CC BY
52
СТАНДАРТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КА ЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ
УДК 679.9
АНАЛИЗ КАЧЕСТВА И ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ АЛМАЗНЫХ
БУРОВЫХ КОРОНОК
О.В. Исламова, ПЛ. Атаев, З.Ж. Беров
Рассмотрены алмазные буровые коронки, представленные на российском рынке, определен их технический уровень, предложены рекомендации по повышению качества и износостойкости.
Ключевые слова: алмаз, буровая коронка, металлизация, износостойкость, матрица.
Известно, что российский рынок алмазного инструмента практически захвачен иностранными производителями (до 80 % и более). Почему в России и постсоветских республиках потребители отдают предпочтение нероссийским производителям алмазного бурового инструмента? Может быть, технический уровень и качество российского алмазного бурового инструмента значительно уступают иностранным производителям? На эти вопросы мы пытаемся ответить с позиций ОАО «Терекалмаз» (Кабардино-Балкарская республика).
ОАО «Терекалмаз» до акционирования было одним из лучших предприятий СССР, производящих алмазные инструменты для многих отраслей народного хозяйства (машиностроение, геологоразведка полезных ископаемых и т. д.). Технологические процессы изготовления алмазного инструмента в полной мере отвечали требованиям научно-технического прогресса. Однако ОАО «Терекалмаз» не удалось удержаться на тех позициях, которые были достигнуты в прошлом.
Для ответа на выше поставленные вопросы воспользуемся результатами обширных исследований, выполненных авторами работы [1], а также собственными исследованиями. Результаты этих исследований приведены в табл. 1. Следует отметить, что на рынках России и постсоветских республик представлены многие страны, производящие алмазные инструменты.
Сегодня среди составляющих конкурентоспособности цена товара уже не доминирует. На лидирующие позиции выходят потребительские свойства и свойства функционирования, уровень сервиса, возможность получения квалифицированной консультации и т. д.
При оценке технического уровня и качества буровых коронок воспользуемся дифференцированным методом.
При использовании дифференцированного метода рассчитывают единичные относительные показатели качества продукции ч по формулам:
Чг = р, (1)
Р-8
235
д} = ■, 0 = 1,2,-..,п), (2)
р
где р - значение 1-го показателя оцениваемой продукции; р^ - значение 1-го базового показателя; п - количество показателей качества продукции.
Таблица 1
Результаты сравнительных испытаний алмазных буровых коронок
„в "сЗ Производитель буровых коронок Проходка, м Расход коронок, шт. Средняя проходка на коронку (стоимость) S, м Среднеквадратическое отклонение проходки, 8 Коэффициент вариации V=8/ S Стоимость коронки, $ Эффективность использования коронок F=C/S
1 Dimatec (США) 560 14 40 1,3 0,032 467 149,83
2 ALFA-0,8 (Канада) 175 6 35 1,35 0,039 533 150,39
3 Ultra Terra (Канада) 175 5 35 1,36 0,039 567 149,9
4 Boart Longyear (Канада) 355 7 50 1,42 0,028 600 150,0
5 Терекалмаз (Россия) 315 7 45 1,45 0,032 433 150,10
6 Bohwa (Китай) 105 5 30 1,33 0,044 333 149,55
7 КСБ-2 (Терекалмаз по патенту РК) 603 10 63 1,45 0,023 433 150,22
Из формул (1) и (2) выбирают ту, при которой увеличению относительного показателя отвечает улучшение качества продукции. Например, относительный показатель для прочности, твердости, производительности, мощности, силе, долговечности и т. п. вычисляют по формуле (1), так как увеличение значения единичного показателя указывает на улучшение качества продукции. Относительный показатель нормы расхода материала на деталь, содержание серы и фосфора в стали, наличие неметаллических включений в металлах и т. п. рассчитывают по формуле (2), так как в этом случае улучшение качества продукции определяется уменьшением значения единичного показателя. Обобщенный показатель степени соответствия оцениваемого образца высшим мировым достижениям рассчитывается по формуле
п
Е д\
г — 1=1
кТ1 =--
п
При этом к^ может быть меньше единицы (технический уровень не соответствует мировому уровню), равным или больше единицы (технический уровень образца соответствует мировому уровню).
За базу сравнения взята коронка производства ОАО «Терекалмаз» (Россия). Следует отметить, что и коронка КСБ - 2 производится ОАО «Терекалмаз» по патенту республики Казахстан (РК). Подробно покажем расчеты применительно к буровой коронке В1шайс (США). При этом следует обратить внимание на то, что эффективность использования коронок определяется по упрощенной формуле ¥=С/£> (здесь С - стоимость коронки, руб., доллары; £ - средняя проходка на одну коронку, м), эксплуатационные издержки (затраты) буровых коронок очень слабо связаны (или почти не связаны) с их стоимостью.
Кроме того, нельзя не заметить, что имеется жесткая математическая связь между проходкой (в м), расходом коронок (в шт.) и средней проходкой на коронку (в м). Выполняя сравнительные испытания алмазных буровых коронок, следовало, на наш взгляд, выполнить одинаковую проходку. Тогда бы результаты сравнительных испытаний были более корректными. Безусловно, выполнение таких производственных испытаний сопряжено с большими организационными трудностями. Важнейшими показателями, характеризующими технический уровень и качество буровых коронок, могут быть средняя проходка на одну коронку £ (м); среднеквадратическое отклонение проходки 8, см; коэффициент вариации У=8/3; стоимость коронки С, руб.
Относительный показатель качества по средней проходки на одну коронку -
а = 40 » 0 89; по среднеквадратическому отклонению -^ = 1,45 »¡¡2; по коэффициен-1 45 ' 2 1,3 '
0 032 433
ту вариации - „3 _ ¡; по стоимости - а » 093.
0,032 467 '
Обобщенный показатель степени соответствия оцениваемого образца (в нашем случае коронка Б1ша1;1с (США)
КТЬ = °'89 +1Д2 +1 + °,93 = 0,985 » 0,99.
Таким образом, технический уровень и качество коронки В1шайс (США) и ОАО «Терекалмаз» находятся практически на одном техническом уровне. Аналогичным методом определяется технический уровень и качество других коронок, приведенных в табл. 1. Результаты расчётов приведены в табл. 2 (За базу сравнения была взята буровая коронка ОАО «Терекалмаз»).
Анализ выполненных расчётов свидетельствует о том, что коронки ОАО «Те-рекалмаз» по техническому уровню и качеству существенно не уступают зарубежным аналогам-конкурентам. По этому показателю коронка КСБ - 2, также изготовленная ОАО «Терекалмаз» по патенту республики Казахстан, значительно превосходит зарубежные аналоги-конкуренты. Вместе с тем, настораживает тот факт, что среднеквадра-тическое отклонение, определенное по результатам статистической обработки эксплуатационных показателей партий коронок, оказалось значительно больше у коронок ОАО «Терекалмаз», чем у аналогов-конкурентов.
Таблица 2
Обобщенные коэффициенты технического уровня и качества алмазных буровых коронок
№ п/п Производитель буровой коронки Коэффициент технического уровня и качества буровой коронки, Kjl
1 Dimatic (США) 0,99
2 ALFA - 08 (Канада) 0,87
3 Ultra Terra (Канада) 0,87
4 Boart Longyear (Канада) 1
5 Bohwa (Китай) 0,95
6 КСБ-2 («Терекалмаз» по патенту республики Казахстан) 1,2
Для выяснения причин низкой конкурентоспособности бурового инструмента российского производства, на наш взгляд, необходимо подвергнуть критическому анализу этапы жизненного цикла коронки от зарождения идеи до утилизации. Конкурентоспособная продукция должна обладать «более высоким качеством». А что такое «более высокое качество»? Японская концепция предусматривает четыре уровня качества.
Первый уровень - «Соответствие стандарту». Качество продукции оценивается, как соответствующее или несоответствующее стандарту (техническим условиям). Необходимо выяснить требования, инструкции и процедуры проверки качества продукции. Главными инструментами при этом служат статистический контроль качества
и организационная структура производства. В рассматриваемом случае, например, коронка КСБ - 2, изготовленная по патенту республики Казахстан (РК), оказалось более конкурентоспособной, чем коронка, производимая в одних и тех же организационно-технических условиях (ОАО «Терекалмаз»).
Второй уровень - «Соответствие использованию» («Соответствие применению»). Продукция не только должна соответствовать стандарту, но и удовлетворять эксплуатационным требованиям. При этом следует исходить из того, что более высокое качество приводит к более высоким издержкам, а, следовательно, к повышению цены на продукцию.
Третий уровень - «Соответствие реальным требованиям рынка» («Соответствие стоимости»). Это означает высокое качество по приемлемой цене. Основным путем достижения низкой стоимости при высоком качестве является бездефектное производство.
Четвертый уровень - «Соответствие скрытым потребностям потребителя» («Неочевидным пожеланиям потребителя»). Мировой рынок переполнен продукцией, которая мало отличается (или не отличается) по уровню качества и удовлетворяет известные потребности потребителя. Поэтому преимущество при реализации получает тот товар, который удовлетворяет неочевидные (скрытые) потребности потребителя.
Однозначно указать на причины низкой конкурентоспособности производства не представляется возможным из-за отсутствия достоверной информации. Вместе с тем, можно указать на то, что технологические процессы изготовления, например, коронки КСБ - 2, несовершенны. Если бы технологический процесс изготовления коронки был стабильным с малым среднеквадратическим отклонением, то и среднеквадрати-ческое отклонение проходки было бы не больше, чем у аналогов-конкурентов 5 = 1,45 для коронки КСБ - 2, 5 = 1,3 для коронки В1шайс (США). Другими словами, чем меньше среднеквадратическое отклонение проходки, тем технико-эксплуатационные показатели выше. Мерой стабильности технологического процесса является среднеквадра-тическое отклонение. Уменьшив величину этого отклонения, удастся улучшить эксплуатационные характеристики коронке.
Следует более плотно заниматься изучением эксплуатационных затрат, связанных с использованием коронок российского производства. Далее, не очень понятно, что коронки российского производства по цене практически одинаковы с импортными (табл. 1).
Отделам (службам) маркетинга отечественных производителей алмазного бурового инструмента следует более плотно работать с буровиками (нефтяниками, газовиками и другими потребителями бурового инструмента) с целью выявления их скрытых пожеланий (потребностей). В конкурентной борьбе нет мелочей.
Предприятия, становясь на путь инновационного развития, могут добиться конкурентных преимуществ. Наглядное подтверждение сказанному коронка КСБ - 2, изготовленная по патенту РК.
Осуществляя в различных геологических районах авторский надзор над производственными испытаниями буровых коронок, изготовленных ОАО «Терекалмаз», стали известны основные требования, предъявляемые буровиками к коронкам - безаварийная работа и суммарная проходка на одну коронку.
Известно, что алмазно-абразивные инструменты необходимо оснащать однородными алмазными зернами по прочности и размерам. Однако, потребность в калибровке геологической скважины и керна диктует необходимость оснащения буровых коронок алмазами не только разного качества, но и зернистости. В силу изложенного, объемные слои коронок оснащаются дробленными природными алмазами, а в качестве подрезных, которыми армируют наружные и внутренние поверхности, используются крупные технические алмазы самого высокого качества [2].
Дробленные алмазы обеспечивают условия самозатачивания за счет микро- и макроскалывания в процессе бурения, а подрезные имеют высокую износостойкость и обеспечивают постоянство диаметров разбуриваемой скважины и керна. Несоответ-
ствия эксплуатационных характеристик, используемых алмазов приводит не только к высокой степени износа буровых коронок (рис. а), но и становятся основной причиной аварии на буровых скважинах. Дробленные алмазы различаются размерами, геометрической формой, числом граней, количеством ребер и степенью дефектности, что обуславливает большой разброс их прочностных свойств. Преждевременное разрушение и выкрашивание слабых зерен приводят к перегрузкам более качественных, что интенсифицирует их износ. Процесс усугубляется и тем, что осколки разрушенных и выпавших кристаллов своим воздействием на матрицы коронки прогрессируют ее износ.
Одним из основных методов повышения однородности алмазов по прочности и обеспечения высокой степени алмазоудержания в инструментах считается металлизация алмазного сырья [2 - 6]. Согласно результатам работы [3] наиболее перспективными являются контактно-реакционный способ осаждения карбидообразующих металлов и нанесение покрытий из жидкой адгезионно-активной металлической фазы. В приведенных работах отмечается, что хромовое покрытие обеспечивает наибольшую прочность сцепления с алмазом. Образование зональной структуры СГ3С2 ^ СГ7С3 ^ СГ23С6 рассматривается как способ создания ковалентной связи алмаза с покрытием и кова-лентно-ионной связи - с матрицей инструмента. Однако литературные данные о влиянии диффузионно-вакуумного хромирования алмазов на ресурс буровых коронок носят противоречивый характер.
Следует отметить, что карбидные фазы в покрытиях образуются за счёт диффузии атомов углерода из кристаллической решетки алмаза в формирующееся покрытие. Отток атомов углерода в покрытие способствует образованию в приповерхностных участках кристалла области с повышенной концентрации вакансий, которые коагулируются в микро- и макропоры. Образование диффузионной пористости на поверхности алмазов провоцирует их графитизацию как в процессе металлизации, так и (особенно) при высокотемпературном спекании матрицы коронок.
Анализ литературы показывает, что адгезионно-активные покрытия при спекании алмазосодержащего композиционного материала оказывают на формирование матрицы два воздействия противоположной направленности. С одной стороны, повышают смачиваемость алмазов металлическим расплавом, способствуют капиллярному прохождению пропиточного материала в их дефектности и формированию адгезионных связей со связкой. С другой стороны, адгезионные покрытия, будучи катализаторами фазового изменения в алмазах, при реакционных способах металлизации и спекании алмазосодержащего композита металлическим расплавом интенсифицируют диффузионное разрыхление и графитизацию алмазов, а также оказывают расклинивающее воздействие на них (эффект Ребиндера). Степень указанных негативных влияний во многом определяется формированием карбидной фазы при металлизации, а также толщиной покрытия.
Для того, чтобы превалировало положительное влияние адгезионного покрытия необходимо минимизировать его количество на гранях алмаза, а осаждение покрытия проводить при температурах, исключающих реакционное взаимодействие формирующегося покрытия с алмазом [7]. Сцепление формирующегося покрытия с алмазом целесообразно обеспечивать заполнением атомами осаждаемого металла вакансии на его дефектных участках, т.е. насыщением «оборванных» связей (посредством активных центров полярных групп). Для реализации данного вида соединения адсорбента и ад-сорбата наиболее предпочтительными являются ионно-плазменные методы распыления материалов покрытия. Они обеспечивают эффективную дегазацию алмазного порошка, очистку его частиц непосредственно перед металлизацией и относительно низкую температуру нагрева - не более 873 К.
Из ионно-плазменных методов распыления материала покрытия в вакууме три-одная система обеспечивает наиболее плавный подбор энергии осаждаемых частиц металла, исключающих фазовые изменения на поверхности алмаза в процессе металлизации. С учетом изложенного разработано и изготовлено Кабардино-Балкарским государственным университетом (КБГУ) совместно с ОАО «Терекалмаз» устройство для нанесения двухслойного покрытия на порошковые материалы [8].
Проведены сравнительные испытания буровых коронок типа 1КО, оснащенных металлизированными и неметаллизированными алмазами для определения влияния адгезионного покрытия на ресурс инструмента. Опытная партия состояла из двух групп, которые были отмечены разными индексами: М1 и М2. Без детализации режимов осаждения и без указания основ выбора компонентов покрытия отметим, что коронки первой группы армировали алмазами с двухслойным покрытием «Т + №Сг», а второй - + №Сг».
Объемные слои коронок были оснащены дробленными природными алмазами группы Т1.5, зернистостью 400 - 200 шт./карат, а в качестве подрезных использовались овализованные алмазы группы Т1.4, зернистостью 90 - 60 шт./карат. Буровые коронки предназначены для бурения скважин одинарными колонковыми снарядами в малоабразивных, очень крепких, плотных, монолитных (от тонкозернистых до скрытокристал-лических) породах 9-12 категорий пород по буримости (рш от 22,8 до 76,8 и выше).
Сравнительные испытания показали, что эффективность использования металлизированных алмазов практически не зависит от составов покрытий. Полный средний ресурс коронок, оснащенных металлизированными алмазами с покрытием «Т + №Сг», увеличился на 61 %, а у коронок, оснащенных алмазами с покрытием + №Сг» - на 62,9 %; удельный расход алмазов уменьшился на 37,2 % и 37,3 % соответственно.
Научный и практический интерес представляет и характер износа коронок, оснащенных алмазами с двухслойным покрытием (рис. б, в.) В отличие от исходных (рис. а) в них хорошо сохранились дробленные природные алмазы - объемные. Причиной снятия с эксплуатации является образования фасок по наружным или внутренним диаметрам из-за выпадения подрезных - овализованных алмазов.
Буровые коронки после сравнительных испытаний: а — серийные коронки; б — опытные коронки с покрытием Л + №Сг; в — опытные коронки с покрытием
Ж + МСг
Коронки, оснащенные металлизированными алмазами показали чрезвычайно хорошие результаты. Дополнительные затраты на металлизацию настолько незначительны (7.. .10 % от общих затрат на алмазы), что ими можно пренебречь.
В условиях командно-административной экономики предприятие, производящее алмазные буровые коронки, было слабо заинтересовано во внедрении различных технических новшеств. В условиях рыночной экономики конкурентная война (борьба) заставляет предприятия внедрять в производство современные достижения науки и техники.
Появляются малые предприятия, производящие алмазные инструменты. Например, они готовы производить алмазные инструменты из металлизированных алмазов, но нет оборудования (оно дорогое- вакуумные установки) и кадров, умеющих эксплуатировать это сложное оборудование.
Список литературы
1. Кудайкулова Г. А., Федоров Б.В. Результаты сравнительных испытаний алмазных буровых коронок ведущих фирм // Форум прниюв - м1жнар. конф., жовтня 2013 p. Дтпропетровськ, 2013. Т.4. С. 103 - 106.
2. Цыпин Н.В. Износостойкость композиционных алмазосодержащих материалов для бурового инструмента. Киев: Наук. думка, 1983. 192 с.
3. Найдич Ю.В., Уманский В.П., Лавриненко И. А. Прочность алмазометалли-ческого контакта и пайка алмазов / Отв. ред. Гнесин Г.Г.; АН УССР. Институт проблем материаловедения. Киев: Наук. думка, 1988. 136 с.
4. Найдич Ю.В., Шурхал В.В. и др. Улучшение качества буровых коронок при использовании металлизированных природных алмазов // Сверхтвердые материалы. 1990. № 2. С. 39 - 43.
5. Найдич Ю.В., Уманский В.П., Лавриненко И. А. Исследование адгезионных свойств хромовых покрытий на поверхности алмаза и графита // Алмазы и сверхтвердые материалы, 1980. № 12. C. 1 - 4.
6. Найдич Ю.В., Уманский В.П., Лавриненко И.А. Исследование прочности сцепления алмаза с металлом // Сверхтвердые материалы, 1984. № 6. С. 19 - 23.
7. Патент РФ № 2090648, МКИ С23С 14/18. Способ нанесения покрытия на алмазы / Беров З.Ж., Карданов А.А., Яхутлов М.М. // Открытия. Изобр, 1997. № 26.
8. А. с. 11813332, МПК С 23 С 14/50 (2006.01). Устройство для нанесения покрытий на порошковые материалы. / Беров З.Ж., Хажуев В.Ш., Кушхабиев А.С. и др. Заявлено 30.12.1984; Опубликовано 10.09.2014. Бюл. № 25.
Исламова Оксана Владимировна, канд. техн. наук, islamova_81@mail. ru, Россия, Кабардино-Балкарская республика, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова,
Атаев Павел Леванович, канд. техн. наук, доцент, islamova_81@mail.ru, Россия, Кабардино-Балкарская республика, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова,
Беров Закир Жамалович, канд. техн. наук, доцент, islamova_81@mail. ru, Россия, Кабардино-Балкарская республика, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова
ANALYSIS OF QUALITY AND TECHNICAL LEVEL DIAMOND DRILL CROWNS O.V. Islamova, P.L. Ataev, Z.Zh. Berov
Diamond drill bits, requirements in the Russian market, their technical level are considered, recommendations on quality and wear resistance are offered.
Key words: diamond, drill bit, metallization, wear resistance, matrix.
Islamova Oksana Vladimirovna, сandidate of technical sciences, is-lamova_81@mail. ru, Russia, Kabardino-Balkaria, Kabardino-Balkaria State University. H.M. Berbekova,
Ataev Pavel Levanovich, сandidate of technical sciences, docent, is-lamova_81@,mail. ru, Russia, Kabardino-Balkarian Republic, Kabardino-Balkarian State University. H.M. Berbekova,
Berov Zakir Zhamalovich, сandidate of technical sciences, docent, is-lamova_81@mail. ru, Russia, Kabardino-Balkarian Republic, Kabardino-Balkarian State University. H.M. Berbekova
