Тришароподібні бурові долота працюють у складних умовах комбінації абразивного зносу, ударного навантаження, тертя, високого контактного напруження та ерозії буровим розчином . Тому критичні поверхні навколо шарошку, підшипника та прилеглих функціональних зон можуть швидко зношуватися під час складних бурових операцій.

Лазерне плакування забезпечує контрольований метод нанесення зносостійкого металевого матеріалу саме на ці ділянки з високим навантаженням.

Замість модифікації всього свердла, локалізоване лазерне напилення зміцнює вибрані поверхні, мінімізуючи непотрібне нагрівання та витрату матеріалу , що робить його придатним як для покращення поверхні нових компонентів, так і для вибраних застосувань відновлення.

Чому триконусні свердла потребують локалізованого захисту поверхні

Під час буріння шарошки безперервно обертаються проти пласта, тоді як долото піддається значному осьовому навантаженню, вібрації та ударам.

Залежно від формування та умов експлуатації, поверхні компонентів можуть зазнавати:

• Абразивний знос
• Тертя металу об метал
• Адгезійне зношування та стертість
• Пошкодження від удару
• Ерозія бурового розчину
• Локалізована втрата поверхневого матеріалу
• Комбінований знос та корозія

Тяжкість цих механізмів не є однаковою для всього компонента.

Певні функціональні поверхні зазнають значно вищих контактних та зношувальних навантажень, ніж навколишні ділянки. Це робить цілеспрямовану інженерію поверхні особливо цінною.

Лазерне плакування критично важливих зон зносу

Під час лазерного плакування порошок металевого сплаву подається в точно контрольовану лазерно-генеровану ванну розплаву.

Тонка ділянка підкладки та введений порошок сплавляються разом, утворюючи щільний нанесений шар з металургійним зв'язком з основним матеріалом.

Для застосування з тришаровими долотом лазерний шлях можна запрограмувати спеціально навколо вибраних зон зносу.

Мета полягає в отриманні:

Міцне металургійне зчеплення + контрольоване розведення + висока зносостійкість + обмежене підведення тепла + точне локалізоване напилення.

Це відрізняється від простого нанесення товстого шару на весь компонент. Процес розроблений з урахуванням фактичного механізму зношування та геометрії критичної зони.

Типові області облицювання

Залежно від конструкції бурового долота та механізму руйнування, лазерне напилення може розглядатися для окремих областей, таких як:

• Зносостійкі поверхні, пов'язані з конусом
• Поверхні, що прилягають до опор
• Журнал та регіони підтримки
• Зони контакту з високим тертям
• Локалізовані зони ерозії
• Інші поверхні, що потребують додаткового захисту від зносу

Точне положення облицювання слід визначати на основі креслення компонента, умов експлуатації та фактичної картини зносу.

Для складних свердлильних компонентів слід уникати непотрібного відкладення. Матеріал слід концентрувати там, де додаткові характеристики поверхні забезпечують вимірювану цінність.

Зносостійкі облицювальні матеріали

Сплави на основі кобальту, такі як стеліт 6, можуть використовуватися у вибраних бурових інструментах, де потрібна стійкість до зносу, стертості та деградації при підвищених температурах.

Стеліт 6 поєднує твердість з відносно хорошою в'язкістю і зазвичай використовується для компонентів, що піддаються ковзному зносу та важким умовам контакту.

Однак вибір сплаву завжди повинен залежати від фактичного застосування.

Інші системи на основі кобальту, нікелю або заліза можуть бути більш доцільними залежно від:

• Базовий матеріал
• Механізм зносу
• Ударне навантаження
• Робоча температура
• Корозійне середовище
• Необхідна твердість
• Вимоги до механічної обробки

Для важких абразивних умов також можуть бути оцінені системи матеріалів, армованих твердою фазою.

Тому оптимальним матеріалом є не обов'язково сплав з найвищою твердістю, а той, що забезпечує відповідний баланс зносостійкості , в'язкості, стійкості до розтріскування та металургійної сумісності.

Попередній підігрів та контроль тріщин

Компоненти для свердління часто виготовляються з високоміцних легованих сталей. Коли ці основи поєднуються з відносно твердими плакувальними матеріалами, необхідно ретельно контролювати термічне напруження та розтріскування.

Таким чином, попередній нагрів може бути важливою частиною процесу лазерного плакування.

В одному типовому випадку застосування тришарового долота, компонент попередньо нагріли приблизно до 300°C перед напиленням за допомогою стеліту 6.

Це значення слід розглядати як специфічну для проекту умову процесу, а не як універсальний параметр.

Відповідна температура попереднього нагрівання залежить від:

склад підкладки + геометрія компонента + плакирувальний сплав + товщина наплавлення + підведене тепло + умови охолодження.

Міжпрохідна температура та стратегія охолодження після облицювання також можуть вимагати контролю для складних комбінацій матеріалів.

Складна геометрія вимагає контрольованого руху

Компоненти триконусних свердл містять криволінійні, похилі та перервані поверхні, які не завжди можна ефективно обробити за допомогою простого лінійного руху.

Плакуча головка повинна підтримувати відповідне положення щодо поверхні цілі під час напилення.

Залежно від геометрії компонента, система обробки може вимагати скоординованих:

• Поворотний рух
• Лінійне позиціонування
• Багатоосьова інтерполяція
• Орієнтація лазерної головки
• Позиціонування заготовки

Також можуть бути розроблені спеціальні кріплення для утримання компонента під відповідним кутом та забезпечення доступу до складних ділянок облицювання.

Для цього типу застосування конструкція пристосування та керування рухом є невід'ємними частинами процесу лазерного напилення.

Параметри процесу повинні бути розроблені з урахуванням компонента

Успішне лазерне плакування вимагає координації кількох змінних, а не покладатися лише на потужність лазера.

Важливі параметри включають:

• Лазерна потужність
• Розмір балки
• швидкість пересування
• Швидкість подачі порошку
• Перекриття доріжок
• Нанесена товщина
• Захисний газ
• Температура попереднього нагріву
• Міжпрохідна температура
• Кут падіння лазера

Ці параметри впливають на розведення, геометрію покриття, металургійне зчеплення, твердість, схильність до розтріскування та підведення тепла.

Тому для свердлильних інструментів розробка процесу повинна починатися з фактичної основи, матеріалу облицювання та геометрії компонента.

Основні переваги компонентів для буріння

За умови правильної розробки лазерне напилення може забезпечити кілька переваг для тришарових доліт та подібних компонентів для буріння.

Локалізований захист від зносу: матеріал наноситься цілеспрямовано на критичні поверхні, а не покриває весь компонент.

Металургійне зчеплення: Нанесений шар утворює металургійний інтерфейс з підкладкою.

Контрольоване надходження тепла: Локалізована лазерна енергія зменшує непотрібний тепловий вплив на навколишні ділянки.

Ефективність використання матеріалу: високоефективний порошок сплаву концентрується там, де це функціонально необхідно.

Покращення характеристик поверхні: відповідні сплави можуть покращити стійкість до абразивного зношування, стертості, ерозії та інших серйозних механізмів деградації поверхні.

Геометрична гнучкість: ЧПК та багатоосьовий рух дозволяють обробляти складні ділянки зносу за допомогою контрольованих траєкторій напилення.

Підсилення та відновлення нових компонентів

Лазерне напилення можна розглядати на різних етапах життєвого циклу свердлильного компонента.

Для нових компонентів вибрані поверхні, що піддаються високому зносу, можуть бути посилені перед обслуговуванням, щоб покращити їхню стійкість до складних умов експлуатації.

Для компонентів, пошкоджених внаслідок експлуатації , лазерне напилення може бути використане для відновлення вибраних зношених поверхонь, якщо базовий компонент залишається придатним для відновлення.

Придатність використаного свердлильного компонента для ремонту слід визначати шляхом огляду перед обробкою. Компоненти зі структурними тріщинами, серйозною деформацією або неприйнятним пошкодженням основи не слід автоматично вважати ремонтопридатними лише тому, що матеріал може осідати на поверхні.

Застосування поза межами триконусних біт

Той самий принцип локалізованої обробки поверхні може бути поширений на інші компоненти бурових та нафтопромислових промислів, що піддаються сильному зносу, зокрема:

• Компоненти роликово-конусного буріння
• Стабілізатори
• Носіть рукави
• Поверхні свердловинного інструменту
• Компоненти зносу бурильної колони
• Інші високонавантажені компоненти нафтопромислу

Кожне застосування вимагає індивідуальної оцінки механізму зношування, основи, геометрії та робочого середовища.

Рішення GREENSTONE для лазерного плакування свердлильних інструментів

GREENSTONE пропонує рішення для лазерного плакування та обладнання для свердлильних інструментів та інших промислових компонентів, що потребують локального покращення зносостійкої поверхні.

Для складних свердлильних компонентів рішення можуть поєднувати точну подачу порошку, рух на станках з ЧПК або багатоосьовий рух, обертальне позиціонування та індивідуальні пристосування відповідно до геометрії фактичної заготовки.

Розробка процесу може також включати вибір матеріалу для облицювання, стратегію попереднього нагрівання, оптимізацію параметрів та випробування зразків перед остаточною конфігурацією обладнання.

Для проекту лазерного напилення свердлильного інструменту надайте креслення або фотографії компонента, основний матеріал, необхідне положення напилення, механізм зношування, бажану товщину покриття, бажаний сплав, якщо вказано, та умови експлуатації . Ці параметри потім можна використовувати для оцінки відповідного матеріалу напилення, стратегії обробки та конфігурації обладнання.