CC BY
29УДК 621.651.694
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА РОТОР ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ
INVESTIGATION OF METHODS OF PROTECTIVE COATINGS APPLICATION ON THE ROTOR OF DOWNHOLE DRILLING MOTOR
Д. Д. Водорезов, С. А. Фролов, В. Н. Светашов, Д. С. Леонтьев, О. М. Столбова
D. D. Vodorezov, S. A. Frolov, V. N. Svetashov, D. S. Leontiev, O. M. Stolbova
Экспериментальный завод буровой техники Тюменского индустриального университета, г. Тюмень
Ключевые слова: защитные покрытия; газотермическое напыление; лазерное оплавление Key words: protective coatings; gas-thermal spraying; laser melting
В процессе эксплуатации винтового забойного двигателя в условиях скважины происходит интенсивный износ его рабочих органов, приводящий к изменению их начальных технических (геометрических) параметров и как следствие к снижению энергетических характеристик двигателя в целом [1]. В работе [2] были отмечены причины недостаточно высокого ресурса винтовых забойных двигателей (ВЗД): абразивный износ рабочих органов (РО), ограниченный температурный диапазон работы эластомера статора, деформация его эластичной обкладки, приводящие к смещению ротора в радиальном направлении под действием силовых факторов, а также поперечные колебания ротора и корпуса двигателя. Абразивные частицы, находящиеся в буровом растворе вызывают износ, способствуют уменьшению натяга в паре и, как следствие, обусловливают потери энергетических характеристик двигателя [3].
В экспериментальном заводе буровой техники Тюменского индустриального университета разрабатывается технология создания на поверхностях деталей роторов винтовых забойных двигателей функциональных, износостойких, коррозионно-стойких, антифрикционных, антизадирных и теплостойких покрытий.
Первоначально авторами разрабатывалась линия по нанесению защитных покрытий деталей «ротор винтового забойного двигателя» газопламенным способом, с дальнейшим оплавлением слоем установкой ТВЧ.
Планируемые показатели: 1) адгезия — не менее 100 МПа; 2) относительная износостойкость — не менее 3,0; 3) пористость — менее 0,5 %; 4) теплостойкость — не менее 140 0C; 5) толщина — не менее 0,3 мм; 6) нагрузка задира — не менее 1 000 Н; 7) твердость — 58-62 HRC; 8) коэффициент трения — не более 0,3.
9) шероховатость — не менее 0,8 Rа.
Обрабатываемая деталь ротор представляет собой вал с многозаходной винтовой поверхностью. В рамках исследовательских работ было проведено напыление поверхностного слоя самофлюсующегося порошка и проведено его дальнейшее оплавление 3-мя способами: газовой горелкой, токами высокой частоты, лазерной установкой.
Оплавление поверхности подразумевает второе термическое воздействие на деталь, что может привести к падению конструкционной прочности детали (инструмента) за счет снижения предела усталостной прочности.
Второе термическое воздействие может привести к выходу геометрических размеров детали (инструмента) за поле допуска, особенно это актуально для длинномерных конструкций.
Оплавление газовой горелкой (рис. 1) заключается в разогреве поверхности до появления зеркальной поверхности, после чего необходимо незамедлительно перемещать газовую горелку из расплавленной зоны, иначе будет происходить перегрев поверхности и стекание наплавленного слоя. Из сказанного выше следует, что решение с газовой горелкой не подходит для применения в линии, так как автоматизировать процесс перемещения газовой горелки при появлении зеркальной поверхности сложно или попросту невозможно.
№ 6, 2016
Нефть и газ
47
Рис. 1. Лабораторный образец ротора после оплавления газовой горелкой
Также на контрольно измерительной машине КИМ были произведены замеры профиля лабораторного образца до и после напыления с дальнейшим оплавлением. Результаты замеров приведены на рисунках 2, 3. Так как деталь имеет форму винтовой поверхности, а пятно контакта газовой горелки при оплавлении достаточно большое происходит неравномерный процесс оплавления. В результате чего происходит стека-ние расплавленного слоя с вершин и боковых поверхностей во впадину. Причем с боковых поверхностей в отличие от вершин происходит практически полное стекание. Отсюда следует, что добиться равномерности поверхностного слоя с применением газовой горелки не представляется возможным.
Защитный слой Защитный слой
Рис. 2. Сравнение профилей лабораторного образца ротора
Рис. 3. Результаты замеров профиля лабораторного образца ротора после напыления и дальнейшего оплавления
48
Нефть и газ
6, 2016
Далее был произведен эксперимент по оплавлению лабораторного образца токами высокой частоты с применением кольцевого индуктора. Ввиду сложной формы так же, как и в случае с газовой горелкой происходит перегрев вершины зубьев и стекание оплавленного слоя во впадину (рис. 4).
Рис. 4. Лабораторный образец ротора после оплавления токами высокой частоты
Единственным вариантом оплавления поверхностного слоя сложного профиля детали ротор является оплавление лучом лазера. Оплавление опытного образца произведено роботом манипулятором по специально написанной программе. Результаты замеров приведены на рисунке 5.
Рис. 5. Результаты замеров профиля лабораторного образца ротора после напыления и дальнейшего оплавления лазерной установкой с применением робота манипулятора
Оплавление с помощью лазерной установки является современным и дорогостоящим способом. В отличие от представленных выше способов оплавления, где основной металл подвергается значительному подплавлению и термическому воздействию, что является весомым недостатком, оплавление лазером обеспечивает минимальное тепловое влияние на деталь. При обработке лазером - нагрев локализован и соответствует форме, размеру подаваемого излучения, а глубина термического воздействия ограничена незначительным приповерхностным слоем, благодаря чему вероятность коробления (искажения формы) детали минимизирована. К основным преимуществам можно отнести:
• контролируемое малое проплавление;
• минимизация области термического влияния (деформация обрабатываемых деталей почти отсутствует).
^ 6, 2016
Нефть и газ
49
Переход с технологии нанесения защитного покрытия с газотермического способа напыления с последующим оплавлением ТВЧ — токами высокой частоты, на технологию нанесения защитного покрытия газотермическим способом напыления с последующим оплавлением лазером позволит снизить уровень теплового воздействия, увеличить адгезию, так как связь подложки с поверхностным слоем становится металлургической и адгезия становится близкой к пределу прочности — ав положки либо наплавленного слоя.
Оплавление поверхностного слоя, нанесенного газотермическим способом с помощью локальных энергетических источников — газопламенных, ТВЧ имеет недостатки.
1. При оплавлении токами высокой частоты поверхности имеющей сложную геометрию, как показывает практика, не удается получить равномерное оплавление поверхностного слоя в силу физики процесса воздействия ТВЧ на поверхностный слой, так как меняется расстояние от индуктора до обрабатываемой поверхности и соответственно изменяется энерговклад в поверхностный слой.
2. Из всех концентрированных сварочных источников энергии газовое пламя обладает наименьшим значением коэффициента сосредоточенности.
Низкое значение коэффициента сосредоточенности сварочного источника энергии не позволяет получить равномерный прогрев поверхностного слоя вследствие аккумуляции тепла впереди хода движения газового пламени (при самых широких вариациях коэффициентов перекрытия). Для устранения данного эффекта необходимо управление мощностью сварочного пламени в режиме реального времени, что практически невозможно реализовать.
Данный негативный эффект устраняется также тем, что газовое пламя создает в зоне обработки самое низкое значение плотности мощности, что не позволяет обеспечивать высокие скорости нагрева и соответственно минимизировать тепловложение.
3. Применение электродугового сварочного источника энергии (ТЮ-сварка) для переплава приводит, в силу физики процесса, к большому значению коэффициента перемешивания и соответственно к невозможности сформировать заданные функциональные свойства поверхностного слоя за один проход.
Таким образом, из всех вышеперечисленных концентрированных источников энергии только луч лазера обладает необходимыми техническими характеристиками, позволяющими обеспечить качественный переплав поверхностного слоя.
К ним относятся высокие плотности мощности в зоне обработки; высокий коэффициент сосредоточенности; возможность управления плотностью мощности (мощностью) в режиме реального времени.
Дистанция лазерной оптической головки от оплавляемой поверхности составляет несколько десятков мм, поэтому для реализации процесса оплавления необходим робот манипулятор, который будет с высокой точностью повторять геометрический профиль детали и выдерживать заданное расстояние между деталью и оптической головкой.
Переход на газотермический способ напыления с оплавлением лазером позволяет
• уменьшить уровень шума почти в два раза в процессе оплавления;
• увеличить адгезию;
• обеспечить равномерность наплавляемого слоя (что подтверждается проведенными экспериментами);
• убрать негативное термическое воздействие на деталь и как следствие отказаться от необходимости проводить низкотемпературный отпуск детали;
• обеспечить заданную шероховатость детали.
Работа выполнена совместно Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» и ООО «Производственная фирма Сокол» по комплексному проекту создания высокотехнологичного производства «Разработка, проектирование, изготовление и монтаж линии по нанесению защитных покрытий» шифр 2014-218-05-128. Проект реализуется за счет субсидии на государственную поддержку кооперации российских высших учебных заведений, государственных научных учреждений и организаций, реализующих комплексные проекты, по созданию высокотехнологичного производства, утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.
50 Нефть и газ 6, 2016
Список литературы
1. Ошибков А. В., Двойников М. В., Фролов С. А., Светашов В. Н., Паньков В. Н., Хлопотов Р. А. Контроль параметров рабочих органов винтовых забойных двигателей // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. - 2015. - № 3.-С. 2-4.
2. Ковенский И. М., Ошибков А. В., Двойников М. В., Фролов С. А. Анализ результатов исследований износостойкости ротора винтового забойного двигателя // Известия вузов. Нефть и газ. - 2014. - № 5. - С. 86-88.
3. Ковенский И. М., Ошибков А. В., Двойников М. В., Фролов С. А. Упрочнение поверхностного слоя роторов винтовых забойных двигателей газотермическими покрытиями // Известия вузов. Нефть и газ. - 2014. - № 5. - С. 89-91.
Сведения об авторах
Водорезов Дмитрий Дмитриевич, инженер Экспериментального завода буровой техники, Тюменский индустриальный университет, тел. +79068203000, e-mail: vodorezov@gmail. com
Фролов Сергей Андреевич, директор Экспериментального завода буровой техники, Тюменский индустриальный университет, тел. +79068203000, e-mail: fro-lov_72@inbox. ru
Светашов Владимир Николаевич, начальник конструкторского отдела Экспериментального завода буровой техники, Тюменский индустриальный университет, тел. +792204444764, e-mail: svetashov@mai.ru
Леонтьев Дмитрий Сергеевич, ассистент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» ТИУ, г. Тюмень, тел. +79323202656, e-mail: leonfob@mail.ru
Столбова Ольга Михайловна, магистрант, Тюменский индустриальный университет, тел. 89829113082, e-mail: olgastolbowa2013@yandex.ru
Information about the authors
Vodorezov D. D., engineer of Experimental plant of drilling technique, Industrial University of Tyumen, tel. + 79068203000, e-mail: vodorezov@gmail.com
Frolov S. A., Director of Experimental plant of drilling technique, Industrial University of Tyumen, tel. + 79068203000, e-mail: frolov_72@inbox.ru
Svetashov V. N., Head of the designing department of Experimental plant of drilling technique, Industrial University oof Tyumen, tel +792204444764, e-mail: sveta-shov@mai. ru
Leontiev D. S., assistant of the Department of «Drilling of oil and gas wells», Industrial University of Tyumen, tel. + 79323202656, e-mail: leonfob@mail.ru
Stolbova O. M., master student ofIndustrial University of Tyumen, tel. + 79829113082, e-mail:olgastolbowa2013 @yandex. ru
