高压耐磨双金属复合冶金楔齿滚刀的研制.pdf

第 1 6卷 第 2期 总第 9 9期 2 0 1 1 年 4月 煤 矿 开 采 Co a l mi ni n g Te c h n o l o g y Vo 1 ． 1 6 No ． 2 S e ri e s No ． 9 9 Apr i l 2 01 1 高压耐磨双金属 复合 冶金楔齿 滚刀的研制 武士杰，王新，王 强，孙建荣 北京 中煤矿山工程有 限公司 ，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘 要 ] 通过对煤矿竖井钻机破岩楔齿滚 刀失效 原 因分析及滚 刀刀壳铸造工 艺的改进，研发 了双金属复合冶金楔齿滚刀，在保证 刀齿耐磨性能 的同时，降低 了刀壳的加工成本 。另外，对现有破 岩滚刀 密封结构 的改进设计，满足 了楔齿滚刀深 井钻 井作业 8～1 0 MP a 耐 高压 的密封性 能要求。新型 的密封结构 与铸造工艺延长 了楔 齿滚刀使用寿命 ，为钻井法的发展与应用提供 了更为广泛的空间。 [ 关键词 ] 楔齿滚刀 ；密封结构 ；耐磨性 能；铸造工艺 [ 中图分类号 ]T D 4 2 1 ． 3 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号 ]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 1 1 0 2 - 0 0 8 8 - 0 3 De v e l o p me n t o f D o u b l e - me t a l We d g e Ho b w i t h We a r a n d Hi g h - p r e s s u r e R e s i s t a n t Qu a l i t y wu S h i j i e ，WA N G X i n ， WA N G Q i a n g ，S U N J i a n r o n g B e j i n g Z h o n g m e i M i n e E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3，C h i n a Abs t r ac t Do u bl e me t a l we dg e ho b wa s d e v e l o p e d b y a n a l y z i n g i n v a l i d a t i o n c a us e o f we d g e ho b i n s h a f t b o r e r f o r mi n e a n d i mp r o v i ng mo l t e n t e c hn i q u e o f h o b s h e l 1 ． Ma c h i n i ng c o s t o f h o b s h e l l wa s r e du c e d wi t h o ut d e c r e a s i ng i t s we a r q ua l i t y．I n a d di t i o n，i mp r o v e me n t de s i g n o f c u r r e n t ho b p r e s s u r i z a t i o n s t r uc t u r e me t pr e s s u riz a t i o n r e q u i r e me n t o f 8～1 0 MPa i n de e p mi n e d r i l l i n g ．Ne w s t y l e p r e s s u r i z a t i o n s t r u c t u r e a n d mo l t e n t e c h ni q ue p r o l o n g e d h o b“ s s e r v i c e l i f e a nd p r o v i de d wi d e r s pa c e for d e v e l o p me nt a n d a p pl i c a t i o n o f s ha f t d ril l i n g me t ho d ． Ke y wor d swe d g e h o b；p r e s s u r i z a t i o n s t ruc t ur e；we a r q uali t y；mo l t e n t e c hn i qu e 竖井钻机楔齿破岩滚刀质量是影响钻机钻井速 度和效果 的重要 因素。破岩滚刀是在具有 冲击疲 劳 、弯曲变形 、磨粒磨损形式为主的恶劣条件下工 作的机具 ，其使用 寿命对于钻进效率 、钻井费用 、 劳动强度等指标都具有很大影响。 随着我国矿井建设 向更大直径 深厚 表土层发 展 ，井筒深度可达 8 0 0～l O 0 0 m，对影响滚刀寿命 主要 因素的耐磨性和耐压能力提出了更高要求，破 岩楔齿滚刀使用寿命 已经成为制约钻井法推广与应 用的重要瓶颈 ，其使用寿命 的延长不仅可有效提高 钻井工程中的纯钻进时间，缩短钻井工期，且可大 大降低钻井成本。 1 破 岩滚 刀失效 分析 楔齿滚刀在破岩过程 中刀齿处于泥浆介质 中， 在钻压作用下破岩 ，因此 ，滚刀刀齿是在有 冲击 、 挤压和剪切的复杂应力状态下承受磨损 的破岩刀 具。在钻岩过程中，滚刀刀齿在较大的载荷下压人 岩石 ，将其压裂 ，当钻头旋转时 ，滚刀在摩擦力的 作用下产生 自转 ，把岩石剪切成碎片 ，岩石的碎屑 在相对运动的滚刀与岩石间起着磨粒作用 ，使滚刀 齿面受到三体磨损 ，楔齿滚刀母体磨损成为滚刀失 效 的主要形式之一。 另外，滚刀轴承在低速重载条件下工作 ，其损 坏也是 破岩滚 刀失效 的主要形式 。 在钻井深度达到 8 0 0～l O 0 0 m时，其工作环境 极为恶劣，井底压力和密封润滑剂的压力最高可达 1 0 MP a ，同时井底地热和滚刀工作时的摩擦热等使 密封温度升高 、高压循环液工作时的压力波动使密 封件的接触状态和接触位置不断发生变化 ，工作环 境 中存在的大量磨砺性介质，井底具有腐蚀性 的硫 化氢气体和各种成分的蒸汽等有害物质的影响都会 造成密封元件的降解 ，加剧密封件的磨损与失效 ， 这些都可能造成滚刀轴承密封失效 ，导致润滑油流 失 ，岩粉、泥浆等介质进入滚刀体内腔 ，从而引起 轴承损伤。 滚刀失效的分析表明，除异常钻井事故 、操作 不当以及正常钻进达到滚刀使用寿命造成的滚刀报 废之外 ，楔齿滚刀损坏的主要形式有 滚刀母体磨 损严重 ；金属浮动密封环断裂 ，闭合面划痕严重 ， 致使密封 失效；滚刀刀轴 “ O” 型密封 圈出现损 伤 、变形 ；滚刀刀轴轴承破坏。由此可见，滚刀刀 壳的耐磨性差与刀轴 自身密封性能不良是造成楔齿 滚刀寿命较短的主要因素。 [ 收稿 日期]2 0 1 0 1 2 1 6 [ 基金项 目] “ 十 一五” 国家科技 支撑计划课题资助项 目 2 0 0 8 B A B 3 3 B 0 3 ；天地 科技技术创新基金 T Z 一 ．I ．1 0 9 一 Z M一 6 。 [ 作者简介]武士杰 1 9 8 1 一 ，男，河南濮阳人，助理工程师，主要从事反井钻机、破岩刀具的研究工作。 8 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 武士杰等 高压耐磨双金属 复合冶金楔 齿滚刀 的研制 2 0 1 1年第 2期 2 楔齿滚刀复合冶金铸造工艺与试制 楔齿滚刀破岩钻进过程中，刀齿部分为破岩主 体 ，直接接触岩石，刀齿齿顶在小能量 、多冲击载 荷条件下 ，不仅需要具有一定的强度 ，而且要求有 较高的耐磨性能 ，以抵抗磨粒磨损 ，同时刀齿齿根 和刀壳心部则要求韧性 、强度 、可加工性等综合性 能 ，才能抵抗剪切岩石时的弯曲应力和冲击。 目前 ，楔齿滚刀刀壳加工多采用整体铸造工艺 形式 ，其主要问题是滚刀刀壳的加工性和硬度难以 同时保证 ，若整体采用高耐磨材料将使刀体材料与 机加工成本加大 ，若整体采用易切削的低合金钢则 会降低滚刀的耐磨性。采用单一金属材料铸造很难 同时满足以上条件 。 因此 ，设计采用双金属复合材料离心铸造工艺 可有效解决上述问题 ，即将高强度耐磨钢与低碳合 金钢的铸造合金分别熔化后 ，按特定 的浇注方式或 浇注系统 ，先后浇入同一铸型内凝固成型的双金属 复合铸造工艺 ，不仅可保证楔齿滚刀的外工作面有 足够的强度 、硬度和良好 的韧性 ，能忍受压入岩石 的压力和破岩时必然存在 的震动与短时超载，同时 也可保证滚刀刀壳内部有 良好 的工艺性能。 双金 复合 材料 浇注需要严格控制 钢水 出炉温 度 、终止温度 、浇注速度 、浇注量 、离心机旋转速 度等参数。较高的浇注温度使离心机外壳穿透 ，较 低的浇注温度使材料不易成型和结合 、材料 内部致 密性不足 ；离心机旋转速度快慢直接影响内部材料 的均匀性 、韧性。温度和旋转速度的严格设定直接 影响刀壳材料浇注的成败。通过将 2种金属材料按 一 定配比、次序分别在 2个高温熔炉 内冶炼 ，待钢 水达到合适 的出炉温度后 ，先将一定量的刀齿材料 钢水注入离心机中，随后再将一定量的刀体材料钢 水注入离心机中，浇注过程 中离心机不停的以各种 速度旋转 ，使 刀齿 、刀体 部分依次 、逐渐 浇注成 型。新型高强耐磨楔齿形滚刀刀壳 ，见图 1 。 1 一高强度耐磨铸钢 刀齿 ；2 一双金属冶金结合面 3 一低碳合 金钢 刀体 图 1 新型高强耐磨楔齿形滚刀刀壳 经试制结果研究表 明双金属铸造材料粗加工 后 ，经淬火 、低温 回火等热处理后 ，刀齿部分硬度 可达 H R C 5 6～6 2 ，刀体部分硬 度为 HB 2 4 0～2 8 0 。 两种材料结合处 强度好 ，刀齿耐磨性有很 大地提 高，加工成本降低。 3楔齿滚刀高压密封结构设计 楔齿滚刀轴承密封结构多采用金属浮动封环密 封与平衡活塞补油密封共同组成 ，在滚刀使用过程 中起到密封储油补偿的效果 。楔齿破岩滚刀使用寿 命与密封结构 、密封材料 的材质及加工工艺有关。 滚刀密封结构中由于金属浮动密封环几何参数及端 面比压设计存在偏差 ，在压盖与轴 台肩处的迷宫密 封效果较差 ，往往会造成金属浮动密封与轴承套还 未完全达到设计耐压强度要求时 ，外部高压泥浆即 进入滚刀体 内部 ，导致金属密封迅速失效 。另外 ， 储油平衡活塞在外部压力作用下 ，沿储油腔内壁推 进以起到储油补偿作用 ，当储油平衡活塞到达储油 腔底部时，即失去补油功能，此时刀具轴承腔 内润 滑油液流失 ，外部泥浆及岩渣逐渐进入轴 承腔 内， 加速轴承磨损 ，致使破岩滚刀报废。 为了 保 证 破 岩 滚 刀 在 钻井 深度 达 到 8 0 0～ 1 0 0 0 m时，耐压性能可 达 8～1 0 MP a的性 能要 求 ， 结合对楔齿滚刀密封失效原因的分析与实践 ，对现 有楔齿滚刀密封结构进行 了改进设计 图 2 ，即 将滚刀压盖与轴 台肩处的迷宫密封更改，增设一辅 助密封组合 ，增加可补偿压力的 “ 0”型橡胶密封 圈与柔性支撑环共同组成 的一道密封结构 图 3 。 7 6 5 4 3 2 l 1 一 刀轴 ；2 辅助密封组合 ；3 一金属密封环 ； 4 一螺纹套 ；5 一轴承套 ；6 一平衡活塞 ；7 一破岩刀壳 图2 楔 齿滚刀 密封结构 改进设计 辅助密封组合可使得金属密封环与轴承套之间 的密封接触面磨合时间延长 ，即在金属浮动密封环 发挥密封功效之前 ，首先会对外部泥浆介质产生很 好的阻尼作用 ，在短时间内最大限度减少润滑油泄 漏量 ，使滚刀内外腔压差趋于平衡 ，确保金属密封 装置能按设计 比压运转 ，保证滚刀 的正常使用。随 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 9 9期 煤 矿 开 采 2 0 1 1 年第 2期 1 一 轴 承 套 ；2 一 L型 支 架 ； 3 0型补偿 密封圈 ；4 一螺纹套 ；5 --压盖 图 3 辅助密封组合结构放 大 着柔性支撑环的磨损加剧 ，其内部的 “ O”型圈将 会在弹性变形内补偿其压力损失 ，以形成良好的外 部密封结构 。在此期间，金属浮封环和轴承套之间 的研合面经过实际工作环境中的润滑和磨合 ，克服 制造精度带来的不稳定性 ，即可达到滚刀设计耐压 密封要求。可使得楔齿滚刀在钻进工作后期 ，尤其 在辅助密封组合磨损失效的情况下仍能够保持滚刀 的密封效果，从而延长滚刀的工作寿命。 4结论 1 以高强度 耐磨性 复合材料为基体 的楔齿 破岩滚刀 ，不仅提高了滚刀的耐磨性能 ，同时增加 了滚刀体内部的韧性与可加工性 ，有效延长了楔齿 滚刀的使用寿命 。双金属复合材料冶金离心铸造工 艺取代了传统滚刀制造工艺 ，不仅可创造良好 的经 济效益 ，也为钻井法的推广和应用提供 了很好的发 展前景。 2 新型密封组合结 构很好地保护 了楔齿滚 刀 内部结构的完整性 ，使主轴、轴承等零部件得到 了充分的润滑和清洁的环境 ，从而保证 了刀轴内部 结构与破岩刀齿部分寿命的同步 ，减少了因更换滚 刀引起的工期拖延、材料费增加等不利因素 ，为深 井钻井作业奠定 了基础。 [ 参考文献] [ 1 ]洪伯潜 ．我 国深井 快速建井综 合技术 [ J ]．煤 炭科学技 术 ， 2 0 0 6 1 8 - l 1 ． [ 2]张永成 ，孙杰，王安 山 ．钻井技术 [ M]．北京 煤炭工业 出版社 ．2 0 0 8 ． [ 3]武士杰 ，王强 ，吴吴 ，等 ．破岩滚 刀密封失效 原 因分 析 与防治 [ J ]．中国矿业 ，2 0 0 8 1 1 ． [ 4 ]杜成林 ，孔凡让 ，胡永乐 ．硬岩钻井滚 刀密封结构 改进技术 研究[ J ]．现代制造工程 ，2 0 1 0 4 1 0 7 1 1 0 ． [ 5 ] 夏鹏举 ，阎竹梅 ，等 ．离心 铸 造高 铸铁 复 合 轧辊 试验 研 究 [ J ]．铸造技术，2 0 0 7 6 ． [ 6 ]李继祥 ．耐磨合金滚刀壳 的生产工艺[ J ]．淮北职业技术 学 院报 ，2 0 0 5 3 9 4 9 5 ． [ 7 ]张 国赏 ，高义民，刑建东 ，等 ．钢／ 铁双金属复合材料 的离心 铸造工艺及界面控制[ J ]．西安交通 大学学报 ，2 0 0 6 7 ． [ 责任编辑 王兴库] 乖出 希 蒋 不 不 北 不 希 希 上接 2 2页 提高材料材质性能 ，提高锚杆抵抗 应力腐蚀 的能 力 ，防止螺纹脆性断裂带来的危害。 4 必须提高改进锚杆螺纹加工技术和工艺 ， 提高锚杆螺纹加工质量 ，防止出现加工损伤。 5 应积极探索拉伸方式 、安装锚 杆的设备 和工艺 ，改善锚杆受力状态。 [ 参考文献 ] [ 1 ]鞠文君 ，康红普 ．我 国煤矿巷道锚固新技术『 A]．中国岩石 力学与工程学会第七次学术大会论 文集[ C]． 2 0 0 2 ． [ 2 ]康红普 ，王金华 ．煤巷锚 杆支护 理论 与成套 技术 [ M]．北 京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 7 ． [ 3 ]林健 ，康 红普 ．螺纹钢树脂 锚杆 的研 究现状 与趋势 [ J ]， 煤矿开采 ，2 0 0 9 ，1 4 4 1 4 ． [ 4 ]吴拥政 ．锚杆杆体 的受力状 态及支护作 用研究 [ D]．北京 煤炭科学研究 总院，2 0 0 8 ． [ 5 ] 中国航空材料研究 院 ．应力强度因子手册[ M]．北京 科学 出版社 ，1 9 9 3 ． [ 6 ]束德林 ．工程材料力 学性 能 [ M]．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 责任编辑 林健] 上 接 2 8页 [ 2 ]李 白英 ．预防矿井底板突水 的 “ 下 三带” 理论及其发 展与应 用 [ J ]．山东科技大学学报 自然科学版 ， 1 9 9 9， 1 8 4 [ 3 ]魏久传，李 白英 ．承压水上采煤安全性 评价 [ J ]．煤 田地质 与勘探 ，2 0 0 0 4 5 7 5 9 ． [ 4]施龙青 ，韩进 ．开 采煤 层底 板 “ 四带 ” 划分 理论 与实 践 [ J ]．中国矿业大学学报 ，2 0 0 5，4 2 1 1 6 2 3 ． [ 5 ]张心彬，程久龙，李丽，等 ．多源信息融合技术在矿井奥 灰突水预测中的应用[ J ]．测绘科 学 ，2 0 0 6 6 l 4 6 1 4 8 ． [ 6 ]武强 ，张志龙 ，张生 元 ，等 ．煤层底板 突水评 价的新 型实 用方 法 Ⅱ脆 弱 性 指 数 法[ J ]．煤 炭 学 报 ，2 0 0 7 ，3 2 9 0 1 1 1 1 21 1 1 2 6 ． [ 7 ]王炜 ，马 钦忠 ．主成 分分 析法 在地 震 预测 中的 应用 研究 [ J ] 中国地震 ，2 0 0 5，2 1 3 3 3 9 4 1 5 ． [ 8 ]陈香菱 ，魏久传 ，隋岩刚 ．兖州 矿区下组煤 开采底 板突水危 险性评价 [ J ]．山东科技大学学报，2 0 0 8，2 7 2 1 0 一l 3 ． [ 9 ]陈书琴 ，许秋瑾 ．主成分分析赋 权及其在水 质评价灰 色模型 中的应 用[ J ]．昆 明理 工 大学 学 报 理 工 版 ，2 0 0 8 ，3 3 2 7 7 8 O ． [ 】 0 ]李永振 主成分分析法在汶川地震 预测中的应用 [ J ]．四川 地震 ，2 0 0 9 2 2 l 一 2 5 ． [ 责任编辑 李宏艳】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m