РОТОР ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к технике бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к винтовым забойным двигателям.
Ротор винтового забойного двигателя обычно изготавливается из стального стержня, на котором нарезаны наружные винтовые зубья. Стальной статор внутри имеет привулканизированную резиновую обкладку с винтовыми зубьями, число которых на единицу больше числа зубьев ротора (см. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин: Учебник для нач. проф. Образования - М.: Издательский центр «Академия», 2004 г., стр.227-228).
При работе буровой раствор (обычно смесь воды и/или масла, глины и некоторых хим. веществ) нагнетается по длине двигателя между ротором и статором, вызывая вращение ротора. Твердые частицы бурового раствора изнашивают поверхность ротора, а водное окружение и химически активные вещества способствуют его коррозии. Износ и коррозия приводят к разрушению уплотнения между ротором и статором и ухудшают работу двигателя, резко снижая сроки его эксплуатации.
Для защиты поверхности ротора от коррозии, на его поверхность часто наносится хромовое покрытие. Так, например, известен ротор винтового забойного двигателя, имеющий форму спирального винта и выполненный с коррозионно-стойким износостойким покрытием в виде гальванического хрома. (Патент США №4650549, опубл. 17.03.87).
Данное покрытие является, во-первых, дорогим, во-вторых, допускающим коррозию базового материала ротора ввиду возможности проникновения жидкости через поры хромовой пластины, и, в-третьих, трудно добиться единой толщины хромового покрытия на поверхности ротора, потому что сложная геометрия ротора вызывает неравномерные
электрические поля, развиваемые вокруг ротора во время покрытия, что приводит к получению неровной толщины покрытия, которое искажает спроектированную точность геометрического сопряжения ротора со статором и снижает эффективность даже нового двигателя. Нанесение равномерного гальванического хромового покрытия на поверхность ротора требует наличия дорогостоящей остнастки, что повышает стоимость ротора.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является обеспечение экономичного покрытия наружной поверхности ротора материалом, имеющим отличную стойкость к износу и коррозии.
Технический результат достигается тем, что в роторе винтового забойного двигателя, имеющем форму спирального винта и выполненным с коррозионно-стойким износостойким покрытием на его наружной поверхности, покрытие выполнено в виде напыленного высокоскоростным газопламенным методом слоя порошка с размером частиц от 5 до 40 микрон, включающего частицы карбида вольфрама размером до 4-х микрон, диспергированные в сплаве на никелевой основе, содержащем бор, хром и кремний при следующем соотношении компонентов в % мас.: В - 1÷5, Cr - 10÷20, Si - 1,5÷5, Ni - остальное, при этом суммарное содержание бора и кремния в сплаве составляет от 3 до 8 мас.%.
Использование частиц карбида вольфрама, обладающих высокой твердостью, превышающей твердость абразивных частиц, для образования металлической матрицы покрытия позволяет создать слой из износостойкого материала, обеспечивающего желательную стойкость к абразивному износу. Для образования матрицы связки покрытия используется сплав на основе никеля, включающий бор, хром и кремний при следующем соотношении компонентов в % мас.: В - 1÷5, Cr - 10÷20, Si - 1,5÷5, Ni - остальное, при этом суммарное содержание бора и кремния в сплаве составляет от 3 до 8 мас.%., который обеспечивая высокую плотность покрытия более 99,5%, делает его высокоустойчивым к коррозии. Включение в состав сплава бора и
кремния обеспечивает при нанесении покрытия на поверхность ротора образование эвтектических композиций, снижающих температуру плавления сплава. Это, в свою очередь, способствует снижению содержания оксидов, что повышает коррозионную стойкость сплава. Размер суммарного содержания бора и кремния в сплаве обусловлено тем, что именно в пределах интервала значений от 3% до 8%(мас.) сплав сохраняет свою пластичность и не охрупчивается. При суммарном содержании бора и кремния в количестве менее 3 мас.% при нанесении сплава в составе покрытия на поверхность ротора не образуется эвтектических композиций, которые бы обеспечивали снижение температуры плавления покрытия, а при их суммарном содержании свыше 8% сплав резко теряет свою пластичность, за счет образования боридов и салицидов, и подвержен сильному охрупчиванию.
Размер частиц карбида вольфрама (до 4-х микрон) выбирается из соображения его сопоставимости с размером абразивных частиц (песка и глины) в буровом растворе. По мере того, как покрытие будет медленно разъедаться буровым раствором, неизбежным является то, что более мягкие и менее износостойкие частицы покрытия будут разъедаться первыми. Не превышение размера абразивных частиц (а именно частиц глины, имеющих размер от 4-х микрон) гарантирует то, что более твердые частицы карбида вольфрама останутся в покрытии и не будут вымываться раствором.
Таким образом, благодаря выбранному типу твердого материала на поверхности ротора, эффективным, недорогим и надежным способом обеспечивается защитный слой с требуемым уровнем прочностных и коррозионных свойств.
Нанесение защитного слоя методом высокоскоростного газопламенного напыления обеспечивает равномерное покрытие профиля ротора, высокие адгезионные характеристики с основным материалом ротора, высокую плотность покрытия, и, благодаря используемой при данном методе низкой температуре газовой струи и отсутствию свободного
кислорода, способствует низкому содержанию оксидов в покрытии, что повышает его коррозионную стойкость.
плав.
плав.
Ограничение по размеру частиц напыляемого порошка также выбирается из требований обеспечения качественной адгезии и низкой пористости покрытия, для чего частицы напыляемого порошка должны быть прогреты до температуры не меньшей по значению 0,9 от температуры их плавления (Т). Частицы с размером менее 5 микрон при используемом методе нанесения покрытия перегреваются и начинают разлагаться и испаряться. Частицы с размером более 40 микрон из-за большой массы нагреваются менее чем на 0,9 Т, что приводит к росту пористости покрытия и ухудшении его адгезионных характеристик.
На фиг.1 показан общий вид ротора винтового забойного двигателя; на фиг.2 приведено поперечное сечение ротора по линии А-А. Ротор винтового забойного двигателя имеет форму спирального винта 1 и снаружи покрыт слоем 2 из антикоррозионного износостойкого материала. Слой 2 выполнен посредством нанесения на поверхность ротора методом высокоскоростного газопламенного напыления порошка с размером частиц от 5 до 40 микрон, включающем твердые частицы карбида вольфрама, диспергированные в сплаве на основе никеля, включающем бор, хром, кремний при следующем соотношении компонентов в % мас.: В - 1÷5, Cr - 10÷20, Si - 1,5÷5, Ni - остальное, при этом суммарное содержание бора и кремния в сплаве составляет от 3 до 8 мас.%.
Частицы напыляемого порошка образуются путем интенсивного перемешивания карбида вольфрама с размером частиц до 4-х микрон и материала связки с их дальнейшим спеканием, дроблением и сфероидизированием.
Работа ротора осуществляется следующим образом.
Ротор размещается в статоре 3, имеющем внутренние винтовые зубья 4 из упруго-эластичного материала, например резины. Число наружных зубьев
1
1
2
2
спирального винта 1 на единицу меньше числа зубьев 4 статора 3. Ось ротора OO смещена относительно оси статора OO на величину эксцентриситета. Буровой раствор поступает в полость 5 между наружными зубьями ротора и внутренними зубьями 4 статора 3. В результате винтового направления зубьев ротора и статора под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор приводится во вращение, перемещая буровой раствор по длине двигателя.
Ротор винтового забойного двигателя находится в жестких условиях абразивного износа, так как в буровом растворе часто присутствуют песчаные и глинистые фракции, а также повышенной коррозионной среды, особенно когда в буровом растворе присутствуют растворы соляной, серной, муравьиной кислот, нефть. Покрытие 2, равномерно нанесенное на поверхность ротора, обладая высокими адгезионными и коррозионностойкими характеристиками, а также высокой плотностью (пористость покрытия составляет менее 0,3%), предохраняет эту поверхность от быстрого изнашивания и коррозии. По сравнению с ротором с хромовым покрытием срок службы ротора с покрытием, включающем карбид вольфрама на связке из сплава на никелевой основе, содержащего бор, хром и кремний, увеличивается более, чем в 15 раз.
Полезная модель позволяет улучшить эксплуатационные характеристики ротора, продлевая срок его службы и сокращая затраты на восстановление покрытия.