способ армирования наружной поверхности шарошек буровых долот с фрезерованным вооружением

Формула изобретения

1. Способ армирования наружной поверхности шарошек буровых долот с фрезерованным вооружением, включающий фрезерную обработку каждого зуба и нанесение на него износостойкого защитного покрытия, отличающийся тем, что перед фрезерной обработкой проводят токарную обработку наружной и внутренней поверхностей шарошки, после фрезерной обработки наносят антицементационное покрытие на поверхности, нуждающиеся в защите от цементации, а затем осуществляют цементацию шарошки, последующую закалку в масло, низкий отпуск, шлифовку подшипниковых дорожек и нанесение напылением износостойкого защитного покрытия, имеющего твердость в интервале от HRC64 до HRA72, на зубья и межвенцовые впадины шарошки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение защитного покрытия проводят, когда предельная температура разогрева шарошки не превышает температуры t_n=280°C, при которой начинается разупрочнение цементованных поверхностей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что износостойкое защитное покрытие наносят одним или несколькими слоями до достижения заданной проектной толщины 0,2-0,8 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области буровой техники и используется при строительстве скважин в глубоком и сверхглубоком бурении, а также на горнорудных карьерах при бурении взрывных скважин с продувкой забоя воздухом.

Стойкость и показатели работы буровых долот прямо зависят от способности фрезерованного вооружения шарошек сопротивляться абразивному износу, возникающему при перекатывании подвижно закрепленных шарошек в условиях очень высоких значений удельных контактных напряжений. Часто при износе контактных поверхностей фрезерованного вооружения долота при вполне еще работоспособной опоре выходят из строя, снижая показатели бурения.

Известен способ армирования фрезерованного вооружения с помощью цементации - насыщения поверхностного слоя углеродом на глубину до 3 мм (в зависимости от диаметра бурового долота) [1]. Этот способ позволяет повысить твердость поверхностного слоя на фрезерованном вооружении до HRC 60÷62. Этот способ наиболее часто применяется для армирования фрезерованного вооружения долот, предназначенных для разбуривания малоабразивных пород, и долот малого диаметра, повышая стойкость вооружения от износа. При этом способе, наряду с поверхностями контакта зубьев с породой на забое, на глубину до 3 мм процементируются со всех сторон и те поверхности, где цементация не нужна. Например, наименьшие опасные сечения в теле шарошки могут получить сквозную цементацию, что приводит к их резкому охрупчиванию и разрушению при циклических нагрузках во время процесса бурения. Поэтому опасные сечения и снаружи, и изнутри шарошки защищают антицементационными покрытиями, препятствующими проникновению углерода под эти покрытия. Это очень трудоемкая ручная операция. Покрытия, как правило, производятся в несколько слоев. Детали должны пройти значительный период просушки под специальными сушильными лампами. Но даже, несмотря на тщательный контроль за операциями нанесения антицементационных паст на защищаемые от цементации поверхности, часто происходят «пробои» и углерод все же проникает внутрь опасных сечений в теле шарошек, что способствует ускоренному выходу их из строя.

Известен также другой способ армирования фрезерованных зубьев шарошек буровых долот [2], принятый за прототип. При этом способе, фрезерованные зубья, каждый в индивидуальном порядке, вручную наплавляются твердым сплавом. Методы наплавки различны. Например, в пламени газовой горелки плавятся полые электроды, заполненные твердосплавным порошком. При этом методе материал трубки электрода является металлом-связкой для твердосплавных частиц. Другой метод наплавки - с помощью индукторов ТПЧ, подводимых к каждому зубу шарошки. При разогреве до расплавления внешней поверхности зубьев порошок твердого сплава, насыпаемый на армируемую поверхность каждого зуба шарошки дозатором, тонет в расплавленном слое. Металлом - связкой в этом случае служит расплав самого зуба. Эти методы наплавки - очень трудоемкие ручные операции, плохо поддающиеся автоматизации, поскольку наплавлять необходимо от одной поверхности зуба, например, набегающей, до всех пяти поверхностей - двух боковых, двух торцовых, а также поверхности притупления зуба.

Другим недостатком является относительно малая твердость армированной поверхности (HRC 52÷54), поскольку в состав наплавляемого сплава входят мягкие компоненты - кобальт, никель, железо и др. Недостаточно высокая твердость является причиной истирания цапфы с нагруженной стороны при высоких нагрузках во время бурения и преждевременного выхода долота из строя.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности защиты поверхностей фрезерованного вооружения от износа, повышение стойкости бурового долота в целом.

Указанный технический результат достигается применением способа армирования наружной поверхности буровых долот с фрезерованным вооружением, включающего фрезерную обработку каждого зуба и нанесение на него износостойкого защитного покрытия, перед фрезерной обработкой проводят токарную обработку наружной и внутренней поверхности шарошки, после фрезерной обработки наносят антицементационное покрытие на поверхности, нуждающиеся в защите от цементации, а затем осуществляют цементацию шарошки, последующую закалку в масло, низкий отпуск, шлифовку подшипниковых дорожек и нанесение напылением износостойкого защитного покрытия с твердостью в интервале от HRC64 до HRA72 на зубья и межвенцовые впадины шарошек.

Нанесение защитного покрытия проводят, когда предельная температура разогрева шарошки не превышает температуры t_n=280°C, при которой начинается разупрочнение цементованных поверхностей внутренней полости шарошки. Износостойкое защитное покрытие наносят одним или несколькими слоями до достижения задаваемой проектной толщины 0,2-0,8 мм.

На чертеже показана примерная схема расположения шарошки 1 с зубьями 2, имеющими боковые поверхности 3 и 4, торцовые 5 и 6, а также поверхности притупления 7. Позицией 8 обозначены межвенцовые впадины шарошки, также нуждающиеся в защите от истирания (в меньшей степени, чем контактирующие с породой на забое зубья 2). Позиция 9 - наплавочная пушка, а позиция 10 - распыляемая струя порошка износостойкого материала.

Армирование с помощью предлагаемого способа может осуществляться как по всей наружной круговой поверхности шарошки, включая все зубья, так и только непосредственно на поверхности зубьев, исключая менее изнашиваемые межвенцовые впадины 8 шарошки, которые могут защищаться от наплавки экраном.

На чертеже приведено также схематичное положение шарошки 1 на патроне манипулятора с программным управлением (не показано), позволяющем обеспечить закрепление шарошки 1 с возможностью ее поворота на 360° по мере армирования, а также положения перемещений и поворотов сопел пушек 9 относительно венцов и каждого зуба в отдельности, которые показаны стрелками. Закрепление шарошки на патроне или на планшайбе манипулятора с программным управлением позволяет обеспечить повороты и перемещения с 6-ю степенями свободы в шумоизоляционной взрывобезопасной камере, нанесение на поверхность фрезерованных зубьев и межвенцовых впадин шарошек износостойкого материала с адгезией не менее 8 кг/мм ².

Диаметр сопла пушки 9, расстояние от него до армируемой поверхности, режимы работы, свойства исходных материалов, подготовка поверхности и толщина напыляемого слоя - определяются опытным путем, исходя из требований к работоспособности долота, в зависимости от размеров армируемых зубьев.

Методы и установки для нанесения износостойкого защитного покрытия могут быть различными, в зависимости от выбираемых качества слоя и затрат.

Например, с помощью высокоскоростного газотермического напыления порошкообразного покрытия толщиной 0,1-0,5 мм и более с микротвердостью HV=1100-1250 кгс/мм². В качестве материалов наносимых износостойких защитных покрытий могут применяться карбиды хрома, титана, вольфрама, дисульфид вольфрама и другие высокотвердые износостойкие материалы.

Единственным ограничением при использовании такого метода нанесения износостойкого защитного покрытия является предел температуры нагрева не выше t_n=280°C, при котором могло бы начаться разупрочнение цементованных слоев внутри полости шарошки. При достижении температуры t_n=280°C процесс нанесения износостойкого защитного покрытия напылением необходимо останавливать и продолжать его уже после охлаждения шарошки.

Следующим методом является «холодное» детонационное напыление, при применении которого нагрева шарошки, характерного для предыдущего метода, не происходит. «Холодное» детонационное напыление - это процесс, при котором для разогрева и разгона твердого порошкообразного материала используется энергия газового взрыва. В пушку, заполненную газовой смесью ацетилена и кислорода, вспрыскивается напыляемый порошок и электрической искрой возбуждается детонация. При температуре в зоне взрыва около 4000°С, со скоростью более 1000 м/сек, разогретые до плавления частицы порошка попадают на поверхность армируемой детали. При этом обеспечивается микросварка и порошок на молекулярном уровне соединяется с поверхностью детали, образуя разовый слой толщиной 8-10 мкм. Необходимое увеличение толщины слоя армирования достигается серией пушечных выстрелов. При этом суммарное напыленное износостойкое защитное покрытие обладает теми же свойствами, что и разовое.

В качестве напыляемых материалов износостойких защитных покрытий применяются все указанные выше износостойкие материалы (карбиды хрома, титана, вольфрама, дисульфид вольфрама) и другие высокотвердые износостойкие материалы.

Наилучшая адгезия слоя для вышеуказанных методов наблюдается, когда ось пушки располагается перпендикулярно армируемой поверхности. Такое положение пушки относительно поверхностей зубьев и межвенцовых канавок достигается совместными перемещениями шарошки 1 и пушек 9, обеспечиваемыми компьютерным манипулятором.

В качестве следующего метода армирования поверхностей зубьев шарошки может применяться электроискровое легирование электродом, при котором осуществляется пульсирующий ударный контакт электрода с армируемой поверхностью. К достоинствам этого метода необходимо отнести отсутствие специальных шумоизоляционных и взрывобезопасных камер, характерных для предыдущих методов, коэффициент использования электрода самый высокий - 0,99 (против 0,4-0,5 у предыдущих методов), полностью исключается возможность перегрева цементованных поверхностей шарошки. Стоимость электродов на порядок ниже порошков, применяемых для первого и второго методов. К недостаткам третьего метода можно отнести значительно меньшую производительность способа. Перед нанесением материала, армирующего поверхности, при любом из перечисленных методов, должны быть соответствующим образом подготовлены поверхности - очищены от окалины и ржавчины, заусенцев, трещин, раковин, масла и др.

Применение предлагаемого способа обеспечивает нанесение износостойкого защитного покрытия необходимой толщины методом напыления или с помощью легирования электродом и позволяет решить поставленную задачу - значительно увеличить твердость на всей поверхности шарошек, особенно фрезерованных зубьев, практически до твердости металлокерамического твердого сплава, что позволяет резко повысить их износостойкость и показатели работы долот в целом. При отработке опытных образцов буровых долот, изготовленных с применением предлагаемого способа армирования наружной поверхности шарошек буровых долот, имеющих фрезерованное вооружение, с микротвердостью нанесения покрытия до HV=1100 кгс/мм ² и с адгезией около 8 кг/мм², показано резкое увеличение стойкости вооружения и проходки на долото. Кроме того, появилась реальная возможность автоматизировать и ускорить очень трудоемкую операцию армирования фрезерованного вооружения буровых долот.

Источники информации:

1. Справочник «Буровые долота», авторы Корнеев К.Е., Палий П.А., изд. «Недра», 1965 г., М., стр.322-325.

2. Европатент ЕР 0510531 В1 от 27.03.93.