СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАНГ ДЛЯ БУРИЛЬНЫХ МАШИН УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
METHOD OF MAKING DRILLING MACHINE DRILL STEMS

Изобретение относится к машиностроительному обеспечению горнодобывающих отраслей, в частности как совокупность технологических процессов, положенных в основу изготовления буровых штанг, используемых при подземной добыче полезных ископаемых, при проходке широкой номенклатуры горных выработок, при энергетическом и транспортном строительстве с использованием бурильных машин гидравлического действия жидкости высокого давления (≥160 Бар).
Отказ пользователей бурового оборудования от пневматической энергии как энергетической основы бурильных машин по причине низких показателей их ударной мощности (≤10 кВт), коэффициента полезного действия (≤9%), наличия масляных аэрозольных выбросов и в целом негативных санитарно-гигиенических параметров обусловил переход на бурение с использованием энергии сжатой минеральной жидкости и создание нового поколения буровых рабочих органов. Ударная мощность последних колеблется от 7,5 до 40 кВт [1], частота воздействия на буримую породу достигает 6000 ударов за минуту, скорость бурения превышает 2000 мм/мин по породам, крепостью 14-20 единиц по шкале проф. Протодьяконова, коэффициент полезного действия в 7 раз превышает аналогичный показатель пневматических бурильных органов и находится в пределах 63%, значительно улучшены санитарно-гигиенические показатели по шуму, вибрации, выбросам, энергетической независимости и температурным режимам. Перечисленное обусловило ряд жестких технологических и конструктивных требований к элементам бурильной установки, в том числе к буровым штангам, соединительным муфтам, хвостовикам и коронкам. Указанное связанно с увеличением канализации на забой через перечисленные элементы ударной мощности (при мелкошпуровом бурении ≤20 кВт [2]) от гидравлической головки до буровой коронки. В части буровых штанг это относится к используемому материалу металлургического проката и технологического умения использовать в полной мере его потенциальные возможности; их кривизны, термообработки с повышением твердости, износостойкости и скользящей возможности о стенки скважины; шероховатости поверхностей штанги (≤0,8 мкм) включая поверхности става штанги, промывочного канала и конструктивов; исключение влияния обезуглероженного слоя и микротрещин поверхностей штанговой заготовки, а главное стабильности назначенных показателей применения штанг для работы в новых условиях.
Указанный перечень характерных особенностей работы буровых штанг и технологических ограничений составляют базу исходных данных по дальнейшему совершенствованию производства бурового инструмента в целом и разработке технологических этапов предлагаемого способа.
Известны способы изготовления буровых штанг на основе конструкторских разработок [3, 4], также технологических решений с использованием влияния на заготовку штанг дробеметного воздействия [5] или химико-термического формирования внешней поверхности заготовки путем ее азотирования [6].
В способе [3] промывочный канал толстостенной трубной заготовки снабжают ребром жесткости в виде особопрочного трубного элемента. Тем самым отделяют обезуглероженный слой и микротрещины от воздействия агрессивности среды и достигают частичного демфирования гибких и крутильных влияний; иные ограничения остаются нерешенными.
В способе согласно [4] вопросы надежности и износостойкости решают путем конструкторско-технологического обеспечения, при котором пустотелую штанговую заготовку создают в виде объединенных сваркой в единое целое трех тонкостенных трубных элементов. При этом внутренний и внешний элементы подвергают термоупрочнению, а среднему ("сердцевинному") обеспечивают путем отпуска повышенную вязкость. Однако это решение имеет сложное машиностроительное обеспечение, нестабильность параметров, лишь локальное обеспечение надежности става штанги; потребительская законченность изделия отсутствует. В свою очередь согласно способу изготовления штанг [5] толстостенную трубную заготовку подвергают термоупрочнению, места размещения элементов крепления буровой головки и коронки закаливают токами высокой частоты, а внешнюю поверхность подвергают дробеметному упрочнению, фосфатированию и вощению. Данный способ более близок к заявляемому, однако, в реализованных штангах имеет место не полное использование потенциальных возможностей легированной стали по причине отсутствия операций воздействия на промывочный канал, также контроля и исправления кривизны штанговой заготовки и, как следствие, имеет место нестабильность их потребительских качеств. Например, при эксплуатации указанных штанг в условиях шахтоуправления по подземной добыче руды предприятия ОАО «Mittal Steel Кривой Рог» (проходка по породам крепостью 16-18 единиц по шкале проф. Протодьконова) их износостойкость колеблется от 295,6 до 664,25 шпурометров.
Способ химико-термического демпфирования отрицательных условий эксплуатации штанг (удары, вибрация, возвратное противодействие забоя, крутильные знакопеременные воздействия) приведен для азотированно-возможных сталей в [6]. Согласно данному источнику информации «…при азотировании значительно увеличивается допустимый уровень усталости при знакопеременных изгибах или кручениях, а также уменьшается чувствительность к поверхностным концентраторам. Практически эти свойства вместе с низким коэффициентом трения и хорошим скольжением химико-термически обработанной поверхности используют у высоконагруженных узлах механизмов. Увеличение порогового уровня проявления усталости объясняется тем, что в результате повышения плотности обработанной поверхности возникают значительные сжимающие усилия, которые частично компенсируют в условиях эксплуатации воздействующие внешние влияния». Согласно [7] усталостная прочность легированной стали после ее азотирования возрастает на 25-60%, а коррозионно-усталостная прочность - примерно на 100%. Однако процесс азотирования указанных сталей имеет большую продолжительность - до 80 часов, и значительные энергозатраты. Например, для получения на изделиях азотированного слоя толщиной 0,72 мм в печи США 8.26/7 при садке массой 850 кг хромоникелесодержащей стали длительность процесса азотирования составляет 75 часов при энергозатратах 9000 кВт часов. В свою очередь эффективность химико-термического демпфирования с учетом использования катализаторов к классическому [4] азотированию позволяет до 4 раз сократить во времени процесс азотирования и до 5-7 раз увеличить ресурс машиностроительных изделий [8, 9].
Указанные способы [3, 4, 5, 6, 8] по отдельным фазам их реализации являются аналогами заявляемому способу, однако, в своей совокупности не имеют технологической законченности для промышленного производства буровых штанг нового поколения.
Наиболее близким из известных решений, взятым за прототип заявляемому способу по этапам (фазам) реализации, близости сферы использования, энергетическим потокам соответствует способ изготовления буровых штанг для бурильных машин ударно-вращательного действия [10], при котором толстостенную трубную заготовку заданных длины, термической обработки и соотношения внешнего диаметра к толщине стенки делят на мерные отрезки, кривизну которых доводят до технологически обоснованной величины и подвергают механической обработке их торцы и внешнюю поверхность, после чего нагревают и деформируют концы до соответственно заданных температуры и толщины стенок, нарезают элементы крепления буровой головки и коронки, торцы закаливают, а сформированный отрезок подвергают химико-термической обработке путем азотирования. Особенностью способа-прототипа является то, что после механической обработки мерного отрезка внутренний канал подвергают обработке абразивно насыщенной пульпой путем ее прохождения в канале со скоростью, превышающей осадность абразивного наполнителя пульпы, а после закаливания торцов внутренний канал подвергают электрохимической обработке. Однако при всей законченности совокупности технологических этапов способа-прототипа до 40% производимых штанг обладают несоответствующими заданным параметрам назначения. Указанное является следствием утоньшения эффективной (атомной) азотированной прослойки, т.е. твердорастворной части в составе азотированного слоя, при одновременном утолщении более глубокой прослойки химического (реакционного) происхождения так называемого белого слоя. Приведенная дифференциация азотированного слоя по его составляющим: твердого раствора азота в металле и химического соединения азота с материалом проката указана в [7 и 11]. Согласно [11] нестабильность изделий есть результат значительного расхождения твердости заготовок прутков буровых горячекатанных с легированной стали, поступающих с заводов-изготовителей проката. Последнее определило, с целью достижения позитивного результата, поиска новых этапов и их места в способе изготовления буровых штанг. Обращение к нормативным документам (ТУ), в соответствии которым металлургические заводы выпускают данный прокат, выявило отсутствие в действующих ТУ [12] регламентации твердости заготовок в отличие от ранее существующих [13]. При этом реальный показатель твердости проката, как правило, значительно выше HRC 35-54 (HV345-580) от регламентируемого HRC 31-34 (HV310-335) для проведения азотирования.
Проведенные исследования (в условиях термической лаборатории производителя азотирующего оборудования: ЗАО "Накал - Промышленные печи", г.Солнечногорск, Российская Федерация, с использованием печи США 6.9/7, микроскопа-твердомера DM-8B-AFFP, шлифов с заготовок легированной стали 28ХГНЗМА и каталитического газового азотирования выявили:
1. Наличие в составе азотированного слоя штанги твердого раствора азота в материале заготовки и далее в глубину диффузионно-химического объединения азота с элементами стали.
2. Толщина азотированного слоя может достигать 1 мм при твердости ≤HV660 единиц.
3. Наличие до 2 мкм белого слоя положительно влияет на потребительские показатели буровых штанг за счет создания под твердым раствором эффекта рессорного амортизатора. Большие значения белого слоя ведут к пористости азотированного слоя, сколам, трещиноватости и в конечном итоге определяют снижение ресурса изделия.
4. Достижение регламентированной твердости заготовки для ее азотирования критично к температуре отпуска и с возможных ее уровней требует нахождения оптимального значения для последующего достижения при химико-термическом азотировании исключения отрицательного влияния диффузионно-химического слоя на эксплуатационные показатели буровых штанг.
Проведенный анализ выявил причины проявления недостатков способа-прототипа и стал основанием для постановки задачи заявляемого способа и сформирования отличительной части изобретения.
Задача способа - достижение стабильности показателей назначения буровых штанг.
Поставленную задачу решают за счет того, что в способе изготовления штанг для бурильных машин ударно-вращательного действия, при котором используют толстостенную трубную заготовку, делят ее на мерные отрезки, кривизну которых доводят до технологически обоснованной величины, подвергают обработке их внешнюю и внутреннюю поверхности включая торцы, а каждый сформированный отрезок подвергают химико-термической обработке путем азотирования, дополнительно мерные отрезки, после деления заготовки, подвергают отпуску, обеспечивают при этом оптимальную температуру нагрева и время его действия, чем соответственно создают возможность достижения в последующем при химико-термическом азотировании штанги максимальной твердости ее поверхностей и стабильности показателей назначения.
Благодаря новым операциям предлагаемого способа, а именно термического отпуска стали мерных отрезков, его места и длительности в общем процессе изготовления, оптимизации температуры отпуска и формирования толщины каждой из прослоек азотированного слоя при сохранении положительных факторов способа-прототипа изготовления буровых штанг достигнута стабильность задаваемого уровня в части передачи ударной мощности, надежности и ресурса, также получена независимость от расхождения параметров твердости исходного материала заготовки.
Сравнительный анализ предложенного способа с известным уровнем техники в соответствии с приведенными источниками информации и выполненными наработками не выявил его (уровня) влияния на достижение положительного результата согласно поставленной задачи.
Таким образом, предложенное техническое решение отвечает требованиям полезности, новизны и изобретательского уровня, предназначено для использования в промышленности, а именно в горных отраслях, энергетическом и транспортном строительстве, осуществлено с помощью конструкционных легированных сталей на действующем машиностроительном оборудовании, промышленно освоенных металлургической и машиностроительной отраслями, по своим качественным показателям является импортозамещающей и экспортновозможной продукцией, также осуществлено на признанных научно-обоснованных методах и при его реализации в условиях горных работ обеспечивают достижение практического результата, чем выполнено требование промышленного применения, которое планировали авторы.
Сущность изобретения объясняется описанием технологических операций. Трубная заготовка в виде цилиндрических пустотелых горячекатанных прутков с легированной стали, например 28ХГНЗМА, длиною до 6 м, диаметром 32(33)-9(+1,2-1,0 мм), твердостью ≤HRC54 (HV580) кривизной 3…4 мм на 1000 мм длины поступает к производителю штанг. При этом металлопрокат имеет поверхностные дефекты в виде обезуглероженного слоя -≤0,3 мм, микротрещин -≤0,6 мм, розкатанных шлаков и пузырей -≤0,3 мм. Указанные дефекты металлопроката отрицательно влияют на потребительские показатели штанг в части их усталостного и концентраторного разрушения, также ограничивают возможность полного использования потенциальных возможностей легированных сталей и естественно требуют устранения. В свою очередь значительная твердость заготовок (≤HRC54) (HV580) вызывает трудности их механической обработки и создает вместе с указанными дефектами невозможность качественного азотирования.
После входного контроля заготовок последние с использованием ленточно-пильного станка подвергают делению на мерные отрезки. Длины отрезков в зависимости от варианта технологии горных работ, бурового оборудования и глубины скважины должны обеспечивать изготовление штанг для буровых органов типа ПП (переносные) - от 600 мм до 3800 мм, типа ПТ (телескопные) - от 600 мм до 2600 мм, типа ПК и ГБГ (колонковые и гидравлические) - от 1000 мм до 4250 мм.
Далее в отличии от прототипа после этапа порезки заготовки имеют место новые операции, а именно дополнительную термообработку - отпуск металла мерных отрезков с регламентируемыми температурой нагрева и времени ее действия, включая охлаждения. При этом достигают необходимой твердости отрезков на их поверхности и сердцевины - твердость при этом формируется в пределах 31…34 HRC. Наилучшего результата подготовки структуры металла к последующему азотированию для стали 28ХГНЗМА достигают при твердости сердцевины HRC33-34 (HV325-335). Указанные выше исследования процесса дополнительной термообработки и последующего азотирования выявили следующее. Отпуск, на примере образцов из стали 28ХГНЗМА, находится в температурных границах от 25 до 700ºС, однако, максимальная твердость (порядка 690 единиц по Виккерсу) возможна (с преобладанием в азотированном слое твердорастворной части и минимальной (~2 мкм) диффузионно-химической прослойки) при температуре 560-570ºС. При этом оптимизированный по температуре процесс отпуска создает не только условие выполнения поставленной задачи изобретения, а попутно позволяет получить комфортные условия при дальнейших этапах механической обработки отрезков. Кривизну мерных отрезков доводят с использованием гидропресса со столом и механизмом точной правки до нормативно обоснованной величины <0,1% (т.е. менее 1 мм на 1000 мм длины). Последнее значение регламентируют производители шлифовального оборудования и реальные условия работы буровых установок при забуривании, особенно на трещиноватых породах.
При этапе обработки внешней поверхности отрезка с использованием бесцентрово-шлифовального станка снимают обезуглероженный слой, микротрещины и иные дефекты. Для снятия указанных дефектов поверхности внутреннего (промывочного) канала последний подвергается обработке абразивно насыщенной пульпой путем ее прохождения со скоростью, как минимум превышающей осадность абразивного наполнителя.
Обработка торцов штанги, формирование фасок, галтелей, закалку торцов выполняют в зависимости от целевого использования штанги в составе с буровым рабочим органом согласно нормативного документа (ОСТ 24.073.06.81. Штанги буровые и муфты к ним для подземных буровых станков и бурильных установок. Конструкция и размеры. 1981.) элементы присоединения штанг к бурильным головке и коронке имеют следующие базовые исполнения: "конус-конус", "шестигранник-бурт-конус", "резьба-конус", "резьба-резьба".
Каждому исполнению соответствует свое станочное обеспечение. Для варианта "конус-конус" используют токарное точение конусов, их шлифование с помощью круглошлифовального станка, а торцы,  как ударно-воспринимающий элемент, подвергают закалке с применением генератора ТВЧ (токов высокой частоты - 66 кГц). Формирование шестигранника и бурта - с использованием универсальной ковочной машины, вертикально-фрезерного и токарного станков, генератора ТВЧ. Для вариантов "резьба-конус" и "резьба-резьба" используют для нарезания круглоупорной резьбы (31К или 38К, левая, две нитки на дюйм) обрабатывающий центр с ЧПУ или универсальный токарный станок укомплектованный вихревой нарезной головкой.
Таким образом, подготовленные мерные отрезки соответствующей длины, очищенных поверхностей (шероховатость ≤0,8 мкм), оптимизированной твердости и кривизны обработанных торцов подвергают химико-термической обработке путем каталитического газового азотирования и формируют при этом необходимую твердость поверхностей штанги и сердцевины - тем самым обеспечивают при изготовлении стабильность параметров назначения и выполнения поставленной задачи предлагаемого способа.