Сравнительное исследование металлургического качества сталей буровых шарошечных долот отечественного и зарубежного производства

• Автор: Ищук, Андрей Георгиевич
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 241 с. : ил.

1 Литературный обзор
1.1 Металлургическое качество стали
1.2 Долотные стали и требования к их свойствам
2 Выбор долотных сталей и методик для исследования
2.1 Выбор и сопоставление долотных сталей
2.2 Выбор методик исследования и оборудования
3 Исследование химического состава долотных сталей
3.1 Анализ содержания основных элементов марочного
состава в металле в состоянии поставки
3.2 Анализ химического состава стали в шарошках
и лапах долот
3.3 Анализ стали лап долот на наличие элементов с малым
содержанием (модифицирующих и микролегирующих, малых примесей)
3.4 Исследование зональной и дендритной химической
неоднородности сталей в отечественном прокате и лапах зарубежных долот
4 Исследование макроскопической структуры долотных сталей
4.1 Макроанализ распределения примесей, волокнистого
строения, дендритной и зональной ликвации в лапах долот
4.2 Макроструктура проката отечественных производителей
в состоянии поставки
5 Исследование микроскопической структуры и неметаллических
включений в долотных сталях
5.1 Оптическая и электронная металлография
5.2 Измерение микротвердости
5.3 Микрорентгеноспектральный анализ
5.4 Определение неметаллических включений
5.5 Микроструктура цементованного слоя
5.6 Определение количества остаточного аустенита
5.7 Определение величины аустенитного зерна
6 Исследование прокаливаемости долотных сталей
6.1 Оценка закаливаемости стали 19ХГНМА и зарубежных
дол отных сталей
6.2 Влияние направления макроволокна на прокаливаемость
долотных сталей различных производителей
7. Исследование механических свойств долотных сталей
7.1 Исследование анизотропии механических свойств
стали 19ХГНМА различных поставщиков
7.2 Анализ уровня механических свойств стали 19ХГНМА
и зарубежных аналогов
8 Разработка рекомендаций для производства особовысококачественных долотных сталей на отечественных заводах
8.1 Металлургическое качество и способы выплавки
долотных сталей
8.2 Рекомендации по изменению ТУ 3-102-80
8.3 Согласование рекомендаций с заводами-изготовителями
сталей
Заключение
Список использованных источников
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г

Добыча нефти и газа, также горнорудных ископаемых играет огромную роль в жизни нашей страны, обеспечивая в настоящее время наряду с внутренними потребностями наиболее значительную долю поступлений в бюджет от экспортных поставок. Буровые долота являются основным инструментом, с помощью которого ведется бурение скважин в нефтяной и газовой промышленности, на карьерах по добыче угля и руд черных и цветных металлов, а также в строительстве.
Буровые долота предназначены для разрушении горной породы и образования ствола скважины, и работают в крайне тяжелых условиях. От работоспособности долота зависят основные технико-экономические показатели проводки скважины. При бурении скважин широко применяются лопастные, шарошечные и алмазные долота [7, 8]. Сначала бурение велось только лопастными долотами, но в настоящее время наиболее распространены шарошечные долота. Ими осуществляется около 98% всего разведочного и эксплуатационного бурения у нас в стране. Шарошечные буровые долота представляют собой неразборную конструкцию, состоящую из сва-ренных между собой отдельных секций (лап), на цапфах которых смонтированы свободно вращающиеся на опорах конусообразные шарошки с породоразрушающими фрезерованными зубьями или вставными твердосплавными зубками в соответствии с рисунком 1 (на рисунке долото показано в перевернутом снизу вверх виде) [9].
Первое работоспособное долото с двумя одноконусными шарошками с опорами на роликах качения было создано Г.Р. Хьюзом в 1909 году в США, и оно предопределило будущее роторного бурения [9]. В 1933 году Г.Р. Хьюзом было впервые изготовлено трехшарошечное долото, которое получило наибольшее распространение при бурении нефтяных скважин и явилось прототипом современных шарошечных долот. В СССР первые трехшарощечные долота были испытаны в 1933 - 1934 годах и показали свое значительное превосходство над лопастными долотами при разбуривании крепких пород [10]. Однако действительно широкое применение в нашей стране этот тип долот получил на рубеже сороковых — пятидесятых годов прошлого столетия [1 1].

вязкости по сравнению с цементуемыми. Но давно известно, что для деталей, прочность которых определяется сопротивлением усталости, менее целесообразно использование сталей со статической прочностью выше 1260 МПа, так как это связано с увеличением разброса характеристик, чувствительности к надрезам и склонности к усталостным трещинам [112]. Наибольшие пределы усталости достигаются при цементации, и если это требуется, то следует выбирать соответствующие цементуемые стали [112]. Кроме того, нецементуемые стали с повышенным содержанием углерода менее технологичны в обработке.
Действующий перечень болотных сталей. В конце семидесятых годов перечень отечественных сталей для серийного изготовления шарошек и лап буровых долот включал в себя цементуемые (хромо)никельмолибденовые стали электрошла-кового переплава марок 14ХНЗМА-Ш, 14Х2НЗМА-Ш, 16ХНЗМА-Ш, 18ХНЗМА-Ш, 15НЗМА-Ш, 17НЗМА-Ш, т.е. с содержанием углерода менее 0,20% [105].
В это время завершалась работа по исследованию возможности шлифования поверхности цапфы лапы не после, а до химико-термической обработки, так как шлифование после ХТО примерно в 2 раза снижает контактную прочность из-за образования на поверхности металла микротрещин, мелких прижогов и других дефектов [20]. Было известно, что лучшие зарубежные фирмы изготавливали лапы из стали типа 20ХГНМА, а цапфы лап, как правило, шлифовали перед термообработкой. Однако у нас использовать такую технологию не представляло возможным из-за значительной деформации цапфы в процессе ХТО, связанной с тем, что лапы изготавливались из сталей 20ХНЗА или 14ХНЗМА. Деформация цапфы лап из стали 20ХНЗА характеризовалась либо увеличением диаметра беговых дорожек до 0,12 мм, либо уменьшением его до 0,08 мм и конусностью большой роликовой дорожки до 0,2 мм. В лапах из стали 14ХНЗМА в процессе ХТО происходило не только изменение диаметра беговых дорожек, но и значительное искривление оси цапфы. Применение сталей 20ХГНМА и 22ХГНМА для изготовления лап значительно уменьшило деформацию цапфы в процессе ХТО и позволило шлифовать цапфы до ХТО. Испытание опытной партии долот с такими лапами показало увеличение проходки на 5%, а стойкости на 22% по сравнению с серийными долотами. После этого