Материалы изготовления шарошечных долот
Стали, применяемые для изготовления шарошечных долот
Долговечность шарошечных долот определяет эффективность процесса углубления скважин, при этом их прочность и износостойкость во многом определяются правильным выбором и качеством сталей и других конструкционных и упрочняющих металлов и сплавов, резин и смазок.
В связи с тем, что буровые долота эксплуатируются в исключительно тяжелых условиях, подбор сталей и других материалов должен быть строго дифференцирован для каждого отдельного элемента долота — от тел качения и подшипников скольжения до корпусов лап, шарошек и армирующих твердосплавных наплавок.
Опора лапы долота — цапфа, на которой вращается шарошка, подвергается воздействию значительных статических и динамических нагрузок. Особенности условий работы цапфы характеризуются контактно-усталостным изнашиванием в случае негерметизированной опоры. Поэтому сталь, используемая для изготовления лапы долота, должна обеспечивать высокую прочность и вязкость в сочетании с высокой контактной выносливостью и хорошей износостойкостью. Кроме того, конструктивные особенности буровых долот обусловливают необходимость хорошей свариваемости материала лап.
Стали, применяемые для изготовления деталей долот
К материалу корпуса шарошки, особенно с твердосплавным вооружением, предъявляется не менее сложный комплекс требований, поскольку он должен обеспечивать надежное удержание твердосплавных зубков, закрепляемых в отверстиях шарошки способом холодной запрессовки.
Основные материалы (стали), применяемые для изготовления деталей долот приведены в табл.
Стали, применяемые дли изготовления деталей долот
Наименование детали
|
Диаметры долот, мм
|
Марка стали
|
ГОСТ, ТУ
|
Шарошка фрезерованным вооружением
|
Все размеры
|
15НЗМА
|
Ту 3 - 102-80
|
Шарошки штыревые
|
Все размеры
|
14ХНЗМА
|
ТУ 3-102-80
|
Лапа
|
До 244,5
|
15НЗМА
|
ТУ 3-102-80
|
Лапа
|
244,5 и более
|
19ХГНМА
|
ТУ 3-102-80
|
Втулка малая
|
Все размеры
|
14Х17Н2
|
ГОСТ 5949-75
|
Подпятки
|
Все размеры
|
Р6М5
|
ГОСТ 19265-73
|
Шары, ролики
|
Все размеры
|
55СМ5ФА-ШД
|
ТУ 14-1-2666-79
|
Стали для изготовления лап и шарошек по ОСТ 26-02-1315-84
ОСТ 26-02-1315-84 предусматривает для изготовления лап и шарошек долот более широкий ассортимент сталей :
Стали для изготовления лап и шарошек по ОСТ 26-02-1315-84
Наименование детали
|
Диаметр долота, мм
|
Марка стали
|
Номер ТУ
|
Долото с опорой скольжения
|
Шарошка
|
46,0-212,7
|
17 НЗМА-Ш
|
ТУ 3-938-79
|
215,9-295,3
|
16ХНЗМА-Ш
|
ТУ 3-938-79
|
311,1 и более
|
18ХНЗМА
|
ТУ 3-859-80
|
Лапа
|
46,0-151,0
|
14ХНЗМА-Ш
|
ТУ 3-938-79
|
158,7-212,7
|
22ХГНМА-Ш
|
ТУ 3-35-79
|
215,9
|
22ХГНМА-Ш
|
ТУ 3-35-79
|
|
14ХНЗМА-Ш
|
ТУ 3-938-79
|
222,3-295,3
|
22ХГНМА
|
ТУ 3-35-79
|
311,1 и более
|
14ХНЗМА
|
ТУ 3-850-80
|
|
14Х2НЗМА
|
|
Долото с опорой качения
|
Шарошка
|
112,0 -190,5
|
17НЗМА-Ш
|
ТУ 3-398-79
|
215,9-295,3
|
16ХНЗМА-Ш
|
ТУ 3-398-79
|
|
16ХНЗМФА
|
ТУ 3-195-83
|
311,1 и более
|
18ХНЗМА
|
ТУ 3-850-80
|
Лапа
|
112,0-190,5
|
14ХНЗМА-Ш
|
ТУ 3-938-79
|
215,9-295,3
|
14ХЗМА-Ш
|
ТУ 3-938-79
|
311,1 и более
|
14ХНЗМА
|
ТУ 3-195-83
|
|
14Х2НЗМА
|
ТУ 3-850-80
|
За рубежом большинство ведущих фирм-изготовителей шарошечных долот использует для изготовления лап сталь AISI 4815H отечественный аналог — сталь 15НЗМА) или AISI 8720 (аналог 19 НМА). В зависимости от диаметра долота; для изготовления фрезерованных шарошек — сталь AISI4815H, штыревых шарошек — сталь AISI 9315H (аналог — сталь 14ХНЗМА). Для изготовления тел качения применяется сталь AISI S2 (аналог — 55СМ5ФА).
Твердые сплавы для изготовления зубков долот
Не менее важным материалом в производстве высококачественных шарошечных долот являются вольфрамокобальтовые твердые сплавы, применяемые для изготовления зубков и армирования зубьев фрезерованных шарошек, козырьков лап и других частей долота, подвергающихся в процессе работы абразивному износу.
В соответствии с ОСТ 26-02-1315-84 твердосплавные зубки должны изготавливаться из сплавов марок: ВК4-В, ВК8-ВК и ВК11-ВК. сплавов ВК4-В и ВК8-ВК изготавливаются зубки формы Г-54 с плоской вершиной, используемые для армирования обратных конусов шарошек и козырьков лап. Из сплава ВК11-ВК изготавливаются зубки всех остальных форморазмеров: от Г26 со сферической головкой, применяемых в долотах для бурения очень крепких пород, до клиновидных типа М, применяемых в долотах для бурения мягких абразивных пород.
ОАО «Волгабурмаш» в своих долотах, изготавливаемых по лицензии фирмы Dresser (США), применяет зубки собственного производства из сплавов марок ВК10, ВК13 и ВК16.
Ведущие американские фирмы-производители долот, как правило, имеют свои твердосплавные производства и более широкий выбор марок твердых сплавов для изготовления обширной гаммы зубков самых разнообразных форморазмеров. Так, фирма Hughes Christensen имеет в своем распоряжении более 25 марок твердых сплавов от ВК6 до ВК18, причем многие марки сплавов с одинаковым химическим, но различным гранулометрическим составом могут значительно отличаться по своим физико-механическим свойствам, что позволяет более точно подбирать марку сплава для изготовления зубков той или иной формы для эффективного разрушения конкретных горных пород:
Марка сплава
|
Твердость, HRA
|
Содержание кобальта, %
|
Зернистость
|
Предел прочности, Н/мм2
|
Абразивная стойкость,1/ потеря объёма
|
Трещино-
стойкость,
DCB
|
Рекомендуемое
применение
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
307
|
91
|
7
|
Cреднезерн.
|
3380
|
15,6
|
11500
|
Горнорудное
|
Р40
|
91,2
|
6
|
Cреднезерн.
|
2900
|
15
|
11000
|
Высокая износостойкость
|
295
|
90,8
|
6
|
Cреднезерн.
|
3275
|
14,1
|
11000
|
Высокая износостойкость
|
671
|
90,5
|
6
|
Cреднезерн.
|
2240
|
13
|
11100
|
Умеренная до высокой износостойкость
|
248
|
89,8
|
11
|
Мелкозерн.
|
3100
|
7
|
12500
|
Зубки с небольшим вылетом
|
М09
|
89,6
|
9
|
Среднезерн.
|
2970
|
10
|
12500
|
Гидромониторные насадки
|
779
|
89,5
|
9
|
Среднезерн.
|
3170
|
10
|
13000
|
Износостойкость выше,чем у марки 241
|
91
|
89,2
|
8,5
|
Среднезерн.
|
3100
|
6,2
|
13000
|
Износостойкость выше,чем у марки 241
|
284
|
83,2
|
11
|
Мелкозерн.
|
2780
|
6,6
|
12600
|
Износостойкость выше,чем у марки 241
|
90
|
89
|
10
|
Среднезерн.
|
3240
|
7
|
13200
|
Для средних ударных нагрузок
|
251
|
88,7
|
10
|
Среднезерн
|
3100
|
6,4
|
13200
|
Износостойкость выше,
чем у марки 241
|
258
|
88,6
|
13
|
Мелкозерн.
|
3240
|
5
|
12700
|
Умеренная трещиностойкость и износостойкость
|
241
|
88,5
|
10
|
Среднезерн.
|
3240
|
6
|
14000
|
Нефтяные долота, хорошая
стойкость к поломкам
|
941
|
88,6
|
11
|
Среднезерн.
|
3310
|
5,5
|
16000
|
Трещиностойкость выше,
чем у марки 241
|
240
|
88,2
|
10,25
|
Среднезерн.
|
3310
|
5,6
|
16600
|
Зубки с малым до среднего
|
122
|
87,9
|
12
|
Среднезерн.
|
3380
|
5,6
|
17100
|
Высокая трещиностойкость и износостойкость
|
231
|
87,8
|
10
|
Крупнозерн.
|
3000
|
5,1
|
17100
|
Зубки со средним вылетом
|
931
|
87,8
|
11
|
Крупнозерн.
|
2900
|
5,5
|
18500
|
зубки со средним и большим вылетом
|
222
|
87,5
|
10
|
Крупнозерн.
|
2900
|
4
|
17000
|
Стойкость к поломкам выше, чем у марки 231
|
244
|
87
|
10,5
|
Крупнозерн.
|
2720
|
3,4
|
16700
|
Высокая трещиноватость и ударные нагрузки
|
55В
|
86,6
|
16
|
Среднезерн.
|
2900
|
3
|
15600
|
Хорошая стойкость к поломкам
|
120
|
86,5
|
12
|
Крупнозерн
|
2900
|
5
|
17300
|
Зубки с большим вылетом
|
147
|
86
|
14
|
Крупнозерн.
|
3240
|
2,5
|
18000
|
Прочность выше, чем у марки 55В
|
239
|
86
|
18
|
Среднезерн.
|
3240
|
2,2
|
18400
|
Трещиностойкость выше, чем у марки 55В, износостойкость выше
|
45В
|
85,5
|
16
|
Крупнозерн.
|
2900
|
2,7
|
160000
|
Трещиностойкость выше, чем у марки 55В
|
40В
|
85
|
16
|
Крупнозерн.
|
3100
|
2,4
|
16400
|
Высокая трещиностойкость
|
Свойства твёрдых сплавов по ТУ 48-19-281-88
|
ВК8ВК
|
88,3
|
8
|
Среднезерн.
|
более 1860
|
-
|
-
|
-
|
ВК11ВК
|
87,5
|
11
|
Среднезерн.
|
более 2110
|
-
|
-
|
-
|
Фирмы Smith и Reed используют в большом подшипнике скольжения плавающую разрезную втулку, также покрытую серебром с обеих сторон.
В долотах фирмы Smith большая и малая втулки а также плавающая упорная шайба, изготовлены из патентованного сплава Spinodal, представляющего собой никель-оловянистую бронзу, а фирма Reed втулку изготавливает из бериллиевой бронзы. Также из бериллиевой бронзы выполнена большая втулка в долотах фирмы Varel. Втулка запрессована в шарошку, внутренняя поверхность может покрываться серебром. В долотах фирмы Security DBS запрессованные в шарошку большая и малая втулки изготавливаются методом порошковой металлургии из порошка легированной Сталин пропитываются серябряно-марганцевым сплавом, содержащим 85 ск серебра. Рабочие поверхности втулок также покрываются серебром.
В долотах ОАО «Волгабурмаш» большая втулка комбинированная — имеет стальной корпус, на внутреннюю поверхность которого напрессовывается порошок стеллита и железа и пропитывается при спекании оловянисто-свинцовистой бронзой. Внутренняя поверхности втулки может покрываться серебром.
Для изготовления уплотнительных элементов опор долот, пре имущественно в виде колец разнообразного сечения — от круглой (в долотах Hughes Christensen, Smith и Varel) до прямоугольного волнистой (Security DBS) или текстурированной (Reed) рабочей поверхностью, фирмы-производители применяют гидрогенизированнук высоконасыщенную нитрильную резину (HNBR или HSNBR). Отечественные производители долот используют нитрильную резину (NBR).
|