Изготовление буровых долот с применением ЭЛС Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Секция

«СВАРКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И РОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»

УДК 621.791.722

Е. А. Болдарев, А. Н. Пашкин Научный руководитель - В. В. Богданов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ИЗГОТОВЛЕНИЕ БУРОВЫХ ДОЛОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛС

Рассмотрен способ повышения эксплуатационных характеристик при изготовлении буровых долот, путем модифицирования металла шва при ЭЛС.

Буровые шарошечные долота являются основным инструментом для высокоскоростного вращательного бурения земных пород. Общий объем шарошечного бурения достигает десятков миллионов метров, поэтому проблема совершенствования существующего породоразрушающего инструмента приобретает актуальное значение.

Шарошечные долота вращательного бурения работают в жестких условиях при разрушении земных пород на больших глубинах в среде высокоабразивной и агрессивной жидкости, подаваемой через долото с избыточным давлением до 300 МПа, при высоких статических и динамических нагрузках. Для работы в таких условиях долота должны соответствовать высоким требованиям, предъявляемым к их эксплуатационным показателям, а также к прочности и герметичности сварных швов [1].

Надежность и работоспособность долота в значительной степени зависят не только от уровня технологических процессов на всех этапах механической и термохимической обработки, сварки, наплавки, но и от химического состава, структуры и физико-механических свойств исходных материалов.

Рис. 1. Внешний вид трех элементов долота до сборки и сварки (а) и долота, сваренного электронным пучком (б)

В современном производстве буровых долот широко используется ЭЛС, которая обеспечивает минимальные деформации долот и минимальное термическое влияние на узлы шарошечных подшипников [1].

Традиционные материалы, в первую очередь, стали 14ХНЗМЛ, 16ХНЗА и 20ХНЗА, применяемые в конструкциях буровых долот, имеют ограниченную свариваемость, а свойства их сварных соединений уже не соответствует уровню, необходимому в условиях высокоскоростного бурения.

С увеличением размеров долот и, следовательно, свариваемых толщин повышается вероятность образования мелких трещин (рис. 2), которые приводят к нарушению гидроплотности сварных соединений и снижению срока их эксплуатации.

Для повышения эксплуатационных характеристик долот нужно либо выбирать другие материалы, либо модифицировать металл шва. Второй путь, более предпочтителен для получения положительных результатов при относительно небольших затратах. Модифицирование можно осуществлять в процессе сварки, подавая в сварочную ванну легированную присадочную проволоку, или до сварки, поместив фольгу из материала-модификатора

Наибольшие трудности с точки зрения качественного формирования представляет участок шва, где электронный луч идет практически параллельно свариваемому металлу. Имеется в виду уступ больше 10 мм при переходе от ниппельной к затылочной части долота (рис. 3). между свариваемыми стыками долота. Из-за конструктивной особенности долота его сварка в направлении снизу вверх ведется электронным пучком, расположенным под углом 23° к горизонту. Такой угол позволяет получить требуемую глубину проплавления в подшарошечной части долота без разрушения шарошек (рис. 2).

Рис. 2. Трещины в металле сварного шва, образующиеся при увеличении размеров долота

Согласно техническим условиям на буровые долота нижняя ниппельная часть должна быть сварена с полным проплавлением и формированием обратного валика. При переходе на затылочную часть глубина проплавления уменьшается и составляет примерно 1/3

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки

толщины свариваемых заготовок. Такое же соотношение глубины проплавления к толщине изделия сохраняется и в подшарошечной части долота.

Рис. 3. Свариваемые стыки сегмента бурового долота: 1 - электронный пучок; 2 - ниппельная часть; 3 - уступ;

4 - затылочная часть; 5 - подшарошечная часть

Вместе с тем, наличие уступа при переходе от ниппельной к затылочной части резко ухудшает условия формирования шва. В этой области совпадают направления силы тяжести и динамического напора паров сварочной ванны, что приводит к вытеканию жидкого металла и образованию крупных дефектов в шве [1]. Качественное формирование шва значительно усложняется еще и тем, что на участке от ниппельной части до затылочной глубина проплавления

должна уменьшаться по мере перехода от полного проплавлення на всю толщину до частичного на глубину, равную 1/3 толщины заготовки [2].

Если при сквозном проплавлении выход паров происходит в обе стороны парогазового канала, то при частичном он закрывается со стороны корня шва, давление паров в канале повышается и изменяются условия формирования шва. В рассматриваемом случае прохождения электронного пучка и ЭЛС уступа на затылочной части долота парогазовый канал в определенный момент открывается снизу и повышенное давление паров, характерное для несквозного проплавлении, способствует вытеканию металла из сварочной ванны. Следовательно, нужно было более детально изучить конструкцию сварного соединения и условия формирования шва при ЭЛС проблемных участков буровых долот для обеспечения стабильности производства и повышения их эксплуатационных характеристик.

Библиографические ссылки

1. Назаренко О. К., Нестеренков В. М., Бондарев А. А., Кравчук Л. А., Архангельский Ю. А. Электроннолучевая сварка буровых долот. Институт электросварки им. Е. О. Патона. НАН Украины, 2012.

2. Нестеренков В. М., Протосей Н. Е., Архангельский Ю. А. Технологические особенности электронно-лучевой сварки буровых долот. 2009.

© Болдарев Е. А., Пашкин А. Н., 2014

УДК 621.791.722

Е. А. Болдарев, А. Н. Пашкин Научный руководитель - В. В. Богданов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

РЕЗУЛЬТАТЫ МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ,

ВЫПОЛНЕННЫХ ЭЛС

Представлен результат экспериментальных исследований механических свойств сварных соединений буровых долот, выполненных ЭЛС, с применением модифицирующих вставок и без них.

Металлографические исследования соединений, сваренных без модификаторов, показали, что при характерном для ЭЛС термическом цикле превращение аустенита металла шва и участка перегрева ЗТВ происходит в бейнитной и мартенситной областях. При этом наблюдается характерное дендритное строение металла шва с направленным от линии сплавления к центру шва ростом кристаллитов. Как известно, именно в этих зонах наиболее часто образуются кристаллизационные трещины длиной 0,5-0,7 мм.

Микроструктуры металла шва и участка перегрева ЗТВ состоят из смеси бейнита и низкоотпущенного мартенсита и имеют одинаковую твёрдость ИУ1-4180 (рис. 1), что несколько выше твёрдости основного металла (ИУ1-38503 960). На участке перегрева происходит незначительный рост зерна по сравнению с основным металлом [1].

«П.мн» МП, МП:

Ч I 2 3 1 им

Рис. 1. Твёрдость сварных соединений долот, выполненных ЭЛС без модифицирующей вставки (а), с модификатором из титана (б) и стали 10Х18Н10Т