CC BY
37
УДК 622.24.674
КРИОГЕННАЯ ОБРАБОТКА АЛМАЗНО-ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН ДЛЯ КОРОНОК
© 2014 г. Ю.Ф. Литкевич, А.А. Третьяк
Литкевич Юрий Федорович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (86352)55057. E-mail: 13050465@mail.ru
Третьяк Александр Александрович - канд. техн. наук, ст. преподаватель, кафедра «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (86352)55057. E-mail: 13050465@mail.ru
Litkevich Yurij Fedorovich - Candidate of Technical Scinces, assistant professor, department «Drilling Oil and Gas Wells and Geophysics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (86352)55057. E-mail: 13050465@ mail.ru
Tretyak Alexander Alexandrovich - Candidate of Technical Scinces, senior lector, department «Drilling Oil and Gas Wells and Geophysics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (86352)55057. E-mail: 13050465@ mail.ru
Экспериментально проведены опыты по влиянию жидкого азота (-196 °С) на состояние алмазно-твердосплавных пластин (АТП). Установлено, что оптимальным является термоудар от температуры +300 до +20 °С с последующим охлаждением в течение 15 мин в среде жидкого азота. В результате выполненных исследований разработаны метод и технология криогенной обработки АТП.
Ключевые слова: породоразрушающий инструмент; твердосплавная коронка; алмазно-твердосплавная пластина; криогенная обработка.
Experimentally experiments on the influence of liquid nitrogen (-196 C) on the state of the PDC . It is established that the optimum thermal shock from temperature +300 to +20 °C and then cooled in for 15 minutes in the environment of liquid nitrogen. In the result of the research method has been developed, technical tools and methodologies for cryogenic processing, reinforced PDC.
Keywords: destruction rock the tool; hard crown; diamond hard plates; cryogenic treatment.
Одним из основных резервов повышения эффективности буровых работ является создание породо-разрущающего инструмента с повышенными эксплуатационными показателями путем дополнительного упрочнения различными физическими методами. Научный и практический интерес с позиций повышения ресурса породоразрушающего инструмента представляет способ объемного упрочнения, наиболее перспективным из которых является криогенная обработка.
Установлено, что криогенная обработка инструментальных материалов и твердых сплавов ведёт к увеличению стойкости режущих элементов из-за повышения механических характеристик таких материалов. Криогенная обработка закаленных быстрорежущих сталей является дополнительным их отпуском, сопровождается переходом остаточного аустенита в мартенсит с соответствующим измельчением микроструктуры.
Обработка алмазных буровых коронок жидким азотом (криогенная обработка) впервые произведена сотрудниками Томского политехнического института С.А. Рябчиковым, С.С. Сулакшиным и другими [1 - 3].
В ходе эксперимента было установлено, что ресурс буровых коронок, прошедших криогенную обработку, увеличивается в 1,4 - 2,2 раза, а механическая скорость бурения в 1,3 - 1,5 раза. Криогенная обработка выполнялась применительно к обычным алмазным коронкам.
Сотрудники кафедры «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика» впервые предложили выполнить криогенную обработку буровых коронок, армированных алмазно-твердосплавными пластинами (АТП). Подана заявка на изобретение, как на способ упрочнения породоразрушающего инструмента.
Криогенная обработка АТП производилась в специально отведенном помещении с температурой не ниже 20 °С. Участок криогенной обработки оснащается следующим оборудованием и инструментом: столом с подогреваемыми емкостями для обезжиривания, просушки и консервации АТП; столом для снаряжения сменных кассет; криостатом для обработки АТП жидким азотом, который размещается в шкафу с вытяжной вентиляцией, загрузочными сменными кассетами из нержавеющих материалов; подъемно-поворотным механизмом для загрузки и извле-
чения кассет из криостата специальным инструментом (клещи, захваты, крюки и т.п.) для загрузки и извлечения обработанных АТП (рис. 1).
Оборудование и инструмент для криогенной обработки должны удовлетворять следующим требованиям:
- криостат для обработки инструмента жидким азотом (сосуд Дьюара) должен состоять из наружного и внутреннего корпусов, разделенных теплоизоляционным материалом; съемной решетки, устанавливаемой во внутреннем корпусе на расстоянии от дна не менее 0,1 высоты внутреннего корпуса (вместе с крышкой);
- в качестве теплоизоляционного материала между наружным и внутренним корпусами криостата используется стекловата (ГОСТ 5174-49) или минеральная вата (ГОСТ 4640-66);
- внутренняя часть криостата, съемная решетка и сменные кассеты для установки коронок изготовляются из стали марки Х18Н10Т или сплавов на основе меди и других материалов, незначительно снижающих пластичность при низких температурах;
- крышка криостата имеет не менее 2 - 3 отверстий диаметром 5 мм для выхода испаряющегося азота.
Рис. 1. Сосуд Дьюара
Методика криогенной обработки породоразру-шающего инструмента состоит в следующем.
1. Поступающие для обработки АТП очищаются от загрязнения и обезжириваются в водном моющем растворе или уайтспирите. Температура водного моющего раствора должна быть не менее 50 °С. После обезжиривания АТП промываются горячей водой, протираются чистым тампоном и просушиваются. Для контроля качества обезжиривания и просушки коронок их протирают тампоном из чистой белой хлопчатобумажной ткани. При наличии на ткани масляных пятен процесс обезжиривания повторяют.
2. Обезжиренные и просушенные АТП устанавливаются в загрузочную кассету. При этом температура АТП должна быть не выше температуры окружающей среды.
3. Жидкий азот из сосудов Дьюара типа АСД-50 емкостью 25 дм3 заливается (не допуская разбрызги-
вания) в криостат до уровня не менее 70 % его объема.
4. После охлаждения стенок внутреннего корпуса криостата (прекращение интенсивного кипения жидкого азота) кассета с обезжиренными, промытыми и просушенными АТП опускается в криостат, установленный в шкафу криогенной обработки. Жидкий азот доливается до полного перекрытия АТП, после чего криостат закрывается теплоизоляционной крышкой.
5. После прекращения интенсивного кипения жидкого азота АТП выдерживаются в течение 10 -15 мин. При этом обрабатываемые пластины должны быть полностью закрыты жидким азотом. По мере необходимости азот доливается в криостат.
6. Обработанные АТП извлекаются из криостата и, с целью нагрева до температуры окружающей среды, устанавливаются на столе для разгрузки кассет.
7. Оставшийся в криостате жидкий азот может быть повторно использован для обработки АТП только в том случае, когда содержание кислорода в нем не превышает 30 %. Анализ на содержание кислорода в жидком азоте производится прибором Гемпеля типа ПАК-3. При необходимости слив жидкого азота производится в специально отведённом месте, не имеющем покрытия из асфальта, дерева и других органических материалов.
Главной задачей при криогенной обработке АТП было установить, не произойдёт ли отслаивание алмазного слоя от твердосплавного и как будет вести себя паячный слой. Выполненные исследования показали, что отслаивания алмазного слоя толщиной 0,8 -1,0 мм от твердосплавного не произошло, а паячный слой сохраняется целостным (рис. 2).
Рис. 2. Коронка, армированная АТП
Криогенная обработка в виде термоудара приводит к существенным изменениям характера напряженного состояния матрицы материала за счёт формирования только напряжений сжатия. Это даёт прямое объяснение известному эффекту повышения удерживающей способности алмазных зёрен и включений карбида вольфрама, рэлита и сплава ВК-6 в связке композиционной матрицы, поскольку в присутствии напряжений сжатия эти включения удерживаются в среде не только за счёт сил адгезии, но и вследствие механического удерживания окружающими объемами металла. Учитывая, что выпадение ал-
мазных зёрен и других частиц из матрицы является одним из механизмов износа бурового инструмента, дополнительное закрепление частиц в матрице является фактором, повышающим ресурс бурового инструмента [1].
Поскольку при криогенной обработке никаких фазовых превращений и, соответственно, существенных изменений структуры не происходит, очевидно, что термоудар не должен существенно влиять на свойства, слабо зависящие от уровня внутренних напряжений. К таким свойствам относятся модули упругости и демпфирующая способность. О дополнительной стабилизации структурного состояния после термоудара свидетельствуют и внешние данные опытных образцов.
Термоудар при повышенных температурах обеспечивает формирование в матрице оптимального уровня напряжений и их сохранение при нагреве до температур нормальной эксплуатации инструмента в отличие от термоудара при низких температурах, где формируются относительно нестабильные субструктуры, разупрочняющиеся при нагревании в процессе работы инструмента. По результатам опытов оптимальным вариантом является комплексный термоудар от температуры +300 до +20 °С и с последующим охлаждением в среде жидкого азота (-196 °С).
Таким образом, в результате выполненных исследований разработан метод и технология криогенной обработки АТП. Разработаны методические реко-
Поступила в редакцию
мендации по криогенной обработке, установлено, что обработка коронок АТП жидким азотом увеличивает твёрдость по методу Роквелла 0,1, т.е. до 91,9, что в конечном счете будет способствовать росту технико-экономических показателей бурения. В связи с этим представляется целесообразным применять криогенную обработку коронок, армированных АТП, для всех типоразмеров коронок, включая коронки Д-123 (PQ) для бурения с отбором керна съёмными керноприём-никами.
Литература
1. Рябчиков С.Я. Исследования влияния криогенной обработки на ресурс твердосплавных коронок // Современные методы и средства управления процессом бурения: тез. докл. межотр. семинара. Челябинск, 1981. С. 18.
2. Способ упрочнения твердосплавного и алмазного инструмента для бурения горных пород: Патент РФ, № 2101456 / С.Я. Рябчиков, А.П. Мамонтов // Б.И. 1998. № 1.
3. Способ контроля качества твердосплавного и алмазного породоразрушающего инструмента: Патент РФ, № 2146815 / А.П. Мамонтов, С.Я. Рябчиков, Б.В. Чахлов, И.П. Чернов // Б.И. 2000. № 8.
6 мая 2014 г.
