高压耐磨双金属复合冶金楔齿滚刀的研制

武士杰,王 新,王 强,孙建荣

(北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013)

高压耐磨双金属复合冶金楔齿滚刀的研制

武士杰,王 新,王 强,孙建荣

(北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013)

通过对煤矿竖井钻机破岩楔齿滚刀失效原因分析及滚刀刀壳铸造工艺的改进,研发了双金属复合冶金楔齿滚刀,在保证刀齿耐磨性能的同时,降低了刀壳的加工成本。另外,对现有破岩滚刀密封结构的改进设计,满足了楔齿滚刀深井钻井作业 8～10MPa耐高压的密封性能要求。新型的密封结构与铸造工艺延长了楔齿滚刀使用寿命,为钻井法的发展与应用提供了更为广泛的空间。

楔齿滚刀;密封结构;耐磨性能;铸造工艺

竖井钻机楔齿破岩滚刀质量是影响钻机钻井速度和效果的重要因素。破岩滚刀是在具有冲击疲劳、弯曲变形、磨粒磨损形式为主的恶劣条件下工作的机具,其使用寿命对于钻进效率、钻井费用、劳动强度等指标都具有很大影响。

随着我国矿井建设向更大直径深厚表土层发展,井筒深度可达 800～1000m,对影响滚刀寿命主要因素的耐磨性和耐压能力提出了更高要求,破岩楔齿滚刀使用寿命已经成为制约钻井法推广与应用的重要瓶颈,其使用寿命的延长不仅可有效提高钻井工程中的纯钻进时间,缩短钻井工期,且可大大降低钻井成本。

1 破岩滚刀失效分析

楔齿滚刀在破岩过程中刀齿处于泥浆介质中,在钻压作用下破岩,因此,滚刀刀齿是在有冲击、挤压和剪切的复杂应力状态下承受磨损的破岩刀具。在钻岩过程中,滚刀刀齿在较大的载荷下压入岩石,将其压裂,当钻头旋转时,滚刀在摩擦力的作用下产生自转,把岩石剪切成碎片,岩石的碎屑在相对运动的滚刀与岩石间起着磨粒作用,使滚刀齿面受到三体磨损,楔齿滚刀母体磨损成为滚刀失效的主要形式之一。

另外,滚刀轴承在低速重载条件下工作,其损坏也是破岩滚刀失效的主要形式。

在钻井深度达到 800～1000m时,其工作环境极为恶劣,井底压力和密封润滑剂的压力最高可达10MPa,同时井底地热和滚刀工作时的摩擦热等使密封温度升高、高压循环液工作时的压力波动使密封件的接触状态和接触位置不断发生变化,工作环境中存在的大量磨砺性介质,井底具有腐蚀性的硫化氢气体和各种成分的蒸汽等有害物质的影响都会造成密封元件的降解,加剧密封件的磨损与失效,这些都可能造成滚刀轴承密封失效,导致润滑油流失,岩粉、泥浆等介质进入滚刀体内腔,从而引起轴承损伤。

滚刀失效的分析表明,除异常钻井事故、操作不当以及正常钻进达到滚刀使用寿命造成的滚刀报废之外,楔齿滚刀损坏的主要形式有：滚刀母体磨损严重;金属浮动密封环断裂,闭合面划痕严重,致使密封失效;滚刀刀轴 “O”型密封圈出现损伤、变形;滚刀刀轴轴承破坏。由此可见,滚刀刀壳的耐磨性差与刀轴自身密封性能不良是造成楔齿滚刀寿命较短的主要因素。

2 楔齿滚刀复合冶金铸造工艺与试制

楔齿滚刀破岩钻进过程中,刀齿部分为破岩主体,直接接触岩石,刀齿齿顶在小能量、多冲击载荷条件下,不仅需要具有一定的强度,而且要求有较高的耐磨性能,以抵抗磨粒磨损,同时刀齿齿根和刀壳心部则要求韧性、强度、可加工性等综合性能,才能抵抗剪切岩石时的弯曲应力和冲击。

目前,楔齿滚刀刀壳加工多采用整体铸造工艺形式,其主要问题是滚刀刀壳的加工性和硬度难以同时保证,若整体采用高耐磨材料将使刀体材料与机加工成本加大,若整体采用易切削的低合金钢则会降低滚刀的耐磨性。采用单一金属材料铸造很难同时满足以上条件。

因此,设计采用双金属复合材料离心铸造工艺可有效解决上述问题,即将高强度耐磨钢与低碳合金钢的铸造合金分别熔化后,按特定的浇注方式或浇注系统,先后浇入同一铸型内凝固成型的双金属复合铸造工艺,不仅可保证楔齿滚刀的外工作面有足够的强度、硬度和良好的韧性,能忍受压入岩石的压力和破岩时必然存在的震动与短时超载,同时也可保证滚刀刀壳内部有良好的工艺性能。

双金复合材料浇注需要严格控制钢水出炉温度、终止温度、浇注速度、浇注量、离心机旋转速度等参数。较高的浇注温度使离心机外壳穿透,较低的浇注温度使材料不易成型和结合、材料内部致密性不足;离心机旋转速度快慢直接影响内部材料的均匀性、韧性。温度和旋转速度的严格设定直接影响刀壳材料浇注的成败。通过将 2种金属材料按一定配比、次序分别在 2个高温熔炉内冶炼,待钢水达到合适的出炉温度后,先将一定量的刀齿材料钢水注入离心机中,随后再将一定量的刀体材料钢水注入离心机中,浇注过程中离心机不停的以各种速度旋转,使刀齿、刀体部分依次、逐渐浇注成型。新型高强耐磨楔齿形滚刀刀壳,见图 1。

图1 新型高强耐磨楔齿形滚刀刀壳

经试制结果研究表明：双金属铸造材料粗加工后,经淬火、低温回火等热处理后,刀齿部分硬度可达 HRC56～62,刀体部分硬度为 HB240～280。两种材料结合处强度好,刀齿耐磨性有很大地提高,加工成本降低。

3 楔齿滚刀高压密封结构设计

楔齿滚刀轴承密封结构多采用金属浮动封环密封与平衡活塞补油密封共同组成,在滚刀使用过程中起到密封储油补偿的效果。楔齿破岩滚刀使用寿命与密封结构、密封材料的材质及加工工艺有关。滚刀密封结构中由于金属浮动密封环几何参数及端面比压设计存在偏差,在压盖与轴台肩处的迷宫密封效果较差,往往会造成金属浮动密封与轴承套还未完全达到设计耐压强度要求时,外部高压泥浆即进入滚刀体内部,导致金属密封迅速失效。另外,储油平衡活塞在外部压力作用下,沿储油腔内壁推进以起到储油补偿作用,当储油平衡活塞到达储油腔底部时,即失去补油功能,此时刀具轴承腔内润滑油液流失,外部泥浆及岩渣逐渐进入轴承腔内,加速轴承磨损,致使破岩滚刀报废。

为了保证破岩滚刀在钻井深度达到 800～1000m时,耐压性能可达 8～10MPa的性能要求,结合对楔齿滚刀密封失效原因的分析与实践,对现有楔齿滚刀密封结构进行了改进设计 (图 2),即将滚刀压盖与轴台肩处的迷宫密封更改,增设一辅助密封组合,增加可补偿压力的 “O”型橡胶密封圈与柔性支撑环共同组成的一道密封结构 (图 3)。

图2 楔齿滚刀密封结构改进设计

辅助密封组合可使得金属密封环与轴承套之间的密封接触面磨合时间延长,即在金属浮动密封环发挥密封功效之前,首先会对外部泥浆介质产生很好的阻尼作用,在短时间内最大限度减少润滑油泄漏量,使滚刀内外腔压差趋于平衡,确保金属密封装置能按设计比压运转,保证滚刀的正常使用。随着柔性支撑环的磨损加剧,其内部的“O”型圈将会在弹性变形内补偿其压力损失,以形成良好的外部密封结构。在此期间,金属浮封环和轴承套之间的研合面经过实际工作环境中的润滑和磨合,克服制造精度带来的不稳定性,即可达到滚刀设计耐压密封要求。可使得楔齿滚刀在钻进工作后期,尤其在辅助密封组合磨损失效的情况下仍能够保持滚刀的密封效果,从而延长滚刀的工作寿命。

图3 辅助密封组合结构放大

4 结论

(1)以高强度耐磨性复合材料为基体的楔齿破岩滚刀,不仅提高了滚刀的耐磨性能,同时增加了滚刀体内部的韧性与可加工性,有效延长了楔齿滚刀的使用寿命。双金属复合材料冶金离心铸造工艺取代了传统滚刀制造工艺,不仅可创造良好的经济效益,也为钻井法的推广和应用提供了很好的发展前景。

(2)新型密封组合结构很好地保护了楔齿滚刀内部结构的完整性,使主轴、轴承等零部件得到了充分的润滑和清洁的环境,从而保证了刀轴内部结构与破岩刀齿部分寿命的同步,减少了因更换滚刀引起的工期拖延、材料费增加等不利因素,为深井钻井作业奠定了基础。

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[责任编辑：王兴库 ]

Development of Double-metal Wedge Hob with Wear and High-pressure Resistant Quality

WU Shi-jie,WANG Xin,WANG Qiang,SUN Jian-rong
(Bejing Zhongmei Mine Engineering Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Double-metal wedge hob was developed by analyzing invalidation cause of wedge hob in shaft borer for mine and improving molten technique of hob shell.Machining cost of hob shell was reduced without decreasing its wear quality.In addition,improvement design of current hob pressurization structure met pressurization requirement of 8～10MPa in deep mine drilling.New-style pressurization structure and molten technique prolonged hob’s service life and provided wider space for development and application of shaft drilling method.

wedge hob;pressurization structure;wear quality;molten technique

TD421.3

A

1006-6225(2011)02-0088-03

2010-12-16

“十一五”国家科技支撑计划课题资助项目 (2008BAB33B03);天地科技技术创新基金 (TZ-JJ-09-Z M-6)。

武士杰 (1981-),男,河南濮阳人,助理工程师,主要从事反井钻机、破岩刀具的研究工作。