Способ армирования цапф лап буровых шарошечных долот

Изобретение относится к способу армирования цапф лап буровых шарошечных долот и может найти применение в машиностроении при изготовлении буровой техники для строительства скважин в глубоком и сверхглубоком бурении, а также для бурения взрывных скважин с продувкой забоя воздухом. Перед цементацией осуществляют наплавку твердым сплавом дорожек подшипников скольжения, а на неподвергающиеся цементации поверхности цапф лап наносят антицементационное покрытие. После цементации, закалки и низкого отпуска проводят шлифовку и очистку дорожек подшипников скольжения. Затем наносят на них износостойкое защитное покрытие с твердостью от HRC 65 до HRA 74 напылением при температуре разогрева цапфы лапы, не превышающей температуру разупрочнения цементованных поверхностей. Нанесение защитного покрытия проводят, когда предельная температура разогрева цапфы лапы не превышает 280°С. Износостойкое защитное покрытие наносят одним или несколькими слоями до достижения задаваемой проектной толщины 0,1÷0,5 мм. При толщине защитного покрытия более 0,2 мм неравномерность нанесения слоя может быть исправлена микровыглаживанием с помощью алмазных кругов. Такая технология позволяет значительно увеличить твердость на поверхности подшипников скольжения цапф лап и, соответственно, повысить их износостойкость и в целом долот. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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 цапф лап сопротивляться абразивному износу, возникающему при вращении подвижно закрепленных на них шарошек в условиях очень высоких значений удельных контактных напряжений. Часто при износе контактных поверхностей цапф лап, возникновении недопустимых люфтов, разрушении элементов герметизации полостей опор, возможности проникновения в зоны контакта абразивных шламовых частиц долота при вполне еще работоспособном вооружении выходят из строя. В особенности это характерно для буровых долот с герметизированными опорами скольжения, наиболее часто используемых для проходки самых нижних ответственных горизонтов, где снижение количества операций спуско-подъема бурового инструмента особенно остро необходимо.

Известен способ армирования цапф лап 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 цапф лап до HRB 60÷62. Этот способ наиболее часто применяется для армирования цапф лап долот с многорядными подшипниками качения, а также в долотах малого диаметра, значительно повышая стойкость опор долот от износа. При этом способе наряду с поверхностями контакта на глубину до 3 мм процементируются со всех сторон и те поверхности, где цементация не нужна. Например, бурты шариковых замковых подшипников могут получить сквозную цементацию, что приводит к их резкому охрупчиванию и разрушению при циклических нагрузках во время процесса бурения. Поэтому бурты цапф лап 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 буртов, что способствует ускоренному выходу их из строя.

Известен также другой способ упрочнения цапф лап буровых долот [2], принятый за прототип. При этом способе, применяемом, в основном, при изготовлении долот с опорами скольжения, проводят цементацию подшипниковой поверхности, двухстадийное борирование, закалку в масло и отпуск. К недостаткам способа следует отнести возможность трещинообразования в боридном покрытии, сложность технологии упрочнения. Другим недостатком является относительно малая твердость армированной поверхности, поскольку в состав наплавляемого сплава входят мягкие компоненты - алюминий, железо и др. Недостаточно высокая твердость является причиной истирания цапфы лапы с нагруженной стороны при высоких нагрузках во время бурения и преждевременного выхода долота из строя.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности защиты дорожек подшипников скольжения цапфы лапы от износа, повышение стойкости подшипников опоры и долота в целом.

Указанный технический результат достигается применением способа армирования цапф лап, включающего цементацию, закалку в масло, низкий отпуск и нанесение износостойкого защитного покрытия.

Особенностью предлагаемого способа армирования цапф лап буровых долот является то, что перед цементацией осуществляют наплавку твердым сплавом дорожек подшипников скольжения, а на неподвергающиеся цементации поверхности цапф лап наносят антицементационное покрытие. После цементации, закалки и низкого отпуска, проводят шлифовку и очистку дорожек подшипников скольжения и наносят на них износостойкое защитное покрытие с твердостью от HRC 65 до HRA 74 напылением при температуре разогрева цапфы лапы t_n=280°C, не превышающей температуру разупрочнения цементованных поверхностей.

Износостойкое защитное покрытие наносят одним или несколькими слоями до достижения задаваемой проектной толщины 0,1÷0,5 мм. При толщине защитного покрытия более 0,2 мм выполняют микровыглаживание неравномерности нанесенного слоя с помощью алмазных кругов.

На фиг.1 показана примерная схема расположения лапы 1, ее цапфы 2, дорожек подшипников скольжения 3 и наплавочной пушки 4. Позицией 5 обозначена распыляемая струя порошка износостойкого материала.

Как отмечалось выше, во время бурения реакция забоя передается не на всю круговую поверхность дорожек подшипников скольжения, а только на поверхность, находящуюся на секторах с углами 120÷140°, поэтому армирование с помощью предлагаемого способа может осуществляться как по всей круговой поверхности, так и только на поверхности нагружения.

На фиг.1 приведено схематичное положение лапы 1 и ее цапфы 2 с дорожками подшипников скольжения 3 в патроне манипулятора с программным управлением (не показано), позволяющем обеспечить закрепление лапы 1, необходимые ее положения, а также положение дорожек подшипников скольжения относительно сопла пушки 4 (направления вращения лапы 1 относительно оси ее двухгранного угла, повороты и перемещения сопел пушки 4 относительно лапы 1 и дорожек подшипников скольжения 3, расстояния армируемой поверхности лапы 1 до сопел пушки 4 показаны стрелками). Закрепление лапы в 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 подшипников износостойкого материала с адгезией не менее 8 кг/мм².

Диаметр сопла пушки 4, 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 цапф лап.

Поверхность цапфы лапы, предназначенная для размещения шарикового замкового подшипника, перед нанесением износостойкого защитного покрытия может защищаться экраном, поскольку твердые и сверхтвердые материалы покрытия имеют относительно низкое сопротивление нагрузкам при высоком точечном удельном давлении, возникающем во время бурения под шариками на беговой дорожке.

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

Например, нанесение износостойкого защитного покрытия с помощью высокоскоростного газотермического напыления порошкообразного покрытия толщиной 0,1÷0,5 мм и более. В качестве наносимых защитных материалов могут применяться карбиды хрома, титана, вольфрама и другие высокотвердые износостойкие материалы.

Единственным ограничением при использовании такого метода нанесения защитного покрытия цапф лап является предел температуры нагрева - не выше t_п=280°C, при котором могло бы начаться разупрочнение цементованных слоев на цапфе. При достижении температуры t_п=280°C процесс напыления необходимо останавливать и продолжать его уже после охлаждения лапы.

Следующим методом нанесения износостойкого защитного покрытия является "холодное" детонационное напыление, при применении которого нагрева цапфы лапы, 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 напыления (армирования) достигается серией пушечных выстрелов. При этом суммарный напыленный слой обладает теми же свойствами, что и разовый.

В качестве напыляемых материалов применяются все износостойкие материалы, что и для первого метода.

Наилучшая адгезия слоя для вышеуказанных методов наблюдается, когда ось пушки располагается перпендикулярно армируемой поверхности.

В качестве следующего метода армирования подшипниковых поверхностей цапфы лапы 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 упрочняемого козырька и цапфы лапы. 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 обезжирены.

Применение предлагаемого способа обеспечивает нанесение слоя высокотвердого высокостойкого материала необходимой толщины методом напыления или с помощью легирования электродом и позволяет решить поставленную задачу - значительно увеличить твердость на поверхности дорожек подшипников скольжения - практически до твердости металлокерамического твердого сплава, что позволяет резко повысить износостойкость дорожек подшипников скольжения опор и долот в целом. При отработке опытных образцов буровых долот, изготовленных с применением предлагаемого способа армирования поверхностей дорожек подшипников скольжения цапф лап буровых шарошечных долот с твердостью нанесенного покрытия до HRB 75 ед., показано двухкратное увеличение стойкости опор и проходки на долото.

Источники информации

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

2. Патент РФ №2048649, МПК⁶ Е 21 В 10/22, опубл. 20.11.1995 г.

1. Способ армирования цапф лап буровых шарошечных долот, включающий цементацию, закалку в масло, низкий отпуск и нанесение износостойкого защитного покрытия, отличающийся тем, что перед цементацией осуществляют наплавку твердым сплавом дорожек подшипников скольжения, а на неподвергающиеся цементации поверхности цапф лап наносят антицементационное покрытие, затем после цементации, закалки и низкого отпуска проводят шлифовку и очистку дорожек подшипников скольжения и наносят на них износостойкое защитное покрытие напылением при температуре разогрева цапфы лапы, не превышающей температуру разупрочнения цементованных поверхностей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что напыление защитного покрытия проводят при температуре разогрева цапфы лапы не более t_n=280°C.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что износостойкое защитное покрытие наносят проектной толщиной 0,1÷0,5 мм одним или несколькими слоями.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при толщине защитного покрытия более 0,2 мм выполняют микровыглаживание неравномерности нанесенного слоя с помощью алмазных кругов.