鋼體PDC鉆頭表面強化耐磨性試驗研究

張 棟,蔡寶君,陳 曦，張久鳳

(1.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院,山東 東營 257017;2.山東勝利職業(yè)學(xué)院,山東 東營 257097;3.中國石化勝利油田分公司 技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000)

2017-07-08

張 棟(1985—)，男，山東冠縣人，中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院工程師，碩士，主要從事PDC鉆頭研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.03.011

鋼體PDC鉆頭表面強化耐磨性試驗研究

張 棟1,蔡寶君2,陳 曦1，張久鳳3

(1.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院,山東 東營 257017;2.山東勝利職業(yè)學(xué)院,山東 東營 257097;3.中國石化勝利油田分公司 技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000)

鋼體PDC鉆頭在油氣鉆探行業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用,表面強化質(zhì)量直接影響鋼體PDC鉆頭的使用壽命。對使用3種不同表面強化材料及工藝的試件進行摩擦磨損試驗。試驗結(jié)果表明,進口焊條堆焊的耐磨性高于碳化鎢粉末噴焊,碳化鎢粉末噴焊高于國產(chǎn)焊條堆焊,今后逐步推廣進口堆焊焊條,提高鋼體PDC鉆頭的生產(chǎn)質(zhì)量。

PDC鉆頭;鋼體;表面強化;耐磨性

近年來三維數(shù)控加工技術(shù)得到了快速發(fā)展,鋼體PDC鉆頭具有設(shè)計加工快速、靈活、精度高及適應(yīng)各種復(fù)雜地層的優(yōu)越性,應(yīng)用越來越廣泛,已達到產(chǎn)業(yè)化推廣的階段[1-2]。由于鋼體材質(zhì)本身不耐磨損和沖蝕,表面強化(堆焊、噴焊)是提高鋼體鉆頭強度的一項有力措施,因此表面強化質(zhì)量也直接影響了鋼體PDC鉆頭的使用壽命。關(guān)于碳化鎢堆焊的性能,國內(nèi)不少學(xué)者都進行一定的研究[3-5],但是針對鋼體PDC鉆頭制造過程中使用不同的表面強化配方及工藝,其耐磨性目前還沒有進行詳細的研究。如果表面強化質(zhì)量差,會出現(xiàn)氣孔、裂紋、磨損沖蝕等問題,影響鉆頭的使用效果。圍繞這一問題，進行3種不同表面強化材料及工藝的試件耐磨性試驗研究。

1 試驗方案

測定鋼體PDC鉆頭使用的3種表面強化材料在相同條件下的磨損量,比較其耐磨性。摩擦磨損試驗采用銷盤式,下試件為Φ41 mm×5 mm的待測試件,上試件為Φ4 mm的GCr13高碳鉻軸承鋼銷子,硬度為60 HRC。試驗時采用銷子與下試件對磨的銷盤摩擦副形式,通過測定相同條件下的磨損量來判定三種堆焊材料(每種做2組試件,共6個試件)的耐磨性。采用電子天平稱量試件的磨損失重,測量精度為0.1 mg,測量次數(shù)為3次,測試結(jié)果取其平均值。

2 試驗設(shè)備

(1)材料端面高溫摩擦磨損試驗機,如圖1所示。

圖1 材料端面高溫摩擦磨損試驗機

(2)電子天平。試驗用試件采用銷-盤摩擦副,銷盤材質(zhì)為GCr13,直徑Φ4 mm,硬度60HRC,如圖2所示。

試件形狀和尺寸如圖3所示。

圖2 銷-盤摩擦副

圖3 試件尺寸

3 試驗材料

本次試驗所用材料基體均為42CrMo鋼材,分別用不同的碳化鎢材料高溫熔敷而成,A類試件編號A-1、A-2,為國產(chǎn)焊條堆焊而成;B類試件編號B-1、B-2,為進口焊條堆焊而成;C類試件編號C-1、C-2,為碳化鎢粉末噴焊而成。6個試件的形貌如圖4所示。

圖4 3種試件初始照片

由于原始試件表面粗糙不平整,為了提高試件表面平整度,減小試驗過程的不穩(wěn)定現(xiàn)象,將試件經(jīng)砂輪表面磨平后再進行試驗。經(jīng)過表面處理過的試件如圖5所示。

圖5 試驗前6個試件的表面形貌

4 試驗結(jié)果

本次試驗采用的試驗參數(shù)為:試驗力50 N和70 N,試驗時間為30 min,轉(zhuǎn)速50 r/min,摩擦副形式為銷盤摩擦。試驗后的試件表面形貌如圖6所示。

圖6 試驗后6個試件的表面形貌

表1為3種表面強化后的材料(6個試件)在相同條件下摩擦盤的磨損失重數(shù)據(jù)。圖7為3種試件磨損失重的直方圖。

表1 3種表面強化材料摩擦盤的磨損失重

圖7 3種表面強化材料試件摩擦盤的磨損失重

由表1、圖7可以看出,磨損量由多到少的順序為1號材料試件>3號材料試件>2號材料試件,說明2號試件的耐磨性優(yōu)于1號和3號材料試件,即進口焊條堆焊的耐磨性高于碳化鎢粉末噴焊,碳化鎢粉末噴焊高于國產(chǎn)焊條堆焊。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

生產(chǎn)鋼體PDC鉆頭一般使用國產(chǎn)焊條堆焊(B類試件)，鉆頭現(xiàn)場使用后，有部分鉆頭的表面強化層出現(xiàn)過氣孔、裂紋、磨損沖蝕等質(zhì)量問題。

考慮成本因素，將本試驗研究使用的進口焊條同國產(chǎn)焊條、碳化鎢粉末結(jié)合使用，在鉆頭的關(guān)鍵部位(如鉆頭冠部的主切削齒周圍等)使用進口焊條堆焊，現(xiàn)場應(yīng)用了半年時間，未出現(xiàn)過表面強化質(zhì)量問題，問題產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)率明顯降低(圖8)。鋼體PDC鉆頭的質(zhì)量得到了提高，取得了好的現(xiàn)場使用效果，屢創(chuàng)指標。

圖8 進口焊條堆焊的某只鉆頭現(xiàn)場使用后形貌

6 結(jié) 論

(1)由不同材料的磨損試驗失重對比可以看出,進口焊條堆焊的耐磨性高于碳化鎢粉末噴焊,碳化鎢粉末噴焊高于國產(chǎn)焊條堆焊。

(2)今后可以逐步推廣進口堆焊焊條,并進行現(xiàn)場應(yīng)用試驗對比,提高鋼體PDC鉆頭的生產(chǎn)質(zhì)量。

(3)進口焊條、碳化鎢粉末噴焊、國產(chǎn)焊條可以結(jié)合使用,關(guān)鍵部位使用新的進口焊條。

[1] 周龍昌.堆焊技術(shù)在鋼體PDC鉆頭表面硬化中的應(yīng)用[J].石油機械,2004,32(5):38- 40.

[2] 周龍昌.鋼體PDC鉆頭新型制造工藝研究[J].石油機械,2004,33(5):105-107.

[3] 吳太勇,李國學(xué).不同處理工藝對高合金堆焊合金層組織及耐磨性影響[J].熱加工工藝,2015,44(15):219-221.

[4] 董世知,周鵬,馬壯,等.碳化鎢/高錳鋼堆焊層的制備工藝及耐磨性能[J].金屬熱處理,2012,37(4):55-58.

[5] 杜學(xué)銘,施雨湘,李愛農(nóng),等.碳化鎢復(fù)合耐磨堆焊層泥沙磨損性能的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2002,26(2):161-164.

TB302.3

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1673-5935(2017)03- 0036- 03

[責(zé)任編輯]印樹明