СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ ЗАМКА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
METHOD OF MAKING DRILLING STRING LOCK PART BILLETS

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к изготовлению заготовок деталей замка бурильной колонны из толстостенных труб, т.е. таких, у которых отношение внутреннего диаметра к внешнему составляет от 0,1 до 0,9 и которые представляют собой негабаритный лом и отходы конструкционных сталей, легированных хромом, никелем, молибденом и ванадием с содержанием углерода в пределах 0,25-0,43%.
Известно, что лом металлов и сплавов - это пришедшие в негодность или утерявшие эксплуатационную ценность металлические изделия, а отходы металлов и сплавов - это отходы при производстве металлических изделий, а также неисправимый брак, возникающий в процессе производства (см., например, ГОСТ 18978-73 «Лом и отходы цветных металлов. Термины и определения»).
Известно, что в процессе эксплуатации металлические детали из легированных сталей подвергаются определенному износу, и в силу этого в дальнейшем такие детали по своему назначению использоваться не могут, однако при этом сам металл в большинстве случаев сохраняет свои потребительские качества и, в принципе, при определенной последующей обработке может служить основой для производства других деталей (см., например, Дмитриев В.Я. и др. «Исследование причин трещинообразования на коленах реактора, работающего при сверхвысоком давлении», Металлообработка. №1(49), 2009, стр.34-43, а также патент РФ №2238832).
Известен способ производства замков бурильной колонны (см., например, патент РФ №2385791), при котором изготовление каждого замка секций бурильной колонны из высокопрочной, ударостойкой стали, имеющего центральное отверстие и состоящего из двух элементов: корпуса и втулки, осуществляют следующим образом: заготовку для каждого из элементов замка сначала изготавливают из двух частей путем их ковки в виде кольца с учетом припусков под термическую и механическую обработки, затем производят механическую обработку кромок будущего сварного соединения путем точения торцов соответствующих заготовок с обеспечением центрирования одного относительно другого и расположения корня сварного шва за пределами чистовых размеров деталей корпуса и втулки, после чего осуществляют сварку этих частей для получения соответствующих заготовок корпуса и втулки, далее полученные заготовки корпуса и втулки подвергают термической обработке: отпуску при температуре от 590°С до 630°С с выдержкой в течение двух часов, и в заключение производят их черновую и чистовую механическую обработку до требуемых чистовых размеров с гарантированным удалением корня сварного шва.
Известно также, что «всякое железо» можно перерабатывать, а изношенные детали восстанавливать (см., например, Кулик Г.Н. «Трубы из нержавеющих сталей: обобщение опыта переработки», Станочный парк, №6(72), 2010, стр.24-27, а также патент РФ №2163175).
Известны также способы и устройства для восстановления различных изношенных деталей методом пластической деформации (см., например, патенты РФ №2371292, 2376121), в которых предлагается восстановление изношенных в процессе эксплуатации деталей методом пластического деформирования, когда осуществляется предварительный нагрев детали до температуры горячей деформации, установление детали в неразъемную матрицу, в которой осуществляют восстановление изношенного элемента детали пуансоном, конфигурацию и размеры которого подбирают с обеспечением требуемого формоизменения, при этом перед горячей деформацией на деталь предварительно надевают два полукольца и закрепляющее кольцо, обеспечивающие, например, сохранение формы канавки на детали. Однако подобные методы восстановления не позволяют «сэкономить» на использовании отработанного лома и отходов конструкционных сталей.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в получении возможности использования в качестве металла для заготовок деталей замка бурильной колонны ранее применяемый металл толстостенных труб, представляющих уже собой лом и отходы конструкционной стали.
Указанный технический результат достигают тем, что для производства заготовок деталей замка бурильной колонны, при котором необходимо получать кольцевые заготовки, сначала из негабаритного лома и отходов конструкционных сталей, легированных хромом, никелем, молибденом и ванадием с содержанием углерода в пределах от 0,25 до 0,43 процентов, выбирают исходную толстостенную трубу, у которой отношение внутреннего диаметра к внешнему составляет от 0,1 до 0,9, затем подвергают материал этой трубы химическому анализу, а саму трубу визуальному и измерительному контролю, ультразвуковому контролю, после чего при их соответствии показаниям высокопрочности и ударостойкости стали трубу разрезают на части, после чего производят их нагрев и последующую ковку в инструменте с контактными поверхностями до размеров заготовок деталей замка бурильной колонны, увеличенных на припуск под механическую обработку, получая при этом поковки, после чего осуществляют отжиг полученных поковок и последующую черновую механическую обработку, а затем проводят ультразвуковой контроль и термообработку до получения категории прочности 735, после чего производят чистовую механическую обработку до размеров заготовок деталей замка бурильной колонны. При этом в качестве ковки в инструменте с контактными поверхностями могут применять раскатку на оправке, причем в этом случае трубу разрезают на части с высотами, равными высотам будущих заготовок деталей замка бурильной колонны, кроме того, в качестве ковки в инструменте с контактными поверхностями могут применять осадку кольцевой заготовки в плоских бойках с последующей раскаткой на оправке, и в этом случае трубу разрезают на части с высотами, определяемыми по формуле:
дет
где h - высота исходной кольцевой заготовки, V - объем будущей детали с учетом припуска под механическую обработку, D - внешний диаметр исходной трубы; d - внутренний диаметр исходной трубы, причем эта формула для определения высоты исходной кольцевой заготовки может иметь и следующий вид:
дет
дет
дет
где h - высота исходной кольцевой заготовки, D, d, h - размеры детали замка с учетом припуска под механическую обработку, D - внешний диаметр исходной трубы, d - внутренний диаметр исходной трубы; перед выполнением осадки в плоских бойках условия трения на контактных поверхностях приводят к таким, чтобы они позволяли получить необходимые размеры поковки (см., например, Мастеров В.А. и др. Теория пластической деформации и обработка металлов давлением. М., Металлургия. 1976, стр.126-127); при этом если требуется минимизировать изменения внутреннего диаметра кольцевой заготовки, то в районе предполагаемого прилегания его окружности к плоскости бойков и до середины толщины кольцевой заготовки идентично на обоих бойках наносят риски глубиной до 0,5 мм перпендикулярно предполагаемому радиусу данной кольцевой заготовки и равномерно по всей длине окружности внутреннего диаметра кольцевой заготовки плотностью, равной примерно одной риске на 1 мм толщины, а если требуется минимизировать изменения внешнего диаметра кольцевой заготовки, то в районе предполагаемого прилегания его окружности к плоскости бойков и до середины толщины кольцевой заготовки идентично на обоих бойках наносят риски глубиной до 0,5 мм перпендикулярно предполагаемому радиусу данной кольцевой заготовки и равномерно по всей длине окружности внешнего диаметра кольцевой заготовки плотностью, равной примерно одной риске на 1 мм толщины. Кроме того, в качестве ковки в инструменте с контактными поверхностями могут применять обкатку в радиусных бойках, при этом также трубу разрезают на части с высотами, равными высотам будущих заготовок деталей замка бурильной колонны.
Благодаря наличию приведенных отличительных признаков обеспечивается возможность изготовления заготовок деталей замка бурильной колонны из ранее используемого металла и значительно сокращать расходы на их изготовление. При этом уменьшается отрицательное влияние на экологию, т.к. отсутствует процесс переплава металла и связанные с ним негативные явления, кроме того, происходит меньшая энергоемкость переработки, поскольку затрачивается энергия только на изменение формы и размеров, и меньшая трудоемкость процесса, т.к. исчезают целые переделы: подготовка шихты, трубы должны быть разрезаны по образующей (см., например, ГОСТ 2787-75 Металлы черные, вторичные), выплавка стали, ее разливка, деформация металла и т.д., а также уменьшаются трудозатраты и стоимость деталей, т.к. цена заготовки в виде лома и отходов металла будет в разы меньше цены заготовки в виде проката или поковки.
В заявляемом способе производства заготовок деталей замка бурильной колонны непосредственно процессы последующей ковки в инструменте с контактными поверхностями до размеров заготовок деталей замка бурильной колонны осуществляют ранее известными способами. Так, известны описания ковки в инструменте с контактными поверхностями в виде раскатки на оправке (см., например, Семенов Е.И. и др. «Ковка и объемная штамповка. Учебник для вузов», 1972, стр.83-87 или Вересов В.Н. и др. «Автоматизация проектирования технологических процессов ковки полых поковок», 1971, стр.3-23, а также Гамов Б.И. и др. «Свободная ковка под молотами», 1954, стр.20). Данные об осадке кольцевых заготовок также известны (см., например, следующие источники: Малинин Н.Н. «Ползучесть в обработке металлов», 1986, стр.102-112, Воронцов А.Л. «Технологические расчеты осадки полых заготовок». Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением, №2, 2007, стр.7-15, Воронцов А.Л. «Пластическое течение при осадке полых заготовок». Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением, №1, 2007, стр.3-8, а также патент РФ №2311983). Обработка кольцевых заготовок в радиусных бойках также описана (см., например, В.В.Ериклинцева и др. «Теория редуцирования труб: новые исследования процесса», 1970, стр.42, 62).
На фиг.1 схематично изображена заготовка поковки, из которой будет изготовлена заготовка детали замка бурильной колонны, на фиг.2 - процесс раскатки на оправке; на фиг.3 - заготовка поковки для заготовки детали замка бурильной колонны, на фиг.4 - осадка под плоскими бойками, на фиг.5 - раскатка на оправке; на фиг.6 - заготовка поковки для заготовки детали замка бурильной колонны, на фиг.7 - осадка под плоскими бойками с минимизацией деформации внутреннего отверстия; на фиг.8 - заготовка поковки для заготовки детали замка бурильной колонны, на фиг.9 - осадка под плоскими бойками с минимизацией деформации внешнего диаметра; на фиг.10 - заготовка поковки для заготовки детали замка бурильной колонны, на фиг.11 - процесс обкатки в радиусных бойках. Заявляемый способ производства заготовок поковок 1, 2, 3, 4, 5 для заготовок деталей замка бурильной колонны заключается в том, что сначала из негабаритного лома и отходов конструкционных сталей, легированных хромом, никелем, молибденом и ванадием с содержанием углерода в пределах от 0,25 до 0,43 процентов, выбирают исходную толстостенную трубу, у которой отношение внутреннего диаметра d к внешнему диаметру D составляет от 0,1 до 0,9. Это связано с тем, что труба должна быть толстостенная, т.к. она имеет металл, который с помощью деформации возможно переместить, изменяя тем самым форму и размеры заготовки детали. Далее материал этой трубы подвергают химическому анализу, а саму трубу визуальному и измерительному контролю, ультразвуковому контролю, после чего при их соответствии показаниям высокопрочности и ударостойкости стали трубу разрезают на патрубки, после чего производят их нагрев и последующую ковку в инструменте с контактными поверхностями различного типа до размеров заготовок поковок 1, 2, 3, 4, 5 для заготовок деталей замка бурильной колонны, увеличенных на припуск под механическую обработку, получая при этом поковки, после чего осуществляют отжиг полученных поковок и последующую черновую механическую обработку, а затем проводят ультразвуковой контроль и термообработку до получения категории прочности 735. После чего производят чистовую механическую обработку до размеров заготовок деталей замка бурильной колонны. При этом в качестве ковки в инструменте с контактными поверхностями, например, могут применять раскатку на оправке, схематично представленную на фиг.2, или могут применять осадку кольцевой заготовки поковки 2 в плоских бойках с последующей раскаткой на оправке, схематично представленную на фиг.4 и 5. Кроме того, в заявляемом способе могут применять осадку кольцевой заготовки поковки 3 или 4 в плоских бойках, схематично представленную на фиг.6, 7, 8 и 9, перед выполнением которой условия трения на контактных поверхностях приводят к таким, чтобы они позволяли получить необходимые размеры поковки, при этом если требуется минимизировать изменения внутреннего диаметра d кольцевой заготовки поковки 3, то в районе предполагаемого прилегания его окружности к плоскости бойков и до середины толщины кольцевой заготовки идентично на обоих бойках наносят риски 6 глубиной до 0,5 мм перпендикулярно предполагаемому радиусу данной кольцевой заготовки и равномерно по всей длине окружности внутреннего диаметра кольцевой заготовки 3 плотностью, равной примерно одной риске 7 на 1 мм толщины, а если требуется минимизировать изменения внешнего диаметра D кольцевой заготовки поковки 4, то в районе предполагаемого прилегания его окружности к плоскости бойков и до середины толщины кольцевой заготовки идентично на обоих бойках наносят риски глубиной до 0,5 мм перпендикулярно предполагаемому радиусу данной кольцевой заготовки поковки 3 и равномерно по всей длине окружности внешнего диаметра D кольцевой заготовки поковки 3 плотностью, равной примерно одной риске на 1 мм толщины. В качестве ковки в инструменте с контактными поверхностями могут применять также и обкатку в радиусных бойках, схематично представленные на фиг.10 и 11.
В качестве примера заявляемого способа можно рассмотреть следующее: на складе металлического лома в засеке для 5Б38 (см., например, ГОСТ 2787-75 Металлы черные, вторичные) обнаружены патрубки, представленные в таблице 1:
Таблица 1
Внешний
Внешний
Внутренний
Внутренний
№
Высота
диаметр,
диаметр,
диаметр,
диаметр,
Количество
п/п
патрубка
одна
вторая
одна
вторая
патрубков
сторона
сторона
сторона
сторона
патрубка
патрубка
патрубка
патрубка
мм
штук
1
3060
240
236
152
152
1
2
3050
270
274
152
152
1
3
3050
426
426
354
354
2
4
840
146
146
60
60
1
5
180
290
290
260
260
1
После проведения химического анализа обнаружено следующее содержание элементов, представленное в таблице 2:
Таблица 2
№п/п
С
Сr
Ni
Mo
V
%
1
0,37
1,3
3,20
0,41
0,12
2
0,38
1,35
3,10
0,38
0,14
3
0,36
1,33
3,15
0,36
0,13
4
0,31
1,75
2,12
0,45
0,11
5
0,39
1,45
3,20
0,39
0,12
Визуальный и ультразвуковой контроль не выявили никаких отклонений, которые могли бы воспрепятствовать изготовлению из перечисленных патрубков деталей замка буровой колонны, так, патрубок №1 разрезан на 11 штук патрубков высотой 270 мм, которые были прокованы путем раскатки на оправке на патрубки ⌀295/⌀235×280 мм; патрубок №2 разрезан на 11 штук патрубков высотой 265 мм и один высотой 40 мм, которые были прокованы путем раскатки на оправке на патрубки ⌀330/⌀240×272 мм и один на размер ⌀330/⌀240×43 мм для заготовки вкладыша; патрубки №3 разрезаны на 22 патрубка высотой 270 мм, которые были прокованы путем обкатки в радиусных бойках на патрубки ⌀335/⌀259×280 мм; патрубок №4 разрезан на 14 штук патрубков высотой 58 мм, которые были прокованы путем осадки кольцевой заготовки до высоты 40 мм и последующей раскатки на оправке на патрубки ⌀302/⌀260×43 мм; патрубок №5 разрезан на 3 патрубка высотой 57 мм, которые были прокованы путем осадки до высоты 41 мм на патрубки ⌀302/⌀260×280 мм с предварительным нанесением рисок 6 на бойки в предполагаемом месте контакта внутреннего диаметра заготовок и поверхности инструмента.
Итак, из патрубков №1 получены заготовки для изготовления одной из частей втулки замка бурильной колонны, №2 - для второй части втулки замка бурильной колонны, №3 - частей корпуса замка бурильной колонны, №4 и №5 - вкладышей замка бурильной колонны, а также одна заготовка вкладыша из патрубка №2.