Повышение долговечности буровых шарошечных долот на основе совершенствования технологии сборки и упрочнения шарошек с твердосплавными зубками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность: 05.02.08 -Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Повышение долговечности буровых шарошечных долот на основе совершенствования технологии сборки и упрочнения шарошек с твердосплавными зубками

Кремлёв Виталий Игоревич

Самара - 2009 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет"

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Носов Николай Васильевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Дёмин Феликс Ильич

кандидат технических наук, доцент Головкин Валерий Викторович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество "Уралбурмаш"

Защита состоится " 11 " декабря 2009 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет" по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141 (учебный корпус № 6), ауд.28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Самарский государственный технический университет"

Автореферат разослан "10" ноября 2009 г.

Прошу Вас принять участие в обсуждении работы и направить свой отзыв, заверенный гербовой печатью, по адресу:

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус СамГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.02

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.02 доктор технических наук, профессор А.Ф. Денисенко

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Буровые шарошечные долота - основной инструмент, с помощью которого осуществляется разрушение породы и ведется строительство глубоких скважин в нефтяной и газовой промышленности, а также бурение скважин в угольной промышленности и в геологоразведке.

Буровые долота работают в очень тяжелых условиях - при нагрузках, исчисляемых десятками тонн, давлении до 500 атмосфер, при частоте вращения шарошек до 1000 об/мин., в высокоабразивной среде, в которой быстро изнашиваются даже твердосплавные зубки, армированные алмазами.

За два последних десятилетия показатели работы буровых долот многократно возросли. Средняя проходка на долото уже исчисляется сотнями метров. Однако, зарубежные и отечественные потребители, получая все более мощные буровые установки, настоятельно требуют дальнейшего повышения показателей работы долот, поскольку стоимость каждого пробуренного метра исчисляется тысячами рублей и любое увеличение долговечности долот в эксплуатационном бурении позволяет экономить многие миллионы рублей.

При бурении пород от средних до очень крепких абразивных до 70% отказов долот происходит из за выхода из строя части породоразрушающих зубков и разрушения корпусов шарошек. Это связанно с развитием при бурении высоких внутренних напряжений, возникающих в шарошках при холодной запрессовке с натягом множества твердосплавных зубков в отверстия на их конусах. При этом снижение установленной величины минимального натяга способствует вылету зубков из отверстий при работе долота, а повышение величины натяга способствует резкому росту напряжений, развитию трещин вокруг зубков и разрушению корпусов шарошек.

Кроме того, при применяемых форсированных режимах бурения происходит абразивный износ тела шарошек вокруг зубков, приводящий к росту их выступания над телом шарошки, а значит увеличению интенсивности нагружения. Износ тела шарошки при этом уменьшает длину запрессованного хвостовика, а значит снижает величину сил трения покоя, удерживающих зубки. Износ поверхностей шарошек на 23мм, как правило, выводит долото из строя. долото шарошечный разрушение

Повышение долговечности твердосплавных зубков буровых долот зависит от целого комплекса конструктивных и технологических факторов, влияющих на стойкость и надежность работы зубков и шарошек в целом. Улучшение какого-то одного фактора способно лишь частично повышать ресурс работы долота, поэтому повышение эффективности его работы возможно только с одновременным проведением комплекса взаимосвязанных исследований, и в том числе касающихся снижения напряжений, возникающих при запрессовке большого числа зубков в отверстия на венцах шарошки.

Решение указанных недостаточно изученных проблем повышения долговечности шарошечных долот на основе совершенствования технологий сборки и упрочнения шарошек с твердосплавными зубками вызвано острой производственной необходимостью, актуально для отечественного и зарубежного долотостроения.

Цель работы

Повышение эффективности и конкурентоспособности работы буровых шарошечных долот за счет совершенствования технологий сборки и упрочнения шарошек с твердосплавными зубками.

Методы исследования

В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований НДС зубка и шарошки при запрессовке и в процессе эксплуатации, использована методология системного подхода к изучению основных факторов, влияющих на долговечность твердосплавных зубков.

Экспериментальные исследования проводились на основе разработанных оригинальных методик, основных положений технологии машиностроения, методов математической статистики. Исследования НДС зубков и шарошек выполнялись на конечно-элементных моделях с помощью программного пакета ANSYS.

Конечная оценка эффективности полученных результатов исследований выполнялась при проведении промысловых испытаний буровых шарошечных долот.

Достоверность и объективность полученных результатов исследований, стендовых и промысловых испытаний подтверждены корректным совпадением теоретических и экспериментальных данных, а также применением компьютерных систем сбора и обработки данных.

Основные задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать компьютерную модель процесса запрессовки твердосплавных зубков в зависимости от конструктивных и технологических факторов.

2. Разработать критерий трещиностойкости материала шарошки в зависимости от величины напряжений, возникающих от запрессовки зубков и от величины нагружения зубков на забое.

3. Сформировать селективную сборку по группам, обеспечивающую снижение предельных напряжений.

4. Исследовать влияние на НДС параметров запрессовки зубков с применением ультразвуковых колебаний.

5. Разработать методику неразрушающегося контроля напряжений в корпусе шарошки в зависимости от технологии сборки.

6. Разработать технологию упрочнения за счет нанесения износостойких покрытий на наружные поверхности шарошек.

7. Разработать научно обоснованные рекомендации и внедрить предложенную технологию сборки и упрочнения шарошек в производство.

Основные положения, выносимые на защиту:

результаты аналитических и экспериментальных исследований влияния технологических факторов на НДС корпуса шарошки при запрессовке твердосплавных зубков;

методики конечно-элементного моделирования процесса запрессовки "зубок - корпус шарошки" с учетом дополнительного нагружения зубков во время эксплуатации.

методики, устройства и результаты процесса ультразвуковой технологии запрессовки твердосплавных зубков в отверстия на шарошке;

способ и технологический процесс холодного нанесения твердосплавного покрытия на поверхности шарошки;

способ неразрушающего контроля напряжений в корпусе шарошек.

Научная новизна

В работе сформулированы и научно обоснованы новые принципы и направления совершенствования технологии сборки буровых шарошечных долот:

1. Разработана методика расчета напряжений, возникающих при запрессовке твердосплавных зубков на венцах шарошек при сборке с учетом дополнительной величины нагрузок зубков на забое.

Предложены критерий трещиностойкости [тр]доп, определяемый по диаграмме растяжения реального образца каждой плавки стали и расчетный коэффициент трещинообразования тр, определяемый с учетом расчетных максимальных пластических деформаций, возникающих от совместного влияния напряжений от запрессовки зубков и нагружения их при работе на забое. Выполнение соотношения [ тр]доп ? тр позволяет контролировать трещиностойкость каждой плавки стали перед запуском её в производство.

Аналитическими и экспериментальными исследованиями процесса запрессовки зубков с применением ультразвуковых колебаний (УЗК) установлено, что в сравнении с показателями обычной запрессовки с тем же натягом, максимальные напряжения в зубке снижаются на 13,4%, интенсивность напряжений в стенке отверстия - на 29%, контактное давление - на 16% (с погрешностью не более 1520%).

Предложена новая для долотостроения методика исследования допустимых напряжений в корпусе шарошки вокруг запрессованных зубков с помощью неразрушающего контроля на основе использования эффекта Баркгаузена.

Исследования технологии низкотемпературного (до 60°С) высокоскоростного детонационного напыления поверхности шарошек мелкодисперсным твердым сплавом позволило в 2,5 раза повысить твердость корпуса поверхности шарошек, а значит и стойкость долот при бурении.

Практическая ценность и реализация работы

1. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по сборке прессового соединения твердосплавных зубков и корпуса шарошки.

Предложена технология сборки твердосплавных зубков с использованием шести групп селекции зубков перед запрессовкой, гарантирующая отсутствие выпадения зубков из гнезд при одновременном снижении возможности трещинообразования.

Предложена новая установка и технологическая оснастка для запрессовки твердосплавных зубков с применением ультразвуковых колебаний (патент РФ № 2 357 848 от 10.06.2009 г.).

4. Разработаны технология, оборудование, материалы и оснастка для низкотемпературного (до 60С) нанесения мелкодисперсного твердосплавного покрытия на поверхности шарошки высокоскоростным детонационным методом, что позволило в 2,5 раза повысить твердость поверхности корпуса шарошки и увеличить долговечность вооружения в часах на 4090%.

5. Проведены эксплуатационные испытания двух наиболее распространенных представителей буровых долот 124,0AUL-LS51XF-R866 и 215,9VU-NLS43ZF-R206A, изготовленных в соответствии с рекомендациями. По сравнению с базовыми долотами они увеличили проходку в метрах на 20ч41% и стойкость в часах на 18ч21,8%. За счет этого получен экономический эффект соответственно 130 тыс. руб. и 45 тыс. руб. на долото.

6.По материалам диссертации получено 2 патента РФ на изобретения.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

международных интернет - конференциях молодых ученых и студентов "Микмус-2005" ИМАШ РАН (Москва, 2005 г.), "Микмус-2008" ИМАШ РАН (Москва, 2008 г.);

международной конференции "Актуальные проблемы современной науки", Поволжское отделение Российской инженерной академии (г. Самара, 2005г.);

международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов", Самарский научный центр РАН (г. Самара, 2006 г.);

международной научно-практической школе - конференции, Федеральное агентство по науке и инновациям РАН (Москва, 2006 г.);

научно-практической интернет - конференции с международным участием "Высокие технологии в машиностроении" СамГТУ (г. Самара, 2006 г.);

-международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы трибологии", изд. "Машиностроение" (Москва, 2007 г.);

на научно-технических и ученых советах СамГТУ, ОАО "Волгабурмаш", ОАО "Самаранефтегаз", ОАО "Уралбурмаш".

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в опубликованных 2-х статьях в рецензируемых журналах и сборниках, входящих в перечень ВАК, 7-и других публикациях, а также в 2-х описаниях к патентам РФ на технические решения, разработанные в процессе исследований и признанные изобретениями.

Объём и структура диссертации

Работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка литературы из 111 наименований. Общий объём работы 169 стр. текста, включающего 93 рисунка и 19 таблиц.

Содержание работы

Во введении содержится обоснование решаемых в диссертации задач и рассмотрена ситуация, сложившаяся при изготовлении буровых шарошечных долот в РФ и за рубежом. Показано, что важной задачей является повышение долговечности твердосплавных зубков, закрепленных в корпусе шарошек. Для обеспечения всё возрастающих требований к качеству буровых шарошечных долот необходимы комплексные исследования технологии сборки зубков и упрочнения корпусов шарошек.

В первой главе представлен литературный обзор современного состояния технологии изготовления буровых долот. Рассмотрены конструкторские и технологические факторы, влияющие на работоспособность и стойкость твердосплавных зубков.

К конструкторским факторам сборки относятся: величина натяга при запрессовке, диаметр зубков, шаг между зубками, величина выступания зубков над корпусом шарошки, величина хвостовой запрессованной части зубка, удерживающей его в шарошке во время бурения.

К технологическим факторам сборки относятся: точность выполнения заданной формы и размеров зубка и отверстия, усилие запрессовки, скорость прессования, точность изготовления и жесткость приспособлений для установки шарошек, точность и жесткость прессового оборудования и др.

Исследованиями и решениями проблем, связанных с конструкторскими и технологическими факторами, влияющими на технологию сборки, занимались ученые Балакшин Б.С., Базров Б.М., Богомолов P.M., Гусев А.А., Дёмин Ф.И., Дальский А.М., Рыльцев И.К., Соколовский А.П. и др.

В создание теоретических основ ультразвуковой технологии сборки большой вклад внесли отечественные ученые: О.В. Абрамов, Б.А. Агранат, В.К. Асташев, В.А. Вероман, А.И. Исаев, Е.С. Киселев, В.В. Клубович, Б.А. Кравченко, М.С. Нерубай, В.И. Подураев, Г.И. Прокопенко, Г.А. Родимов, В.П. Северденко, У.Р. Хан, Б.Л. Штриков, В.Г. Шуваев и др., а также зарубежные исследователи Л. Баламуз, Ф. Блаха, Л. Колуэлл, Д. Кумабэ, Б. Лангенекер, У. Мезон и др.

Анализ показал, что наибольшие резервы в повышении долговечности твердосплавных зубков содержатся в дальнейших исследованиях вопросов оценки НДС при запрессовке зубков и определении путей их снижения.

Особое внимание необходимо уделить исследованиям по снижению силовых параметров запрессовки зубков в корпус шарошки, в том числе с применением ультразвуковых колебаний.

Во второй главе представлена разработка модели шарошки бурового долота для выполнения анализа НДС методом конечных элементов при исследовании влияния на НДС основных конструкторско-технологических факторов выполнения шарошки. С помощью метода КЭ проведен компьютерный анализ сложной пространственной конструкции шарошки с запрессованными твердосплавными зубками методом построения её математической модели. Сформулированы критерии оптимального размещения зубков на шарошке, приняты допущения о нелинейных свойствах материала стали, упругопластическая модель материала, отработаны приёмы создания КЭ-сеток, выбор способа задания свойств материала, типов КЭ-элементов, подробности КЭ-модели при решении задачи натяга для прямоугольного бруска, выбор сетки с гексагональными элементами.

В качестве исследуемых конструкторско-технологических факторов, влияющих на НДС шарошки были выбраны четыре основных: 1-расстояние "а" между соседними зубками; 2-величина радиусов rз запрессовываемых зубков; 3-величина натяга д при запрессовке зубков; 4-совместное влияние натяга д при запрессовке и усилия от реакции Р взаимодействия зубка с забоем.

Физико-механические характеристики материалов определялись по диаграмме у -е, полученной в ЦЗЛ ОАО "Волгабурмаш" при растяжении круглого образца долотной стали 14ХНЗМА. Для исследования НДС при запрессовке зубка рассматривались следующие условия: диаметр зубка d=12 мм, бесконечный брусок высотой Н=12 мм, равной средней глубине запрессовки зубков в тело шарошки и шириной В=24 мм, шагом между зубками а=8 мм, при натяге при запрессовке д =0,1 мм. Эти величины наиболее характерны для соединения "зубок - шарошка". Геометрия бруска с зубком в центре (четвертая часть полной модели) разбивалась на конечные элементы в FЕМАРе. При исследованиях НДС зубков при запрессовке рассматривались эквивалентные напряжения уэкв по Мизесу, эквивалентные пластические деформации е экв, давление р со стороны зубка на стенку отверстия.

При исследовании влияния первого фактора- расстояния "а" между соседними зубками рассматривались следующие геометрические параметры соединения: радиус зубка rз = 7 мм, натяг д = 0,1 мм, изменение расстояния между зубками от а= 2 мм до а= 8 мм. Расчеты максимальных пластических деформаций е пл в зоне между зубками в зависимости от величины а показали, что увеличение расстояния от 2 до 8 мм приводит к уменьшению пластической деформации на 32, 6 %.

При исследовании влияния второго фактора-величины радиусов rз зубков рассматривались те же параметры соединения, а сами радиусы изменялись от 5 до 9мм.

Расчеты максимальных пластических деформаций е пл при таком увеличении диаметров показали их уменьшение на 20,2%.

При исследовании влияния третьего фактора - величины натягов д при запрессовке установлено, что изменение максимальных пластических деформаций носит линейный характер (рис. 1). Увеличение натягов от допускаемых в производстве минимального до максимального значения (от 0,06 до 0,144 мм) повышает пластические деформации от 0,0043 до 0,020 или более чем в 4,6 раза. Это свидетельствует о том, что наибольшие резервы по снижению НДС и повышению долговечности работы вооружения шарошек нужно искать именно в оптимизации величины допускаемого натяга.

Исследования зависимости НДС шарошек от четвертого фактора- совместного действия натяга д и величины внешнего нагружения на зубок Р от вертикальной нагрузки на долото выявили, что пластическая деформация е пл от запрессовки зубка, после добавления к зубку внешней нагрузки, увеличивается в пределах 20ч27,5% .

Результаты расчетов е пл по всем четырем факторам необходимо учитывать при проектировании новых долот.

Для повышения долговечности долот в соответствии с полученными результатами предложены: критерий трещиностойкости шарошек и новая технология селективной запрессовки зубков.

Предложена методика определения критерия трещиностойкости [тр]доп шарошек в зависимости от физико-механических свойств натуральных образцов материала шарошки и коэффициента трещинообразования тр, определяемого расчетным путем, учитывающего максимальные пластические деформации, возникающие одновременно и от запрессовки, и от внешней нагрузки, действующей на зубок на забое. С этой целью стандартные образцы, взятые от различных поступающих плавок сталей 14ХНЗМА, имеющих различные свойства, испытывались на растяжение, фиксировались предельные значения деформации образцов и соответствующие напряжения, а также определялись площади под диаграммой у-е. На рис. 2 показана типичная диаграмма растяжения (кривая 1). Для компьютерного анализа НДС вместо кривой 1 принята зависимость 2.

Предложено определять допустимый критерий трещиностойкости [тр]доп материала по свойствам натурных образцов из диаграммы у - е:

[тр]доп = SР / S0=[2(Е. е b - у b)]/(2Е. е b - у b)],

где Sе - часть площади под кривой у- е, равная удельной энергии упругих деформаций, Sе =у b 2/2Е, Е- модуль упругости материала; SР - часть площади под кривой, равная удельной энергии пластических деформаций, SР = у b (е b - у b/Е)..

С учетом нагружения зубков внешними силами, величина расчетного коэффициента трещиностойкости тр определялась по формуле:

тр = [2 (Е· е mах - уb)]/ (2Е· е mах - уb),

где е mах - расчетные максимальные пластические деформации при КЭ -моделировании напряженно-деформированного состояния с учетом добавления нагрузки на зубок от внешних сил, воздействующих на зубок на забое, которые приводят к зарождению трещин. Соотношение величин [тр]доп ?тр позволяет прогнозировать отсутствие трещинообразования.

Для проверки этой гипотезы был проведены экспериментальные исследования трещиностойкости шарошек буровых долот 144,0СЗ-ГАУ-R203М.

Для каждой из 11 плавок сталей, взятых для производства указанных долот, были предварительно испытаны стандартные образцы на растяжение до разрушения. Были определены предельные значения деформаций из диаграммы у- е и критерий трещиностойкости. Затем проведены расчеты коэффициента тр с учетом максимальных пластических деформаций.

Проведены эксплуатационные испытания 11 партий опытных долот (по 5ч8 шт в партии) . Установлено, что только в 3 партиях долот обнаружены трещины в корпусе шарошек. При этом в каждой из этих партий наблюдалось соотношение [ тр]доп < тр.

Расчетные исследования НДС зубков и тела шарошек, практика отработки долот в бурении, показали, что средний натяг и с точки зрения надежного удержания зубков от вылета из отверстий во время бурения, и с точки зрения уменьшения возможности трещинообразования должен составлять д= 0,11мм. Именно этот натяг необходимо обеспечивать при селекции размеров всех зубков и отверстий, и расчете минимальной и максимальной границ натяга.

Пример для зубка dзуб=12.789-0.013;

Nmin=dmin-Dmax=(12.789-0.013)-(12.67+0.025)=0.081мм;

Dо=12.67+0.025;Nmax=dmax-Dmin=12.789-12.67=0.119мм.

Алмазная шлифовка сотен тысяч труднообрабатываемых зубков очень сложна и трудоёмка. Для обеспечения этой узкой границы натягов, в технологию запрессовки зубков введены шесть групп селекции с уменьшением допуска на диаметр отверстия до +0,025 мм и допуска на диаметр зубка до -0,013мм. Введение этих границ натяга позволило решить технологическим путем сложную задачу - увеличить на 35% необходимый минимальный натяг, ранее допускаемый серийной технологией (с 0,06 мм до 0,081 мм,), гарантирующий отсутствие выпадения зубков из гнезд во время всего периода работы долота и, одновременно, снизить максимальную величину натяга на 21% (с 0,144 до 0,119 мм), способствующую снижению трещинообразования.

Ужесточение допусков и наличие шести групп селекции позволяет добиться того, чтобы подавляющее большинство зубков запрессовывалось с постоянным натягом 0.11 мм, при котором величина наибольших пластических деформаций стала на 37% меньше, чем при максимальном натяге 0,144 мм, допускавшимся по серийной технологии. Это способствует значительному повышению прочности шарошек и долговечности долота.

В третьей главе представлено исследование процесса ультразвуковой (УЗ) запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки.

Для определения влияния ультразвуковых колебаний на параметры прессового соединения "зубок-корпус шарошки" проведены моделирование и аналитические исследование НДС, возникающего при запрессовке и выпрессовке зубков. Данные по выпрессовке необходимы для проведения расчетов. Для определения НДС при разных способах запрессовки твердосплавных зубков исследовались запрессовка и выпрессовка по двум вариантам: запрессовка без ультразвука и запрессовка с введением ультразвуковых колебаний в зону трения. Установлено, что при запрессовке зубков с УЗК расчетная картина НДС, полученная с применением пакета ANSYS, по сравнению с параметрами запрессовки без применения УЗК, изменяется в сторону снижения контактного давления до 16%. Кроме того, введение УЗК в процесс запрессовки позволяет снизить усилие запрессовки до 24% за счет изменения коэффициента трения покоя и движения.

Экспериментальные исследования проводились с применением новой компьютеризованной ультразвуковой установки для запрессовки твердосплавных зубков, разработанной на кафедре автоматизации технологических процессов СамГТУ В.В. Шуваевым и В.А. Папшевым совместно с автором. В этой установке объединена технология ультразвуковой запрессовки с вибрационной диагностикой, разработана схема для регулирования величины ультразвуковых колебаний и создания резонансной акустической системы подвода этих колебаний в зону деформации (рис.3).

Рис. 3. Схема запрессовки твердосплавных зубков в отверстия шарошки (Патент №2357848 от 10.06.2009г.):1-силоизмерительный датчик; 2-шарошка; 3-зубок; 4- концентратор; 5- возбудитель пьезокерамический;

6- фиксатор; 7- шток цилиндра; 8- 9- датчики; 10- генератор; 11- датчики перемещения;

12- 13- усилители;14- 15- датчики частотные; ПК- персональный компьютер

Эффективное взаимодействие компонентов сборочного процесса (силового прессового оборудования, колебательной ультразвуковой системы, соединяемых деталей, вибродиагностической системы) осуществлялось устройством управления в реальном времени.

В качестве лабораторных образцов для запрессовки использовались твердосплавные зубки различных диаметров. Поскольку отверстия в шарошках глухие и не позволяют экспериментировать с выпрессовкой зубков, шарошки имитировались плоскими дисками из долотной стали со сквозными отверстиями, позволяющими проводить запрессовку и выпрессовку зубков. Плоские диски проходили серийную химико-термическую обработку, как у шарошек. Сверху и снизу каждого отверстия маркировался его номер. Величина натяга каждого зубка была одинаковой (0,110,01). Были выбраны две группы зубков по номиналу диаметра(6,8-0,1 и 7,4-0,1). Глубина запрессовки и шероховатость стенок отверстий были постоянными. Для каждой группы выбранных по диаметру зубков натяг обеспечивался предложенным методом селекции. На каждом диске выполнялись по 28 отверстий одного из двух выбранных диаметров таким образом, чтобы расстояния между соседними отверстиями были заведомо больше максимальных, чем на шарошках, чтобы обеспечить минимальное влияние на НДС от запрессовки соседних зубков (не менее трех диаметров).

Все параметры, исходные данные и результаты процесса запрессовки выводились на дисплей компьютера и собирались в базу данных.

При варианте запрессовки с применением УЗК к соединяемым деталям прикладывали сборочные усилия и возбуждали в них упругие колебания, частоту которых изменяли в процессе запрессовки, обеспечивая резонанс собственных и возбуждаемых колебаний путём определения коэффициента динамичности.

Режимы, применяемые при запрессовке зубков с УЗК находились в следующих пределах:- амплитуда вертикальных колебаний А=155мкм; - частота собственных вертикальных колебаний системы "зубок-корпус шарошки" с=814,5кГц; - частота вынужденных колебаний в колебательной системе в = 18,920,3кГц; - скорость упругой волны в стали V=5,65,9км/сек; - натяг при запрессовке д=0,100,11мм. Настройка частоты УЗ генератора в резонанс с нагрузкой производилось по максимуму показания "Ток входа" переключателем в пределах установленной величины тока (13 ампер), сначала в ручную, а после настройки - с помощью АПЦ (автоматической подстройкой частоты".

В процессе запрессовки непрерывно с помощью силоизмерительного датчика и датчика перемещения в компьютер поступала информация об усилии запрессовки и относительном осевом перемещении зубка. Одновременно, на протяжении всего сборочного процесса с помощью датчиков в персональный компьютер (ПК) поступала информация о частотных характеристиках формируемого соединения. С помощью специальных программ ПК непрерывно осуществлялся расчет и контроль коэффициента динамичности µ формируемого соединения до достижения им заданного значения. На этом процесс запрессовки завершался.

Результаты исследований с использованием автоматизированной системы для технологии ультразвуковой сборки с различными условиями запрессовки выявили следующее (рис.4).

При обычной среднеарифметическое отклонение профиля поверхности отверстия составляло Rа=0,19 мкм до запрессовки и Rа =0,08 мкм после запрессовки. Среднее усилие запрессовки на один зубок Fз 1 = 34755 Н, усилие выпрессовки Fв 1 = 44745 Н.

При запрессовке с введением УЗК Fз 3 = 26715 Н (76,9%) и Fв 3 =3999О Н (89,4%), отклонение профиля поверхности отверстия- с Rа=0,19 мкм до Rа=0,07 мкм. Наличие смазки во втором и четвертом вариантах не оказало существенного влияние на процесс запрессовки.

Сравнение усилий запрессовки и выпрессовки зубков с УЗК подтвердило результаты теоретических расчетов. Установлено, что Fз 3 снизилось на 23,2%

Для определения внутренних напряжений в корпусе шарошки были проведены экспериментальные исследования напряжений с использованием эффекта Баркгаузена (ЭБ) в ферромагнетиках.

В основе этого метода используется скачкообразное изменение намагничиваемости ферромагнетиков при непрерывном изменении внешних условий, например, напряжений или температуры. В процессе исследования использовался цифровой анализатор шумов Баркгаузена "Rollscan-200-1", наиболее подходящий для цеховых условий и предназначенный для контроля качества поверхностей и поиска дефектов, таких как шлифовальные прижоги и, особенно, изменение внутренних напряжений в ферритовых сталях.

Для экспериментов была отобрана партия шарошек долота 215,9 ТЗ-ГАУ-R590 в количестве 6 шт. В сборочном цехе были установлены приборы и проведены эксперименты по замерам напряжений непосредственно на поверхностях шарошек до запрессовки и затем после запрессовки твердосплавных зубков.

Методика замеров была следующей. У каждого отверстия (14,29 и 11,08мм) (рис. 5 и 6) в межзубковые площадки устанавливался плоский датчик и записывались цифры условных единиц напряжения, высвечивающихся на дисплее.



Статистическая обработка экспериментальных значений в условных единицах напряжения показала, что до запрессовки они составили 11,6, после запрессовки-86,21 ед. Такой резкий рост количества условных единиц напряжений после запрессовки зубков (в 7,8 раза) свидетельствует о резком возрастании НДС в корпусе шарошки в результате запрессовки зубков.

Этот метод применялся также при определении напряжений в дисках. На двух дисках с запрессованными зубками Ш 6,8. и Ш 7,4 мм были проведены замеры вокруг зубков, запрессованных при обычной холодной запрессовке и зубков, запрессованных с применением УЗК. В первом случае величина условных единиц оказалась в пределах 77ч92, а во втором случае в пределах 58ч69 . Понижение напряженного состояния корпуса диска при ультразвуковой запрессовке на 30% по сравнению с обычной холодной запрессовкой дополнительно подтверждает правильность выводов о том, что использование ультразвука при запрессовке зубков позволяет значительно снизить контактное давление в шарошке, а значит и возможность трещинообразования вокруг зубков.

В четвертой главе представлены результаты исследований по разработке технологии нанесения износостойких покрытий

При абразивном износе корпусов шарошек резко снижаются надёжность закрепления твердосплавных зубков за счет увеличения высоты выступания зубка над поверхностью шарошки. Для решения этой задачи проведены исследования природы износа корпуса шарошки, расчет сил, удерживающих зубки в гнездах шарошек. Для этих целей выбраны зубки Ш 10x16; Ш 12x17 и Ш 14x20 мм. Разработана методика проведения расчетов уменьшения сил, потребных для удержания в отверстиях оголяющихся зубков, с интервалом наружного износа поверхности шарошек и темпа оголения зубков для последовательных расчетов через каждые 0,5 мм.

Данным расчетом установлено, что по мере уменьшения глубины запрессованной части хвостовика, уменьшение сил, удерживающих зубки, носит линейный характер.

При износе поверхности корпуса шарошки до 3 мм (обычно максимальный износ корпусов на практике) сила трения, удерживающая оголяющиеся зубки, различные по диаметру, снижается на 25-30%. При таком износе значительная часть зубков выпадает из гнёзд и долото выходит из строя. Кроме снижения удерживающего усилия при наружном износе шарошки увеличивается консольно выступающая часть зубка и, соответственно, момент вырывающих его усилий.

Для проведения исследований были изготовлены несколько опытных партий шарошек буровых долот 124,0МЗ-ГАУ-R498Б, подвергающихся при работе большому истиранию по наружной поверхности. На межзубковые и межвенцовые поверхности шарошек наносилось износостойкое покрытие WC/Со различной толщины в пределах -от 0,02ч0,3 мм следующими методами: 1) высокоскоростным газотермическим (HVOF) на ООО "ТСЗП" (г. Москва), 2) детонационным в ИГиЛ (г. Новосибирск), 3) высокоскоростным детонационным в СамГТУ (г. Самара).

Проводилось определение основных качественных показателей (адгезии и износостойкости) для различных методов; изучение влияния дополнительной термической обработки на величину адгезии и материал шарошки, а также возможности использования промежуточного, более мягкого, подслоя под напыляемым слоем.

В работе установлено, что максимальную адгезию и минимальный износ показали покрытия, выполненные в СамГТУ на кафедре твердых химических веществ методом высокоскоростного детонационного низкотемпературного напыления. Анализировались вольфрамокобальтовые материалы с различным составом и от различных производителей (США, Германии и России) по показателям: процентному составу, размеру частиц, гранул, адгезии, когезии, микротвердости, фрикционному износу, коэффициентам сухого трения при запрессовке и со смазкой, абразивному и эрозионному изнашиванию. Наиболее подходящим по всем показателям для нанесения покрытия на наружные поверхности шарошек оказался отечественный сплав типа ВК 12. Именно этот сплав выбран для дальнейших испытаний и производства напыления шарошек.

При высокоскоростном детонационном напылении скорость движения напыляемого порошка составляет 600ч1000 м/с и более, что в 4ч7 раз больше, чём при плазменном и газоплазменном методах напыления. Кроме того, введение в порошковый материал взрывчатого вещества приводит к дополнительному увеличению скорости движения частиц порошка до 1500ч1900 м/с. Особенностью детонационного метода упрочнения является также возможность наносить тугоплавкие материалы на металлическую подложку без значительного её нагрева (не более 60°С), т.е. наносить покрытия на окончательно термообработанные шарошки после финишной механической обработки опор, а также после запрессовки зубков, не опасаясь изменения свойств структуры поверхностного слоя или снятия натяга зубков, что очень важно для существующей технологии производства шарошек.

Частицы порошка ускоряются и ударяются в шарошку, образуя пятно диаметром около 26 мм. Частота повторений может быть 2ч20 циклов/с. Эта технология позволяет в 2,5 раза повысить твердость напыляемых поверхностей.

Для оценки кинетических параметров материала покрытия был применён новый склерометрический способ (патент РФ на изобретение № 2327137 // Кремлёв В.И. и др.). Практика показывает, что наиболее важной и достаточной оценкой сцепления покрытия является прочность на срез, определяемая по методике косого среза шлифа, выполненного под углом 35.

Для этого выполнялось царапание косого шлифа с покрытием со стороны основы в сторону покрытия. При этом качество сцепления покрытия с основой определялось путём визуального контроля участка внедрения алмазного индентора в покрытие. При достаточной прочности покрытия на сдвиг в переходной зоне не должно наблюдаться сколов и отслаиваний покрытия от основного материала.

Отработка опытных партий буровых долот с высокоскоростным детонационным напылением поверхностей шарошек показала повышение стойкости твердосплавного вооружения на 4090%. С уменьшением возможности оголения зубков резко уменьшилась возможность их выпадения и сколов.

Совокупность полученных данных позволила рекомендовать разработанную технологию для высокоскоростного детонационного напыления покрытий на поверхности шарошек буровых долот после запрессовки твердосплавных зубков буровых долот в серийное производство.

В пятой главе представлены результаты внедрения разработанных технологий на повышение долговечности и эффективности буровых долот.

Для проведения эксплуатационных испытаний были выбраны два наиболее характерных представителя долот: малого диаметра 124,0АUL-LS51ХF-R866, широко применяемых для бурения хвостовиков боковых стволов горизонтальных скважин и долот основного размера 215,9VU-NLS43ZF-R206А для бурения эксплуатационных скважин в условиях Западной Сибири в ОАО "Сургутнефтегаз".

Опытные партии долот были изготовлены и собраны в соответствии с разработанными рекомендациями, которые предусматривали снижение максимальных напряжений и упругопластических деформаций в твердосплавных зубках и в корпусах шарошек, обеспечиваемое за счет оптимизации величины натяга зубков, закрепленных с использованием УЗК, а также нанесения на поверхности шарошек покрытий из твердого сплава высокоскоростным детонационным напылением.

Для обеспечения достоверности результатов все опытные и серийные долота прошли тщательный контроль выходных параметров. Испытания опытных и серийных долот проводились в сопоставимых условиях: в одних и тех же районах, интервалах бурения и аналогичными технологическими режимами, в соответствии с действующей типовой "Методикой государственных испытаний шарошечных долот" РД 39-07/01-002-89.

В геолого-технических условиях ОАО "Сургутнефтегаз" средние показатели работы опытных долот 124,0АUL-LS51ХF-R866 превышают показатели базовых серийных долот 124,0АUР-LS51Х-R498 по проходке в метрах на 41,7% и по стойкости в часах на 21,8%. Внешний осмотр отработанных опытных долот показал, что до 80% поверхности напыленного слоя сохранилось, оголения, выпадения оголенных зубков из гнёзд и трещины на шарошках отсутствовали. Для базовых серийных долот характерно значительное оголение зубков. Наблюдалось до 40% выпавших и сколотых зубков. Экономический эффект от внедрения этого нового долота составил 130 тыс. руб.

Испытания других опытных долот 215,9VU-NLS43ZF-R206А в сравнении с базовыми серийными долотами 215,9VU-NLS43Z-R206 проводились также в ОАО "Сургутнефтегаз" на площадях Западно-Сургутского, Русскинского и Конитлорского месторождений в интервале до 2100 м. Установлено, что средние показатели работы долот 215,9VU-NLS43ZF-R206А превышают показатели базовых серийных долот 215,9VU-NLS43Z-R206А по проходке в метрах на 20,0% и по стойкости в часах на 18,0%. Экономический эффект от внедрения этого нового долота составил 45 тыс. руб.

Основные результаты и выводы по работе

1. На базе КЭМ бурового долота разработана методика автоматизированного анализа НДС шарошек с применением компьютерной системы ANSYS, позволяющая проводить аналитические исследования на основе взаимодействия зубков шарошек с забоем скважины и получать реальные оценки НДС в зависимости от параметров запрессовки. Установлено, что увеличение величины натяга с 0,06 до 0,144 мм при запрессовке повышает НДС до 250%; увеличение расстояния с 2 до 8 мм между донышками гнёзд под зубки повышает НДС до 32,6%; увеличение диаметров зубков с 10 до 18 мм снижает НДС до 20,2%; дополнительное нагружение зубков при работе на забое увеличивает НДС до 27,5%. Эти данные необходимо учитывать при проектировании новых долот.

2. Предложены критерий трещиностойкости тр доп, определяемый по диаграмме растяжения натурных образцов и расчетный коэффициент трещинообразования тр, определяемый при моделировании совместного воздействия напряжений от запрессовки зубков и их внешней нагрузки. Соблюдение установленного соотношения тр доп ? тр позволяет контролировать трещиностойкость каждой поступившей на предприятие плавки стали перед запуском её в производство.

3. Предложена технология сборки шарошек с использованием 6 групп селекции зубков перед запрессовкой, что позволило за счет оптимизации величины натяга снизить НДС на венцах выпускаемых шарошек любого размера и добиться, чтобы средняя величина натяга (Nср =0,10 мм, Nmin = 0.081 мм и Nmax =0,119 мм) для всех зубков гарантировала их надежное закрепление в течение всего периода бурения и, одновременно, обеспечивала снижение возможности трещинообразования.

4. Проведенными аналитическими и экспериментальными исследованиями влияния УЗК на параметры запрессовки с применением системы ANSYS установлено, что при запрессовке с применением УЗК интенсивность максимальных напряжений в зубке снижается с 1420 МПа до 1350 МПа (на 14%), в теле диска с 1350 МПа до 961 МПа (на 29%), контактное давление между зубком и диском с 2510 МПа до 2110 МПа (на 16%). Экспериментальные исследования запрессовки с УЗК показали, что усилия для запрессовки зубков снижаются с 34700 кН до 26000 кН (на 23.2%).

5. Предложена методика неразрушающего контроля напряжений в корпусе шарошки на базе эффекта Баркгаузена. С помощью цифрового анализатора "Rollscan-

200-1" подтверждено, что применение УЗК при запрессовке зубков снижает НДС корпуса шарошки до 30% по сравнению с обычной запрессовкой.

6. За счет применения высокоскоростного низкотемпературного детонационного напыления поверхностей шарошек твердым сплавом решена важная задача предотвращения оголения и вылета зубков при работе долот в абразивной среде. Твердость наружной поверхности шарошек возросла в 2,5 раза. Предложен новый способ контроля качества напыляемой поверхности. Эксплуатационные испытания показали, что стойкость зубков шарошек с напылением повысилась на 4090%.

7. Технико-экономический анализ технологий, внедренных в соответствии с рекомендациями, сделанными в диссертации, показал, что в промысловых условиях средняя проходка в метрах двух испытуемых опытных партий, наиболее часто применяемых буровиками типоразмеров долот, повысилась соответственно на 20 и 41%, а стойкость в часах на 18 и 21,8%. Это обеспечило получение экономического эффекта 45 тыс. и 130 тыс. руб. на долото.

Научные публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ:

Кремлёв В.И. Исследование напряженно-деформированного состояния при запрессовке твердосплавных элементов вооружения шарошки бурового долота/ В.И. Кремлёв, Н.В. Носов, Р.М. Богомолов, Л.В. Морозов//Вестн. СамГТУ. Серия "Технич. науки". Самара. 2005, вып.39. С.234-238.

Кремлёв В.И. Автоматизированная система ультразвуковой запрессовки зубков шарошечных долот/В.И. Кремлёв, Н.В. Носов, Р.М. Богомолов, В.Г. Шуваев, В.А. Папшев// Журн. "Химическое и нефтегазовое машиностроение". М. 2007, №10. С.49-51.

Публикации в других изданиях:

3 Ибатуллин И.Д. Склерометрические испытания материалов буровых долот/И.Д. Ибатуллин,,А.В. Дынников, В.И. Кремлёв// Тр. Межд. интернет-конфер. "МИКМУС-2005" М.: ИМАШ РАН. С.17.

Кремлёв В.И. Определение критерия трешиностойкости твердосплавных элементов вооружения шарошки бурового долота при моделировании процесса запрессовки/В.И. Кремлёв// Сб. "Актуальные проблемы современной науки". Тр. VI Межд. конфер. Повол. отд. Рос. инж. академии. Самара. 2005. ч. 4. С.32-35.

Ибатуллин И.Д. Износостойкое покрытие на поверхности шарошки бурового долота/ И.Д. Ибатуллин, М.В. Ненашев, В.И. Кремлёв, И.В. Макейкин// Тр. XVI Межд. конфер/Самар. науч.. центр РАН. Самара. 2006. С.114.

Кремлёв В.И. Исследование напряженно-деформированного состояния шарошек при запрессовке твердосплавных зубков/ В.И. Кремлёв//Сб. "Высокие технологии в машиностроении". Матер, научи, техн. интернет-конфер. с межд. участием. Самара. СамГТУ. 2006. С 468-469.

Громаковский Д.Г. Устройство и методика испытаний материалов шарошечных долот методом склерометрии// Д.Г. Громаковский, И.Д. Ибатуллин, В.И. Кремлёв, Н.С. Нассиф//Федер. агент, по науке и инновац. Тр. Межд. науч-практ. шк.-конфер. М. 2006. т.2. С.102-103.

Ибатуллин И.Д. Оборудование и методики испытаний элементов шарошечных буровых долот/ И.Д. Ибатуллин, Р.М. Богомолов, В.И. Кремлёв, Н.С Нассиф, СМ. Крылов// Тр. Межд. науч-практ. конфер. М.: Машиностроение. 2007. т. З. С.80-95.

9 Ибатуллин И.Д. Склерометр для оценки активационных параметров деформации и разрушения материалов. И.Д. Ибатуллин, Т.А. Тюрнина, Е.С Балашов, В.И. Кремлёв// Тр. Межд. Интернет конфер. "МИКМУС-2008" М: ИМАШ РАН. С.48.

Ибатуллин И.Д., Кремлёв В.И., Богомолов Р.М., Нассиф Н.С. Способ оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя//Патент РФ № 2327137. МПК GOIN 03/46. БИ №17.2008.

Шуваев В.Г., Носов Н.В., Богомолов Р.М., Папшев В.А., Кремлёв В.И. Способ запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота.//Патент РФ № 2357848, МПК, В 23Р 11/00, БИ № 16. 2009.

Размещено на Allbest.ru

...