Підвищення працездатності замкових різьбових з'єднань бурильної колони імпульсним вакуумним газотермоциклічним іонно-плазмовим азотуванням

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню актуального наукового завдання розроблення комплексу науково-обґрунтованих технологічних рішень, спрямованих на підвищення ефективності процесу буріння свердловин завдяки зміцненню ЗРЗ БК удосконаленим методом ІВГТЦІПА. Для досягнення мети було удосконалено метод імпульсного вакуумного газотермоциклічного іонно-плазмового азотування. За допомогою результатів проведеного комплексу експериментальних досліджень отримано математичні моделі, що описують залежності критеріїв оптимізації зносостійкості, границі витривалості та корозійної стійкості ЗРЗ БК від технологічних, конструктивних та експлуатаційних факторів, проведено оптимізацію технологічного процесу ІВГТЦІПА. Установлено параметри технологічного процесу й одержувані при цьому компонування та структуру зміцненого поверхневого шару, при яких характеристики міцності та зносо- і корозійної стійкості підвищуються. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень удосконалено технологічний процес ІВГТЦІПА для підвищення працездатності ЗРЗ БК, який полягає в імпульсному режимі обробки поверхневого шару та забезпечує підвищення межі витривалості на 20-40%, зносостійкості в 1,8-2,2 рази та корозійної стійкості у 1,7-3,1 рази, залежно від параметрів технологічного процесу.

Диссертация посвящена решению актуального научного задания разработки комплекса научно обоснованных технологических решений направленных на повышение эффективности процесса бурения скважин благодаря упрочнению ЗРЗ БК усовершенствованным методом ИВГТЦИПА. Установлено, что основными видами разрушения конструкционных элементов БК является разрушение от усталости, коррозионного повреждения и износа. Анализ статистических данных свидетельствует, что из всех бракованных деталей БК 45% составляют ЗРЗ. На основе анализа существующих методов поверхностного упрочнения замков БК и требований к геометрическим параметрам и механическим свойствам поверхностных слоев укрепляемых деталей установлено, что наиболее перспективным сейчас является метод ВИЛА. Однако широкому внедрению технологического процесса вакуумного ионно-плазменного азотирования мешают отсутствие оптимальных параметров поверхностного упрочнения методом ВИПА и современного качественного оборудования для реализации метода. Кроме того, существующие подходы к организации технологического процесса ВИПА используют только отдельные потенциальные возможности повышения его эффективности и не учитывают реализацию процесса в импульсном газотермоциклическом режиме, поэтому в работе предлагается использовать усовершенствованные методы импульсного вакуумного газотермоцикличного ионно-плазменного азотирования. В работе обоснован выбор направления исследования и разработан общий подход к выполнению поставленных заданий для всесторонней комплексной оценки свойств поверхностных слоев на базе системного подхода к выполнению работы и комплексной оценки поверхностных слоев. Задача оптимизации технологического процесса поверхностного упрочнения ЗРЗ БК с помощью ИВГТЦИПА рассматривалась как многофакторная и многокритериальная, план эксперимента был построен с помощью пакета прикладных программ ПРИАМ. В результате экспериментальных исследований установлено закономерность влияния технологических параметров ИВГТЦИПА на механические свойства упрочненного поверхностного слоя. Показано, что благодаря использованию ИВГТЦИПА повышается износостойкость в 1,8-2,2 раза, а коррозионная стойкость в 1,7-3,1 раза, предел выносливости на 20-40%, в зависимости от технологического режима его формирования. Полученные математические модели технологического процесса формирования упрочненного поверхностного слоя ИВГТЦИПА по критериям предела выносливости, износо- и коррозионной стойкости, способствуют разработке принципа управления свойствами поверхностного слоя. Разработан алгоритм процесса повышения работоспособности ЗРЗ БК ИВГТЦИПА. Данный алгоритм может применяться при создании (разработке и производстве) и эксплуатации ЗРЗ БК. Установлено повышение среднего технического ресурса упрочненных ИВГТЦИПА образцов в 2,47 раза, по сравнению с образцами без упрочнения. Проведено исследование экономической эффективности технологического процесса упрочнения замковых резьбовых соединений ИВГТЦИПА и установлено, что применение данного технологического процесса позволяет достигать экономического эффекта от 6 до 15,5 миллионов гривен в год, в зависимости от типа и стоимости бурильного замка.

The thesis is devoted to the urgent scientific task on development of a set of scientific reasonable technological solutions aimed at the effectiveness increasing of the process of drilling holes through the efficiency increasing of locking threaded connections of a drill string by a pulse vacuum and gaslcrosteus ion-plasma nitriding method. To achieve the goal, a method of the pulse vacuum and gasterosteus ion-plasma nitriding was improved. With the help of the results of conducted experiments, the mathematical models were obtained, that show the criteria dependence of wear resistance optimization, endurance limits and corrosion resistance of locking threaded connections of a drill string from technological, functional and maintenance factors as well as the optimization of locking threaded connections of a drill string by pulse vacuum and gasterosteus ion-plasma nitriding method has been carried out. The following things were determined: parameters of the technological process and certain composition and structure of the strengthened surface layer. Hie defined parameters increase substantiality, maintenance and corrosion resistance. Based on theoretical and experimental studies the technological process of locking threaded connections of a drill string by pulse vacuum and gasterosteus ion-plasma nitriding was improved with a purpose to increase the efficiency of locking threaded connections of a drill string. The core of this process is a pulse mode of processing of the surface layer and it ensures the increasing substantiality limit by 20...40%, the wear resistance by 1.8—2.2 limes and the corrosion resistance by 1.7-3.1 times, depending on the technological process parameters.