Трехконусные буровые долота работают в условиях интенсивного сочетания абразивного износа, ударных нагрузок, трения, высоких контактных напряжений и эрозии буровым раствором . Поэтому критически важные поверхности вокруг конуса, подшипника и прилегающих функциональных зон могут быстро изнашиваться во время сложных буровых работ.

Лазерная наплавка обеспечивает контролируемый метод нанесения износостойкого металлического материала именно в эти зоны с высокими нагрузками.

Вместо модификации всего сверла, локальная лазерная наплавка укрепляет отдельные поверхности, минимизируя при этом ненужный подвод тепла и расход материала , что делает ее подходящей как для улучшения поверхности новых компонентов, так и для отдельных этапов восстановления.

Почему трехконусные сверла требуют локальной защиты поверхности

В процессе бурения конусы непрерывно вращаются относительно пласта, в то время как долото подвергается значительной осевой нагрузке, вибрации и ударам.

В зависимости от условий формования и эксплуатации, на поверхностях компонентов могут наблюдаться следующие изменения:

• Абразивный износ
• трение металла о металл
• Адгезионный износ и заедание
• Ударное повреждение
• Эрозия бурового раствора
• Локализованная потеря поверхностного материала
• Совместный износ и коррозия

Интенсивность действия этих механизмов неодинакова по всему компоненту.

Некоторые функциональные поверхности подвергаются значительно более высоким контактным и износостойким нагрузкам, чем окружающие участки. Это делает целенаправленную обработку поверхностей особенно ценной.

Лазерная наплавка критически важных зон износа

В процессе лазерной наплавки порошок металлического сплава подается в точно контролируемую расплавленную ванну, создаваемую лазером.

Тонкий слой подложки и введенный порошок расплавляются, образуя плотный осажденный слой с металлургической связью с основным материалом.

При использовании трехконусных буровых долот траекторию лазерного луча можно запрограммировать таким образом, чтобы она точно соответствовала выбранным зонам износа.

Цель состоит в том, чтобы получить:

Прочная металлургическая связь + контролируемое разбавление + высокая износостойкость + ограниченный подвод тепла + точное локализованное осаждение.

Это отличается от простого нанесения толстого слоя на всю деталь. Процесс разработан с учетом фактического механизма износа и геометрии критической зоны.

Типичные зоны облицовки

В зависимости от конструкции сверла и механизма разрушения, лазерная наплавка может быть рассмотрена для отдельных областей, таких как:

• Износ поверхностей, связанных с конусом
• Поверхности, прилегающие к подшипникам
• Журнал и регионы поддержки
• Зоны контакта с высоким трением
• Локализованные зоны эрозии
• Другие поверхности, требующие дополнительной защиты от износа

Точное положение облицовки следует определять на основе чертежа компонента, условий эксплуатации и фактического характера износа.

При работе со сложными буровыми компонентами следует избегать излишнего осаждения материала. Материал следует концентрировать там, где дополнительные характеристики поверхности обеспечивают измеримую выгоду.

Износостойкие облицовочные материалы

Сплавы на основе кобальта, такие как стеллит-6, могут использоваться в некоторых областях применения бурового инструмента, где требуется устойчивость к износу, заеданию и деградации при высоких температурах.

Стеллит 6 сочетает в себе твердость и относительно хорошую ударную вязкость и обычно используется для компонентов, подверженных износу при скольжении и жестким условиям контакта.

Однако выбор сплава всегда должен зависеть от конкретного применения.

В зависимости от следующих факторов, могут быть более подходящими другие системы на основе кобальта, никеля или железа:

• основное вещество
• Механизм износа
• Ударная нагрузка
• Рабочая Температура
• Коррозионная среда
• Требуемая твердость
• Требования к обработке

В условиях сильного абразивного воздействия могут быть также рассмотрены системы материалов, армированных твердой фазой.

Таким образом, оптимальным материалом является не обязательно сплав с самой высокой твердостью, а тот, который обеспечивает надлежащий баланс износостойкости , ударной вязкости, трещиностойкости и металлургической совместимости.

Предварительный нагрев и контроль образования трещин

Компоненты буровых установок часто изготавливаются из высокопрочных легированных сталей. При сочетании этих материалов с относительно твердыми наплавленными слоями необходимо тщательно контролировать термические напряжения и образование трещин.

Таким образом, предварительный нагрев может стать важной частью процесса лазерной наплавки.

В одном из типичных случаев применения трехконусного сверла компонент предварительно нагревали примерно до 300 °C перед нанесением покрытия Stellite 6.

Это значение следует рассматривать как условие процесса, специфичное для конкретного проекта, а не как универсальный параметр.

Оптимальная температура предварительного нагрева зависит от:

Состав подложки + геометрия компонента + сплав для облицовки + толщина нанесенного слоя + тепловая энергия + условия охлаждения.

Контроль температуры между слоями и стратегии охлаждения после облицовки также может потребоваться для сложных комбинаций материалов.

Сложная геометрия требует контролируемого движения.

Компоненты трехконусного сверла имеют изогнутые, наклонные и прерывистые поверхности, которые не всегда можно эффективно обрабатывать с помощью простого линейного перемещения.

Нагревательная головка должна поддерживать надлежащее положение относительно целевой поверхности в процессе нанесения покрытия.

В зависимости от геометрии компонентов, система обработки может потребовать скоординированного взаимодействия:

• Вращательное движение
• Линейное позиционирование
• Многоосевая интерполяция
• Ориентация лазерной головки
• Позиционирование заготовки

Для фиксации компонента под соответствующим углом и обеспечения доступа к труднодоступным участкам облицовки могут быть разработаны специальные приспособления.

Для такого рода применений конструкция зажимных приспособлений и управление движением являются неотъемлемой частью процесса лазерной наплавки.

Параметры процесса должны быть разработаны с учетом конкретного компонента.

Для успешной лазерной наплавки необходима координация множества переменных, а не полагаться только на мощность лазера.

Важные параметры включают в себя:

• мощность лазера
• Размер луча
• скорость передвижения
• Скорость подачи порошка
• Перекрытие треков
• Толщина осажденного слоя
• Защитный газ
• Температура подогрева
• Температура между проходами
• Угол падения лазерного луча

Эти параметры влияют на степень разбавления, геометрию покрытия, металлургическую связь, твердость, склонность к растрескиванию и тепловое воздействие.

Поэтому при разработке сверлильных инструментов процесс следует начинать с определения фактической подложки, материала облицовки и геометрии компонента.

Основные преимущества буровых компонентов

При правильном проектировании лазерная наплавка может обеспечить ряд преимуществ для трехконусных буровых долот и аналогичных буровых компонентов.

Локализованная защита от износа: материал наносится непосредственно на критически важные поверхности, а не покрывает весь компонент целиком.

Металлургическая связь: Нанесенный слой образует металлургический интерфейс с подложкой.

Контролируемый подвод тепла: локализованная лазерная энергия снижает ненужное тепловое воздействие на окружающие области.

Эффективность использования материала: Высокоэффективный порошок сплава концентрируется там, где это функционально необходимо.

Улучшение характеристик поверхности: использование соответствующих сплавов может повысить устойчивость к абразивному износу, заеданию, эрозии и другим серьезным механизмам разрушения поверхности.

Геометрическая гибкость: ЧПУ и многоосевое перемещение позволяют обрабатывать сложные зоны износа с контролируемыми траекториями нанесения покрытия.

Усиление новых компонентов и восстановление

Лазерная наплавка может применяться на разных этапах жизненного цикла бурового инструмента.

Для новых компонентов отдельные износостойкие поверхности могут быть усилены перед эксплуатацией, чтобы повысить их устойчивость к сложным условиям эксплуатации.

Для компонентов, поврежденных в процессе эксплуатации , лазерная наплавка может использоваться для восстановления отдельных изношенных поверхностей, если сам компонент остается пригодным для повторного изготовления.

Пригодность использованного бурового компонента к ремонту следует определять путем осмотра до начала обработки. Компоненты со структурными трещинами, сильными деформациями или неприемлемыми повреждениями основания не следует автоматически считать пригодными к ремонту только потому, что на их поверхность может отложиться какой-либо материал.

Области применения за пределами трехконусных долот

Тот же принцип локализованной обработки поверхности может быть распространен и на другие компоненты буровых и нефтепромысловых установок, подверженные сильному износу, в том числе:

• Компоненты для сверления с роликовым конусом
• Стабилизаторы
• Носите рукава
• Поверхности внутрискважинного инструмента
• Износостойкие компоненты бурильной колонны
• Другие высоконагруженные компоненты нефтепромысла

Для каждого конкретного случая требуется индивидуальная оценка механизма износа, подложки, геометрии и условий эксплуатации.

Решения Greenstone для лазерной наплавки сверлильных инструментов

Компания GREENSTONE предлагает решения в области лазерной наплавки и оборудования для сверлильных инструментов и других промышленных компонентов, требующих локального повышения износостойкости поверхности.

Для сложных сверлильных деталей решения могут сочетать в себе прецизионную подачу порошка, ЧПУ-оборудование или многоосевое перемещение, вращательное позиционирование и изготовленные на заказ приспособления в соответствии с геометрией обрабатываемой детали.

Разработка технологического процесса может также включать выбор облицовочного материала, стратегию предварительного нагрева, оптимизацию параметров и тестирование образцов перед окончательной настройкой оборудования.

Для проекта лазерной наплавки сверлильного инструмента необходимо предоставить чертеж или фотографии компонента, основной материал, требуемое положение наплавленного слоя, механизм износа, желаемую толщину покрытия, предпочтительный сплав (если указан) и условия эксплуатации . Эти параметры затем можно использовать для оценки подходящего материала наплавки, стратегии обработки и конфигурации оборудования.