METHOD OF MAKING CERAMIC CYLINDER LINERS FOR WELL PUMPS FOR GEOLOGICAL DRILLING

Abstract: 1. Method for the production of ceramic-cylinder sleeves of boring pumps for geological drilling, wherein a ceramic liner is produced with a maximum diameter of 180 mm, a maximum length of 280 mm, a wall thickness of 2-15 mm, an aluminium oxide content of at least 96%, a tensile strength of a least 3000 N/mm**2, and a heat resistance of at least 1600 degrees C and is fixed in a cylinder sleeve for example through a shrinkage process, characterized in that the ceramic suspension is shaped into a pot with a closed bottom and then is burnt in the first phase of burning-out at a temperature of 1450-1500 degrees C to a rest porosity value of 3-6%, that then the pre-burnt ceramic body is formed to the specified inside and outside dimensions of the ceramic liner, and then the second phase of burning-out ist done at a temperature of 1500-1700 degrees C, wherein the closed bottom part of the ceramic body having a pot form is cut away before inserting the ceramic liner into the cylinder sleeve.

Description: Verfahren zum Herstellen von Keramik-Zylinderhülsen für Bohrungspumpen für geologische Borungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Keramik-Zyllnderhülsen für Bohrungspumpen für geologische Bohrungen. Wie bekannt, verwendet man bei geologischen Bohrungen (Waser, Öl, Bauxit, usw.) die Bohrungspumpen für das Einpressen von Spül-Bohrungslösungen oder von Wasser in die Bohrung, oder in anderen Fällenwerden diese Pumpen, besonders bei Gruben, zum Absaugen des Gruben wassers verwendet. Es ist weiter bekannt, dass die Pumpen für geologische Bohrungen als von aussen angetriebene, horizontal angeordnete, zweizylindrige Geräte mit dop peltwirkenden Zylindern aufgebaut sind, in welchen ein Zahnrad-Reduktor eingebaut ist. Die theoretische Leist-ungsfähigkeit und der maximale Druck dieser Pumpen hängt immer von dem inneren Durchmesser der Zylinderhülsen ab: ihre Werte betragen bei Durchmessern von 80, 90, 100 mm: 13,5, 18, 23,4 m /h; 6,2, 4,9, 3,9 MN/mê. @@@@@@@ ges@@@@ene Bohrungen verwendeten Pumpenanlagen können in zwei Hauptgruppen aufgeteilt werden. Für Pumpen mit kleinen Leistungen wurden mit Rücksicht auf die oben er wähnten hohen Druck werte, zwecks Verminderung der Reibung sowie zwecks Erhöhung der Lebensdauer der Pumpen solche Zylinderhülsen entwickelt, in weiche druck- und reibungsfeste keramische Hülsen eingesetzt sind. Die Keramik ermöglicht nämlich eine Erhöhung der Lebensdauer gegenüber aus Stahl hergestellten Zylinderhülsen um das 5-lOfache. Bei Hochleistungspumpen war die Anwendung von Keramikhülsen bisher nicht möglich. Die Länge der Zylinderhülsen von grossen Pumpenanlagen bzw. der Hochlertungspumpen liegt ungefähr bei 270 mm bei einem Durch messer von 80- 761} mm. Diese Abmessungen waren bei Herstellung von Kera- mikhuJsen, wegen Formungsproblemen, Einhalten der vorgeschriebenen Tole rang werte und Handhabung von entsprechenden Porositäts-Härteparame terÇorderungen bei einer Serienproduktion nicht realisierbar. Laut bisherigen Versuchen sind im Verlauf des Ausbrennens der Keramik unvermeidbar zustandegekommene Ovalitäten in den meisten Fällen nur durch tagelang dauerndes Schleifen ausgleichbar. Die Herstellung von Keramikkörpern grosser Abmessungen mit sehr strengen Toleranzparametern wurde auch dadurch erschwert, dass Einrichtungen zum Einhalten von engen Toleranzbereichen nicht zur Verfügung standen. Es ist nämlich wohlbekannt, dass auch die modernsten Extruder nur maximal bis zu Längen von 160L150 mm bei einer maximalen Wanddicke bis zu 10 mm effektiv sind. Wegen der oben erwähnten technologischen Schwierigkeiten hat man bei Hochleistungspumpen zur Erhöhung der Lebensdauer der Zylinderhülsen anstelle von Keramikbüisen besonders harten und reibungsfesten Stahl verwendet, wobei (ne Oberfläche mit einer Hartschicht, z.B. durch ein Zementie rungsverfahren, Mtrldverfahren oder ähnliche Verfahren, die eine harte und reibungsfeste Oberfläche sicherstellen, versehen waren. Demzufolge konnte man die Lebensdauer von 48-50 Stunden bei unbehandelten Oberflächen dadurch dWe erwähnte Oberflächenbehandlung bis auf 200 Stunden erhöhen. Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, die Lebensdauer von Hochlei stungspumpen-Zylinderhülsen dadurch auf 80es 000 Stunden zu erhöhen, dass die Anwendung von Keramlkhülsen vorgeschlagen wird, die Im Sinne der Erfindung mit einem vorgeschriebenen Toleranzwert bzw. -bereich geformt werden können, derart, dass ein Toleranzbereich von 0,5-1,0 mm bei der Herstellung der rohrförmigen Keramikhülse bei der Serienherstellung eingehalten werden kann bzw. dass im Hinblick auf die vorgeschriebenen Aussen- und Innendurchmesser der Keramikhülse eine nachträgliche Bearbeitung des fertig gen Keramikkörpers erübrigt wird. Das Verfahren gemäss der Erfindung beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass - falls das Formen der Keramiksuspension in einem zylindrischen Topf mit geschlossenem Boden durchgeführt wird - dieser geschlossene Bodenteil den zylindrischen Teil des Keramikkörpers beim Schrumpfen Innerhalb von zugelassenen Toleranz grenzen hält, und zwar ohne Verzerrung der Formgestal. Zu dem Erfindungsgedanken gehört auch die Erkenntnis, dass dann, wenn die abgeformte Keramik-Suspension in der ersten Phase zuerst nur teilweise, d.h. bei einer Temperatur von 1400-1500 OC gebrannt wird, der Keramikkörper seine endgültige Festigkeit noch nicht erreicht, weil der Wert der Restporosität noch 3-6 % ist. Deswegen kann dieser noch nicht ganz ausgebrannte Keramikkörper leicht auf die gewünschten Abmessungen bearbeitet werden. Danach, in der zweiten, d.h. endgültigen Ausbrennphase wird der schon auf die gewünschte Form bearbeitete Keramikkörper bei einer Temperatur von 1500-1700 OC völlig ausgebrannt, und der geschlossene Bodenteil des topfförmigen Keramikkörpers wird mit einer Diamantscheibe abgestochen. Dieses Abstechen kann aber auch bereits nach dem ersten Brennzyklus durchgeführt werden. Nach unseren Erfahrungen liegen die Form-Deformationen, die aus der Endschrumpfung stammen, mit 95-98 % In dem zugelassenen Toleranzbereich. Vorzugsweise wird die Keramik-Einlage statt durch Einschrumpfung in die Zylinderhülse mit Hife von Vernetzungsepoxyharz in die Zylinderhülse eingeklebt und in dieser festgelegt. Nach unseren Erfahrungen nämlich ist der Zugfestigkeitswert von Tonerde mit minimal 96% Aluminiumoxidgehalt 25-30 kg/mm . Bei dickwandigen ? ist der maximal zulässige Innendruckwert bei Keramik 1/10 des Zugfestigkeitswertes, was einen zugelassenen Betriebsdruck von 250-300 kg/cm2 2 bedeutet. Da aber der effektive Betriebsdruck bei 30-100 kg/cm liegt, kann leicht eingesehen werden, dass die Anwendung einer Schrumpfverbindung be grunde entfallen kann und dass das Fixieren des Keramik-Rohres mit Epoxykunstharz einen annehmbaren Druckwert-Parameter sicherstellt. Das Einkle- ben der Keramikeinlage kann in vorteilhafter Weise auch dadurch unterstützt werden, dass zwischen der Zylinderhülse und dem Keramikrohr eine lockere Passung vorgesehen wird, die von dem Klebemittel ausgefüllt wird, wodurch eventuelle Abweichungen des äusseren Durchmessers der Keramikhülse leicht korrigierbar sind, so dass lange Schleifmassnahmen an der äusseren Oberfläche des Keramikkörpers berflüssig werden. Der wichtigste Vorteil des Verfahrens gemäss der Erfindung liegt darin, dass durch die Möglichkeit, die geologischen Hochleistungs-Bohrungspumpen mit Keramikhülsen zu versehen, eine Erhöhung der Lebensdauer von 200 Stunden auf einen Wert von 80S1000 Stunden erreicht wird. Ein weiterer grosser Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Zeit für eine nachträgliche Bearbeitung der Keramikhülsen der Pumpen kleiner Leistungen - ebenso wie bei den Keramikeinlagen für Hochleistungspumpen - um 1/10 vermindert werden kann. Es soll dabei aber betont werden, dass Keramikeinlagen fur Hochleistungspumpen in Serienproduktion bisher noch nicht verwendet werden konnten. Als wesentlicher Vorteil soll noch betont werden, dass ein Einkleben des Keramikkörpers im Sinne des Verfahrens gemäss der Erfindung ein Abschleifen der äusseren Zylindroberfläche völlig erübrigt. Das Verfahren gemäss der Erfindung wird nachstehend anhand von Ausfüh rungsbeispieien näher erläutert. Beispiel 1 Für Bohrungspumpen für geologische Bohrungen werden Zylinderhülsen mit Keramikeinlage hergestellt. Die Herstellung der Keramikelniage, die in die vorher angefertigte Stahikonstruktion der Pumpe eingebettet wird, wird im ersten Verfahrensschritt in Form eines Topfes mit geschlossenem Boden durch Gips form ung der Keramiksuspension mit einem minimalen Aluminiumoxidgehalt von 96 % durchgeführt. Die in dieser Weise abgeformte Keramik- Suspension wird im ersten Brennzyklus bei einer Temperatur von 1450 OC so lange gebrannt, bis der Restporositätswert auf 3-6 % eingestellt ist. Da der Keramikkörper bei dieser Temperatur seine endgültige Härte noch nicht erreicht, kann der aus dem Ofen herausgenommene und abgekühlte Keramikkörper entsprechend den vorgeschriebenen endgültigen Abmessungen leicht bearbeitet werden. Danach wird der Keramikkörper im Ofen im Verlauf eines zweiten Ausbrennzyklus bei einer Temperatur von 15Q0-1700 OC völlig ausgebrannt. Schliesslich wird der geschlossene Bodenteil des Keramikkörpers mit einer Diamantscheibe ab gestochen. Die Abmessungsverzerrungen, die im Verlaufe der Endschrumpfung zustandekommen, liegen nach unserer Erfahrung mit 95-98, % innerhalb der vorgeschriebenen Toleranz wert e. Sollte jedoch irgendeine Abmessung der fertigen Keramikhülse ausserhalb des zulässigen Toleranzbereiches liegen, so muss man natürlich diesen unzulässigen Wert durch Abschleifen korrigieren. Die Keramikhülse wird dann durch eine an sich bekannte Schrumpfverbindung in der Zylinderhülse fixiert. Der Wert der für die Schrumpfverbindung erforderlichen Überlappung liegt bei 0,02-0,03 mm. Die technischen Parameter der fertigen Zylinderhülse sind die folgenden: - die Wanddicke der Keramikeinlage: 15 mm; - die Oberflächenrauhigkeit der Bohrung als Ra Wert: mindestens 0,32 Mik ron; - der Aluminiumoxidgehalt des Keramlkkörpers: mindestens 96% Biegefestigkeit: mindestens 350-400 N/mm2 Zugfestigkeit: mindestens 250-300 N/mm2 Härte: mindestens 85-90 HRd Warmfestigkeit: mindestens 1600 C; - gegen chemische Stoffe ist die Keramik resistent, gegen Reibungswirkun gen widerstandsfähig: - der - Keramikkörper kann einen Wärmestoss von 200-250 OC, und die Zylin derhülse im Falle einer Schrumpfverbindung kann eine Dauerwärmebela stung von -40 bis +200 OC leicht ertragen. Beispiel 2 Die Keramikeinlage tur" die vorher aus hoch festem Stahl hergestellte Stahlkonstruktion der Zylinderhülse wird ähnlich wie in Beispiel 1 mit dem Unter sdzied gefertut, dass die die äusseren Abmessungen des Keramikkörpers so gewählt werden, dass der Keramikkörper in die Stahl-Zylinderhülse mit lockerer Passung einsetzbar ist. Die Keramikeinlage, die wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt war, und nach dem völligen Ausbrennen in die Zylin derfilse mit lockerer Passung einpassbar ist, braucht nur auf die inneren Abmessungen der Keramikhulse kontrolliert zu werden und gegebenenfalls braucht ein genaues nschtragElches Abschleifen auf die erforderliche Abmessung nur am innendurchmesser des Keramikkörpers durchgeführt zu werden. Das Abstechen des geschlossenen Bodenteiles des Keramikkörpers erfolgt nach dem ersten Brennzyklus. Der Keramikkörper wird in die Zylinder Phase mit Hilfe eines aus einem Vernetzungskunstharz bestehenden KleS mittels eingeklebt und fixiert. Dieses Klebemittel füllt nämlich den durch die lockere Passung zwischen der Keramikeinlage und der Zylinderhülse vorhandenen Spalt vollig aus. Die technischen Merkmale der in dieser Weise hergestellten Keramikhülse weichen von den Parametern des Beispiels 1 darin ab, dass nach Beispiel 2 die Wanddicke der Keramikhülse 2 mm beträgt und dass die Klebefixierung ohne jegliche Lockerung dieser Verbindung eine Dauerwärmebelastung innerhalb der Temperaturgrenzen von -40 bis +120 C und Wärmestösse von 200-250 0C ertragen kann

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von Keramik-Zylinderhülsen von Bohrungspum pen für geologische Bohrungen, bei welchem eine Keramikhülse mit ei nem maximalen Durchmesser von 180 mm, einer maximalen Länge von 280 mm, einer Wanddicke von 2-15 mm, einem Aluminiumoxidgehalt von 2 wenigstens 96%, einer Zugfestigkeit von mindesten 3000 N/mm und ei- ner Warmfestigkeit von mindesten 1600 OC hergestellt und in einer Zy linderhülse beispielsweise durch ein Schrumpfverfahren festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik-Suspension zu einem Topf mit geschlossenem Boden geformt wird und dann in der ersten Phase des Ausbrennens bei einer Temperatur von 1450-1500 OC bis zu einem Rest-Porositätswert von 3-6 % gebrannt wird, dass danach der vorge brannte Keramikkörper auf die inneren und äusseren vorgeschriebenen Abmessungen der Keramikhülse bearbeitet wird, wonach die zweite Phase des Ausbrennens bei einer Temperatur von 1500-1700 OC durchge führt wird, wobei der geschlossene Bodenteil des topfförmigen Kera mikkörpers vor dem Einsetzen der Keramikhülse in die Zylinderhülse abgestochen wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Durchmesser der Keramikhülse derart bemessen wird, dass die fertig ausgebrannte Keramikhülse in die Zylinderhülse mit lockerer Passung hineinpasst, und dass die fertig ausgebrannte Keramikhülse in der Zylin der hülse mit einem Vernetzungskunstharz-Klebstoff festgelegt wird. 3. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass das Abstechen des geschlossenen Bodenteils des topfförmi gen Keramikkörpers nach dem ersten Brennzyklus durchgeführt wird.

Inventors: BALOGH, LAJOS, DIPL.-ING.
Applicants: ENERGIAGAZDALKODASI INTEZET
Application year: 1985
Main classification: C04B35
IPC codes: F04B53, C04B35