CC BY
33УДК 621.651.694
УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ РОТОРОВ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ
STRENGTHENING OF THE SURFACE LAYER OF SCREW DOWNHOLE MOTOR ROTORS USING GAS-THERMAL COATINGS
И. М. Ковенский, А. В. Ошибков, М. В. Двойников, С. А. Фролов
I. M. Kovenski, A. V. Oshibkov, M. V. Dvoinikov, S. A. Frolov
Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень
Ключевые слова: винтовой забойный двигатель, ротор, износостойкость, конструкционные материалы, упрочнение поверхностного слоя Key words: screw downhole motor, rotor, wear resistance, constructional materials, surface layer strengthening
В работе [1] 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.
Расчет [2] изменения диаметрального натяга 8 проведен на основании предположения, что суммарный радиальный износ Д с течением времени увеличивается по линейной зависимости
= Wt, (1)
где т — текущее время бурения с использованием ВЗД; W — скорость изнашивания РО.
При углублении скважины режимы бурения (расход бурового раствора, нагрузка на долото и др.), как и свойства промывочной жидкости (содержание твердой, абразивной фазы), не могут быть постоянными, следовательно и скорость изнашивания РО является неконтролируемым параметром.
Для инженерных расчетов диаметрального натяга 5, с учетом начального натяга 80 скорость изнашивания РО W можно принять постоянной величиной, значение которой определяется из промыслового или экспериментального анализа. Текущий диаметр натяга в паре определяется как
5 = 50- =5(1-^т). (2)
По истечении некоторого критического времени т = ткр диаметральный натяг в РО уменьшается до определенного значения, при котором двигатель не может обеспечить требуемые энергетические параметры, что приводит к снижению эффективности процесса бурения и в конечном счете к невозможности его дальнейшей эксплуатации (ввиду невозможности поддержания требуемых параметров режима бурения).
Частичным решением проблемы износа РО является применение смазочных добавок к буровым растворам. Однако они не во всех случаях обеспечивают необходимые реологические параметры буровых растворов. Кроме того, сведения о влиянии триботехнических свойств растворов на возможность продления срока службы ВЗД отсутствуют. В то же время выход из строя упругоэластичной об-
№ 5, 2014
Нефть и газ
89
кладки статора и ротора героторной машины по причине износа и дороговизны ремонта (реставрации) ограничивает дальнейшую их эксплуатацию. Одним из решений продления срока службы ВЗД является изготовление рабочих органов повышенной надежности.
Рассмотрим несколько способов изготовления роторов и используемые при этом материалы. Известны четыре способа образования винтовых поверхностей роторов: точение с применением «вихревой» головки или одиночного резца на станках ЧПУ (или использование дисковых фрез); обработка червячными фрезами по методу обкатки на горизонтально-зубофрезерных станках; гидроштамповка с применением специального оборудования; горячая прокатка с использованием прокатных станов. Наибольшее распространение получили первые два способа. В качестве материала ротора используют обычные легированные стали (20Х13, 12Х13, 40Х, 40ХН) с последующим твердосплавным хромированием толщиной от 0,15 до 0,25 мм. При хромировании чистота поверхности зубьев обеспечивается двойным полированием абразивными кругами на вулканитовой основе.
Как показала практика, несмотря на высокую износостойкость хромовых покрытий, хромирование поверхностного слоя не позволяет существенно увеличить долговечность ротора, а изготовление новых роторов в конечном счете увеличивает стоимость двигателя.
Для решения этой проблемы рассмотрим альтернативный вариант поверхностного упрочнения ротора газотермическим напылением. Анализ показывает, что данный метод является одним из кардинальных в решении вопроса повышения надежности ротора, снижения себестоимости его обслуживания, обеспечения конкурентоспособности, продления ресурса эксплуатации ВЗД. С использованием существующего в настоящее время оборудования, материалов и технологий газотермического напыления стало возможным значительно снизить или исключить влияние на изнашивание деталей таких факторов, как эрозия, коррозия (в том числе высокотемпературная), кавитация и др. Газотермический метод обладает преимуществом по сравнению с хромированием поверхностей — возможностью создания большей толщины покрытия поверхностного слоя (до 0,5 мм) при соизмеримой твердости.
К наиболее распространенным газотермическим методам нанесения защитных покрытий можно отнести: газопламенное напыление; плазменное напыление; высокоскоростное напыление (HVOF); электродуговую металлизацию; порошковое газопламенное напыление. Перечисленные методы имеют широкий спектр решения поставленных задач в области упрочнения поверхностного слоя машин, агрегатов и элементов конструкций. Однако технология изготовления роторов ВЗД с учетом термобарических условий и габаритных их размеров не позволяет использовать вышеприведенное газотермическое оборудование.
В связи с этим при финансовой поддержке работ по проекту Министерства образования и науки Российской Федерации в Тюменском государственном нефтегазовом университете выполняется научно-исследовательская, опытно-конструкторская и технологическая работа по разработке, изготовлению и монтажу оригинальной автоматической линии по нанесению газотермическим методом защитных покрытий.
С учетом ограничений газотермического оборудования, результатов анализа исследований, существующих технических и технологических решений в области упрочнения поверхностного слоя машин и агрегатов разработана технологическая схема автоматической линии для серийного нанесения функциональных, износостойких, коррозионностойких, антифрикционных, антизадирных, а также теплостойких покрытий поверхности ротора ВЗД (рисунок). В состав автоматической линии входят: 1 — приемные стеллажи; 2 — блок подготовки поверхности, предназначенный для очистки рабочей поверхности роторов от остатков смазывающей
90
Нефть и газ
2014
охлаждающей жидкости, масла, стружки, металлической пыли после зубофрезеро-вания, ржавчины и оксидной пленки; 3 — блок нанесения защитных покрытий для напыления в автоматическом режиме; 4 — блок контроля геометрических параметров, предназначенный для измерения геометрических параметров предварительно очищенных и осушенных роторов, а также измерения параметров роторов после нанесения на них газотермическим методом защитных покрытий; 5 — блок термического отпуска ротора снятия внутренних напряжений, возникающих в роторе при напылении защитного слоя; 6 — манипулятор, предназначенный для перемещения ротора из блока в блок; 7 — пульт управления всей линией в автоматическом режиме и контроля текущих параметров в каждом блоке.
Можно полагать, что применение разрабатываемой технологиии автоматической линии нанесения защитных покрытий газотермическим методом позволит увеличить ресурс двигателя за счет коррозионной и абразивной устойчивости винтовых поверхностей ротора.
Список литературы
1. Двойников М. В., Ковенский И. М., Ошибков А. В., Фролов С. А. Анализ результатов исследований износостойкости ротора винтового забойного двигателя // Известия вузов. Нефть и газ. - 2014. -№55. С. 86-88.
2. Балденко Д. Ф., Балденко Ф. Д., Гноевых А. Н. / Одновинтовые гидравлические машины: в 2 т.-Т. 2. Винтовые забойные двигатели. - М.: ООО «ИРЦ Газпром». - 2007. - С. 401-407
Сведения об авторах
Ковенский Илья Моисеевич, д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология конструкционных материалов», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)256947, e-mail: [email protected]
Ошибков Александр Валерьевич, директор, экспериментальный завод буровой техники Тюменского государственного нефтегазового университета, г. Тюмень, тел. 8(932)3211256, e-mail: [email protected]
Двойников Михаил Владимирович, д. т. н., главный научный сотрудник, экспериментальный завод буровой техники Тюменского государственного нефтегазового университета, г. Тюмень, тел. 8(922)4715684, e-mail: [email protected]
Фролов Сергей Андреевич, заместитель директора по производству, экспериментальный завод буровой техники Тюменского государственного нефтегазового университета, г. Тюмень, тел. 8 (906) 8203000, e-mail:[email protected]
Рисунок. Технологическая схема автоматической линии
№ 5, 2014
Нефть и газ
91
Kovenski I. M., Doctor of Engineering, professor, head of the chair «Material science and technology of constructional materials», Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(3452)256947, e-mail: [email protected]
Oshibkov A. V., Director of Experimental plant of drilling technique of Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(932)3211256, e-mail: [email protected]
Dvoinikov M. V., Doctor of Engineering, chief scientific worker, Experimental plant of drilling technique of Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(922)4715684, e-mail: [email protected]
Frolov S. A., Deputy Director for production, Experimental plant of drilling technique of Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(906)8203000, e-mail: [email protected]
