Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках
Исследовано влияние температуры пайки на работоспособность алмазно-твердосплавных резцов. Показано, что при сочетании предложенных припоев и разработанной технологии пайки удалось значительно увеличить длину и скорость проходки скважин, что подтверждено результатами промышленных испытаний. The eff...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101710 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках / В.Ф. Хорунов, С.В. Максимова, Б.В. Стефанив // Автоматическая сварка. — 2010. — № 6 (686). — С. 48-51. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859668880747659264 |
|---|---|
| author | Хорунов, В.Ф. Максимова, С.В. Стефанив, Б.В. |
| author_facet | Хорунов, В.Ф. Максимова, С.В. Стефанив, Б.В. |
| citation_txt | Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках / В.Ф. Хорунов, С.В. Максимова, Б.В. Стефанив // Автоматическая сварка. — 2010. — № 6 (686). — С. 48-51. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Исследовано влияние температуры пайки на работоспособность алмазно-твердосплавных резцов. Показано, что при
сочетании предложенных припоев и разработанной технологии пайки удалось значительно увеличить длину и скорость
проходки скважин, что подтверждено результатами промышленных испытаний.
The effect of the brazing temperature on performance of diamond — hard-alloy cutters was investigated. It was shown
that the length and rate of well drilling were substantially increased owing to a combination of the proposed brazing filler
metals and developed brazing technology, which was proved by the industrial test results.
|
| first_indexed | 2025-11-30T12:42:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.3
ИЗГОТОВЛЕНИЕ БУРОВЫХ ДОЛОТ ДЛЯ ДОБЫЧИ
РАССЕЯННОГО МЕТАНА В ШАХТНЫХ ВЫРАБОТКАХ
Чл.-кор. НАН Украины В. Ф. ХОРУНОВ, С. В. МАКСИМОВА, канд. техн. наук, Б. В. СТЕФАНИВ, инж.
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Исследовано влияние температуры пайки на работоспособность алмазно-твердосплавных резцов. Показано, что при
сочетании предложенных припоев и разработанной технологии пайки удалось значительно увеличить длину и скорость
проходки скважин, что подтверждено результатами промышленных испытаний.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сверхтвердые материалы, алмазный
слой, алмазно-твердосплавный резец, породоразрушающий
инструмент, долото, метан, пайка, припой
Основным инструментом для эффективного бу-
рения недр земли при добыче углеводородов яв-
ляется долото для вращательного бурения, кото-
рое классифицируется как долото с фиксиро-
ванными резцами, или шарошечное, предназна-
ченное для различных пород и широкого спектра
условий [1]. Долота с фиксированными резцами
имеют лопасти, составляющие с корпусом одно
целое и вращаются одновременно с ним. Шаро-
шечные долота имеют металлические шарошки,
которые независимо вращаются во время враще-
ния долота в забое.
Буровые долота составляют только 1…5 % об-
щей стоимости скважины, но от них напрямую
зависит стоимость проходки единицы длины сква-
жины, поскольку время, необходимое для ее бу-
рения, определяется скоростью бурения и про-
должительностью работы долота до износа. До-
лота с фиксированными резцами стоят дороже,
но бурят быстрее и служат дольше, чем шаро-
шечные в некоторых твердых и абразивных по-
родах. Они могут оснащаться резцами с природ-
ными и синтетическими алмазами. Резцы с син-
тетическими поликристаллическими алмазами
более устойчивы к ударной нагрузке, чем при-
родные алмазы, и очень эффективны в твердых,
умеренно абразивных породах. Эффективность
применения этих алмазов ограничивается толщи-
ной алмазной пластины, которая определяется
диффузией кобальта от подложки из твердого
сплава в алмазный слой, а также напряжениями,
создаваемыми при тепловом расширении карбида
вольфрама и при его усадке. Высокие остаточные
напряжения и несмоченные зерна алмазов в ре-
зультате неполного проникновения кобальта во
время синтеза поликристаллических алмазов мо-
гут вызвать расслоение, отслоение и образование
трещин в алмазных пластинах, что сокращает срок
службы резца и долота в целом [1].
В странах СНГ основными материалами для
изготовления инструмента служат металлокера-
мические твердые сплавы типа ВК-6, ВК-8, ВК-15,
ВК-20 и др., а также сверхтвердые материалы,
которые представлены природными и синтетичес-
кими алмазами. Теоретические и технологические
основы получения таких материалов созданы в
Институте сверхтвердых материалов им. В. Н. Ба-
куля НАН Украины [2, 3].
Целью настоящей работы является выбор при-
поев, разработка технологии пайки алмазно-твер-
досплавных резцов (АТР) и технологии изготовле-
ния буровых долот. АТР (рис. 1) получают путем
пайки алмазно-твердосплавных пластин (АТП) с
твердосплавными державками (ТД) — сплавами на
основе карбида вольфрама, где в качестве связки
используют кобальт (от 2 до 25 мас. % в зависи-
мости от марки сплава). Использованные в экспе-
риментах АТП представляли собой цилиндры из
твердого сплава диаметром 13,5 мм и высотой
3,5 мм, на которых расположен слой синтетических
поликристаллических алмазов толщиной 0,7…0,8 мм.
Алмазы, используемые в виде кристаллов с макси-
мальным размером 20…60 мкм, отличаются ста-
бильностью формы, высокой твердостью, износос-
тойкостью, низким коэффициентом термического
расширения.
© В. Ф. Хорунов, С. В. Максимова, Б. В. Стефанив, 2010
Рис. 1. Схема АТР: 1 — алмазный слой; 2 — твердосплавная
подложка; 3 — паяный шов; 4 — ТД
48 6/2010
Алмаз является метастабильной модификаци-
ей углерода и при нагреве АТП до критической
температуры (670…700 °С) [3, 4] вследствие диф-
фузионного взаимодействия между алмазными час-
тицами и кобальтом физико-механические свойства
алмазного слоя резко деградируют (рис. 2). Про-
исходит каталитическая графитизация поликрис-
таллических синтетических алмазов, образование
трещин, вызванных различием коэффициентов теп-
лового расширения алмаза и кобальта, и, как след-
ствие, разрушение алмазного слоя.
Температура графитизации каждой марки син-
тетических поликристаллических алмазов зависит
от многих факторов, в том числе степени чистоты
(количества примесей металлов-катализаторов),
среды нагрева и времени выдержки при повы-
шенной температуре. Поэтому при изготовлении
АТР путем пайки традиционных АТП (с полик-
ристаллическими синтетическими алмазами) с
твердыми сплавами необходимо учитывать ука-
занные особенности синтетических алмазов. Тем-
пература плавления припоя не должна превышать
650…700 °С, он должен характеризоваться хоро-
шей жидкотекучестью и смачиваемостью по от-
ношению к паяемым материалам. Так как имеется
существенная разница в коэффициентах терми-
ческого расширения основного материала и при-
меняемых металлических припоев, последние
должны характеризоваться высокой пластич-
ностью для релаксации возникающих на межфаз-
ной границе напряжений. Кроме того, учитывая
нагрузки, действующие на АТР во время эксплу-
атации, прочность паяного шва на срез должна
быть не ниже 300 МПа и износ АТР
в оговоренных ниже условиях ис-
пытаний не более 0,2 мм.
Такие противоречивые требова-
ния сложно было выполнять при
существующей еще с советских
времен технологии изготовления
АТР и имеющейся базе припоев.
Так, широкое применение для со-
единения твердых сплавов получи-
ли медно-цинковые припои, леги-
рованные различными элементами,
которые улучшают их физико-ме-
ханические и технологические характеристики.
Они хорошо растекаются по твердым сплавам и
сталям и широко используются при получении
соединений из этих материалов, но при пайке
АТП их применение приводит к деградации син-
тетических алмазов из-за высокой температуры
процесса.
Для пайки АТП с твердыми сплавами более
перспективны медно-серебряные припои, харак-
теризующиеся невысокой температурой плавле-
ния, достаточной пластичностью, хорошей жид-
котекучестью. Базовым служит эвтектический
сплав системы Cu–Ag с температурой плавления
779 °С [5]. Введение таких металлов, как цинк,
кадмий, олово, позволяет снизить температуру
плавления припоя, что положительно сказывается
на их технологических свойствах. Так, площадь
растекания припоев в значительной степени за-
висит от их состава (таблица).
Следует отметить, что при соединении АТП
с ТД фактически осуществляется пайка двух твер-
дых сплавов, поскольку алмазное покрытие рас-
положено на наружной поверхности АТП. Поэ-
тому на первом этапе для определения прочности
паяных соединений на срез паяли две пластины
твердого сплава ВК-8, которые имитировали АТР,
Рис. 2. Зависимость предельной температуры нагрева АТП от
времени нагрева
Рис. 3. Схема приспособления для пайки АТР: 1 — прижим;
2 — суппорт; 3 — ТД; 4 — индуктор; 5 — АТП; 6 — основа;
7 — холодильник; 8 — термопара; 9 — алмазный слой; 10 —
паяный шов
Площадь растекания припоев по подложке из твердого сплава
Базовая система
(марка припоя)
Продолжительност
ь
нагрева, с
Интервал плавле-
ния припоя, °С
Площадь растека-
ния припоя, мм2
Ag–Cu–Zn–Cd (ПСр-40) 24 590...610 89,87
Ag–Cu–Zn (ПСр-45) 27 665...730 67,63
Аg–Cu–Zn–Sn (BAg-7) 26 618...651 46,33
Аg–Cu–Zn–Ni–Mn (BAg-22) 23 680...699 121,40
Cu–Zn–Mn–Sn–Ni (ПМ-50) 25 780...870 119,18
Cu–Mn–Fe–Ni (ПМ-72) 40 810...890 50,19
6/2010 49
что существенно упрощало и удешевляло прове-
дение исследований.
Результаты механических испытаний показа-
ли, что припои системы медь–серебро, легиро-
ванные другими элементами (цинком, марганцем,
никелем и др.), обеспечивают достаточную проч-
ность на срез (около 300 МПа). Однако для выбора
оптимального состава припоя при изготовлении
АТР прочность на срез паяных соединений яв-
ляется обязательным параметром, но недостаточ-
ным.
Для получения достоверной информации не-
обходимо проводить комплексные испытания пая-
ных соединений, которые позволяют оценить
прочность и износостойкость. Износостойкость
является основным параметром, наиболее реально
отражающим условия эксплуатации буровых до-
лот, оснащенных алмазными резцами. Уровень из-
носостойкости зависит от температуры нагрева
алмазного слоя и времени пребывания при этой
температуре, поэтому пайку АТР для изучения
износостойкости проводили в специальном прис-
пособлении (рис. 3), в котором алмазный слой
контактировал с охлаждаемой поверхностью (для
сравнения отдельные резцы паяли без охлажде-
ния). Параметры нагрева с помощью генератора
ВЧИ4-10У4 следующие: Iсетки = 0,1 А, Iанода =
= 0,6...0,7 А. Полученные резцы (рис. 4) испы-
тывали на стенде, который имитирует реальные
условия эксплуатации; другими словами, осущес-
твляли строжку той горной породы (например,
кварцевый песчаник), для которой предназначен
данный резец.
Параметры испытаний были следующими:
скорость продольной подачи 0,55 м/с; глубина ре-
за 0,5 мм; поперечная подача 28 мм/проход, ох-
лаждение отсутствовало, продукты разрушения
горной породы не удалялись из зоны строгания
(воду не использовали). Значение износа после
строжки замеряли на задней грани АТР с по-
мощью оптического микроскопа. Проведенные
испытания позволили выбрать припои, которые
обеспечивали необходимый уровень износостой-
кости, не превышающий 0,2 мм. Полученные ре-
зультаты использовали при разработке техно-
логии пайки АТР с лопастью. Это наиболее от-
ветственная технологическая операция с точки
зрения сохранения свойств алмазного слоя. В тра-
диционной технологии пайка резцов проводится
последовательно, т. е. предыдущий резец подвер-
гается вторичному нагреву при пайке последую-
щего. Более того, индукционный нагрев иногда
сочетается с газопламенным (поверхностным),
что создает опасность непосредственного контак-
та алмазного слоя с пламенем горелки.
В процессе проведения настоящей работы раз-
работана специальная конструкция индуктора, ко-
торая позволяет получать равномерное темпера-
турное поле в области пайки резцов. На основании
этого стало возможным осуществлять одновре-
менную пайку всех резцов при использовании
только высокочастотного нагрева. При использо-
вании такой технологии алмазный слой находится
при высокой температуре минимальное время и
сохраняет необходимые при эксплуатации свойс-
тва. Следует отметить, что оптимальные составы
припоев хорошо смачивают низколегированную
сталь лопасти и материал подложки резцов и обес-
печивают надежное крепление последних в ло-
пасти (рис. 5).
Соединение лопастей с корпусом проводили
полуавтоматической сваркой плавящимся элект-
родом под защитой аргона. Были отработаны ре-
жимы сварки, количество и порядок наложения
швов, временные паузы на остывание швов и др.
Особое внимание уделено сварке верхней части
долота, где сварочная дуга близко подходила к
алмазному слою.
С использованием разработанной технологии
и припоев изготовили партию долот, предназна-
ченных для бурения горных пород средней твер-
дости (рис. 6), которая успешно прошла промыш-
ленные испытания и внедрение в технологический
процесс добычи рассеянного метана на шахте им.
А. Ф. Засядько.
Рис. 4. Паяный АТР для бурового инструмента: 1 — АТП;
2 — паяный шов; 3 — ТД
Рис. 5. Лопасти буровых долот с впаянными АТР
50 6/2010
В процессе проведения промышленных испы-
таний установлено, что применение оптимальных
составов припоев и разработанной технологии с
использованием отечественных АТП позволило
увеличить значение проходки со 100…120 до
400…450 м. При использовании АТР зарубеж-
ного производства без изменения конструкции до-
лота и стабилизатора проходка несколько уве-
личилась, однако возможности этих резцов в зна-
чительной степени не были реализованы. И толь-
ко при сочетании усовершенствованной конст-
рукции долота и стабилизатора, разработанных
припоев и технологии пайки удалось достичь
значения проходки более 1000 м (без ремонта).
После устранения случайных повреждений, выз-
ванных, например, включениями более твердых
пород, значение проходки возрастало до
1500…1700 м и более.
1. On the cutting edge / A. Besson, B. Burr, S. Dillard et al. //
Oilfield Review. — 2000. — Autumn. — P. 36–57.
2. Новиков И. В. Развитие синтеза сверхтвердых материа-
лов // Актуальные проблемы современного материалове-
дения: В 2 т. Т. 2. — Киев: ИД «Академпериодика»,
2008. — С. 42.
3. Инструменты из сверхтвердых материалов / Под ред.
Н. В. Новикова. — М.: Машиностроение, 2005. — 555 с.
4. Артюхов В. П., Прусс О. П. Исследование процессов
пайки алмазнотвердосплавных резцов // Сверхтвердые
материалы. — 1997. — № 2. — С. 38–43.
5. Диаграммы состояния двойных металлических систем:
Справочник: В 3 т.: Т.1 / Под общ. ред. Н. П. Лякишева.
— М.: Машиностроение, 1996. — 991 с.
The effect of the brazing temperature on performance of diamond — hard-alloy cutters was investigated. It was shown
that the length and rate of well drilling were substantially increased owing to a combination of the proposed brazing filler
metals and developed brazing technology, which was proved by the industrial test results.
Поступила в редакцию 19.02.2010
Рис. 6. Буровое долото, оснащенное АТР
21–23 июня 2010 г. Нижний Новгород
Тематика выставки:
Оборудование и оснастка для контактной сварки, оборудование для специализированных спо-
собов сварки, машины и оборудование для дуговой сварки и резки, источники питания, приспо-
собления и инструменты, оборудование для плазменной обработки металлов, машины и обору-
дование для газовой сварки, вспомогательный инструмент, оборудование, приспособления и инстру-
менты для сварки в среде защитного газа, оборудование для подготовки поверхности, авто-
матические системы управления для сварочных процессов, роботы и роботехнические комплексы,
измерение, контроль, испытания, обработка данных, средства защиты сварщиков и охрана окру-
жающей среды, научное и информационное обеспечение.
Всероссийское ЗАО «Нижегородская ярмарка»
тел.: (831) 277-54-96; факс: 277-55-86, 277-54-89; E-mail: kaa@yarmarka.ru
6/2010 51
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101710 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T12:42:06Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Хорунов, В.Ф. Максимова, С.В. Стефанив, Б.В. 2016-06-06T18:34:53Z 2016-06-06T18:34:53Z 2010 Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках / В.Ф. Хорунов, С.В. Максимова, Б.В. Стефанив // Автоматическая сварка. — 2010. — № 6 (686). — С. 48-51. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101710 621.791.3 Исследовано влияние температуры пайки на работоспособность алмазно-твердосплавных резцов. Показано, что при сочетании предложенных припоев и разработанной технологии пайки удалось значительно увеличить длину и скорость проходки скважин, что подтверждено результатами промышленных испытаний. The effect of the brazing temperature on performance of diamond — hard-alloy cutters was investigated. It was shown that the length and rate of well drilling were substantially increased owing to a combination of the proposed brazing filler metals and developed brazing technology, which was proved by the industrial test results. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках Manufacture of drilling bits for dissipated methane production in mines Article published earlier |
| spellingShingle | Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках Хорунов, В.Ф. Максимова, С.В. Стефанив, Б.В. Производственный раздел |
| title | Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках |
| title_alt | Manufacture of drilling bits for dissipated methane production in mines |
| title_full | Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках |
| title_fullStr | Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках |
| title_full_unstemmed | Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках |
| title_short | Изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках |
| title_sort | изготовление буровых долот для добычи рассеянного метана в шахтных выработках |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101710 |
| work_keys_str_mv | AT horunovvf izgotovlenieburovyhdolotdlâdobyčirasseânnogometanavšahtnyhvyrabotkah AT maksimovasv izgotovlenieburovyhdolotdlâdobyčirasseânnogometanavšahtnyhvyrabotkah AT stefanivbv izgotovlenieburovyhdolotdlâdobyčirasseânnogometanavšahtnyhvyrabotkah AT horunovvf manufactureofdrillingbitsfordissipatedmethaneproductioninmines AT maksimovasv manufactureofdrillingbitsfordissipatedmethaneproductioninmines AT stefanivbv manufactureofdrillingbitsfordissipatedmethaneproductioninmines |