НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є. О.Патона

БІЛИЙ

Олександр Іванович

УДК 621.791.92

МАТЕРІАЛИ І ТЕХНОЛОГІЯ НАПЛАВЛЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИМ
СПЛАВОМ ЕЛЕМЕНТІВ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ

Спеціальність 05.03.06“

Зварювання та споріднені технології”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Інституті електрозварювання Є.О.Патона НАН України

Науковий керівник: кандидат технічних наук

Жудра Олександр Петрович,

Інститут електрозварювання Є.О.Патона НАН України,

завідувач відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Чигарьов Валерій Васильович,

Приазовський державний технічний університет (ПДТУ)

Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь,

зварювальний факультет,

зав. кафедрою “Металургія, технологія зварювального

виробництва

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Рябцев Ігор Олександрович,

Інститут електрозварювання Є.О.Патона НАН України

завідувач відділом

Провідна установа: НТУ України “Київський політехнічний інститут”,

Міністерства освіти і науки України м. Київ

Захист відбудеться “14_”_червня___ 2006 р. о 1200 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України за адресою:03680, Київ-150, МСП, вул. Боженко,11

З дисертацією можна ознайомитись у науково – технічній бібліотеці Інституту

електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України

Автореферат розісланий “_4”__травня_ 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Л.С. Киреєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Буріння свердловин роторним способом, особливо в міцних абразивних породах, супроводжується інтенсивним зношуванням зовнішньої поверхні замків бурильних труб, що приводить до необхідності відбраківки бурильних труб з привареними замками. Досвід роботи підприємств, що виконують бурові роботи, свідчать про необхідність зміцнення зовнішньої поверхні замків з метою забезпечення рівноресурсності бурильної колони.

Одним з найбільш перспективним методів зміцнення зовнішньої поверхні замків є наплавлення на неї зносостійких сплавів, що позитивно впливає на роботу бурильної колони в відкритому стволу свердловини. Але поведінка наплавленого замка в обсаженому стволу свердловини, який складається з металу обсадної труби, вивчена недостатньо. В наш час існують численні технології та матеріали для нанесення на деталі сплавів, стійких в умовах абразивного зношування. Тому вибір способу наплавлення і складу зносостійкого сплаву являється серйозною задачею, що потребує свого вирішення.

Нечисленні роботи по зниженню зношування зовнішньої поверхні замків, що базуються на застосуванні різних методів їх термічної, хіміко-термічної і термомеханічної обробки, а також роботи по наплавленню замків, в основному відновлюваного, мають епізодичний характер і тому не доведені до промислового впровадження. В той же час закордонні фірми вже більш півстоліття успішно виробляють замки для бурильних труб з зовнішньою поверхнею, наплавленою композиційними сплавами на основі плавлених карбідів вольфраму.

Існуючі способи одержання композиційних сплавів основані перш за все на використанні ефекту армування зварювальної ванни частинками карбідів вольфраму WC +W2C, що мають велику питому вагу. Застосування процесу традиційного газополуменевого наплавлення для зміцнення замків такими сплавами малоефективно і малопродуктивно. В зв’язку з цим значний інтерес представляє розробка нового способу наплавлення композиційних сплавів з використанням більш прогресивних джерел нагріву.

Реалізація нового способу наплавлення потребує перш за все створення нового присаджувального матеріалу, який забезпечує одержання композиційного сплаву з потрібними службовими характеристиками. В загальному випадку, оптимізація сплаву досягається необхідною концентрацією армуючої фази, що в найбільшій мірі визначає зносостійкість наплавленого металу. Розробка нового присаджувального матеріалу для наплавлення необхідної композиції дозволить створити можливості для керування процесом формування хімічної та структурної організації матриці композиційного сплаву. Оскільки даний тип сплаву надзвичайно складний об’єкт металографічних досліджень із-за розвитої гетерогенності, неможливості вилучення армуючих частинок з матриці без залишку, високих швидкостей кристалізації сплаву та інших факторів, то постає задача створення спеціальної методики як інструмента для його дослідження. Після цього необхідна розробка устаткування для наплавлення замків в промисловості. Враховуючи масовість даних деталей, дуже важлива автоматизація процесу, надійність та продуктивність установок для наплавлення.

Зв’язок дисертації з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження проводились по наступним темам: №23/15 “Розробити та впровадити технологічні процеси наплавлення деталей бурової техніки з метою підвищення зносостійкості устаткування, працюючого в умовах абразивного зношування” в рамках науково-дослідних робіт ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України на 1986 – 1990 рр. в відповідності з Постановою ДКНТ СРСР і АН СРСР від 10.11.85 р. №573/137; 23/79 “Створити апаратуру, матеріали і технологію зміцнення деталей для розвідки і добування нафти та газу” в рамках науково-дослідних робіт ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України на 1992 – 1995 рр. по наказу ДКНТ України від 05.03.94 р. №39; №23/7 “Дослідити та створити матеріали для зносостійких покриттів на основі сферичних порошків надтвердих тугоплавких сполук дисперсністю 50...100 мкм, вироблених методом термовідцентрового розпилення” в рамках науково-дослідних робіт ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України на 2000 – 2002 рр. в відповідності до Постанови ВФТПМ НАН України (Протокол №7 від 20.04.00 р.).

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягає в дослідженні особливостей формування структурних складових матриці композиційного сплаву, створення на їх основі конкретного присаджувального матеріалу, технології і устаткування для плазмового наплавлення замків бурильних труб.

Розроблювальний присаджувальний матеріал і технологія його наплавлення повинні забезпечувати одержання високозносостійкого в умовах абразивного зношування композиційного сплаву на основі плавлених карбідів вольфраму.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Встановити особливості взаємодії зносостійких сплавів з матеріалом обсадних труб в умовах буріння свердловин.

2. Дослідити процес формування композиційного сплаву, температурну обстановку і процеси, що відбуваються в зварювальній ванні при попаданні в нею тугоплавких сполук.

3. Розробити методику кількісного аналізу структурних складових матриці композиційного сплаву.

4. Дослідити вплив процесу розкислення і легування сплаву-зв’язки на утворення структурних складових матриці, швидкість кристалізації зварювальної ванни і розташування армуючих частинок по об’єму наплавленого металу.

5. Розробити оптимальний склад присаджувального матеріалу для плазмового наплавлення композиційних сплавів і визначити їх зносостійкість в умовах роботи в відкритому стволі свердловини.

6. Розробити технологію плазмового наплавлення замків бурильних труб.

7. Провести дослідження і випробовування з’єднувальних елементів бурильної колони наплавлених композиційним сплавом.

8. Розробити устаткування для автоматичного плазмового наплавлення замків бурильних труб.

Об’єкт досліджень – процеси, що відбуваються при плавленні присаджувального матеріалу і формуванні композиційного сплаву з матрицею на основі заліза і армуючими частинками з плавлених карбідів вольфраму.

Предмет досліджень – матеріали і технологія плазмового наплавлення композиційним сплавом зовнішньої поверхні замків бурильних труб.

Методи досліджень – поставлені задачі вирішували експериментальними методами з застосуванням прикладних математичних розрахунків, методики оцінки триботехнічних властивостей металів і сплавів по схемі „диск – колодка”, методики кількісного аналізу структурних складових матриці сплаву. Експериментальними методами також досліджували процеси розкислення та легування зварювальної ванни. Властивості наплавленого металу вивчали методами металографічного, мікрорентгеноспектрального і рентгеноструктурного аналізу і другими методами; апробацією в спеціальній літературі та на багаточисельних конференціях і семінарах.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:–

На основі теоретичних і експериментальних досліджень пари тертя “замок – обсадна труба” встановлено, що зміцнення зовнішньої поверхні замка литими і композиційними матеріалами не приводить до збільшення зношування обсадних труб. В діапазоні реальних умов навантаження від 2 до 5 МПа відбувається зниження зношування з підвищенням твердості литих наплавлювальних матеріалів, а також при концентрації армуючих частинок в композиційному сплаві більше 40% об’єму.–

Розроблено математичну модель формування композиційного сплаву, яка дозволяє встановити основні принципи одержання необхідного співвідношення армуючих частинок і матриці наплавленого металу. Це досягається за рахунок зниження максимальної температури нагріву поверхні армуючих частинок і обмеження часу взаємодії частинок і матричного розплаву шляхом нанесення на них нікелевого покриття або створення охолоджуючого ефекту зварювальної ванни при досягненні питомого об’єму армуючих частинок більш ніж 40%. –

Розроблена методика кількісного аналізу структурних складових матриці композиційного сплаву: твердого розчину вольфраму в залізі, евтектики і вторинних залізо вольфрамових карбідів. Оптимальні якості у матриці зафіксовані при вмісті структури твердого розчину вольфраму в залізі не менше 55% об’єму, і відповідно структур евтектики і вторинних залізовольфрамових карбідів не більше 35 і 10% об’єму. При цьому вміст армуючих частинок повинно складати не менш ніж 40% об’єму композиційного сплаву. Масову долю компонентів матриці визначають оптичним емісійним спектральним методом.–

Показано, що розкислення і легування зварювальної ванни алюмінієм прискорює проходження армуючих частинок через розплав, сприяє зниженню тривалості контакту з металом зварювальної ванни. Крім цього, забезпечує більш рівномірне розподілення частинок по об’єму наплавленого шару, відсутність зносостійкої фази на поверхні композиційного сплаву та одночасний контакт армуючих частинок і матриці з обсадними трубами, що значно знижує їх зношування.–

З метою запобігання утворення крихких вторинних залізовольфрамових карбідів в матриці композиційного сплаву виконано легування зварювальної ванни титаном в кількості від 1,3...1,5 до 2,6...3,0 мас.%, який зв’язує вуглець в дрібнодисперсні карбіди. Це дозволило створити механізм впливу на процес розчинення армуючих частинок і забезпечити оптимальне формування матриці та співвідношення її структурних складових.

Практичне значення роботи. В результаті досліджень розроблено склад присаджувального матеріалу для автоматичного плазмового наплавлення високозносостійкого сплаву на основі плавлених карбідів вольфраму.

Одержано патент на винахід “Замок для бурильних труб” № 4720 від 28.12.94 р., авторське свідоцтво на винахід “Замок для бурильных труб” №1808978 від 15.04.93 р., авторське свідоцтво на винахід “Спосіб плазмового наплавлення композиційних сплавів” №1622097 від 23.01.91 р., авторське свідоцтво “Шихта для плазмового наплавлення “№1531354 від 22.08.89 р., патент РФ №2030734 “Спосіб аналізу матриці композиційного сплаву” №2030734 від 10.03.95.

Результати проведених досліджень і розробок лягли в основу нової технології плазмового наплавлення композиційних сплавів на зовнішню поверхню замків бурильних труб. Створено промислову технологію і серію устаткування для автоматичного плазмового наплавлення замків. Широкі промислові випробовування показали, що зносостійкість замків бурильних труб, наплавлених композиційним сплавом, не менш чим в 3 рази вище в порівнянні з ненаплавленими. Склад та конструкція присаджувального матеріалу дозволяють також проводити напівавтоматичне наплавлення високозносостійких сплавів з використанням аргонодугового або плазмового пальника.

Технологія, матеріали і устаткування для плазмового наплавлення замків бурильних труб впроваджено на ряді промислових підприємств що випускають або експлуатують як приварні так і різьбові замки. Так, на Дрогобичскому долотному заводі впроваджено: установка УД-368, три установки УД-417. На Бориславському УБР впроваджено установку ОБ-2116 та установку УД-417. Крім цього, установки УД-417 впроваджено на Охтирському, Прилукському УБР, ВО “Чорноморнафтогаз,” Навоінському гірничо-металургійному комбінаті та ряді інших підприємств.

Особистий вклад автора. Дисертація являється підсумком експериментальних і теоретичних досліджень, виконаних автором особисто. Постановка задач і обговорення результатів виконувались спільно з науковим керівником і співавторами публікацій. До особистого вкладу автора відносяться:–

В ході експериментальних і теоретичних досліджень взаємодії пари тертя “замок-обсадна труба” на основі створеної методики і устаткування встановлено, що в дослідженому діапазоні навантаження від 2 до 5 Мпа зміцнення зовнішньої поверхні замка литими і композиційними сплавами не приводить до збільшення зношування матеріалу обсадних труб в порівнянні з ненаплавленою поверхнею, а зносостійкість композиційних сплавів на основі карбідів вольфраму значно перевищує зносостійкість матеріалу замка і литих наплавлювальних сплавів. При цьому превалюючу роль відіграє висока концентрація по площі армуючої фази в наплавленому металі (Лищинский С.П., Мардахаев А.А., Шаповалов В.А., Белый А.И. Методика и некоторые результаты исследования износа пары трения бурильный замок – обсадная колонна // Бурение скважин на нефть и газ: Сб. науч. тр. 1983. – С.86-91).–

Досліджені особливості одержання граничних концентрацій армуючих частинок при розгляданні кінетики нагріву армуючих частинок в металічній ванні при наплавленні композиційних сплавів. Встановлено основні принципи одержання необхідного співвідношення армуючих частинок і матриці наплавленого металу, що досягається зниженням максимальної температури нагріву поверхні армуючих частинок і обмеженням часу взаємодії частинок і матричного розплаву. Показано, що максимальну зносостійкість можна досягти більш раціонально шляхом підвищення концентрації армуючих частинок (Юзвенко Ю.А., Белый А.И. Кинетика нагрева армирующих частиц в металлической ванне при наплавке композиционных сплавов // Автомат. сварка. 1980. – №4. – С.32-35).–

Розроблена методика кількісного аналізу матриці композиційного сплаву, яка включає визначення основних структурних складових: твердого розчину вольфраму в залізі, евтектики і вторинних залізо вольфрамових карбідів. Співвідношення вказаних складових і визначає якості матриці і зносостійкість сплаву в цілому. Масова доля компонентів матриці визначається оптичним емісійним спектральним методом (Пат. РФ №2030734. МКИ С 22 С 29/00. Способ анализа матрицы композиционного сплава / С.В.Твердохлебова, И.М.Спиридонова, А.П. Жудра, А.И.Белый. – Опубл. 10.03.95, Бюл. №7). –

Встановлено, що розкислення зварювальної ванни шляхом введення в склад присаджувального матеріалу алюмінію в кількості 2,0...3,2 мас. %, не тільки усуває пористість композиційного сплаву і створює передумови для формування необхідних структурних складових матриці, але і забезпечує більш рівномірне розподілення частинок по об’єму, відсутність зносостійкої фази на поверхні наплавленого металу і одночасний контакт армуючих частинок і матриці з обсадними трубами, що значно зменшує їх зношування. (Белый А.И., Жудра А.П., Дзыкович В.И. Особенности раскисления металла сварочной ванны при плазменной наплавке композиционных материалов // Автомат. сварка”. – №10. – 2002. - С.48-49).–

Вивчено вплив титану на формування структурних складових матриці композиційного сплаву як більш сильного карбідоутворюючого елемента чим вольфрам. Встановлено, що введення в склад присаджувального матеріалу титану в кількості від 1,3...1,5 до 2,6...3,0 мас. % сприяє зв’язанню вуглецю в дрібнодисперсні карбіди. Це дозволило створити механізм впливу на процес розчинення армуючи частинок і забезпечити оптимальне формування матриці і співвідношення її структурних складових. ( Белый А.И., Жудра А.П., Дзыкович В.И. Влияние легирующих элементов на образование структурных составляющих композиционного сплава на основе карбидов вольфрама // Автомат. сварка. – №11. – 2002. – С.18 - 20).

- Розроблено склад шихти присаджувального матеріалу для плазмового наплавлення композиційних сплавів з матрицею на основі заліза і армуючими частинками плавлених карбідів вольфраму, який дозволяє одержувати наплавлений метал, що відрізняється високою зносостійкістю в умовах інтенсивного абразивного зношування. (А.с. СССР 1531354. МКИ В23 К 35/36. Шихта для плазменной наплавки / А.И.Белый, В.И.Дзыкович, В.И.Кобец В.И. и др. – Опубл.22.08.89)

– На основі створеного присаджувального матеріалу розроблено спосіб плазмового наплавлення композиційних сплавів А.с. 1622097 СССР, МКИ В 23 К 9/04, 10/02. Способ плазменной наплавки композиционных сплавов / А.И.Белый, В.И.Дзыкович, В.И.Кобец В.И. и др. – Опубл. 23.01.91, Бюл.№3).

– Запатентовано винахід, що відноситься до області буріння нафтових і газових свердловин, зокрема до інструмента для з,єднання бурильних труб в колону ( Пат.4720 Україна. МКИ Е 21 В 17/10 17/02. Замок для бурильних труб / С.П.Ліщинський, О.І.Оршак, А.О. Мардахаєв, О.І. Білий. Опубл. 28.12.94, Бюл. №7-1; А.с. 1808978 СССР МКИ Е 21 В 17/10. Замок для бурильных труб / С.П.Лищинский, О.И.Оршак, А.А.Мардахаев и др. – Опубл. 15.04.93, Бюл. №14).

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень по темі дисертації були викладені та обговорені на наступних конференціях: 1-й Всесоюзній науково-технічна конференції “Сучасні методи наплавлення і наплавлю вальні матеріали” (Київ, 1978), 2-й конференції молодих вчених і спеціалістів (16–20 травня 1980 р., м. Київ); Всесоюзному семінарі “Теоретичні і технологічні основи наплавлення. Наплавлення в металургійній і гірничорудній промисловості” (Череповець, 1988), конференції країн-учасниць КЕВ “Нові процеси і устаткування для газотермічних і вакуумних покриттів”, (11–14 жовтня 1988 р., м. Київ), 4-й Українській республіканській науково-технічній конференції “Сучасні методи наплавлення, зміцніючі покриття і використовуючі матеріали”. (Харків, 1990).

Публікації. По матеріалам дисертації опубліковано 27 робіт: 14 статей в журналах; 6 тезисів докладів; одержано 5 авторських свідоцтв та 2 патента.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури із 145 найменувань, 169 сторінок тексту, 78 малюнків, 19 таблиць, 6 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі аргументується актуальність роботи, визначені мета і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

В першому розділі проаналізовані умови роботи замків бурильних труб, особливості їх зношування і можливості збільшення строку експлуатації конструкції. Розглянуто методи направлені на підвищення зносостійкості зовнішньої поверхні, вимоги до наплавленого шару. Виконано аналіз способів наплавлення композиційних сплавів, приведені результати промислових випробовувань наплавлених деталей с зміцненою поверхнею сплавом на основі покритих частинок плавлених карбідів вольфраму. Встановлено, що застосування покритих частинок дуже дорогий процес, який може бути використаний для зміцнення складних і відповідальних деталей, сумірних по вартості з затратами на одержання таких частинок. Відомо, що найбільш широко застосованим способом наплавлення композиційним сплавом являється ацетиленокисневе наплавлення з використанням прутків, що складаються з сталевої оболонки, заповненою зернами карбідів вольфраму. Однак, продуктивність такого процесу дуже низька. Більш перспективним, на наш погляд, являється, використання присаджувального матеріалу в вигляді стрічкового реліту, що представляє собою стрічку з оболонкою із маловуглецевої сталі заповненою частинками реліту в поєднанні з високотемпературними джерелами тепла. Таке технічне рішення продиктовано досвідом Інституту електрозварювання ім.. Є.О.Патона в області технології виробництва наплавлювальних матеріалів. Стрічковий реліт виробляється аналогічно порошковій проволоці або стрічки з сердечником в вигляді суміші розкислюючих і легуючих елементів. Можливість поряд з тугоплавкими частинками вводити в склад сердечника шихтові добавки феросплавів дозволяє впливати на хімічний склад матриці і формування її структурних складових.

На основі проведеного аналізу вибрана оптимальна технологія і схема наплавлення (мал.1), сформульовані задачі і основні направлення досліджень.

В другому розділі розглянуто питання зношування внутрішньої поверхні обсадних труб, яке має місце і в випадку використання замків з не наплавленою поверхнею, розроблена методика випробовувань пари тертя “диск–колодка” в якій диск що обертається імітує замок, а нерухома колодка – обсадну трубу. Запропонована методика забезпечує прискорені випробовування при проведенні досліджень зносостійкості наплавлювальних матеріалів з металом обсадної труби при створенні значного контактного тиску. В якості базової пари тертя вибрані диск, виготовлений із сталі 40ХН, і колодка із сталі групи міцності Д (сталь 45Г).

Для досліджень пар тертя “зносостійкий сплав – сталь групи міцності Д” диски виготовляли з Ст. 3 з

наступним наплавленням поверхні контакту. В якості наплавлювальних матеріалів використовували серійні порошкові проволоки, що відрізняються високою зносостійкістю в умовах абразивного зношування: 250Х10Б8С2 (ПП-АН135), 350Х10Б8Т2 (БН-23), 80Х20Р3Т (ПП-АН170), а також композиційні матеріали – стрічковий реліт з армуючими частинками різних фракцій (0,40...0,63; 0,63...0,90; 0,90...1,6 мм) і матрицею на основі маловуглецевої сталі 08кп. Зовнішній діаметр диска після механічної обробки складав 50 мм, а шорсткість поверхні забезпечувалась не більше Rz 6,3.

Одержані залежності зношування матеріалу замка і матеріалу обсадної труби (диск–колодка) в присутності глинистого розчину без абразиву і з абразивом. Встановлено, що зносостійкість композиційних сплавів на основі карбідів вольфраму значно перевищує зносостійкість матеріалу замка і литих наплавлювальних сплавів, а в діапазоні реального навантаження знижує зношування обсадних труб (мал.2).

При цьому превалюючу роль грає висока концентрація армуючої фази в наплавленому металі, яка повинна складати не менш ніж 40% об’єму. З метою створення одночасного контакту армуючих частинок і матриці композиційного сплаву зміцненої поверхні замка з матеріалом обсадних труб доцільно вивести армуючі частинки з верхніх об’ємів композиційного сплаву і створити прошарок матричного сплаву над ними.

В третьому розділі виконані теоретичні дослідження взаємодії армуючих частинок з сплавом–зв’язкою при формуванні композиційних сплавів. Одержані розрахункові залежності (мал.3) граничних концентрацій частинок карбідів вольфраму в стальній матриці Сгр показують, що на дану величину впливає як температура зварювальної ванни, так і температура частинок, причому вплив першої температури значно сильніший, чим вплив другої. На граничну концентрацію впливає також наявність нікелевого покриття на армуючих частинках. Уже при товщині покриття рівному 0,1мм,

Сгр знижується, при інших рівних умовах, приблизно в 2 рази, а збільшення товщини до 0,5мм приводить до зниження Сгр з 40 до 5% (при Т1 = 2000 оС). Виходячи з цього, можна зробити висновок, що наявність на армуючих частинках захисних покриттів підвищеної теплоємкості в певних умовах може привести до передчасного заморожування зварювальної ванни і зниження концентрації частинок в сплаві.

На основі математичної моделі формування композиційних сплавів встановлено, що в початковий момент, частинка при попаданні в ванну покривається шаром намороженого сплаву-зв’язки. Потім в системі тверда частинка – розплав реалізуються дві типові температурні обстановки: збереження намороженого шару до повної кристалізації сплаву-зв’язки і його розплавлення після вирівнювання температури в системі. В першому випадку взаємодія частинки з сплавом-зв’язкою переважно відбувається в твердій фазі, в другому – переважно з рідким розплавом. В реальних умовах із-за перемінної температури зварювальної ванни, різного початкового нагріву частинок і їх розміру практично будуть створюватись умови для одночасного протікання різних процесів, тому в певних об’ємах зварювальної ванни і при недостатньому перемішуванні металу можлива значна хімічна і концентраційна неоднорідність готової композиції. При цьому встановлено, що основними факторами, що впливають на якість композиційного сплаву, являються максимальна температура і час взаємодії частинок з розплавом зварювальної ванни.

Аналіз одержаних даних показує, що основна роль покриття полягає в ефективному зниженні максимальної температури нагріву поверхні частинок за рахунок нагріву і плавлення покриття. Однак при цьому різко зменшується співвідношення максимальної концентрації армуючої фази і металічної матриці.

Час взаємодії частинок з розплавом зварювальної ванни і максимальна температура взаємодії суттєво знижуються при підвищенні концентрації частинок за рахунок створення охолоджувального ефекту зварювальної ванни при досягненні питомого об’єму армуючих частинок більше 40%, в тому числі і при відсутності покриття (мал.4,5).

ного сплаву. Масова доля компонентів матриці визначається оптичним емісійним спектральним методом на який одержано патент.

Пористість композиційного сплаву при плазмовому наплавленні усували шляхом введення в склад присаджувального матеріалу алюмінію як найбільш сильного розкислювача. При вмісті алюмінію 2,0...3,2 мас. % в відношенні до компонентів, що створюють після розплавлення і кристалізації матрицю сплаву, повністю усуває пористість, а в межах від 2,0...2,2 до 4,5...5,0 мас. % чинить вплив на глибину розташування армуючих частинок в наплавленому шарі (мал. 6).

Оптимальний склад матриці композиційного сплаву створювався легуванням матричного розплаву елементами, що мають більшу спорідненість до вуглецю чим вольфрам – ніобієм, ванадієм та титаном. В результаті проведених досліджень встановлено, що вказані легуючі елементи, особливо титан, проявляють позитивний вплив на формування матриці і її структурних складових. Вміст вольфраму в матриці сплаву, який визначався за допомогою розробленої методики, в залежності від ступеня легування сплаву-зв’язки вказаними елементами, показано на мал.7.Таким чином, для запобігання утворенню крихких вторинних залізовольфрамових карбідів доцільно легування зварювальної ванни титаном в кількості від 1,3...1,5 до 2,6...3,0 мас. %, який зв’язує вуглець в дрібнодисперсні карбіди, що дозволяє створити механізм впливу на процес розчинення армуючих частинок, а також забезпечити оптимальне формування матриці і співвідношення її структурних складових. На основі одержаних результатів розроблено склад шихти присаджувального матеріалу (табл.1) для плазмового наплавлення композиційних сплавів, який захищено авторським свідоцтвом .

В четвертому розділі розглянуті технологічні питання плазмового наплавлення. Експериментально встановлено (мал. 8), що найбільше значення на зносостійкість композиційного сплаву чинить сила струму плазмової дуги. Дійсно, з підвищенням стру-

Таблиця 1.

Склад шихти для виготовлення присаджувального матеріалу, призначеного для плазмового наплавлення

№№ п.п. | Компоненти | Масова доля, % | 1. Твердий сплав на основі карбідів

вольфраму 82,81…94,34

2. Хром металічний 1,39…3,73

3. Ферротитан 2,34…7,50

4. Сілікомарганец 0,36…1,50

5. Алюміній 1,04…3,37

6. Сілікокальцій 0,23…1,12 | му збільшується як час існування зварювальної ванни так і її об’єм. Отже, зростає час контакту рідкої матричної фази і армуючих частинок, в результаті чого відбувається їхрозчинення, зниження концентрації зносостійкої фази і в підсумку композиційного сплаву в цілому.

На основі одержаних результатів розроблена промислова технологія плазмового наплавлення композиційним сплавом муфт замків бурильних труб, яка заключається в нанесенні на їх зовнішню поверхню зносостійкого шару поряд з опорним торцем муфти. Згідно ТУ 39-1377–89 перед наплавленням на муфтах виконується проточка, ширина якої визначається виходячи з найбільшого розповсюдження фронту зношення зовнішньої поверхні замків. Наприклад, для замка ЗПК-162 вона складає 72 мм. Глибина проточки встановлена в відповідності з максимальною товщиною наплавлення, яка складає 3,5...4,0 мм, що забезпечує найбільш сприятливі умови роботи замків в свердловині, а також можливість використання закладеної в конструкції замка потрійної перенарізки різьби. Наплавлення зносостійкого шару на поверхню муфт замків бурильних труб проводиться на режимах вказаних в табл. 2.

Таблиця 2

Основні параметри плазмового наплавлення замків бурильних труб

Тип

замків | Ток

дуги прямої дії,

Iд , А |

Напруга,

Uд, В |

Швидкість наплавлення

Vн, м/г | Швидкість подачі присаджувального матеріалу

Vп ,м/г | ЗШК-178А | 250…280 | 34…40 | 4…5 | 25…30 | ЗПК162А-29 | 230…280 | 35…40 | 5…6 | 25…30 | ЗПН105А-03 | 200…250 | 32…38 | 6…7 | 20…25 | ЗПВ-133А-12 | 200…250 | 32…38 | 6…7 | 20…25

ЗПК-159А-23 | 230…270 | 34…40 | 5…6 | 25…30 | ЗПН-127А-07 | 200…250 | 32…38 | 6…7 | 20…25 |

При цьому виконана на замку проточка, , заповнюється трьома зносостійкими поясками (валиками) шириною 24...25 мм, розташованими один від одного на відстані 0...2,0 мм. Загальна ширина зносостійкого шару складає 72...75 мм. Зовнішній вид приварного замку ЗПК-162А з армованою зовнішньою поверхнею показано на мал. 9.

Широкі приймальні випробовування замків бурильних труб, проведені в різних регіонах країни показали, що застосування для наплавлення стрічкового реліту (ТУ ІЕЗ 677–88) підвищує ресурс роботи замків не менш ніж в 3 рази. По результатам випробовувань були розроблені технічні умови на замки бурильних труб з армованою зовнішньою поверхнею ТУ 39-1377–89 і вони були рекомендовані до впровадження на трубних базах виробничих об, єднань і машинобудівних підприємств. Для практичної реалізації розробленої технології і матеріалу з метою зміцнення зовнішньої поверхні замків в зборі з бурильними трубами безпосередньо на бурових підприємствах, ІЕЗ ім. Є.О.Патона розроблена установка УД-417 (мал.10).

Для плазмового наплавлення різьбових бурових замків нафтового сортамента в умовах трубних баз створена установка ОБ-2116, для плазмового наплавлення в умовах заводу – виготівника установка УД-368. На основі створеного устаткування при безпосередній участі автора були організовані ділянки зносостійкого наплавлення в Бориславському, Надворнянському та Охтирському УБР ВО “Укрнафта”, Полтавському УБР ВО “Укрбургаз” , ВО “Краснодарнафтогаз”і ВО “Прикаспійськбурнафта” і т.д..

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ.

1. Розроблена методика досліджень пари тертя “замок–обсадна труба”, що представлені матеріалами замка, обсадної труби і наплавлювальними матеріалами, яка забезпечує прискорені випробовування при створені значних контактних тисків.

2. В дослідженому діапазоні навантажень зміцнення зовнішньої поверхні замка литими і композиційними матеріалами не приводить до збільшення зношування матеріалу обсадних труб в порівнянні з ненаплавленою поверхнею, а в діапазоні реальних навантажень до 5 МПа знижує його.

3. Зносостійкість композиційних сплавів на основі литих карбідів вольфраму значно перевищує зносостійкість матеріалу замка і литих наплавлювальних матеріалів. При цьому превалюючу роль грає висока концентрація по площі армуючої фази в наплавленому металі.

4.Для зношування в початковий період взаємодії бурильного замка і обсадної труби характерно наявність над армуючими частинками композиційного сплаву прошарку, товщиною біля 1мм, який складається з матричного сплаву, що повинно забезпечуватись технологією наплавлення та складом присаджувального матеріалу.

5. Теоретично і експериментально показано, що гранична концентрація армуючих частинок в композиційному сплаві залежить від температури ванни і початкової температури частинок. Розроблена математична модель формування композиційного сплаву, що дозволяє встановити основні принципи одержання необхідного співвідношення армуючих частинок і матриці наплавленого металу, що досягається за рахунок зниження максимальної температури нагріву поверхні армуючих частинок і обмеження часу взаємодії частинок і матричного розплаву шляхом нанесення на них нікелевого покриття або створення охолоджувального ефекту зварювальної ванни при досягненні питомого об’єму армуючих частинок більше 40 %.

Наявність покриття знижує співвідношення армуючих частинок і металу зварювальної ванни, в результаті зменшується концентрація армуючої фази при зниженні максимальної температури нагріву поверхні частинок на 20...25%. В той же час зниження вказаної температури можливе при підвищенні концентрації армуючих частинок більше 40% об’єму. Таким чином, для одержання максимальної зносостійкості композиційного сплаву більш раціональним способом являється підвищення концентрації армуючих частинок.

6. Математична модель підтверджує, що в системі армуюча частинка – матричний розплав реалізуються дві типові температурні обстановки: коли наморожений шар зберігається на частинці до повної кристалізації сплаву-зв’язки і коли він розплавляється після вирівнювання температури в системі. В першому випадку взаємодія частинки з сплавом-зв’язкою відбувається переважно в твердій фазі, а в другому – переважно з рідким розплавом.

7. Розроблена методика кількісного аналізу структурних складових матриці композиційного сплаву: твердого розчину вольфраму в залізі, евтектики і вторинних залізовольфрамових карбідів. Оптимальні властивості матриця має при вмісті структури твердого розчину вольфраму в залізі не менш ніж 55 % об’єму, а відповідно структур евтектики і вторинних залізовольфрамових карбідів не більше 35 і 10% об’єму. При цьому кількість армуючих частинок повинна складати не менше 40% об’єму композиційного сплаву. Масова доля компонентів матриці визначається оптичним емісійним спектральним методом. На спосіб аналізу матриці одержано патент.

8. Введення в склад присаджувального матеріалу алюмінію в кількості 2,0...3,2 мас. % усуває пористість композиційного сплаву, від 2,0...2,2 до 4,5...5,0 мас. % забезпечує більш рівномірне розподілення частинок по об’єму наплавленого шару, відсутність зносостійкої фази на поверхні композиційного сплаву і одночасний контакт армуючих частинок і матриці з обсадними трубами, що значно зменшує їх зношування.

9. Введення в склад присаджувального матеріалу елементів, що мають більшу спорідненість до вуглецю чим вольфрам, проявляє позитивний вплив на формування матриці і її структурних складових. Найбільш оптимальним являється вміст титану в кількості від 1,3...1,5 до 2,6...3,0 мас. %, який приводить до найбільшому зниженню вмісту вольфраму в матриці шляхом зв’язування вуглецю в дрібнодисперсні карбіди. Це дозволило створити механізм впливу на процес розчинення армуючих частинок і забезпечити оптимальне формування матриці та її структурних складових. На основі одержаних результатів розроблено склад шихти присаджувального матеріалу, який захищено авторським свідоцтвом.

10. Розроблено спосіб плазмового наплавлення композиційних сплавів, який захищено авторським свідоцтвом. Створено промислову технологію і серію устаткування для автоматичного плазмового наплавлення замків бурильних труб. Широкі промислові випробування показали, що зносостійкість замків бурильних труб, наплавлених композиційним сплавом, не менш ніж в 3 рази вище в порівнянні з ненаплавленими. На конструкцію замка бурильної труби з наплавленою зовнішньою поверхнею одержано авторське свідоцтво і патент.

Основний зміст дисертації опублікований в наступних роботах:

1. Жудра А.П., Белый А.И. Новые композиционные сплавы и результаты исследования их

свойств // Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавленный металл / Под ред. И.И.Фрумина. – Киев: Наук. думка. – 1977. – С.151–157.

2. Лищинский С.П., Мардахаев А.А., Данильченко Б.В., Белый А.И. Повышение износостойкости замков бурильных труб // Нефт. и газ. пр-сть.– 1984.– №1. – С. 28–30.

3. Наплавка тонких слоев износостойких композитных сплавов / Ю.А. Юзвенко, М.А. Пащенко, А.И. Белый, Е.И. Фрумин, Л.П. Крыжановская // Автомат. сварка. –1974. – №7. – С.71–72.

4. Кузьмин Г.Г., Белый А.И. Опыт Волго-Донского ТГУ по повышению износостойкости элементов бурильных колонн // Техника и технология геологоразведочных работ. – М. –1976. – №15. –С.1–3.

5. Белый А.И., Кузьмин Г.Г. Плазменная наплавка резьбовых замков и муфт геологоразведочных бурильных труб // Автомат. сварка. – 1978. –№9. –С.44–46.

6. Белый А.И. Плазменная наплавка соединительных элементов геологоразведочных бурильных колонн // Тез. Докл. 1 Всесоюз. науч-техн. конф. “Современные методы наплавки и наплавочные материалы”. – Киев: Наук. думка, 1978.

7. Лищинский С.П., Мардахаев А.А., Шаповалов В.А., Белый А.И. Методика и некоторые результаты исследования износа пары трения бурильный замок–обсадная колонна // Укргипрониинефть. Бурение скважин на нефть и газ: Сб. научн. тр. – 1983. – с.86–91.

8. Юзвенко Ю.А., Белый А.И. Кинетика нагрева армирующих частиц в металлической ванне при наплавке композиционных сплавов // Автомат. сварка. – 1980. – №4. – С.32 –35.

9. Белый А.И., Дзыкович В.И. Раскисление металла при плазменной наплавке композиционных сплавов // Все союз. сем. “Теоретические и технологические основы наплавки в металлургической и горнорудной промышленности”: Тез. докл.– Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1988г. – С. 39 – 40.

10. Белый А.И., Дзыкович В.И. Присадочный материал для плазменной наплавки композиционных сплавов // 2-я конф. молодых ученых и специалистов. Тез. докладов. 16–20 мая.–Киев, ИЭС им. Е.О. Патона, 1988. – С.20–21.

11. ТУ ИЭС 677–88.Релит ленточный АН–ЛЗП.

12. Лищинский С.П., Мардахаев А.А., Довжок В.Е., Пресман И.М., Белый А.И. Плазменная наплавка металла на поверхность замков бурильных труб и результаты их испытаний // Нефт. Пр.-сть. “Научно-производственные достижения нефтяной промышленности в новых условиях хозяйствования”. – 1989. –Вып.2. – С.15–17.

13. А.с. 1531354 СССР, МКИ В23 К 35/36. Шихта для плазменной наплавки / А.И.Белый, В.И.Дзыкович, В.И.Кобец и др. – Опубл. 22.08.89.

14. Жудра А.П., Белый А.И., Дзыкович В.И. Пламенная наплавка замков бурильных труб композиционным сплавом // 4-я Укр..респ. науч.-техн. конф. “Соврем. методы наплавки, упроч. Защитные.покрытия и используемые. материалы”: Тез.докл. 20-22 ноября.– Харьков: ХАДИ, 1990. – С. 58 – 60.

15. А.с. 1622097 СССР, МКИ В 23 К 9/04, 10/02. Способ плазменной наплавки композиционных сплавов / А.И.Белый, В.И.Дзыкович, В.И.Кобец и др. – Опубл. 23.01.91, Бюл.№3.

16. Пат. 4720, Україна, МКІ Е 21В 17/10/ 17/02. Замок для бурильних труб / С.П.Ліщинський, О.І.Оршак, А.О. Мардахаєв, О.І. Білий. – Опубл. 28.12.94, Бюл. №7-1.

17. А.с. 1808978, МКИ Е 21 В 17/10. Замок для бурильных труб / С.П.Лищинский, О.И.Оршак, А.А.Мардахаев и др. Опубл. 15.04.93, Бюл. №14.

18. Лищинский С.П., Мардахаев А.А., Довжок В.Е., Данильченко Б.В., Белый А.И. Износостойкая наплавка замков бурильных труб // Нефт. хоз-во. –1990. –№1. –С.17–20.

19. Пат. РФ 2030734, МКИ С 22 С 29/00. Способ анализа матрицы композиционного сплава / С.В.Твердохлебова, И.М.Спиридонова, А.П. Жудра, А.И.Белый. – Опубл. 10.03.95, Бюл. №7.

20. Пат. 20516А Україна, МКІ В 22F 9/10. Спосіб одержання гранульованих тугоплавких матеріалів / К.А.Ющенко, О.П. Жудра, А.І. Литвиненко и др. – Опубл. 15.07.97.

21. Белый А.И., Жудра А.П., Дзыкович В.И. Особенности раскисления металла сварочной ванны при плазменной наплавке композиционных материалов // Автомат. сварка. – 2002. – №10.–С.48–49.

22. Белый А.И., Жудра А.П., Дзыкович В.И. Влияние легирующих элементов на структуру композиционного сплава на основе карбидов вольфрама // Автомат. сварка. – 2002. – №11. –С.18–20.

АНОТАЦІЯ

Білий О.І. МАТЕРІАЛИ І ТЕХНОЛОГІЯ НАПЛАВКИ КОМПОЗИЦІЙНИМ СПЛАВОМ ЕЛЕМЕНТОВ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – “Зварювання та споріднені технології”, – Інститут електрозварювання ім.. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2006.

Робота присвячена створенню матеріалу і технології плазмового наплавлення композиційних сплавів на основі плавлених карбідів вольфраму відповідно до зміцнення зовнішньої поверхні замків бурильних труб.

Аналіз існуючих способів зміцнення замків показує перспективність нанесення на замки композиційних сплавів на основі карбідів вольфраму, так як застосування литих наплавлювальних сплавів потребує створення зносостійких шарів товщиною більше 3 мм, що приводить до погіршення промивки свердловини. Визначено оптимальний спосіб одержання композиційних сплавів з використанням плазмової дуги і присаджувального матеріалу – стрічкового реліту.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень пари тертя „замок – обсадна труба” встановлено, що наплавлення зовнішньої поверхні замка литими і композиційними матеріалами не приводить до підвищення зносу обсадних труб В діапазоні реальних навантажень до 5 МПа відбувається зниження зношування з підвищенням твердості литих наплавлювальних сплавів і з підвищенням концентрації армуючих частинок в композиційному сплаві до 40% і вище. З метою створення одночасного контакту армуючих частинок і матриці наплавленого металу необхідно вивести армуючі частинки з верхніх об’ємів сплаву і створити прошарок з матричного сплаву над армуючими частинками.

Розроблена математична модель формування композиційного сплаву яка дозволяє встановити основні принципи одержання необхідного співвідношення армуючих частинок і матриці завдяки зниженню максимальної температури нагріву поверхні частинок і обмеження часу взаємодії частинок і матричного розплаву, що досягається шляхом нанесення захисних покриттів, або створення охолоджувального ефекту зварювальної ванни при досягненні питомого об’єму армуючих частинок більше 40%. Більш перспективним являється другий спосіб.

Розроблена методика кількісного аналізу структурних складових матриці: твердого розчину вольфраму в залізі, евтектики