Mũi khoan ba chóp hoạt động trong điều kiện chịu tác động mạnh mẽ của mài mòn, tải trọng va đập, ma sát, ứng suất tiếp xúc cao và sự ăn mòn do dung dịch khoan . Do đó, các bề mặt quan trọng xung quanh chóp, ổ trục và các khu vực chức năng liền kề có thể bị xuống cấp nhanh chóng trong quá trình khoan đòi hỏi khắt khe.

Phương pháp phủ laser cung cấp một cách thức kiểm soát để phủ vật liệu kim loại chống mài mòn một cách chính xác vào các vùng chịu tải trọng cao này.

Thay vì sửa đổi toàn bộ mũi khoan, phương pháp phủ laser cục bộ giúp tăng cường các bề mặt được chọn trong khi giảm thiểu lượng nhiệt không cần thiết và lượng vật liệu tiêu hao , do đó phù hợp cho cả việc nâng cao bề mặt linh kiện mới và các ứng dụng tái sản xuất được chọn lọc.

Tại sao mũi khoan ba chấu cần bảo vệ bề mặt cục bộ?

Trong quá trình khoan, các đầu côn liên tục quay ngược chiều với địa tầng trong khi mũi khoan chịu tải trọng trục, rung động và va đập đáng kể.

Tùy thuộc vào điều kiện hình thành và hoạt động, bề mặt các bộ phận có thể gặp phải các hiện tượng sau:

• Mài mòn
• Ma sát kim loại với kim loại
• Mòn dính và trầy xước
• Ảnh hưởng tiêu cực
• xói mòn do dung dịch khoan
• Mất vật liệu bề mặt cục bộ
• Sự kết hợp giữa mài mòn và ăn mòn

Mức độ nghiêm trọng của các cơ chế này không đồng đều trên toàn bộ thành phần.

Một số bề mặt chức năng chịu tải trọng tiếp xúc và mài mòn cao hơn đáng kể so với các khu vực xung quanh. Điều này làm cho kỹ thuật thiết kế bề mặt chuyên biệt trở nên đặc biệt có giá trị.

Ứng dụng công nghệ laser để phủ lớp bảo vệ lên các khu vực chịu mài mòn quan trọng.

Trong quá trình phủ laser, bột hợp kim kim loại được đưa vào vùng nóng chảy được tạo ra bằng laser và được kiểm soát chính xác.

Một vùng mỏng của chất nền và bột được phun vào sẽ nóng chảy và hòa quyện vào nhau, tạo ra một lớp lắng đọng dày đặc với liên kết luyện kim với vật liệu nền.

Đối với các ứng dụng mũi khoan ba chấu, đường đi của tia laser có thể được lập trình cụ thể xung quanh các vùng mài mòn đã chọn.

Mục tiêu là đạt được:

Liên kết luyện kim bền chắc + pha loãng có kiểm soát + khả năng chống mài mòn cao + lượng nhiệt đầu vào hạn chế + lắng đọng cục bộ chính xác.

Điều này khác với việc chỉ đơn giản là phủ một lớp dày lên toàn bộ chi tiết. Quy trình được thiết kế dựa trên cơ chế mài mòn thực tế và hình dạng hình học của khu vực quan trọng.

Các khu vực ốp lát điển hình

Tùy thuộc vào thiết kế mũi khoan và cơ chế hỏng hóc, phương pháp phủ laser có thể được xem xét áp dụng cho một số vùng nhất định, chẳng hạn như:

• Bề mặt mài mòn liên quan đến hình nón
• bề mặt liền kề ổ trục
• Tạp chí và các khu vực hỗ trợ
• Các khu vực tiếp xúc có ma sát cao
• Các khu vực xói mòn cục bộ
• Các bề mặt khác cần được bảo vệ chống mài mòn bổ sung.

Vị trí chính xác của lớp phủ cần được xác định dựa trên bản vẽ chi tiết, điều kiện vận hành và kiểu mài mòn thực tế.

Đối với các chi tiết khoan phức tạp, cần tránh việc lắng đọng vật liệu không cần thiết. Vật liệu nên được tập trung ở những vị trí mà hiệu suất bề mặt bổ sung mang lại giá trị có thể đo lường được.

Vật liệu ốp lát chống mài mòn

Các hợp kim gốc coban như Stellite 6 có thể được sử dụng trong một số ứng dụng dụng cụ khoan nhất định, nơi yêu cầu khả năng chống mài mòn, kẹt và suy giảm chất lượng ở nhiệt độ cao.

Thép Stellite 6 kết hợp độ cứng với độ dẻo dai tương đối tốt và thường được xem xét sử dụng cho các bộ phận chịu mài mòn trượt và điều kiện tiếp xúc khắc nghiệt.

Tuy nhiên, việc lựa chọn hợp kim luôn phải phụ thuộc vào ứng dụng thực tế.

Các hệ thống dựa trên coban, niken hoặc sắt khác có thể phù hợp hơn tùy thuộc vào:

• cơ sở vật chất
• Cơ chế mài mòn
• Tải trọng tác động
• Nhiệt độ hoạt động
• Môi trường ăn mòn
• Độ cứng yêu cầu
• Yêu cầu gia công

Đối với điều kiện mài mòn khắc nghiệt, các hệ vật liệu gia cường pha cứng cũng có thể được xem xét.

Do đó, vật liệu tối ưu không nhất thiết phải là hợp kim có độ cứng cao nhất, mà là vật liệu mang lại sự cân bằng thích hợp giữa khả năng chống mài mòn, độ dẻo dai, khả năng chống nứt và tính tương thích về mặt luyện kim.

Làm nóng sơ bộ và kiểm soát nứt

Các bộ phận khoan thường được chế tạo từ thép hợp kim cường độ cao. Khi các vật liệu nền này được kết hợp với các vật liệu phủ tương đối cứng, ứng suất nhiệt và hiện tượng nứt vỡ phải được kiểm soát cẩn thận.

Do đó, việc làm nóng sơ bộ có thể là một phần quan trọng của quy trình phủ laser.

Trong một ứng dụng điển hình của mũi khoan ba chấu, linh kiện được làm nóng trước đến khoảng 300°C trước khi phủ lớp Stellite 6.

Giá trị này nên được xem như một điều kiện quy trình cụ thể của dự án chứ không phải là một tham số chung.

Nhiệt độ làm nóng sơ bộ thích hợp phụ thuộc vào:

Thành phần chất nền + hình dạng linh kiện + hợp kim lớp phủ + độ dày lớp phủ + lượng nhiệt đầu vào + điều kiện làm mát.

Nhiệt độ giữa các lớp phủ và chiến lược làm mát sau khi phủ cũng có thể cần được kiểm soát đối với các tổ hợp vật liệu đòi hỏi khắt khe.

Hình học phức tạp đòi hỏi chuyển động được kiểm soát.

Các bộ phận của mũi khoan ba chấu có bề mặt cong, nghiêng và gián đoạn, không phải lúc nào cũng có thể gia công hiệu quả bằng chuyển động tuyến tính đơn giản.

Đầu phủ phải duy trì mối quan hệ thích hợp với bề mặt mục tiêu trong suốt quá trình lắng đọng.

Tùy thuộc vào hình dạng hình học của linh kiện, hệ thống xử lý có thể yêu cầu sự phối hợp:

• chuyển động quay
• Định vị tuyến tính
• Nội suy đa trục
• Định hướng đầu laser
• Vị trí phôi

Các thiết bị chuyên dụng cũng có thể được thiết kế để giữ linh kiện ở một góc thích hợp và tạo điều kiện tiếp cận các khu vực ốp lát khó thao tác.

Đối với loại ứng dụng này, thiết kế gá lắp và điều khiển chuyển động là những phần không thể thiếu của quy trình phủ laser.

Các thông số quy trình phải được xây dựng dựa trên thành phần đó.

Quá trình phủ laser thành công đòi hỏi sự phối hợp của nhiều biến số chứ không chỉ dựa vào công suất laser.

Các thông số quan trọng bao gồm:

• Công suất Laser
• Kích thước chùm tia
• Tốc độ du lịch
• Tốc độ cấp liệu bột
• Đường ray trùng lặp
• Độ dày lắng đọng
• Khí che chắn
• Gia nhiệt sơ bộ
• Nhiệt độ giữa các lần chạy
• Góc chiếu tia laser

Các thông số này ảnh hưởng đến độ pha loãng, hình dạng lớp phủ, liên kết luyện kim, độ cứng, xu hướng nứt và lượng nhiệt đầu vào.

Do đó, đối với các dụng cụ khoan, quá trình phát triển nên bắt đầu từ chất nền thực tế, vật liệu phủ và hình dạng hình học của các bộ phận.

Ưu điểm chính của việc khoan các bộ phận

Khi được thiết kế đúng cách, công nghệ phủ laser có thể mang lại một số ưu điểm cho mũi khoan ba chấu và các bộ phận khoan tương tự.

Bảo vệ chống mài mòn cục bộ: Vật liệu được lắng đọng đặc biệt trên các bề mặt quan trọng thay vì phủ toàn bộ chi tiết.

Liên kết luyện kim: Lớp được lắng đọng tạo thành một giao diện luyện kim với chất nền.

Kiểm soát lượng nhiệt đầu vào: Năng lượng laser tập trung giúp giảm thiểu ảnh hưởng nhiệt không cần thiết lên các khu vực xung quanh.

Hiệu quả vật liệu: Bột hợp kim hiệu suất cao được tập trung tại những vị trí cần thiết cho chức năng của nó.

Nâng cao hiệu suất bề mặt: Các hợp kim phù hợp có thể cải thiện khả năng chống mài mòn, trầy xước, xói mòn và các cơ chế suy thoái bề mặt nghiêm trọng khác.

Tính linh hoạt về hình học: Gia công CNC và chuyển động đa trục cho phép xử lý các khu vực mài mòn phức tạp với các đường dẫn lắng đọng được kiểm soát.

Tăng cường và tái sản xuất linh kiện mới

Việc phủ lớp bằng laser có thể được xem xét ở các giai đoạn khác nhau trong vòng đời của một bộ phận khoan.

Đối với các linh kiện mới , các bề mặt chịu mài mòn cao có thể được gia cố trước khi đưa vào sử dụng để cải thiện khả năng chống chịu với các điều kiện vận hành khắc nghiệt.

Đối với các bộ phận bị hư hỏng trong quá trình sử dụng , phương pháp phủ laser có thể được sử dụng để phục hồi các bề mặt bị mòn khi bộ phận bên dưới vẫn phù hợp để tái sản xuất.

Việc xác định xem một chi tiết khoan đã qua sử dụng có phù hợp để sửa chữa hay không cần được thực hiện thông qua kiểm tra trước khi gia công. Các chi tiết bị nứt cấu trúc, biến dạng nghiêm trọng hoặc hư hỏng nền không thể chấp nhận được không nên tự động được coi là có thể sửa chữa chỉ vì có thể phủ thêm vật liệu lên bề mặt.

Các ứng dụng ngoài mũi khoan ba chấu

Nguyên tắc kỹ thuật bề mặt cục bộ tương tự có thể được mở rộng cho các bộ phận khác trong giàn khoan và mỏ dầu chịu mài mòn nghiêm trọng, bao gồm:

• Các bộ phận khoan hình nón lăn
• Các chất ổn định
• Mặc áo tay dài
• bề mặt dụng cụ khoan giếng
• Các bộ phận hao mòn của chuỗi khoan
• Các thành phần chịu tải cao khác trong ngành dầu khí

Mỗi ứng dụng đòi hỏi phải đánh giá riêng về cơ chế mài mòn, chất nền, hình dạng và môi trường hoạt động.

Giải pháp phủ laser GREENSTONE dành cho dụng cụ khoan

GREENSTONE cung cấp các giải pháp về quy trình và thiết bị phủ laser cho các dụng cụ khoan và các bộ phận công nghiệp khác yêu cầu tăng cường bề mặt chống mài mòn cục bộ.

Đối với các chi tiết khoan phức tạp, các giải pháp có thể kết hợp việc cấp bột chính xác, chuyển động CNC hoặc đa trục, định vị quay và các đồ gá tùy chỉnh theo hình dạng hình học của phôi thực tế.

Quá trình phát triển cũng có thể bao gồm việc lựa chọn vật liệu ốp, chiến lược làm nóng sơ bộ, tối ưu hóa thông số và thử nghiệm mẫu trước khi cấu hình thiết bị cuối cùng.

Đối với dự án phủ laser cho dụng cụ khoan, hãy cung cấp bản vẽ hoặc hình ảnh chi tiết, vật liệu nền, vị trí phủ cần thiết, cơ chế mài mòn, độ dày lớp phủ mong muốn, hợp kim ưu tiên (nếu có) và điều kiện vận hành . Sau đó, các thông số này có thể được sử dụng để đánh giá vật liệu phủ phù hợp, chiến lược xử lý và cấu hình thiết bị.