶金刚石钻头设置中心孔，直径为10～22mm，中心孔与钻头中心偏心6mm～16mm。
(3)中心孕镶金刚石钻头的胎体硬度为HRC12～HRC40，耐磨性为310mg～190mg。
(4)中心孕镶金刚石钻头胎体材料采用FAM-103、FAM-201、WC与YG8预合金粉，其重量百分比依次分别为38％～46％、26％～34％、14％～20％、10％～12％。
(5)中心金刚石钻头的金刚石参数为：粒度30/40目与50/60目，其所占重量百分比依次分别为55％～62％、38％～45％；整体体积百分比浓度为72％～95％。
(6)将所需的预合金粉和金刚石在球磨机内进行球磨混料，混合均匀的预合金粉和金刚石混合料密闭保存，备用。
(7)将预合金粉和金刚石均匀混合料装入石墨模具内，将组装好的模具送入中频电炉内热压烧结；热压烧结中心孕镶金刚石钻头的工艺参数为：温度945℃～970℃，压力15MPa～20MPa，保温时间4.0min～5.5min。
3、所述内环行孕镶金刚石钻头结构参数：
(1)内环形孕镶金刚石钻头工作层的环形宽度为11mm～14mm，工作层高度12～15mm。
(2)内环形孕镶金刚石钻头的胎体硬度为HRC14～HRC42，对应的耐磨性为290mg～180mg(采用MPx-2000型摩擦磨损测试仪测试)。
(3)内环形孕镶金刚石钻头胎体材料采用FAM-103、FAM-201、WC与YG8预合金粉，其重量百分比依次分别为40％～45％、32％～36％、15％～21％、7％～10％。
(4)内环形孕镶金刚石钻头的金刚石参数为：粒度30/40目与50/60目，其重量百分比依次分别为48％～55％、45％～52％；内环形孕镶金刚石钻头的金刚石百分比浓度为73％～95％。
(5)将预合金粉和金刚石均匀混合料装入设计、加工好的石墨模具内，将组装好的模具送入中频电炉内热压烧结；热压烧结内环孕镶金刚石钻头工艺参数为：温度950℃～970℃，压力16MPa～21MPa，保温时间4.5min～6.0min。
具体参数的选择详见各实施例的详细记载。
实施例1
如附图1所示的一种两级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，它包括位于外层的外环形孕镶金刚石钻头1和位于钻头中心位置的中心孕镶金刚石钻头3，两层孕镶金刚石钻头之间螺纹连接：中心孕镶金刚石钻头3高出外环形孕镶金刚石钻头1底唇面20mm，成为导向式不取芯孕镶金刚石钻头。中心孕镶金刚石钻头3为内锥形结构，内锥形的内锥度为120°。中心孕镶金刚石钻头相对位于其外侧的外环形孕镶金刚石钻头的硬度降低HRC3，耐磨性降低17mg。中心孕镶金刚石钻头上的金刚石体积浓度比外环形孕镶金刚石钻头降低3％。
本实施例的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：
1)设计与制造外环形孕镶金刚石钻头1，即依据岩石力学性质和钻进工况要求，设计钻头的结构参数，加工出钻头钢体，采用热压烧结方法与工艺技术，制造外环形孕镶金刚石钻头。
具体的：
①准备金刚石钻头的胎体材料：金刚石与预合金粉末，并对胎体材料进行球磨混料，确保金刚石在金属粉末中分布均匀，备用；
②金属粉末材料中，外环形孕镶金刚石钻头采用FAM-103型、FAM-201型预合金粉、WC和YG8硬质合金粉，其重量含量比分别为45％、29％、19％、7％；
③金刚石参数：采用粒度35/40目占40％，45/50目占60％，外环形孕镶金刚石钻头的金刚石整体体积浓度95％，采用MBD40型金刚石；
④热压烧结外环形钻头工艺参数：温度955℃，压力22MPa，保温时间5.0min。
⑤成形后的钻头进行机械加工，钻头内侧加工成螺纹，完成外环形金刚石钻头的制造；
2)设计与制造中心孕镶金刚石钻头3：即依据外环形孕镶金刚石钻头规格，设计中心孕镶金刚石钻头的规格和结构形式，具体的:
①准备钻头胎体材料：金刚石与金属粉末，并对胎体材料进行球磨混料，确保金刚石在金属粉末中分布均匀；
②中心部位钻头金属粉末材料采用FAM-103型、FAM-201型预合金粉、WC和YG8硬质合金粉，其重量含量比分别为47％、31％、15％、7％；
③金刚石参数：中心部位钻头采用粒度30/40目占60％，40/50目占40％，体积浓度88％，MBD40型金刚石；
④中心孕镶金刚石钻头的底唇面中心锥角α设计为135°，钻头的边缘宽7mm；中心钻头中心孔直径为16mm，中心孔与钻头中心偏心8mm。外环钻头与中心钻头工作层高同为14mm；
⑤热压烧结中心部位钻头工艺参数：温度940℃，压力20MPa，保温时间4.5min。
⑥钻头出炉后，对成形后的中心部位钻头进行机械加工，钻头外侧加工成螺纹，该螺纹与前述外环形金刚石钻头内侧螺纹相适配，即完成中心孕镶金刚石钻头3的制造。
所述外环形金刚石钻头和中心孕镶金刚石钻头的组装，依靠螺纹紧密连接，完成该二级组合式不取芯金刚石钻头的制造。
实施例2
如附图2所示的一种三级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，它包括位于外层的外环形孕镶金刚石钻头1和位于钻头中心位置的中心孕镶金刚石钻头3，外环形孕镶金刚石钻头1和中心孕镶金刚石钻头3之间设置有1级内环形孕镶金刚石钻头2，相邻两层孕镶金刚石钻头之间螺纹连接。由外环形孕镶金刚石钻头逐级向中心孕镶金刚石钻头的硬度与耐磨性性能逐次降低，每级钻头相对位于其外侧一级钻头的硬度降低HRC4，耐磨性降低19mg。由外环形孕镶金刚石钻头逐级向中心孕镶金刚石钻头上，每级钻头相对位于其外侧一级钻头的金刚石体积浓度依次降低3.5％。各级孕镶金刚石钻头的底唇面平齐。中心孕镶金刚石钻头3为内锥形结构，内锥形的内锥度为135°。
本实施例的多级组合式不取芯金刚石钻头的制造制备方法为：
1)设计与制造外环形孕镶金刚石钻头1：
①准备钻头胎体材料：金刚石与金属粉末，并对胎体材料进行球磨混料，确保金刚石在金属粉末中分布均匀，备用；
②金属粉末材料中，外环形钻头采用FAM-103型、FAM-201型预合金粉、WC硬质合金粉和YG8硬质合金粉，其重量含量比分别为40％、34％、20％、6％；
③金刚石参数：采用粒度35/40目占45％，45/50目占55％，体积浓度95％，采用MBD40型金刚石；
④热压烧结外环形钻头工艺参数：温度950℃，压力22MPa，保温时间4.0min。
⑤成形后的钻头进行机械加工，钻头内侧加工成螺纹，完成外环形金刚石钻头的制造；
2)设计与制造中心孕镶金刚石钻头3：即依据外环形孕镶金刚石钻头规格，设计中心孕镶金刚石钻头的规格和结构形式，具体的:
①准备钻头胎体材料：金刚石与金属粉末，并对胎体材料进行球磨混料，确保金刚石在金属粉末中分布均匀；
②金属粉末材料中，中心部位钻头采用FAM-103型、FAM-201型预合金粉、WC硬质合金粉和YG8硬质合金粉，其重量含量比分别为45％、36％、14％、5％；
③金刚石参数：中心部位钻头采用粒度30/40目占55％，40/50目占45％，体积浓度90％，采用MBD35型金刚石；
④中心孕镶金刚石钻头的底唇面中心锥角α设计为120°，中心孕镶金刚石钻头的边缘宽8mm，中心孕镶金刚石钻头设置中心孔，直径为18mm，中心孔与钻头中心偏心9mm；外环形孕镶金刚石钻头与中心孕镶金刚石钻头工作层高同为15mm，导向式结构，中心孕镶金刚石钻头凸出外环钻头30mm；
⑤热压烧结中心部位钻头工艺参数：温度945℃，压力20MPa，保温时间4.0min。
⑥对成形后的中心部位钻头进行机械加工，中心部位钻头外侧加工螺纹，完成中心孕镶金刚石钻头3的制造。
3)设计与制造内环形孕镶金刚石钻头2：即依据外环形孕镶金刚石钻头和中心孕镶金刚石钻头的规格和结构形式，设计内环行孕镶金刚石钻头的规格和结构形式具体的:
①准备钻头胎体材料：金刚石与金属粉末，并对胎体材料进行球磨混料，确保金刚石在金属粉末中分布均匀，备用；
②金属粉末材料中，外环形钻头采用FAM-103型、FAM-201型预合金粉、WC硬质合金粉和YG8硬质合金粉，其重量含量比分别为42％、35％、17％、6％；
③金刚石参数：采用粒度35/40目占48％，45/50目占52％，体积浓度92％，采用MBD40型金刚石；
④外环形孕镶金刚石钻头、内环形金刚石钻头与中心孕镶金刚石钻头工作层高同为15mm。
⑤热压烧结外环形钻头工艺参数：温度960℃，压力21MPa，保温时间5.0min。
⑥成形后的钻头进行机械加工，钻头内侧加工成与前述中心孕镶金刚石钻头3外侧螺纹相适配的安装螺纹，钻头外侧加工成与前述外环形金刚石钻头内侧螺纹相适配安装螺纹，完成内环形孕镶金刚石钻头2的制造。
然后将所述外环形金刚石钻头1、内环形孕镶金刚石钻头2和中心孕镶金刚石钻头3通过螺纹紧密连接，在所述内环孕镶金刚石金刚石钻头、外环孕镶金刚石金刚石钻头以及中心孕镶金刚石钻头两两之间嵌入定位圈10，即完成该三级组合式不取芯金刚石钻头的制造。

Claims (10)

1.一种多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，其特征在于：它包括位于外层的外环形孕镶金刚石钻头(1)和位于钻头中心位置的中心孕镶金刚石钻头(3)，所述外环形孕镶金刚石钻头(1)和中心孕镶金刚石钻头(3)之间固定连接。
2.根据权利要求1所述的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述外环形孕镶金刚石钻头(1)和中心孕镶金刚石钻头(3)之间设置有1～5级内环形孕镶金刚石钻头(2)，相邻两层孕镶金刚石钻头之间固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，其特征在于：由外环形孕镶金刚石钻头逐级向中心孕镶金刚石钻头的硬度与耐磨性性能逐次降低，每级钻头相对位于其外侧一级钻头的硬度降低HRC3～HRC5，耐磨性降低15～24mg。
4.根据权利要求1或2所述的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，其特征在于：由外环形孕镶金刚石钻头逐级向中心孕镶金刚石钻头上，每级钻头相对位于其外侧一级钻头的金刚石体积浓度依次降低3～5％。
5.根据权利要求2所述的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述中心孕镶金刚石钻头(3)与外环形孕镶金刚石钻头(1)以及各层内环形孕镶金刚石钻头(2)底唇面齐平。
6.根据权利要求2所述的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述中心孕镶金刚石钻头(3)的底唇面高出其相邻内环形孕镶金刚石钻头(2)的底唇面，高度差为15～40mm。
7.根据权利要求1或2所述的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述中心孕镶金刚石钻头(3)为内锥形结构。
8.根据权利要求7所述的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述中心孕镶金刚石钻头(3)内锥形的内锥度为110°～150°。
9.根据权利要求1或2所述的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述中心孕镶金刚石钻头(3)设置有中心孔，中心孔直径为10～22mm，中心孔与钻头中心偏心6mm～16mm。
10.根据权利要求1或2所述的多级组合式不取芯孕镶金刚石钻头，其特征在于：各级相邻孕镶金刚石钻头之间螺纹连接或者卡接。
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