Резка конструкций: Алмазная резка бетона, кирпича, цена за м2 в Москве, Резка плит перекрытия

Чтобы любая техника резки была эффективной, она должна быть безопасной, надежной, воспроизводимой, гибкой и адаптируемой к полевым условиям, экологически чувствительной и экономичной.Методы резки, описанные в этой главе, либо доступны в промышленности, либо находятся в стадии разработки для использования при подводной резке свай, проводов и других компонентов платформы.

Методы резки можно разделить на две общие категории: взрывные и невзрывоопасные. В настоящее время используемые взрывные резаки представляют собой объемные заряды, сконфигурированные объемные заряды и другие режущие заряды, такие как линейно-кумулятивные заряды. Заряды для гидроразрыва и режущая лента, такая как контактная и рефракционная лента, могут найти применение в будущем.Доступные методы невзрывной резки включают механические резаки с вращающимися лезвиями с гидравлическим приводом; абразивные резаки с использованием песка или шлака с водяными насосами большого объема и низкого давления; абразивные фрезы с использованием водяных насосов малого объема под высоким давлением с впрыскиванием граната в сопло; и водолазные режут с помощью кислородно-дуговой горелки. Потенциальные методы невзрывной резки могут включать гидравлические ножницы, алмазные канатные пилы, химические резаки, лазерные резаки, пиротехнику (металлический порошок), химикаты и криогенную технику.Ни один из методов невзрывной резки не был разработан для коммерческого использования, хотя некоторые из них были продемонстрированы в контролируемых условиях.

В Таблице 2-1 перечислены три метода взрывной резки, которые доступны в настоящее время, а некоторые могут быть доступны в будущем.

ТАБЛИЦА 2-1 Методы взрывной резки

Чаще всего используется метод резки свай и проводов с использованием насыпных взрывчатых веществ.Литые и формованные взрывчатые вещества, такие как C-4 и Comp B, имеют высокую скорость при детонации и разрушающую способность (бризанс), которая на 15–30 процентов выше, чем TNT (Herbst, 1986). Comp B и C-4 не так опасны в обращении, как другие взрывчатые вещества, и могут быть отформованы в полевых условиях до требуемых размеров и формы. После более чем четверти века использования и сотен тысяч человеко-часов не было зарегистрировано серьезных травм в результате обращения или использования массовых взрывчатых веществ при перемещении платформы.

При установке платформы сваи свариваются в трубчатые секции. Цилиндрические стальные направляющие (называемые направляющими для опор) обычно привариваются к внутренней части нижней части каждой секции сваи, чтобы облегчить стыковку с предыдущей секцией. Внутренний диаметр на направляющей для зазубрин (над и под сварным швом), следовательно, меньше внутреннего диаметра сваи. Это важное соображение при использовании большинства других методов резки, но это лишь незначительное неудобство при размещении насыпных зарядов, размер которых может быть достаточным для разделения кучи, и их не нужно извлекать.Объемные заряды могут иметь форму, соответствующую размерам сваи или колодца, которые отличаются от строительных чертежей. Например, если самая маленькая обсадная колонна в скважине имеет диаметр 7 дюймов вместо 9,5 дюймов, как ожидалось, объемные взрывчатые вещества могут быть преобразованы в меньший контейнер с небольшой задержкой или без нее. Насыпные взрывчатые вещества также могут быть размещены в обычных сваях и колодцах без использования водолазов.

Насыпные заряды опускаются в подготовленные сваи и колодцы и взрываются практически одновременно (с 0.9-секундная задержка) группами по восемь или меньше человек. Все сваи и колодцы можно разрубить в течение часа или двух; это включает время, необходимое для загрузки взрывчатых веществ в конструкцию и проведения воздушного поиска черепах и морских млекопитающих (наблюдатели Национальной службы морского рыболовства [NMFS] проводят визуальный поиск в течение как минимум 48 часов до взрыва). Когда используются объемные взрывчатые вещества, колодцы и сваи обычно опускаются на несколько дюймов, что является четким признаком того, что они полностью прорваны.Однако грунты с высокой прочностью на сдвиг иногда препятствуют падению свай или колодцев, что может привести к необходимости подъема сваи с помощью деррик-баржи для проверки

Влияние технологии резки стали на усталостную прочность стальных конструкций: испытания и анализы

Материалы (Базель). 2021 окт; 14 (20): 6097.

Ярослав Галкевич, академический редактор и Люциан Снежек, академический редактор

Поступила 23.08.2021 г .; Принято в 2021 году 12 октября.

Реферат

В данной статье представлены результаты сравнительных испытаний на усталость образцов из стали S355J2N, вырезанных с использованием различных методов резки, например, плазменной резки, гидроабразивной резки и кислородно-ацетиленовой резки. Все образцы подвергались циклическому нагружению, в результате чего были получены соответствующие кривые S-N. Кроме того, были проведены измерения твердости и шероховатости на поверхности резания для определения влияния метода резания на усталостную прочность испытуемой стали.Результаты по усталостной прочности сравнивали со стандартными кривыми усталости S-N. Усталостная прочность образцов, вырезанных с помощью ацетилена, оказалась выше, чем у образцов, вырезанных с помощью плазменной резки, даже несмотря на то, что шероховатость поверхности после резки с помощью плазмы была меньше, чем в случае другой технологии резки. Это было связано со значительным эффектом упрочнения материала в зонах термического влияния. Результаты испытаний показывают, что по сравнению с влиянием технологии резки состояние поверхности образцов относительно мало влияет на их усталостную прочность.

Ключевые слова: стальные конструкции , усталостная прочность стали, твердость, шероховатость, плазменная резка, гидроабразивная резка, газовая резка, композитный дюбель

1. Введение

Большинство стальных каркасных конструкций в настоящее время строятся и используются, например, в России. , строительная промышленность, морская промышленность и обрабатывающая промышленность соединяют свои части вместе и должным образом формируют, например, сваркой и вырезанием из более крупных стальных элементов. В настоящее время преобладающими технологиями резки являются кислородно-ацетиленовая резка, плазменная резка и гидроабразивная резка.В случае кислородно-ацетиленовой резки устройства с компьютерным управлением обычно выполняют линию резки с точностью 0,8–1,6 мм. Ширина прорези зависит от параметров резки, т. Е. Диаметра и формы кислородного сопла, давления режущего кислорода и легковоспламеняющегося газа, а также скорости резки. После кислородной резки зона термического влияния резания (ЗТВ) относительно широка и зависит от содержания легирующих элементов в материале. В случае листов из низкоуглеродистой стали ширина ЧАЗа составляет менее 0.От 8 мм при толщине 12,5 мм и примерно до 3 мм при толщине 150 мм [1]. Плазменная резка заключается в плавлении металла и выбросе его из щели с помощью сильно концентрированной электрической дуги, протекающей между неплавящимся электродом и заготовкой. Ширина ЧАЗа обратно пропорциональна скорости резания и зависит от состава (проводимости) разрезаемого материала. Для аустенитных сталей типа 18-8 толщиной 25 мм ширина ЧАЗа составляет 0,08–0,13 мм при скорости резания 1.2 м / мин. Гидроабразивная резка заключается в использовании сильно сжатой водяной струи, образующейся при пропускании воды через сопло малого диаметра. Струя воды удаляет срезанный материал из режущей щели за счет эрозии и усталости резания при высоких местных напряжениях и, дополнительно, за счет микрообработки, когда используется абразивный порошок с размером зерен (гамет, оливин или кремнезем) 0,3–0,4 мм. Температура срезаемых кромок не превышает 100 ° С (холодная резка). Толщина разрезаемого материала зависит от параметров гидроабразивной резки, т.е.а., скорость резания, давление воды, вид и размер зерна порошка, а также скорость подачи порошка [1].

Благодаря значительным различиям между вышеупомянутыми технологиями резки, они находят применение при производстве всех видов стальных каркасных конструкций. Выбор технологии резки зависит от требований к качеству и технических и финансовых возможностей производителя, а также от требований, предъявляемых инженером-проектировщиком, который принимает во внимание влияние конкретных технологий вырезания стальной каркасной конструкции на конечный результат. и усталостная прочность.

Негативное влияние технологии вырезания конструкции на ее усталостную прочность было обнаружено в ходе обширных экспериментальных исследований инновационных соединителей типа композитный дюбель, используемых в композитных стальных и бетонных мостах [2]. Такие соединители создаются путем надлежащего соединения вместе стальных конструктивных элементов и бетона. Инновационный композитный дюбельный шов основан на идее разрезания стальной стенки катаной балки на две части по линии особой формы (), так что дюбели, полученные таким образом в каждой из двух частей при заделке в бетон, будут представлять собой механический соединитель, несущий силы расслоения между сталью и бетоном [3,4,5].

MCL с вырезом: ( a ) стальные соединители с отмеченными деталями, которые необходимо удалить, ( b ) соединитель перед разделением двух частей обрезной балки, ( c ) составные части инновационного соединения с дюбелями MCL .

Только после того, как была завершена конструкция PreCo-Beam [2], начали задумываться о влиянии технологии резки на несущую способность композитного дюбельного соединения. Было обнаружено, что шероховатость лицевой поверхности дюбеля после кислородно-ацетиленовой резки может быть причиной усталостного растрескивания балок при циклическом нагружении [6,7,8].

В литературе можно найти результаты экспериментальных исследований влияния технологии резки стали на ее прочность. Однако следует иметь в виду, что такие исследования не учитывают сложность этой проблемы (особенно в строительной отрасли), поскольку эксперименты проводятся не на полноразмерных моделях конструкций, а на образцах. Кроме того, результаты относятся к конкретной форме, толщине и марке стали элемента. Влияние технологий резки и характеристик поверхности полученных образцов на усталостную прочность описано в работе [9].Испытывали образцы толщиной 6 и 12 мм с прочностью стали 240–900 МПа. Было подтверждено, что усталостная прочность увеличивается с увеличением прочности стали на разрыв и в зависимости от шероховатости поверхности. Усталостная прочность образцов увеличивается, когда шероховатость поверхности уменьшается за счет дополнительных обработок поверхности, таких как пескоструйная обработка [10]. Образцы, вырезанные кислородом, имеют самую высокую усталостную прочность, за ними следуют образцы, вырезанные лазером и плазменной резкой. Образцы, вырезанные из газа, имеют самую высокую шероховатость поверхности, но также и самое высокое состояние остаточного напряжения сжатия.Образцы плазменной резки имеют наименьшую шероховатость, но их остаточные напряжения практически равны нулю по сравнению с образцами, вырезанными в кислородной и лазерной резке [11]. Усталостная прочность поверхностей плазменной резки может быть значительно улучшена с помощью соответствующей обработки после резки. Улучшение достигается за счет введения остаточного напряжения сжатия и уменьшения высоты шероховатости поверхности за счет шлифования [12].

Для стали S690Q и стали S355M наблюдается, что при резке прямых кромок плазмой и лазером эти технологии резки улучшают, по сравнению с газовой резкой, усталостную прочность [13,14].Сталь S890Q, подвергнутая лазерной резке, обладает более высокой усталостной прочностью, чем при резке газом или плазмой [15].

Из испытаний, проведенных на образцах, следует, что усталостная прочность стальных каркасных конструкций является сложной проблемой, чувствительной ко многим факторам. В строительстве эта проблема еще больше усугубляется тем фактом, что невозможно непосредственно наблюдать возникновение и распространение трещин (соединитель заделан в бетон), а также сложными взаимодействиями в стыке (силы расслаивания меняются от дюбеля к дюбелю. и передаются через прямое давление бетона на передние поверхности дюбелей и через силы сцепления между плоскими поверхностями стальной балки и бетоном).Поэтому, чтобы оценить влияние технологии резки на усталостную прочность материала, были проведены сравнительные испытания гантелевидных образцов, вырезанных с использованием различных технологий резки.

2. Эксперимент

2.1. Образцы для испытаний и план испытаний

Конкретная форма и размеры образца (толщина и радиус скругления) () были приняты таким образом, чтобы результаты испытаний можно было применить к соединителям типа составной дюбель (). Образцы были вырезаны из листа S355J2N толщиной 10 мм по направлению прокатки листа.Были вырезаны три серии образцов с использованием различных технологий резки, обозначенных как: A — струя воды, B — оксиацетилен и C — плазма.

Образец для сравнительных циклических испытаний: ( a ) геометрия (мм), ( b ) образец серии A (водоструйная резка), ( c ) образец серии B (кислородно-ацетиленовая резка), ( d ) образец серии С (плазменная резка).

Испытания проводились на испытательной машине 100 кН. Образцы подвергались одноосному растяжению-сжатию (R = -1) в диапазоне многоцикловой усталости до разрушения.Спектр нагрузки был синусоидальным с частотой f = 10 Гц. Путем испытаний была выбрана такая частота, чтобы температура образцов во время испытаний не превышала 60 ° C. Испытания проводились на циклической испытательной машине в диапазонах заданных напряжений Δ σ _i () от одного до четырех образцов для каждого уровня Δ σ _i . Количество циклов N = 5 м было установлено как предел срока службы. Во время испытаний регистрировали сигнал силы и сигнал полной деформации.Деформация измерялась по длине датчика 25 мм с помощью экстензометра.

Таблица 1

Диапазоны испытательного напряжения Δ σ _i для технологий резки.

Образцы чаще всего выходили из строя из-за разрыва площадь.Фотографии отобранных образцов после отказа для каждой из технологий резки приведены ниже ().

Неудачные образцы, вырезанные из: ( a ) воды, ( b ) оксиацетилена, ( c ) плазмы.

2.2. Результаты

Результаты тестирования представлены в, и.

Таблица 2

Результаты испытаний образцов А.

Таблица 3

Результаты испытаний образцов B.

Таблица 4

904 9 430,863

показывает результаты испытаний в виде логарифмической амплитуды напряжения в зависимости от логарифмического количества циклов для трех технологий резания.Были рассчитаны регрессионные кривые результатов тестирования для каждой из технологий. Стандартные кривые для категорий усталости 80 МПа и 125 МПа согласно стандарту [16] были включены для сравнения.

Результаты испытаний образцов. (оксиацетилен, вода, плазма).

Из кривых регрессии для соответствующих технологий резания были рассчитаны значения напряжений Δ σ _c при N = 2 миллиона циклов, то есть категории усталости и значения котангенса m наклона кривой усталости.Результаты представлены в.

Таблица 5

Значения Δ σ _c и м и кривые регрессии для рассматриваемых технологий резания.

3. Условия обрезки кромки

3.1. Макроскопические и микроскопические исследования усталостных изломов

Были проведены подробные макроскопические и микроскопические исследования выбранных образцов, вырезанных из: воды (2A, 14A, 17A), оксиацетилена (4B, 10B, 14B) и плазмы (6C, 8C, 10C). из.Исследованы грани образцов поверхностей среза и усталостного разрушения и трещин ().

Образец для испытаний: L — грань реза, N — усталостное разрушение, K — площадь, из которой были взяты образцы для изготовления металлургических шлифов, Z-Z ‘- поперечные сечения, на которых были изготовлены шлифы, g — металлургический шлиф. длина измерения твердости.

Макроскопические исследования проводились под стереоскопическим световым микроскопом, тогда как микроскопические исследования проводились с использованием конфокального лазерного сканирующего микроскопа и сканирующего электронного микроскопа.Образцы для изготовления металлургических шлифов были вырезаны с помощью прецизионного резака и закреплены в проводящей смоле. Установленные образцы шлифовали и полировали на полировальном станке и подвергали травлению 5% -ным раствором HNO ₃ .

На гранях среза испытанных образцов наблюдались многочисленные борозды, образовавшиеся в результате срезания, по которым распространялись усталостные трещины (и). Это особенно заметно при гидроабразивной резке, в этом случае поверхность реза заметно меняется, показывая зону входа водяной струи с абразивом и зону выхода ().

Разрушение образца 6С: ( a ) грань разреза, выполненного плазмой, ( b ) номер стороны трещины, обозначенный цифрой. 1, ( c ) номер стороны трещины обозначен номером. 2.

Разрушение образца 14В: ( a ) грань разреза, выполненного газом, ( b ) номер стороны трещины, обозначенный цифрой. 1, ( c ) номер стороны трещины обозначен номером. 2.

Разрушение образца 17А: ( a ) поверхность выреза, выполненного водяной струей, ( b ) номер стороны трещины, обозначенный цифрами.1, ( c ) номер стороны трещины обозначен номером. 2.

Исследования поверхностей изломов образцов четко подтвердили утомляемый характер изломов, как это видно на рис.

Поверхность излома образца 14Б: 1 — зона хрупкого разрушения, 2 — зона вязкого разрушения, 3 — зернистая зона (конечная фаза разрушения).

3.2. Исследования шероховатости на поверхности резания

Шероховатость, т.е. среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии, на двух гранях реза, обозначенных в, была исследована для каждого образца.Результаты представлены в.

Обозначения поверхностей, на которых проводились измерения шероховатости.

Таблица 6

Результаты измерения шероховатости: R _a — шероховатость, R _{a, средняя} — средняя шероховатость.

3.3. Микроскопические исследования металлургических полированных профилей

Для микроскопических исследований образец вырезали из области измерения образцов в соответствии с плоскостью Z-Z ’, параллельной поверхности излома (). После травления 5% -ным раствором HNO ₃ стала видна неравновесная ферритно-перлитная структура ().

Микроструктуры образцов: ( a — c ) вырезано водой, ( d — f ) вырезано ацетиленом, ( г — i ) вырезано плазмой.

3.4. Исследования зоны термического влияния реза

Образцы, вырезанные с использованием газовой и плазменной технологии, показали отчетливо измененную структуру на кромке реза (и) из-за локального нагрева материала. Зона термического влияния среза (представлен в ЧАЗ) характеризовалась мартенситной структурой с различным содержанием углерода. Эта структура, в отличие от ферритно-перлитной, была более хрупкой и склонной к растрескиванию (). Для образцов обводненности существенных изменений микроструктуры не наблюдалось.

Структуры в зоне термического влияния среза на образцах: ( а ) 4Б, ( б ) 10Б, ( с ) 14Б — технология кислородно-ацетиленовой резки.

Структуры реза в зоне термического влияния образцов: ( а ) 6С, ( b ) 8С, ( c ) 10С — технология плазменной резки.

Структуры: ( a ) игольчатая структура в CHAZ в образцах, вырезанных плазмой, ( b ) игольчатая структура в CHAZ в образцах, вырезанных из оксиацетилена, ( c ) перлитно-ферритная структура в образцах, вырезанных плазмой, ( d ) перлитно-ферритная структура в образцах, вырезанных оксиацетиленом.

Таблица 7

Глубина реза зоны термического влияния (ЧАЗ).

3.5. Тесты на твердость

Твердость измеряли методом Виккерса в соответствии со стандартом [17].Измерения проводились под нагрузкой 10 кг, действующей в течение 10 с.

Измерения твердости проводились на металлургических шлифах по отрезку g (), соответствующему перлитно-ферритной полосе. Расстояние между обрезанной кромкой и первым отпечатком составляло 0,3 мм. Следующие оттиски располагались через каждые 1,5 мм. Всего для каждого образца было сделано 10 оттисков.

Твердость материалов исследуемых образцов колебалась от 146 до 352 HV10 ().Значения твердости выше 150 HV10 измерялись исключительно на краях образцов, вырезанных ацетиленом и плазмой. Средняя твердость в этих местах составила 244 HV10 и 310 HV10 для образцов типа B и образцов типа C соответственно.

Твердость типа: ( a ) образцы A (вода), ( b ) образцы B (оксиацетилен), ( c ) образцы C (плазма).

4. Анализ результатов

Образцы, вырезанные с использованием оксиацетиленовой технологии, показали более длительный усталостный срок службы, чем другие образцы, вырезанные с помощью плазмы и воды, как показано на рис.Категории усталости рассчитывались по регрессионным кривым технологий резания. Категории усталости составили: Δ σ _c , _B = 226 МПа для кислородно-ацетиленовой резки, Δ σ _c , _A = 167 МПа для гидроабразивной резки. и Δ σ _c , _C = 146 МПа для плазменной резки. Результаты выше категории усталости Δ σ _c = 125 МПа в соответствии с работой [16], которая безопасно и наиболее часто применяется строительными проектировщиками и применяется к металлическим пластинам, вырезанным методом газовой резки, с удаленными краевыми неоднородностями.К сожалению, в случае серийно выпускаемых соединителей типа композитных дюбелей каждая из производственных операций, включая обработку поверхности резания, как полагают, увеличивает стоимость, и поэтому прилагаются усилия для уменьшения последней на: ia, ограничивая дополнительные обработки лицевой стороны пореза. Действующие рекомендации по проектированию согласно работе [16] не учитывают влияние технологии резки и качества поверхности среза на усталостную прочность конструкции.Поэтому необходимо уточнить и уточнить категорию усталости для других технологий резки, включая гидроабразивную резку и плазменную резку, которые должны благоприятно повлиять на конструкцию стальных каркасных конструкций.

Во всех рассмотренных случаях котангены наклона кривой усталости m были больше ( м _A = 10, м _B = 17, м _C = 8) по сравнению со стандартными кривыми. по работе [16], для которой м = 3.Значения наклона дают информацию о скорости разрушения образцов при переменной нагрузке. В случае кислородно-ацетиленовой резки образцы будут разрушаться медленнее всего ( м _B = 17), в отличие от образцов, вырезанных с помощью плазменной резки, которые разрушаются быстрее всего ( м _C = 8). Следует отметить, что результаты этого испытания зависят, в частности, от количества и формы образцов, характера усталостной нагрузки и предела текучести материала.Поэтому напрямую сравнивать полученные результаты затруднительно. Сходимость результатов считается удовлетворительным результатом. В случае стали S355 получается наклон кривой м = 7 для образцов кислородной резки и m = 13 для образцов плазменной резки [11], или m = 5,2 для плазмы, m = 5,8 для кислорода. и м = 16,8 для воды, как описано в работе [18]. Текущие исследования подтверждают консервативные стандартные рекомендации, для которых м = 3 [16].Следует добавить, что полученный умеренный консерватизм может быть правильным, учитывая, что мелкомасштабные образцы, как правило, обеспечивают большую усталостную надежность, чем крупномасштабные балочные образцы [19].

Испытания материалов подтвердили относительно меньшую шероховатость поверхности для плазменной резки ( R _{a, среднее значение} = 0,208 мкм) и кислородно-ацетиленовой резки ( R _{a, среднее значение} = 1,444 мкм), чем для гидроабразивной резки ( R _{a, среднее} = 3,496 мкм).Многочисленные борозды в зонах входа водяной струи на поверхностях обводненности представляли собой микронызы, в которых должно происходить зарождение усталостных трещин. Примечательно, что от выбора параметров резки и толщины разрезаемой металлической пластины зависит качество поверхности вырезаемого образца [18].

Влияние вида обработки и состояния поверхностного слоя на усталостную прочность выражается коэффициентом состояния поверхности β _p как отношение усталостной прочности образца без надреза (полированного) к прочности последнего после механической обработки. .Чем выше коэффициент состояния поверхности, тем ниже усталостная прочность образца из-за неровностей поверхности. приведены результаты экспериментов [20], в которых изучалось влияние вида обработки (шлифование, тонкая прокатка, грубая прокатка) на значение коэффициента β _p в зависимости от прочности на разрыв. Как видно, коэффициент состояния поверхности увеличивается с увеличением шероховатости поверхности. Дополнительно в рисунок были включены средние значения шероховатости поверхностей граней выреза собственных образцов типа A, B и C для стали S355J2N с пределом прочности f _u = 510 МПа.

Влияние вида обработки на значение коэффициента состояния поверхности β _p для растяжения или изгиба, в зависимости от прочности стали на разрыв и вида обработки для: 0 — полированная, 1 — шлифованная, 2 — мелкокатаная, 3 — крупнозернистый прокат, 4 — образцы с острым надрезом (для сравнения). Адаптировано с разрешения Ref. [20], 2021, Wydawnictwo Naukowe PWN.

содержит измеренные значения β _p (согласно) и рассчитанные категории усталости Δ σ _c для каждой из технологий резки и процентные различия относительно результатов для вырезанных образцов с плазмой.Судя по отличиям, состояние поверхности образцов относительно мало (до 12%) влияет на их усталостную прочность по сравнению с технологиями их резки (55%).

Таблица 8

Значения β _p и Δ σ _c и различия между результатами для испытанных образцов.

Усталостная прочность образцов, вырезанных из оксиацетилена (Δ σ _c = 226 МПа), выше, чем у образцов, вырезанных плазмой (Δ σ _c = 146 МПа) хотя шероховатость поверхности после плазменной резки меньше, чем в случае другой технологии резки.Это связано со значительным эффектом упрочнения материала в зонах термического влияния. В обоих случаях были получены игольчатые структуры () с сопоставимой глубиной зоны термического влияния, измеренной от поверхности разреза. Однако в случае плазменной резки твердость, измеренная на кромке реза (310 HV10), была на 27% больше, чем у образцов, вырезанных с использованием технологии газовой резки (244 HV10). Аналогичное совпадение результатов было получено при испытаниях, описанных в работе [18], где образцы, вырезанные плазмой, характеризовались наибольшей твердостью (280 HV10) и меньшей усталостной прочностью (Δ σ _c = 239 МПа) по сравнению с образцами кислородной резки, у которых твердость составила 190 HV10, а усталостная прочность — 264 МПа.

Результаты сравнительных испытаний показывают, что технология газовой резки, используемая до сих пор для вырезания соединителей для инновационного композитного дюбельного соединения, более выгодна, чем технология плазменной резки или технология резки воды. Кроме того, кислородно-ацетиленовая резка — самая дешевая и самая доступная технология резки на заводских заводах.

5. Выводы

По результатам испытаний на усталость, проведенных на образцах из стали S355J2N, вырезанных с использованием различных методов резки, т.е.Например, плазменная резка, гидроабразивная резка и кислородно-ацетиленовая резка, можно сделать следующие выводы, обеспечивающие основу для дальнейшего анализа, ведущего к разработке рекомендаций по проектированию стальных соединителей типа композитных дюбелей:

1. Технология вырезания дюбелей композитного типа имеет отношение к их усталостной прочности. Соединители, вырезанные с помощью кислородно-ацетиленовой резки, могут иметь более высокую усталостную прочность, чем разъемы, вырезанные с помощью плазменной резки или гидроабразивной резки;

2. Эффект от используемой технологии вырезания стальных соединителей типа составных дюбелей может быть больше, чем от состояния поверхности выреза;

3. Наклоны кривых усталостной прочности, определенные для вырезанных образцов: м _A = 10 для гидроабразивной резки, м _B = 17 для кислородной резки и м _C = 8 для плазменной резки, подтверждают консервативную стандартную рекомендацию м = 3 согласно работе [16];

4. Кривая усталости FAT125 в соответствии с работой [16] может быть подходящей для конструкции композитных дюбелей, которые вырезаются с помощью кислородной резки, плазменной резки и гидроабразивной резки.Тем не менее, необходимо провести дальнейшие экспериментальные исследования (метод кривой S-N) на образцах балок композитных конструкций, чтобы проверить кривую усталости композитного дюбельного соединителя.

Сокращения

В данной статье используются следующие символы и обозначения в том порядке, в котором они появляются в тексте:

При использовании в этой статье других символов появляются в тексте впервые.

Финансирование

Это исследование не получало внешнего финансирования.

Заявление институционального наблюдательного совета

Не применимо.

Заявление об информированном согласии

Не применимо.

Заявление о доступности данных

Совместное использование данных не применяется.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Сноски

Примечание издателя: MDPI сохраняет нейтралитет в отношении юрисдикционных претензий на опубликованных картах и ​​филиалов организаций.

Список литературы

Конструкция шарошечных долот — PetroWiki

Доступны широкие разновидности шарошечных долот. Они обеспечивают оптимальную производительность в определенных пластах и ​​/ или определенных условиях бурения.Современные буровые долота включают в себя существенно отличающиеся режущие структуры и используют значительно улучшенные материалы, что приводит к повышению эффективности долота. Производители работают в тесном сотрудничестве с буровыми компаниями, собирая информацию о своих долотах и ​​выявляя возможности для улучшения конструкции.

Конические шарнирные долота

предполагают, что долото будет выполнять следующие задачи:

• Функционирование при низкой стоимости пробуренного фута.
• Обладают длительным сроком службы в скважине, что сводит к минимуму потребность в спуско-подъемных операциях.
• Обеспечивает стабильную работу без вибрации при заданной скорости вращения и нагрузке на долото (WOB).
• Обрежьте калибр точно на протяжении всего срока службы долота.

Для достижения этих целей проектировщики долот учитывают несколько факторов. Среди них:

• Окружающая среда пласта и бурения.
• Ожидаемая частота вращения.
• Ожидаемая нагрузка на долото (WOB).
• Гидравлические устройства.
• Ожидаемая скорость износа от истирания и ударов.

Координаторы дизайна включают:

• Корпус биты
• Конфигурации конуса
• Режущие конструкции
• Металлургические, трибологические и гидравлические аспекты при проектировании инженерных долот. (Трибология — это наука, которая изучает конструкцию, трение, износ и смазку взаимодействующих поверхностей при относительном движении.)

Замените этот текст кратким (3-4 строки) введением к тому, что описано на этой странице.

Заголовок 1

Замените имя заголовка выше, затем начните создавать свой текст вместо этого текста.Чтобы сделать подзаголовки к этому заголовку, используйте стиль заголовка 3 уровня из раскрывающегося списка. Чтобы создать другой заголовок на этом уровне, используйте уровень заголовка 2. Заголовки ниже используются на многих страницах, поэтому мы создали их для вас. Если один или несколько из них не подходят для вашей страницы, вы можете удалить их. Делайте заголовки «предложенными» регистрами (начальная заглавная буква, за которой следует все строчные буквы, за исключением имен собственных или сокращений, которые обычно отображаются в верхнем регистре, таких как MWD или EOR).

Список литературы

Используйте этот раздел для цитирования элементов, на которые есть ссылки в тексте, чтобы показать ваши источники.[Источники должны быть доступны читателю, т. Е. Не внутренний документ компании.]

Интересные статьи в OnePetro

Используйте этот раздел, чтобы перечислить статьи в OnePetro, которые читатель, желающий узнать больше, обязательно должен прочитать

Внешние ссылки

Используйте этот раздел, чтобы предоставить ссылки на соответствующие материалы на других веб-сайтах, кроме PetroWiki и OnePetro.

См. Также

Используйте этот раздел для ссылок на связанные страницы в PetroWiki, включая ссылку на исходный текст PEH, где это необходимо.

Методы и инструменты проектирования

Как сверлить зубья и пластины

Чтобы понять конструктивные параметры шарошечных долот, важно понимать, как сверлят шарошечные долота.На долоте выполняются два типа буровых работ. Действие дробления происходит, когда вес, приложенный к долоту, заставляет вставки (или зубья) в пробуриваемый пласт (нагрузка на долото в рис. 2 ). Кроме того, действие типа скольжения и выдавливания происходит частично из-за того, что проектируемая ось вращения конуса немного наклонена к оси вращения долота (вращение в рис. 2 ). Проскальзывание и строжка также имеют место, потому что вращательное движение долота не позволяет вставке с пробитым отверстием вращаться из созданной ею зоны раздавливания, не вызывая приложения поперечной силы по периметру зоны.Оба эффекта способствуют режущему действию ( рис. 2, ).

• Рис. 2 — Режущие действия для шарошечных долот.

Метод расчета долота

Геометрия долота и метод проектирования режущей конструкции компании Bentson с 1956 года лежат в основе разработки большинства методов конструирования шарошечных долот. ^[1] . Хотя современные инженерные методы и инструменты значительно улучшились по сравнению с теми, которые использовались в 1956 году, метод Бентсона является наследием современного дизайна и по-прежнему полезен для объяснения предыстории.

Диаметр долота / доступное пространство

Диаметр скважины и диаметр долота, необходимый для его достижения, влияют на все конструктивные особенности каждого эффективного долота. Первое, что нужно учитывать при проектировании шарошечного долота — это допустимый диаметр долота или, по словам разработчика, доступное пространство. Каждый элемент шарошечного долота должен входить в круг, соответствующий требуемому диаметру скважины. API выпустил спецификации, устанавливающие допустимые допуски для стандартных диаметров долот.2 Размеры цапф, подшипников, конусов, а также гидравлических и смазочных элементов в совокупности регулируются круглым поперечным сечением скважины. По отдельности размеры различных элементов могут варьироваться. Перемещение или изменение размера или формы отдельного компонента почти всегда требует последующих дополнительных изменений в одном или нескольких других компонентах. В небольших битах найти хорошие компромиссы может быть сложно из-за нехватки места.

Угол цапфы

«Угол цапфы» описывает угол, образованный линией, перпендикулярной оси долота и оси шейки ножки долота.Угол шейки обычно является первым элементом конструкции долота с шарошечным конусом. Оптимизирует проникновение вставки (или зуба) долота в пробуриваемый пласт; как правило, долота с относительно маленькими углами шейки лучше всего подходят для бурения в более мягких пластах, а долота с большими углами лучше всего работают в более твердых пластах.

Конусное смещение

Чтобы увеличить действие скольжения-строжки, разработчики долот создают дополнительную рабочую силу, смещая центральные линии конусов так, чтобы они не пересекались в общей точке долота.Это «смещение конуса» определяется как расстояние по горизонтали между осью долота и вертикальной плоскостью, проходящей через ось его шейки. Смещение заставляет конус поворачиваться в пределах отверстия, а не вокруг собственной оси. Смещение задается перемещением центральной линии конуса от средней линии долота таким образом, чтобы вертикальная плоскость, проходящая через осевую линию конуса, проходила через вертикальную осевую линию долота. На базовую геометрию конуса напрямую влияет увеличение или уменьшение углов шейки или смещения, а изменение одного из двух требует компенсирующего изменения другого.Строжка-канавка улучшает проникновение в мягкие и средние породы за счет повышенного износа режущей пластины или зубьев. В абразивных пластах смещение может сократить срок службы режущей конструкции до непрактичного уровня. Таким образом, разработчики долот ограничивают использование смещения, чтобы результаты просто соответствовали требованиям к проникновению в пласт.

Зубья и вкладыши

Конструкция зуба и пластины в первую очередь определяется конструктивными требованиями пластины или зуба и требованиями к формации, такими как:

• Проникновение
• Удар
• Абразивный износ

Зная диаметр ствола скважины и требования к пласту, проектировщик выбирает конструктивно удовлетворительные режущие элементы (стальные зубья или пластины из карбида вольфрама (TCI)), которые обеспечивают оптимальный рисунок пластины / зуба для эффективного бурения пласта.

Факторы, которые необходимо учитывать при проектировании эффективной пластины / зуба и создании выгодной схемы забоя, включают:

• Подшипник в сборе
• Угол смещения конуса
• Угол цапфы
• Уголки конические
• Материал пластины / зуба
• Кол-во пластин / зубьев
• Расстояние между пластиной / зубом

Когда эти требования выполнены, остающееся пространство распределяется между пластиной / контуром зуба и геометрией режущей структуры, чтобы наилучшим образом соответствовать пласту.

В целом, внешний вид режущих структур, предназначенных для мягких, средних и твердых пород, можно легко определить по длине и геометрическому расположению их режущих элементов.

Конструкция применительно к режущей конструкции

Применение расчетных факторов дает разные результаты ( рис. 3 ). Режущая структура слева предназначена для самых мягких пород; что справа, для более сложных построений.

• Фиг.3 — Режущая структура для мягких (слева) и твердых (справа) пластов.

Воздействие конусов долота на пласт имеет первостепенное значение для достижения желаемой скорости проходки. Для долот с мягким формованием требуется действие строжки и зачистки. Долота для твердых пород требуют дробильно-дробящего действия. Эти действия в первую очередь зависят от степени катания и скольжения конусов. Максимальные действия по строжке-соскабливанию (мягкое формирование) требуют значительного скольжения. И наоборот, дробление-дробление (твердое образование) требует, чтобы конический валок приближался к состоянию «истинного валка» с очень небольшим скольжением.Для мягких пород требуется сочетание малого угла шейки, большого угла смещения и значительного изменения профиля конуса для развития действия конуса, которое скорее скользит, чем катится. Для твердых пород требуется сочетание большого угла шейки, отсутствия смещения и минимального отклонения профиля конуса. Это приведет к тому, что действие конуса будет близко приближаться к истинному валку с небольшим заносом.

Пластины / зубья и режущая структура

Поскольку пласты неоднородны, существуют значительные различия в их буримости и большое влияние на геометрию режущей структуры.Для заданной нагрузки на долото большое расстояние между пластинами или зубьями приводит к улучшенному проникновению и относительно более высокой боковой нагрузке на пластины или зубья. Близкое расстояние между пластинами или зубьями снижает нагрузку за счет меньшего проникновения. Конструкция режущих пластин и самих зубьев во многом зависит от твердости и буримости пласта. Проникновение режущих пластин и зубьев, производительность шлама и гидравлические требования взаимосвязаны, как показано в таблице , таблица 1 .

• Таблица 1 — Взаимосвязь между пластинами, зубьями, гидравлическими требованиями и формацией

Формирование и удаление шлама влияют на конструкцию режущей конструкции.Для мягких пластов с низкой прочностью на сжатие требуются длинные, острые и широко разнесенные пластины / зубья. Скорость проникновения в этот тип пласта частично зависит от длины пластины / зуба, поэтому необходимо использовать максимальную глубину пластины / зуба. Пределы максимальной длины пластины / зуба продиктованы минимальными требованиями к толщине обечайки конуса и размеру конструкции подшипника. Расстояние между пластинами и зубьями должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить эффективный поток жидкости для очистки и удаления шлама.

Требования к долотам для твердых пород с высокой прочностью на сжатие обычно прямо противоположны требованиям, предъявляемым к долотам для мягких пластов.Вставки неглубокие, тяжелые и расположены близко друг к другу. Из-за абразивности большинства твердых пород и выкрашивания, связанного с бурением твердых пород, зубья должны располагаться близко друг к другу ( Рис. 4 ). Такое близкое расстояние распределяет нагрузку в широких пределах, чтобы минимизировать скорость износа пластины / зуба и ограничить боковую нагрузку на отдельные зубья. В то же время пластины короткие, а углы фрезерованных зубьев большие, чтобы выдерживать большие нагрузки на долото, необходимые для преодоления прочности пласта на сжатие.Близкое расстояние часто ограничивает размер пластин / зубьев.

• Рис. 4 — Сравнение более мягкой режущей структуры IADC 427y (слева) и более твердой 837Y (справа)

В более мягких и, в некоторой степени, формах средней твердости характеристики формации таковы, что меры по эффективной очистке требуют тщательного внимания со стороны проектировщиков. Если геометрия режущей конструкции не способствует удалению шлама, проникновение долота будет затруднено, что приведет к снижению скорости проходки (ROP).И наоборот, успешное проектирование режущей структуры способствует как очистке оболочки конуса, так и удалению стружки.

Дизайн материалов

Свойства материалов являются решающим аспектом рабочих характеристик шарошечных долот. Компоненты должны быть устойчивы к абразивному износу, эрозии и ударным нагрузкам. Конечные результаты производительности и долговечности в какой-то мере учитывают несколько металлургических характеристик, таких как:

• Свойства термообработки
• Свариваемость
• Способность принимать наплавку без повреждений
• Обрабатываемость

Физические свойства компонентов долота зависят от сырья, из которого изготовлен компонент, способа обработки материала и типа примененной термической обработки.Стали, используемые в деталях шарошечных долот, плавятся до высоких требований к химическим свойствам, чистоте и внутренним свойствам. Все они изготовлены из-за улучшенной зернистой структуры, полученной в процессе прокатки. Большинство производителей начинают с кованых заготовок как для конусов, так и для ног из-за дальнейшего улучшения и ориентации микроструктуры, возникающей в процессе ковки.

Конструктивные требования и потребность в стойкости к истиранию и эрозии для опор и конусов шарошечных долот различны.Как и следовало ожидать, материалы, из которых изготовлены эти компоненты, обычно соответствуют особым потребностям компонента. Кроме того, разные части компонента часто требуют разных физических свойств. Секции шейки опор, например, требуют высокой упрочняемости, чтобы противостоять износу от несущих нагрузок, тогда как верхняя часть опор сконфигурирована так, чтобы обеспечивать высокую прочность на растяжение, которая может выдерживать большие структурные нагрузки.

Стойки и конусы шарошечных долот изготавливаются из низколегированных сталей.Ножки изготовлены из материала, который легко поддается механической обработке перед термообработкой, поддается сварке, имеет высокий предел прочности и может быть в относительно высокой степени упрочнен. Конусы изготавливаются из материалов, которые легко поддаются механической обработке в мягком состоянии, поддаются сварке в мягком состоянии и могут подвергаться поверхностной закалке для обеспечения более высокого сопротивления истиранию и эрозии.

Пластины и износостойкие наплавки

Карбид вольфрама — один из самых твердых известных материалов. Его твердость делает его чрезвычайно полезным в качестве режущего и стойкого к истиранию материала для шарошечных долот.Прочность на сжатие карбида вольфрама намного превышает его предел прочности на разрыв. Таким образом, это материал, полезность которого в полной мере достигается только тогда, когда конструкция максимизирует сжимающую нагрузку при минимальном сдвиге и растяжении. Карбид вольфрама — самый популярный материал для режущих элементов сверл. Наплавочные материалы, содержащие зерна карбида вольфрама, являются стандартом для защиты поверхностей долот от абразивного износа.

Когда большинство людей говорят «карбид вольфрама», они имеют в виду не химическое соединение (WC), а, скорее, спеченный композит из зерен карбида вольфрама, внедренных в пластичную матрицу или связующую фазу и металлургически связанных с ними.Такие материалы входят в семейство материалов, называемых металлокерамикой или керметами. Связующие поддерживают зерна карбида вольфрама и обеспечивают прочность на разрыв. Благодаря связующим, резцам можно придать полезные формы, которые ориентируют зерна карбида вольфрама так, чтобы они находились под нагрузкой при сжатии. Керметы из карбида вольфрама также можно полировать до очень гладкой поверхности, уменьшающей трение скольжения. Благодаря контролируемому размеру зерен и содержанию связующего, твердость и прочностные характеристики керметов из карбида вольфрама подбираются с учетом определенной стойкости к резанию или истиранию.

Наиболее распространенными связующими металлами, используемыми с карбидом вольфрама, являются железо, никель и кобальт. Эти материалы относятся к периодической таблице элементов и имеют сродство к карбиду вольфрама (наибольшее сродство имеет кобальт). Керметы из карбида вольфрама обычно имеют содержание связующего в диапазоне от 6% до 16% (по весу). Поскольку зерна карбида вольфрама металлургически связаны со связкой, пористость на границах между связкой и зернами карбида вольфрама отсутствует, а металлокерамика менее восприимчива к повреждению при сдвиге и ударах.

Свойства композитов карбида вольфрама

Процесс «проектирования» свойств металлокерамики позволяет точно подобрать материал в соответствии с требованиями для данной области бурения. На твердость, ударную вязкость и прочность композитного материала влияют:

• Размер частиц карбида вольфрама (обычно от 2 до 6 мкм)
• Форма частиц
• Распределение частиц
• Содержание связующего (в процентах по массе)

В целом, увеличение содержания связующего для данного размера зерна карбида вольфрама приведет к снижению твердости и увеличению вязкости разрушения.И наоборот, увеличение размера зерен карбида вольфрама влияет как на твердость, так и на ударную вязкость. Меньший размер частиц карбида вольфрама и меньшее содержание связующего обеспечивают более высокую твердость, более высокую прочность на сжатие и лучшую износостойкость. Как правило, марки керметов разрабатываются в диапазоне, в котором твердость и ударная вязкость изменяются противоположно в зависимости от изменения размера частиц или содержания связующего. В любом случае незначительные изменения в содержании карбида вольфрама, распределении по размерам и пористости могут заметно повлиять на характеристики материала ( рис.5 ).

• Рис. 5 — Твердость, ударная вязкость и износостойкость цементированного карбида вольфрама.

Пластина из карбида вольфрама (TCI), конструкция

TCI учитывает свойства материалов из карбида вольфрама и геометрическую эффективность при бурении конкретного горного пласта. Как уже отмечалось, для более мягких материалов необходима длинная и острая геометрия, чтобы способствовать быстрому проникновению. Ударные нагрузки низкие, но абразивный износ может быть высоким.Твердые породы бурятся больше дроблением и измельчением, чем проникновением. Ударные нагрузки и истирание могут быть очень высокими. Прочные материалы, такие как карбонаты, просверливаются путем строжки и могут выдерживать высокие ударные нагрузки и высокие рабочие температуры. Варианты способа бурения и свойств горных пород определяют форму и степень правильного выбора TCI.

Форма и класс TCI зависят от их соответствующего расположения на конусе.Внутренние ряды вставок работают иначе, чем внешние ряды. Внутренние ряды имеют относительно более низкие скорости вращения относительно осей конуса и долота. В результате они имеют естественную тенденцию к выдавливанию и царапанию, а не к скатыванию. Для внутренних рядов пластин обычно используются более мягкие и жесткие пластины, которые лучше всего выдерживают раздавливание, строжку и царапание. Пластины для манометров обычно изготавливаются из более твердых и износостойких марок карбида вольфрама, которые лучше всего выдерживают сильный абразивный износ. Таким образом, видно, что требования к разным расположениям долота диктуют разные решения для вставки.Разработчику доступно большое разнообразие геометрий, размеров и марок пластин, с помощью которых можно оптимизировать характеристики долота ( Рис. 6, ) ^[2] .

• Рис. 6 — Типичные типы вставок (высота ≈ дюйма, но зависит от размера бит).

Калибр режущей конструкции

Самая важная особенность режущей конструкции — это калибровочный ряд. Конструкции для калибровочной резки должны обрезать как дно отверстия, так и его внешний диаметр.Из-за высоких требований к калибру долота, в долотах как с фрезерованными зубьями, так и с пластинами могут использоваться пластины из карбида вольфрама или алмазные вставки. В абразивных условиях обычно наблюдается сильный износ или закругление толщины, а при высоких скоростях вращения измерительный ряд может испытывать температуры, которые приводят к тепловому контролю, выкрашиванию и поломке.

Пластины из карбида вольфрама с алмазным покрытием (TCI)

Режущие пластины с алмазным покрытием используются для предотвращения износа в высоконагруженной, сильно истертой измерительной зоне долот и во всех положениях режущих пластин в сложных условиях бурения.Они состоят из поликристаллического алмазного компакта (PDC), который представляет собой химически связанную синтетическую алмазную крошку, закрепленную в матрице из кермета из карбида вольфрама. PDC имеет более высокую прочность на сжатие и более высокую твердость, чем карбид вольфрама. Кроме того, алмазные материалы в значительной степени не подвержены химическим взаимодействиям и менее чувствительны к нагреванию, чем карбиды вольфрама. Эти свойства позволяют алмазным материалам нормально функционировать в условиях бурения, в которых марки карбида вольфрама дают разочаровывающие или неудовлетворительные результаты ( Таблица 2 ) ^[3] , ^[4] , ^[5]

• Таблица 2 — Сравнение материалов из алмазов, поликристаллических полимеров и карбидов вольфрама

При разработке пластин с алмазным покрытием более высокая плотность алмаза увеличивает ударопрочность и способность экономично проникать в абразивные породы.Однако повышенная плотность алмаза увеличивает стоимость пластины. Раньше пластины с алмазным усилением были доступны только симметричной формы. Первой из них была полукруглая верхняя вставка. Сегодня некоторые производители разработали процессы, которые позволяют изготавливать пластины сложной формы с улучшенными алмазными свойствами.

Наплавка из карбида вольфрама

Твердосплавные материалы предназначены для обеспечения износостойкости (истиранию, эрозии и ударам) долота ( Рис. 7 ).Чтобы наплавка была эффективной, она должна быть устойчивой к потере материала из-за отслаивания, выкрашивания и нарушения сцепления с битой. Наплавка твердым сплавом обеспечивает защиту от износа в нижней части (хвостовика) всех опор шарошечных долот и в качестве материала режущей конструкции на долотах с фрезерованными зубьями ( Рис. 8 ).

• Рис. 7 — Типичные наплавки на долоте с фрезерованными зубьями.

• Рис. 8 — Детали уплотнения и подшипника в разобранном виде.

Наплавку наплавки обычно устанавливают вручную путем сварки. Полую стальную трубку, содержащую зерна карбида вольфрама подходящего размера, держат в огне до тех пор, пока он не расплавится. Образовавшаяся расплавленная сталь связывается посредством плавления поверхности с твердосплавной наплавкой на долоте. При этом зерна карбида вольфрама текут твердым телом с расплавленной сталью из стержня на долото. Затем сталь затвердевает вокруг частиц карбида вольфрама, прочно прикрепляя их к сверлу.

Конические шарошечные долота специального назначения

Насадки Monocone

впервые были использованы в 1930-х годах. Эта конструкция имеет несколько теоретических преимуществ, но не получила широкого распространения. Исследователи долота, воодушевленные достижениями в области режущих конструкционных материалов, продолжают помнить об этой концепции, поскольку в ней есть место для очень больших подшипников и очень низкие скорости вращения конуса, которые предполагают возможность длительного срока службы долота. Хотя моноконусные долота представляют определенный общий интерес, они потенциально особенно выгодны для использования в долотах малого диаметра, в которых определение размеров подшипников представляет собой значительные технические проблемы.

Долота с моноконусом отличаются от сверл с тремя конусами. Свойства бурения могут быть аналогичны как полезным свойствам дробления шарошечных долот, так и режущему действию долот PDC. Таким образом, исследование структуры режущих пластов частично сосредоточено на использовании обоих механизмов, поощряемых перспективой эффективного вскрытия башмаков и бурения в пластах с твердыми стингерами, прерывающими в остальном «мягкие» пласты. Свойства современных сверхтвердых материалов резца почти наверняка могут продлить срок службы пластины и расширить диапазон применений, в которых эта конструкция может быть прибыльной.В конструкции также предусмотрено достаточно места для размещения сопел для эффективной очистки забоя и режущей конструкции.

Биты двухконусные

Истоки конструкции двухконусных долот уходят в далекое прошлое роторного бурения. Первый патент на роликовый конус, выданный в августе 1909 года, касался долота с двумя конусами. Как и в случае долот с моноконусом, долота с двумя конусами имеют доступное пространство для подшипников большего размера и вращаются с меньшей скоростью, чем долота с тремя конусами. Срок службы подшипников и уплотнений для определенного диаметра долота больше, чем для сопоставимых трехконусных долот.Биты с двумя конусами, хотя и не распространены, доступны и хорошо работают в специальных приложениях (, рис. 9, ). Их преимущества заставляют этот дизайн сохраняться, и дизайнеры никогда полностью не теряли к ним интерес.

Режущее действие долот с двумя конусами аналогично режущему действию долот с тремя конусами, но меньшее количество пластин одновременно контактирует со дном отверстия. Проникновение на вставку улучшено, что дает особенно полезные результаты в приложениях, в которых возможности размещения нагрузки на долото ограничены.

Дополнительное пространство, доступное в двухконусных конструкциях, имеет ряд преимуществ. Возможны большие углы смещения конуса, которые обеспечивают повышенное соскабливание калибра. Пространство также обеспечивает отличные гидравлические характеристики через пространство для размещения форсунок очень близко ко дну. Это также позволяет использовать большие пластины, которые могут продлить срок службы и эффективность долота.

Двухконусные биты имеют тенденцию подпрыгивать и вибрировать. Эта характеристика важна для наклонно-направленного бурения.Из-за этой озабоченности и достижений в отношении срока службы трехконусных подшипников и режущих конструкций двухконусные долота в настоящее время не имеют многих явных преимуществ. Однако, как и во многих конструкциях долот с шарошечным конусом, современные материалы и технические возможности могут решить проблемы и еще раз подчеркнуть их признанные преимущества.

Список литературы

1. ↑ Bentson, H.G., and Smith Intl. Inc. 1956. Конструкция долота с роликовым конусом. Лос-Анджелес, Калифорния: Отдел производства API, Тихоокеанский регион.
2. ↑ Портвуд, Г., Боктор, Б., Мангер, Р. и др. 2001. Разработка шарошечных долот с улучшенными характеристиками для бурения карбонатных скважин на Ближнем Востоке. Представлено на Ближневосточной конференции по технологиям бурения SPE / IADC, Бахрейн, 22-24 октября. SPE-72298-MS. http://dx.doi.org/10.2118/72298-MS.
3. ↑ Кешаван, М.К., Сираки, М.А., и Рассел, М.Е. 1993. Вставка с алмазным покрытием: новые составы и формы для бурения пластов от мягких до твердых. Представлено на конференции SPE / IADC по бурению, Амстердам, Нидерланды, 22-25 февраля.SPE-25737-MS. http://dx.doi.org/10.2118/25737-MS.
4. ↑ Салски, У.Дж. и Пейн, Б.Р. 1987. Результаты предварительных полевых испытаний пластин с алмазным улучшением для трехконусных буровых коронок. Представлено на конференции SPE / IADC по бурению, Новый Орлеан, Луизиана, 15-18 марта. SPE-16115-MS. http://dx.doi.org/10.2118/16115-MS.
5. ↑ Салски, У.Дж., Суинсон, Дж. Р., и Уотсон, А.О. 1988. Морские испытания алмазных битов. Представлено на Ежегодной технической конференции и выставке SPE, Хьюстон, Техас, 2-5 октября.SPE-18039-MS. http://dx.doi.org/10.2118/18039-MS.

Интересные статьи в OnePetro

Внешние ссылки

См. Также

Буровые коронки

Компоненты шарошечных долот

Классификация шарошечных долот

PEH: Введение_ в роликовый конус и поликристаллические алмазные сверла

Страница чемпионов

Себастьян Десметт

Категория