動力鉆具用PDC止推軸承的粘接工藝研究

趙毅，紀(jì)博，李玉海，王春華，鄭瑞強(qiáng)

（大慶油田鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）＊

PDC 止推軸承廣泛應(yīng)用于井下動力鉆具中［1－3］，它具有強(qiáng)度高、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。每對PDC止推軸承由上環(huán)與下環(huán)組成，每只軸承環(huán)分為硬質(zhì)合金環(huán)與PDC復(fù)合片2部分。由于PDC復(fù)合片表面硬度大，采用常規(guī)釬焊技術(shù)制造PDC 止推軸承，PDC復(fù)合片接觸面之間的平面度較低且加工難度大。另外，焊接工藝會降低止推軸承環(huán)的硬度。所以，釬焊制造法不僅成本高而且還達(dá)不到技術(shù)要求。本文對PDC止推軸承的制造方法進(jìn)行了研究，提出了粘壓工藝。本文重點(diǎn)介紹了工裝結(jié)構(gòu)、粘接工藝的步驟和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果。

1 工裝結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

為了滿足止推軸承環(huán)PDC 復(fù)合片接觸面之間的平面度要求，采用高壓粘接工藝制造PDC止推軸承。為了實(shí)現(xiàn)壓制，參閱相關(guān)資料，采用800kN 油壓千斤頂為工裝提供壓力。該千斤頂?shù)鬃鶄?cè)方有M16螺紋孔，可方便外接壓力表。工裝的總體結(jié)構(gòu)如圖1。外框?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)，底板與頂板均為加工有臺肩的45mm 厚鋼板。頂板中插入內(nèi)套，底板與頂板同時(shí)插入兩側(cè)厚度為20mm的立板內(nèi)，縫隙處采用焊接連接。內(nèi)套與絲杠之間為矩形螺紋傳動，絲杠用來調(diào)節(jié)工件與千金頂之間的距離。在千斤頂?shù)撞縈16螺紋孔相對應(yīng)一側(cè)的立板上開孔，同時(shí)在千斤頂側(cè)方連接量程為100 MPa的壓力表。待粘接的PDC復(fù)合片置于扶正裝置內(nèi)。工裝的外形尺寸為280mm×250 mm ×710 mm，占用空間小，使用方便。

圖1 PDC止推軸承粘接工裝總體結(jié)構(gòu)示意

1.2 扶正裝置組成

為了保證粘接過程的可靠性與安全性，設(shè)計(jì)扶正裝置，如圖2。下部墊環(huán)主要起支撐作用，內(nèi)部的臺肩結(jié)構(gòu)有利于粘合劑從止推軸承環(huán)的小孔擠出，防止粘合劑從復(fù)合片邊緣溢出；上部墊環(huán)為硬質(zhì)合金環(huán)，具有較高的硬度和表面平面度，能夠保證PDC復(fù)合片接觸面之間的平面度；外筒的作用主要是扶正以及保證制造過程的安全性；壓板主要用于傳遞壓力。

圖2 扶正裝置組成

2 粘接工藝

2.1 清洗

針對止推軸承環(huán)與PDC 復(fù)合片之間的連接問題，采用膠粘工藝進(jìn)行處理。為使膠結(jié)面干凈無油漬，對止推軸承環(huán)進(jìn)行清洗，分5個(gè)步驟：

1）將止推軸承環(huán)（上環(huán)、下環(huán)）分別放入沸水中清洗20min，水中放有純堿。

2）在微波清洗機(jī)中放入不銹鋼托盤，托盤內(nèi)加入清水，水面要求沒過止推軸承環(huán)。

3）將止推軸承環(huán)從沸水中取出后放入微波清洗器中的托盤內(nèi)清洗20min。

4）在微波清洗器的托盤內(nèi)加入酒精，繼續(xù)清洗20min。

5）清洗后取出止推軸承環(huán)待用。

利用同樣的方法對PDC復(fù)合片進(jìn)行清洗，清洗后用鑷子把PDC復(fù)合片裝在干凈的塑料盒內(nèi)保存，防止被再次污染。

2.2 止推軸承環(huán)與PDC復(fù)合片的粘接

2.2.1 配制粘接劑

根據(jù)井下工況的要求，粘接劑選用BJZ－10型粘接堵漏密封劑，即“鐵膩?zhàn)印?。配制BJZ－10型粘接堵漏密封劑的操作人員要求帶上絕緣防塵口罩和醫(yī)用手套；然后，在電子天平上墊一張工業(yè)用擦拭紙后對天平進(jìn)行清零；根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，按實(shí)際需要選取一組數(shù)據(jù)（這里選取第3組），分別取出物料后在電子天平上稱重；最后再將稱好的物料攪拌均勻。

表1 粘接劑成分及配比

2.2.2 軸承的粘接

將止推軸承環(huán)（上環(huán)或者下環(huán)）平放在下部墊環(huán)上，取適量配好的粘接劑放入止推軸承環(huán)的PDC復(fù)合片孔座內(nèi)。利用鑷子夾取1顆PDC復(fù)合片，在其圓柱面上涂抹厭氧膠后將其放入止推軸承環(huán)上的PDC復(fù)合片孔座內(nèi)。當(dāng)止推軸承環(huán)上所有PDC 復(fù)合片的孔座被PDC 復(fù)合片填滿后，用擦拭紙將PDC復(fù)合片表面的厭氧膠擦拭干凈。

2.2.3 壓制

1）將粘接好的PDC 止推軸承放入扶正裝置的下部墊環(huán)內(nèi)。

2）按圖2順序組裝好扶正裝置，并按圖1位置對中安放于工裝上。

3）緩慢加壓至60 MPa，保壓60min，如圖3所示。

4）取下軸承，利用壁紙刀清潔PDC止推軸承的表面。制造的PDC止推軸承如圖4所示。

圖3 加壓曲線

圖4 PDC止推軸承產(chǎn)品

3 試驗(yàn)結(jié)果

將PDC止推軸承裝入井下動力鉆具后在試驗(yàn)井中進(jìn)行試驗(yàn)。動力鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)小時(shí)后無任何異常狀況。起鉆后拆開動力鉆具，將PDC止推軸承取出并清洗后發(fā)現(xiàn)其PDC 復(fù)合片連接牢固且表面光亮如鏡，但個(gè)別PDC 復(fù)合片的邊緣有磨損現(xiàn)象，如圖5所示。磨損的原因是PDC 復(fù)合片邊緣倒角不夠，應(yīng)適當(dāng)增大倒角尺寸。由此可知，制造的PDC 止推軸承基本能夠滿足現(xiàn)場工況的要求。

圖5 經(jīng)試驗(yàn)后的PDC止推軸承

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了工裝，采用粘壓工藝制造PDC 止推軸承，操作簡單、成本低。

2）試驗(yàn)證明，加壓粘接的PDC止推軸承能夠滿足井下動力鉆具及井底工況的要求。

3）焊接加工的PDC止推軸承，其平面度很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且制造成本高，建議推廣粘接工藝。

［1］成海，鄭衛(wèi)建，夏彬，等.國內(nèi)外渦輪鉆具鉆井技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（4）：28－31.

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