Цементация и поверхностное упрочнение буровых штанг для буровых установок: процессы, производительность и руководство по ионизации
Буровые штанги для буровых установок по скальным породам в основном подразделяются на два типа в зависимости от процесса поверхностного упрочнения: цементация и поверхностная закалка. Эти два подхода существенно различаются по методам обработки и эксплуатационным характеристикам.
I. Различия в процессах термообработки
• Цементация: этот процесс обычно проводится в шахтной печи в атмосфере, богатой углеродом. Буровой стержень подвергается воздействию определённых температур и длительности, что позволяет его поверхности, включая наружный корпус стержня и внутренние стенки отверстий для воды, абсорбировать атомы углерода, образуя высокотвёрдый и износостойкий карбидный слой. Затем следует закалка и отпуск с воздушным охлаждением. Полученный буровой стержень достигает твёрдости поверхности ХРК 58-60, в то время как сердечник сохраняет относительно более низкую твёрдость (около ХРК 43), что обеспечивает сочетание исключительной износостойкости поверхности и высокой прочности сердечника.
• Поверхностная закалка: этот метод в основном использует высокочастотный индукционный нагрев для быстрого и локального нагрева поверхности буровой штанги с последующей закалкой и отпуском. Целью является непосредственное создание на поверхности закаленного слоя, аналогичного цементируемому, с твёрдостью ХРК 58-60. В частности, области резьбовых соединений, подверженные концентрации напряжений и требующие повышенной прочности, часто подвергаются дополнительной специальной термической обработке, такой как вторичная высокочастотная закалка или индукционный отпуск, для оптимизации эксплуатационных характеристик в этих критических зонах.
II. Различия в эксплуатационных характеристиках
• Прочность: буровые штанги с поверхностной закалкой, как правило, обладают более высокой общей прочностью по сравнению с цементированными. Это преимущество обусловлено тем, что материал сердечника не подвергается цементации, что сохраняет его более высокую пластичность.
• Усталостная долговечность и износостойкость: Однако поверхностно закалённые буровые штанги, как правило, имеют более короткий усталостный ресурс, чем цементированные. Цементированные буровые штанги, напротив, обладают прочной адгезией между цементированным слоем и основным материалом, а также более глубоким закаленным слоем, что обеспечивает более высокую износостойкость и усталостную прочность. При этом процесс цементации, особенно контроль глубины слоя и концентрации углерода, и сопутствующая закалка с воздушным охлаждением требуют точного управления параметрами, поскольку любые отклонения могут негативно сказаться на качестве конечного продукта.
III. Применимые сценарии
• Благодаря повышенной прочности, буровые штанги с поверхностной закалкой лучше подходят для бурения в слоистых породах или на участках с обширной трещиноватостью. В условиях нестабильных горных пород, подверженных высоким ударным нагрузкам, превосходная прочность помогает выдерживать ударные нагрузки и минимизирует риск хрупкого разрушения.
• Цементированные буровые штанги, обладающие исключительной износостойкостью и усталостными свойствами, отлично подходят для глубокого бурения (например, на глубину более 20 метров). В сочетании с цементированными полыми стальными штангами (МФ) и высоконаправляемыми штыревыми коронками, которые обеспечивают лёгкий отвод, они эффективно минимизируют отклонение скважины, продлевают общий срок службы бурового снаряда и снижают эксплуатационные расходы при глубоком бурении.
