錢程遠(yuǎn),王 瑜,張 凱,劉寶林,王志喬,王立廣
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院,北京 100083; 2.國(guó)土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)
井下動(dòng)力鉆具主要包括渦輪鉆具和螺桿鉆具,廣泛應(yīng)用于定向、造斜、扭方位、側(cè)鉆、套管開(kāi)窗等鉆井作業(yè)。動(dòng)力鉆具機(jī)械鉆速高,地層適應(yīng)性好,在美國(guó),60%的定向井由螺桿鉆具完成,俄羅斯的渦輪鉆井年進(jìn)尺則占到總進(jìn)尺的75%以上[1]。然而,動(dòng)力鉆具的支承節(jié)是其薄弱的環(huán)節(jié),支承節(jié)軸承的壽命嚴(yán)重制約了動(dòng)力鉆具的整體使用壽命。普通渦輪鉆具推力軸承的工作壽命在150 h以內(nèi),螺桿鉆具推力軸承的推薦更換周期只有60~80 h[2],在深井中則壽命更短,需要頻繁起升鉆桿更換軸承,浪費(fèi)大量時(shí)間,降低了工作效率。為提高動(dòng)力鉆具使用壽命,降低單位進(jìn)尺成本,需加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力鉆具軸承的研究,不斷改良適用各種動(dòng)力鉆具的軸承,提高軸承壽命。
本文詳細(xì)調(diào)研了動(dòng)力鉆具中常用的幾種軸承,包括推力球軸承、聚晶金剛石(PCD)軸承和徑向硬質(zhì)合金(TC)軸承,并從材料優(yōu)選,結(jié)構(gòu)改進(jìn),制造工藝的角度分析了井下軸承的關(guān)鍵技術(shù),探索了未來(lái)軸承的發(fā)展方向,為其選用提供參考。對(duì)研究提高井下軸承使用壽命,進(jìn)而提高動(dòng)力鉆具整體水平有重要意義。
止推軸承連接上部靜止的鉆桿柱和旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)軸。動(dòng)力鉆具在高速工作中,止推軸承狹小的工作面上作用了巨大的軸向荷載和波動(dòng)的沖擊荷載,導(dǎo)致軸承極易壓潰損壞。另外工作溫度超過(guò)100 ℃,以及泥漿的腐蝕和硬粒的擠壓,均會(huì)加速軸承的磨損,對(duì)軸承的使用壽命造成影響。目前動(dòng)力鉆具中應(yīng)用廣泛的止推軸承有推力球軸承和PCD推力軸承。
目前國(guó)內(nèi)渦輪鉆具主要使用的是串聯(lián)組合的推力球軸承,該種軸承能夠承受巨大的軸向載荷,主要有3種類型:4支點(diǎn)推力球軸承、圓弧滾道推力球軸承和推力向心球軸承。3種軸承均屬于軸徑向推力軸承,不僅能承受軸向的大荷載,也能夠承受部分來(lái)自徑向的荷載。在渦輪鉆具中,常由5~13級(jí)軸承串聯(lián)成軸承組并聯(lián)承受軸向荷載。4支點(diǎn)球軸承的結(jié)構(gòu)如圖1所示,在一級(jí)軸承中,滾珠被內(nèi)外隔離環(huán)控制,沿著互成120°的4條錐面跑道滾動(dòng),形成4個(gè)支點(diǎn),因此得名4支點(diǎn)推力球軸承[3]。圓弧滾道推力軸承的結(jié)構(gòu)類似于4支點(diǎn)推力軸承,區(qū)別在內(nèi)外圈增加了圓弧滾道。推力向心軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也類似于4支點(diǎn)推力軸承,增加了減振裝置,提高了減振能力,但是因此而體積大,整體剛度有所降低[4]。
圖1 支點(diǎn)推力球軸承結(jié)構(gòu)示意圖
關(guān)于推力球軸承的研究包括以下幾個(gè)方面。
1.1.1 承載能力
以螺桿鉆具為例,推力軸承在工作時(shí)承受的靜鉆壓范圍為60~150 kN,由于鉆具的振動(dòng),實(shí)際鉆壓有波動(dòng),峰值可以達(dá)到靜鉆壓的3.5倍以上[5-6],因此對(duì)推力軸承承載力的計(jì)算校核十分重要。在滾動(dòng)軸承中,對(duì)承載能力起決定作用的是接觸應(yīng)力的大小和均載性[7]。常用赫茲(Hertz)理論求解推力球軸承的接觸問(wèn)題,赫茲理論描述2個(gè)具有曲率的物體在外力作用下相互擠壓接觸的情況,通過(guò)赫茲接觸應(yīng)力計(jì)算發(fā)現(xiàn),4支點(diǎn)球軸承的初始最大接觸應(yīng)力高,接觸面積??;圓弧滾道與推力向心球軸承的初始接觸應(yīng)力較低,接觸面積大。采用有限元軟件模擬分析得出,螺桿鉆具多列向心推力球軸承能有效地分擔(dān)軸向載荷,每層軸承的各個(gè)滾球受力相對(duì)均勻;軸承上、下兩端的內(nèi)圈、外圈及滾球所承受的載荷較大,最容易破碎。
1.1.2 磨損與壽命預(yù)測(cè)
滾動(dòng)軸承組的磨損取決于鉆井液潤(rùn)滑性能、軸向載荷和鉆具轉(zhuǎn)速,泥漿中的硬磨粒會(huì)加劇軸承的磨損速度[8]。滾動(dòng)軸承組的失效主要是由泥漿固相顆粒在機(jī)械作用下引起鋼球表面和軸承支座的磨粒磨損。磨粒磨損是外界硬質(zhì)顆?;蛴脖砻娴奈⒎逶谀Σ粮睂?duì)偶表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引起表面擦傷與表面材料脫落的現(xiàn)象,磨粒磨損的機(jī)理是磨粒的犁溝作用,是一個(gè)微觀的切削過(guò)程。軸承組在工作后漸漸磨損,軸承內(nèi)外圈座在軸向載荷的作用下開(kāi)始產(chǎn)生相對(duì)位移,當(dāng)軸承內(nèi)外圈相對(duì)位移與渦輪節(jié)定轉(zhuǎn)子間隙相等時(shí),軸承組失效,如圖2所示。
圖2 推力球軸承磨損示意圖
國(guó)內(nèi)學(xué)者從相互滑動(dòng)表面的磨損計(jì)算基本思路出發(fā),結(jié)合渦輪鉆具的具體工況條件和軸承組受載情況,導(dǎo)出了渦輪鉆具推力球軸承組磨粒磨損壽命預(yù)測(cè)公式[9]。對(duì)渦輪鉆具推力球軸承的室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)表明,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,該公式具有可行性。
(1)
式中:T----使用壽命,h;H----組合磨損量,mm;P----鋼球載荷,N;γ----接觸點(diǎn)磨損率;K----工況系數(shù);α----軸承接觸角,(°)。
1.1.3 變形分析
推力球軸承組在受到軸向荷載時(shí)會(huì)發(fā)生軸向變形,當(dāng)軸承組內(nèi)外圈位移過(guò)大時(shí)就會(huì)對(duì)渦輪鉆具定轉(zhuǎn)子軸向間隙造成影響[10],這與軸承磨損造成的后果是一樣的。因此,軸承組變形分析對(duì)指導(dǎo)渦輪鉆具裝配間隙調(diào)整有指導(dǎo)意義。目前的研究手段是利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模擬仿真,計(jì)算時(shí)只考慮接觸變形的作用。通過(guò)仿真得到的軸向力與軸向變形的曲線如圖3所示。
滑動(dòng)止推軸承一般采用開(kāi)式潤(rùn)滑,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定,金屬-橡膠止推軸承曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于渦輪鉆具。隨著驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)展,以及滑動(dòng)軸承啟動(dòng)力矩過(guò)大的弊端,金屬-橡膠止推軸承不能滿足工況的要求,人們又將注意力轉(zhuǎn)向滾動(dòng)軸承。近些年來(lái),隨著金剛石推力軸承和流體動(dòng)壓軸承的出現(xiàn),滑動(dòng)止推軸承重新回到人們的視野。
圖3 軸承組受軸向力和軸向變形關(guān)系曲線
1.2.1 金屬-橡膠滑動(dòng)軸承
前蘇聯(lián)渦輪鉆井采用了大量金屬-橡膠止推軸承,結(jié)構(gòu)如圖4所示,每個(gè)單體的止推軸承包括一個(gè)在環(huán)形橡膠墊上滑動(dòng)的金屬盤,橡膠墊上有徑向沖洗溝槽。金屬盤裝在驅(qū)動(dòng)軸上并用間隔套分隔開(kāi),橡膠硫化或鑲嵌在其支座上。金屬-橡膠滑動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)與軸承表面的性質(zhì)、比載荷、轉(zhuǎn)速、泥漿沖洗液、溫度等有關(guān)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,最好的表面硬化鋼和中等硬度的橡膠搭配使用效果最好;軸承的磨損隨著溫度的升高而增大,金屬盤和橡膠的磨損與溫度的關(guān)系如圖5所示。
圖4 金屬-橡膠止推軸承
1.2.2 金剛石軸承
天然金剛石是等軸面立方晶系,晶面沿特定的方向受沖擊易發(fā)生碎裂,因此需要將大量的金剛石顆粒按晶向定向排列,形成聚晶金剛石(PCD)[11]。PCD具有高硬度,高耐磨,摩擦系數(shù)小及導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)。PCD軸承具有良好的使用前景,理論上可以達(dá)到3000 h以上的使用壽命[12-13],國(guó)外已有一定的PCD軸承的現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)(見(jiàn)表1)。制造PCD止推軸承有兩大難點(diǎn):一是PCD復(fù)合片的燒結(jié)成形,PCD材料在軸承工作中需要坐在碳化鎢基體上,即先制備成聚晶金剛石復(fù)合片,以提高整體的抗沖擊韌性,US Synthetic公司專利的PCD燒結(jié)技術(shù),在6890 MPa,1400 ℃及液態(tài)金屬催化劑的作用下進(jìn)行燒結(jié),效果優(yōu)越。二是PCD復(fù)合片之間平面度的保證,PCD復(fù)合片平面度過(guò)低,容易導(dǎo)致軸承在工作時(shí)PCD片與片之間發(fā)生咬合,磕碰掉塊,降低穩(wěn)定性,嚴(yán)重影響軸承使用壽命。常規(guī)的釬焊技術(shù)難以保證足夠高的平面度,國(guó)內(nèi)研究了PCD軸承的加壓粘結(jié)工藝[14],現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明,加壓粘結(jié)工藝比釬焊技術(shù)能獲得更高的平面度,可靠性更好。
圖5 止推軸承磨損與溫度的關(guān)系
表1 國(guó)外金剛石軸承使用情況
國(guó)內(nèi)的PCD軸承尚處于研究階段,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)設(shè)計(jì)了新型的PCD止推軸承結(jié)構(gòu),主要由動(dòng)盤、靜盤、外套、碟簧、底座等組成,如圖6所示。動(dòng)盤和靜盤上都通過(guò)冷鑲的方式鑲嵌了一定數(shù)量的聚晶金剛石復(fù)合片,其中動(dòng)盤鑲嵌25個(gè),靜盤26個(gè),復(fù)合片數(shù)量不同保證了兩盤復(fù)合片相互錯(cuò)開(kāi),從而避免了復(fù)合片發(fā)生咬合。軸承運(yùn)行過(guò)程中,動(dòng)盤和鉆具轉(zhuǎn)軸固定在一起,并隨之轉(zhuǎn)動(dòng);靜盤軸向固定在外套上,外套則和鉆具外殼固定。實(shí)驗(yàn)表明,該種PDC止推軸承振動(dòng)小,性能穩(wěn)定,有較高的使用壽命。
圖6 PCD軸承
扶正軸承連接外殼與驅(qū)動(dòng)軸,在動(dòng)力鉆具中起徑向扶正的作用。當(dāng)鉆具鉛垂鉆進(jìn)時(shí),扶正軸承僅有少量磨損,徑向阻力矩可忽略不計(jì)。當(dāng)鉆進(jìn)斜井甚至大角度水平井時(shí),扶正軸承某側(cè)受到徑向摩阻力。由于扶正軸承內(nèi)外圈有一定的空隙,軸承會(huì)偏心工作,另外,工作中材料受力變形,會(huì)加劇扶正軸承的偏心效果,從而產(chǎn)生附加側(cè)向應(yīng)力。在螺桿鉆具中,扶正軸承還需要承受鉆頭及萬(wàn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)向力。從而加速軸承的磨損,導(dǎo)致扶正效果降低,并可能造成卡阻,影響動(dòng)力鉆具的輸出效率[15]。扶正軸承有TC滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承兩種,目前主要使用TC軸承。
TC軸承如圖7所示,內(nèi)圈固定于驅(qū)動(dòng)軸上,它與固定于定子外殼的外圈之間有一定的間隙,內(nèi)圈上有耐磨硬質(zhì)合金塊,外圈上開(kāi)有溝槽,可通過(guò)泥漿,對(duì)軸承進(jìn)行沖洗和潤(rùn)滑。
圖7 TC軸承結(jié)構(gòu)示意圖
泥漿中夾帶的固相顆粒對(duì)軸承內(nèi)外圈沖刷,是造成TC軸承磨損失效的主要原因,需分析軸承內(nèi)外圈的接觸應(yīng)力問(wèn)題。由于軸承內(nèi)外圈兩接觸圓柱面的半徑幾乎相等,赫茲接觸理論不再適用。對(duì)TC軸承內(nèi)外圈的非赫茲接觸彈性接觸問(wèn)題的研究表明[16],內(nèi)外圈的彈性接觸存在兩端接觸應(yīng)力較高,中間接觸應(yīng)力低但較均勻的現(xiàn)象,這對(duì)磨損不利,需要對(duì)外圈內(nèi)孔的兩端邊緣作修正處理,降低兩端峰值。對(duì)軸承套長(zhǎng)度的研究表明[17],TC軸承套的長(zhǎng)度與傳動(dòng)軸的承壓能力成線性相關(guān),與鉆頭水眼壓降成反比。復(fù)合鉆井時(shí),要注意軸承套總長(zhǎng)度與水眼尺寸的配合,以最大程度地提高傳動(dòng)軸的承壓能力和鉆頭水眼壓力。
動(dòng)力鉆具扶正軸承的關(guān)鍵技術(shù)之一是摩擦工作面的材料及其制作工藝,表2[18]總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外部分動(dòng)力鉆具扶正軸承摩擦面技術(shù)和特點(diǎn)。調(diào)研發(fā)現(xiàn),動(dòng)力鉆具軸承摩擦面以硬質(zhì)合金為主,即TC軸承,改變包裹基體或調(diào)整燒結(jié)技術(shù)可以制造不同特性的軸承。
表2 國(guó)內(nèi)外部分扶正軸承摩擦面技術(shù)及其特點(diǎn)
從前蘇聯(lián)應(yīng)用于渦輪鉆具EhKTB樣機(jī)上帶潤(rùn)滑的滾珠止推軸承發(fā)展到今天,動(dòng)力鉆具軸承無(wú)論是材料還是結(jié)構(gòu)形式都發(fā)生了很大的變化。井下鉆具軸承因其特殊的使用環(huán)境,對(duì)軸承提出的要求更為嚴(yán)格,總結(jié)井下軸承的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向主要有以下幾點(diǎn)。
材料的發(fā)展帶動(dòng)著軸承的發(fā)展,軸承材料的優(yōu)選往往能起到事半功倍的效果。動(dòng)力鉆具軸承材料需要具有高的表面硬度,高耐磨性,高強(qiáng)度,高剛度和良好的韌性,以及耐高溫和耐腐蝕的能力。目前常用的軸承材料見(jiàn)表3。
表3 推力球軸承材料[19]
除了傳統(tǒng)的軸承合金鋼,還有許多新興的軸承材料,典型的有前文提到的聚晶金剛石(PCD)材料,另外還有陶瓷材料。陶瓷軸承材料主要有氮化硅,氧化鋯,碳化硅3種。陶瓷材料本身具有很多突出的優(yōu)點(diǎn),如不怕腐蝕,質(zhì)量輕,高耐磨,受力不易變形等,因此陶瓷軸承常應(yīng)用于高精度或特種作業(yè)中。陶瓷軸承應(yīng)用到動(dòng)力鉆具中,還需要不斷改進(jìn)配方,以提高陶瓷抗疲勞,抗沖擊的能力。
止推軸承主要承受旋轉(zhuǎn)摩擦和軸向載荷,這兩種載荷之間相互影響,改善軸承的接觸條件,可以有效降低軸向載荷和摩擦力,提高軸承壽命,如國(guó)內(nèi)外已在開(kāi)發(fā)動(dòng)壓軸承應(yīng)用于孔下動(dòng)力鉆具。
動(dòng)壓軸承是一種建立在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論上的新型軸承,具有高的承載力以及低的摩擦系數(shù)。流體動(dòng)壓潤(rùn)滑是指相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦表面充滿了潤(rùn)滑劑,相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得潤(rùn)滑劑具有足夠的壓力支撐起兩個(gè)摩擦表面,從而使接觸的摩擦轉(zhuǎn)化為非接觸摩擦,大大減少了摩擦副的磨損和摩擦阻力。動(dòng)壓油膜能夠提供極高的承載力,可以有效地支承動(dòng)力鉆具中來(lái)自軸向的載荷,而避免磨損。流體在潤(rùn)滑的過(guò)程中不斷帶走熱量,減少高溫對(duì)軸承造成的損傷。另外,液體的非接觸摩擦取代接觸摩擦,給動(dòng)力鉆具的旋轉(zhuǎn)工作帶來(lái)更高的穩(wěn)定性[20]。
動(dòng)壓軸承技術(shù)的關(guān)鍵在于動(dòng)壓油膜的形成。動(dòng)壓油膜的形成與轉(zhuǎn)速和流體粘度有關(guān),只有當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定值時(shí),滑動(dòng)的摩擦面間才會(huì)產(chǎn)生潤(rùn)滑作用,因此提出啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的問(wèn)題;粘度過(guò)小,滑動(dòng)面之間容易發(fā)生干接觸,接觸面間的應(yīng)力增大。流體與摩擦面間的粘附作用也需要進(jìn)一步研究。
對(duì)軸承或軸承組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)也是提高軸承使用可靠性和壽命的重要手段。最早使用的滾動(dòng)推力軸承采用油潤(rùn)滑,但是難以實(shí)現(xiàn)良好的密封,因此逐漸改為了采用泥漿潤(rùn)滑的開(kāi)式結(jié)構(gòu),并去除了軸承的內(nèi)外環(huán)。以美國(guó)貝克公司為代表的止推軸承采用了充油密封平面滾柱軸承,但是該軸承只適于低速螺桿鉆具。上海石油化工機(jī)械技術(shù)研究所研制的多盤結(jié)合式推力球軸承,改變了軸承的受力狀態(tài),減少了磨損與毀壞,該軸承在轉(zhuǎn)速>550 r/min的螺桿鉆具中,使用壽命超過(guò)了100 h。SKF公司通過(guò)調(diào)整軸承各列間的間隙,使各組軸承的受力更為均勻;使用圓柱滾子代替滾珠,大大降低了滾動(dòng)體的工作應(yīng)力;采用減振裝置,減少了軸向載荷的波動(dòng)量。
熱處理工藝是軸承制造的關(guān)鍵。近年來(lái)又開(kāi)發(fā)了軸承表面激光處理技術(shù),軸承表面經(jīng)激光強(qiáng)化處理后,支撐節(jié)軸承平均使用壽命達(dá)300 h,為普通渦輪鉆具支撐節(jié)的2.5倍。在金屬橡膠滑動(dòng)止推軸承方面,為了提高金屬止推盤的抗磨性,前蘇聯(lián)采用了等離子體強(qiáng)化技術(shù)。等離子體強(qiáng)化技術(shù)可使金屬止推盤和耐磨性提高5~7倍,使零件的翹曲度變形很小,使精加工的工作量變少,有利于組織批量生產(chǎn)。據(jù)1986年以來(lái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)表明,等離子體強(qiáng)化技術(shù)處理過(guò)的金屬橡膠止推軸承的渦輪鉆具,平均使用壽命為371 h,比普通渦輪鉆具的檢修周期延長(zhǎng)了4.69倍?,F(xiàn)在,該技術(shù)也應(yīng)用到渦輪鉆具徑向扶正軸承金屬套和螺桿鉆具部分摩擦副的強(qiáng)化處理之中。
在軸承的加工制造方面,國(guó)內(nèi)與國(guó)外有很大的差距。國(guó)內(nèi)行業(yè)生產(chǎn)集中度過(guò)低,全國(guó)前10位的軸承廠家總的市場(chǎng)份額還不到30%,小廠家林立,市場(chǎng)環(huán)境惡劣,造成國(guó)內(nèi)的軸承制造水平始終上不去,研發(fā)和創(chuàng)新能力低,生產(chǎn)線自動(dòng)化水平低。
(1)推力球軸承承載能力強(qiáng),摩擦系數(shù)小,現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)豐富,仍將占據(jù)動(dòng)力鉆具推力軸承的主導(dǎo)地位。但其不耐磨損,易壓潰,點(diǎn)蝕,變形,使用壽命太短,嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)成本。需要加強(qiáng)對(duì)軸承材料的開(kāi)發(fā)研究,加強(qiáng)材料的表面硬度,心部韌性,以及抗疲勞接觸強(qiáng)度,不斷改進(jìn)推力球軸承結(jié)構(gòu),增加整體使用壽命。
(2)金剛石軸承和流體動(dòng)壓推力軸承有很好的應(yīng)用前景。國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)使用的金剛石止推軸承壽命已經(jīng)超過(guò)了250 h,國(guó)內(nèi)尚有一定的差距,金剛石軸承制造工藝仍不成熟,需完善PCD復(fù)合片的燒結(jié)成型技術(shù),以及提升軸承平面度。
流體動(dòng)壓潤(rùn)滑是未來(lái)滑動(dòng)軸承的發(fā)展趨勢(shì),應(yīng)盡快設(shè)計(jì)出動(dòng)力鉆具適用的流體動(dòng)壓軸承,以提高動(dòng)力鉆具整體使用可靠性和壽命。
(3)徑向TC軸承不僅平衡徑向應(yīng)力,軸套的長(zhǎng)度還與傳動(dòng)軸承壓能力和鉆頭水力壓降線性相關(guān)。硬質(zhì)合金與基體的燒結(jié)工藝落后于國(guó)外,需創(chuàng)新工藝技術(shù),達(dá)到較高的成品質(zhì)量,并降低制造成本。
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