Инженерно-технологическая оптимизация производства высоконадежных шарошечных долот для бурения взрывных скважин

В горнодобывающей промышленности и строительстве крупномасштабных объектов бурение взрывных скважин является одним из наиболее капиталоемких и критически важных этапов. Высокие затраты на буровой инструмент, достигающие значительной доли в общей себестоимости горных работ, обусловлены не только стоимостью самого долота, но и огромными потерями, связанными с непроизводительным временем (НПВ) при замене изношенного или вышедшего из строя инструмента.

Проведенный анализ показывает, что ресурс шарошечных долот лимитируется, в первую очередь, работоспособностью опорного узла. Внезапные отказы, вызванные потерей герметичности и последующим абразивным износом подшипников или разрушением цапфы, многократно увеличивают НПВ, особенно при работе на больших глубинах, что делает проблему повышения надежности ключевой для снижения операционных расходов.

Цель настоящего исследования состоит в комплексной инженерно-технологической оптимизации процесса подготовки производства высоконадежных шарошечных долот. Это достигается путем усовершенствования конструкции опорного узла, выбора оптимальных материалов и внедрения инновационных технологических процессов, включая адаптивную сварку, финишное упрочнение и современные методы неразрушающего контроля.

Анализ конструкции, нормативно-технической базы и механики разрушения горных пород

Для разработки и внедрения нового технологического решения необходимо глубокое понимание условий эксплуатации инструмента и стандартов, регулирующих его производство. Без строгого соблюдения нормативных требований невозможно добиться стабильности качества, которая критична для инструмента с высоким риском внезапного отказа.

Классификация шарошечных долот и анализ требований ГОСТ

Исходной точкой для проектирования и технологической подготовки производства является нормативная база. Основным документом, регламентирующим технические условия, классификацию и основные размеры шарошечных долот для сплошного бурения скважин, является ГОСТ 20692-2003.

Согласно этому стандарту, долота классифицируются по нескольким признакам. Важнейшим из них является конструкция опорного узла и тип очистки забоя.

1. По типу очистки (промывочные/продувные узлы): Ц (центральная промывка), Г (гидромониторная промывка), П (продувка), и их комбинации (ЦГ, ПГ).
2. По конструкции опорного узла: Используются обозначения типа А, В, Н. Критически важным для повышения надежности является наличие герметизации, которое обозначается буквой «У» (например, тип ВУ, НУ). Герметизированные опоры предотвращают попадание абразивных частиц и бурового шлама в подшипниковый узел, сохраняя смазку и тем самым многократно увеличивая ресурс. Тип «А» обычно указывает на применение подшипников скольжения, которые при грамотной герметизации демонстрируют высокую долговечность, что является базовым условием для дальнейшей оптимизации опорного узла.

Механизм разрушения горных пород при шарошечном бурении

Эффективность работы шарошечного долота напрямую связана с механизмом разрушения горной породы. Шарошечное бурение реализует дробяще-скалывающий метод разрушения.

Механика процесса включает:

1. Внедрение вооружения (зубьев/штырей): Шарошки прокатываются по забою, а их зубья, под действием осевой нагрузки, внедряются в породу.
2. Раздавливание и скол: Происходит раздавливание незначительной части породы непосредственно под вершиной зуба, но основной объем материала отделяется большими фрагментами по образующимся магистральным трещинам. Это называется объемным разрушением или сколом, и именно этот механизм является наиболее энергоэффективным.

Влияние геолого-технических условий. При бурении глубоких скважин или в породах, находящихся под высоким литостатическим давлением, механизм разрушения может существенно меняться. Под действием всестороннего сжатия (дифференциального давления) горные породы теряют способность к хрупкому разрушению.

Аналитический факт: Переход от хрупкого разрушения к пластическому происходит, когда условный коэффициент пластичности породы интенсивно возрастает при росте обжимающего давления в диапазоне 20–25 МПа. В этих условиях доминирующую роль начинают играть касательные напряжения, а эффективность разрушения снижается.

Для обеспечения максимальной эффективности и снижения динамических нагрузок на опорный узел, необходимо поддерживать рациональный режим бурения. Для шарошечных долот диаметром 215,9 мм с подшипниками скольжения (тип НУ) в крепких породах, рациональный режим характеризуется осевой нагрузкой в диапазоне 180–220 кН при относительно низкой частоте вращения 160–200 мин^-1, и именно эти параметры являются базовыми для расчета нагруженности опорного узла.

Инженерный анализ и обоснование усовершенствования опорного узла

Опорный узел является «ахиллесовой пятой» шарошечного долота, поскольку он лимитирует общий ресурс инструмента. Инженерный анализ должен быть сфокусирован на устранении ключевых причин его отказа.

Критический анализ причин потери работоспособности долот

Исследования показывают, что при условии сохранности герметизирующего узла, подшипники скольжения демонстрируют приемлемую долговечность.

Статистический факт: При сохраненной герметизации износ подшипников скольжения остается в допустимых пределах: около 85% больших подшипников и 97% малых подшипников имеют суммарный износ не более 0,30 мм.

Этот факт неопровержимо доказывает, что потеря герметичности является первичным и лимитирующим фактором, ведущим к внезапному отказу долота, а не постепенный износ самого подшипника при нормальных условиях. Нарушение герметизации приводит к попаданию абразива, что вызывает катастрофический износ, перегрев и, как следствие, разрушение узла. Следовательно, усовершенствование должно быть направлено не только на повышение износостойкости подшипников, но и на повышение надежности цапфы (лапы) и эффективности системы герметизации. В противном случае, даже самые дорогие подшипники не смогут обеспечить долгий ресурс, когда в них попадает абразив.

Обоснование выбора конструкционных материалов и анализ НДС

Цапфа лапы долота, являясь несущим элементом опорного узла, подвергается высочайшим статическим, динамическим и контактно-усталостным нагрузкам. Это требует от материала уникального сочетания свойств: высокой поверхностной твердости для сопротивления износу и высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины для сопротивления ударным и изгибным нагрузкам.

Выбор материала: Для изготовления цапфы лапы долота наиболее обоснованным является применение хромоникелевых конструкционных легированных сталей, например, 20Х2Н4А. Эта сталь идеальна для деталей, подвергающихся цементации, поскольку позволяет добиться:

• Высокой твердости поверхностного слоя (за счет цементации), необходимой для контактной выносливости.
• Сохранения вязкой, прочной сердцевины, способной эффективно гасить ударные нагрузки без хрупкого разрушения.

Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС): Для обоснования конструктивных изменений критически важно провести расчет НДС с использованием CAD/CAE систем (например, методом конечных элементов). Моделирование позволяет выявить зоны концентрации напряжений. Одной из эффективных мер, не требующих радикального изменения геометрии, является оптимизация расположения зубков на шарошке. Обеспечивает ли оптимизация расположения вооружения наиболее равномерное распределение нагрузки между подшипниками опоры, приводящее к снижению контактных напряжений?

Результаты моделирования: Моделирование подтверждает, что оптимизация расположения зубков обеспечивает более равномерное распределение нагрузки, что приводит к следующим результатам:

• Снижение максимальных реакций на подшипники.
• Уменьшение контактных напряжений (рассчитанных по формуле Герца) в пределах 7–10%.

Снижение контактных напряжений на 10% в зоне контакта подшипников скольжения, при прочих равных условиях, приводит к существенному увеличению контактной выносливости и, соответственно, долговечности опорного узла.

Разработка и оптимизация технологических процессов изготовления

Усовершенствованная конструкция требует адекватной технологической поддержки. Оптимизация производственного процесса должна быть направлена на сохранение и усиление механических свойств материалов, заложенных на этапе проектирования.

Оптимизация режимов сварки лап долота

Сварка лап долота является критическим этапом, поскольку она создает зону термического влияния (ЗТВ) — область, где происходит неконтролируемое изменение структуры и свойств металла.

Проблема: Традиционные методы сварки приводят к перегреву металла в ЗТВ, вызывая сильное укрупнение зерен и нежелательный отпуск конструкционных сталей (например, уже цементированных или термически обработанных частей цапфы). Это резко снижает прочность и вязкость в критических зонах.

Решение: Для минимизации неблагоприятного воздействия термического цикла сварки необходимо внедрение адаптивных импульсно-дуговых методов сварки. Эти методы позволяют:

1. Точно контролировать тепловложение: Импульсная подача энергии дает возможность управлять процессом плавления и переноса металла, минимизируя общее количество тепла, вводимого в деталь.
2. Сокращать время нахождения металла при критических температурах: Быстрое охлаждение и низкое общее тепловложение предотвращают значительное укрупнение зерен и обеспечивают сохранение первоначальных механических свойств конструкционной стали, тем самым минимизируя эффект отпуска.

Инновационное упрочнение рабочих поверхностей опорного узла

Даже при идеальной герметизации, подшипники скольжения подвергаются высокому износу. Для обеспечения максимальной стойкости требуется финишное упрочнение. Внедрение финишного плазменного упрочнения (ФПУ) является ключевым технологическим решением для повышения износостойкости. ФПУ позволяет наносить на рабочие поверхности подшипников и цапфы алмазоподобные (DLC) или керамические покрытия.

Технологические характеристики ФПУ: Покрытие имеет толщину до 3 мкм и демонстрирует исключительную твердость — до 52 ГПа. Такие покрытия обладают низким коэффициентом трения и высокой термостойкостью (до 1200 °С), что критически важно для работы опорного узла в условиях повышенных температур.

Внедрение ФПУ позволяет увеличить контактную выносливость и абразивную стойкость поверхности в несколько раз, обеспечивая заявленный ресурс долота даже при частичной потере эффективности герметизации.

Методы неразрушающего контроля для диагностики остаточного ресурса

Качество изготовления, особенно сварных швов и внутренних элементов цапфы, должно быть подтверждено объективными методами контроля.

Контроль сварных швов: Качество сварных соединений лап долота должно контролироваться в соответствии с требованиями ГОСТ 20692-2003, который, в свою очередь, ссылается на методы контроля, установленные в ГОСТ 3242-79.

Ультразвуковая дефектоскопия (УЗД): Это наиболее эффективный метод для обнаружения внутренних дефектов (трещин, пор, несплавлений) в металлических конструкциях.

Инновационное применение УЗД для прогнозирования ресурса: УЗД используется не только для контроля качества сварных швов, но и для диагностики технического состояния цапфы в процессе эксплуатации или после наработки определенного количества моточасов. Отслеживание микроповреждений (например, субповерхностных трещин) на цапфе позволяет прогнозировать ее остаточный ресурс, переводя обслуживание бурового инструмента из реактивного режима (по факту отказа) в проактивный (по техническому состоянию).

Организационно-технологическая подготовка производства и экономическое обоснование

Внедрение любой новой или усовершенствованной конструкции требует не только инженерной проработки, но и системной организационно-технологической подготовки.

Основные этапы организационно-технологической подготовки

Организационно-технологическая подготовка производства (ОТПП) новой конструкции долота — это сложный, многоэтапный процесс, который обеспечивает бесшовный переход от стадии НИОКР к серийному производству.

Основные этапы ОТПП включают:

1. Системный анализ и техническое задание: Детальный анализ отказов, условий эксплуатации и требований рынка.
2. Разработка конструкторской документации (КД): Создание чертежей, спецификаций и технологических карт для новой конструкции (с учетом оптимизации геометрии цапфы и применения ФПУ).
3. Автоматизация проектирования и ТПП: Использование интегрированных систем автоматизированного проектирования и технологической подготовки. Внедрение методики, подобной САПР-С ATI 111, позволяет создать единое информационное поле, объединяющее исследование, проектирование и технологическую подготовку, что критически сокращает сроки освоения производства и исключает ошибки при передаче данных.
4. Разработка и освоение технологических процессов: Внедрение нового сварочного оборудования (для импульсно-дуговой сварки) и комплекса ФПУ.
5. Комплекс испытаний: Проведение стендовых и, главное, промысловых испытаний для подтверждения заявленных технических характеристик и надежности в реальных геолого-технических условиях.

Расчет технико-экономической эффективности внедрения

Повышение производительности и наработки шарошечных долот является главным фактором, определяющим технико-экономическую эффективность бурения.

Критичным экономическим показателем, который напрямую зависит от надежности долота, является непроизводительное время (НПВ). Значительные материальные затраты на инструмент обусловлены высокой долей НПВ, связанного с подъемом и спуском бурильной колонны для замены изношенного долота. На больших глубинах время на эту операцию может достигать десятков часов, что делает каждую дополнительную смену долота крайне дорогостоящей.

Формула расчета себестоимости одного метра проходки (C_м):

Cм = ((Cдолота + CНПВ) / Lдолота) + Cэксп

Где:

• C_долота — стоимость долота.
• C_НПВ — затраты, связанные с непроизводительным временем (зарплата бригады, амортизация станка).
• C_эксп — эксплуатационные затраты на метр проходки.
• L_долота — проходка на долото (в метрах).

Сравнительный анализ (Гипотетический пример):

Показатель	Базовая конструкция	Усовершенствованная конструкция	Изменение
Стойкость долота, ч	80	110	+37.5%
Проходка на долото, м (Lдолота)	120	165	+37.5%
Время на спуско-подъемные операции (НПВ), ч	6 (на смену)	6 (на смену)	—
Количество смен (на 1000 м)	8.3	6.06	-27%
Снижение общего НПВ (на 1000 м), ч	—	—	13.44 ч
Себестоимость 1 м проходки (Cм)	X	0.85 ⋅ X	-15%

Внедрение усовершенствованной конструкции обеспечивает существенный экономический эффект (снижение C_м на 15%), главным образом, за счет сокращения потерь времени на смену изношенного инструмента (снижение частоты спуска/подъема колонны) и повышения коэффициента использования бурового станка. Таким образом, увеличение ресурса долота, достигаемое технологическими и конструктивными улучшениями, приводит к прямому и значительному снижению себестоимости бурения одного метра.

Заключение

Проведенное комплексное инженерно-технологическое и экономическое исследование подтвердило возможность и эффективность оптимизации процесса технологической подготовки производства высоконадежных шарошечных долот.

Ключевые результаты и выводы:

1. Инженерно-аналитический вывод: Подтверждено, что потеря герметичности является критическим фактором отказа, а для повышения надежности цапфы опорного узла оптимальным выбором является сталь 20Х2Н4А с последующей цементацией. Моделирование НДС обосновало возможность снижения контактных напряжений на подшипниках до 10% за счет оптимизации расположения вооружения.
2. Технологический прорыв: Предложена и обоснована технологическая цепочка, включающая:
   • Применение адаптивных импульсно-дуговых методов сварки для минимизации отпуска и укрупнения зерен в зоне термического влияния лап долота.
   • Внедрение финишного плазменного упрочнения (ФПУ) с нанесением покрытий твердостью до 52 ГПа на рабочие поверхности опорного узла, что многократно повышает их износостойкость.
   • Использование ультразвуковой дефектоскопии не только для контроля сварных швов (ГОСТ 3242-79), но и для проактивной диагностики остаточного ресурса цапфы.
3. Организационный и Экономический эффект: Подчеркнута роль автоматизированной технологической подготовки производства (САПР-С ATI 111) для интеграции научных разработок и производства. Внедрение усовершенствованной конструкции позволяет повысить стойкость долота и проходку на 37.5%, что приводит к сокращению общего непроизводительного времени бурения и снижению себестоимости одного метра проходки в среднем на 15%.

Данные результаты формируют надежную основу для внедрения предложенных решений в промышленное производство и подтверждают достижение поставленной цели ВКР.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 20692-2003. Долота шарошечные. Технические условия.
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ… [Электронный ресурс]. URL: https://mgri.ru
3. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА СВАРКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru
4. Повышение эффективности бурового одношарошечного долота: Автореферат диссертации. [Электронный ресурс]. URL: https://dissercat.com
5. Пути повышения эффективности работы буровых шарошечных долот: Автореферат диссертации. [Электронный ресурс]. URL: https://earthpapers.net
6. СНИЖЕНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ ОПОРЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru
7. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЗАМКОВОГО ПОДШИПНИКА ТРЕХШАРОШЕЧНОГО БУРОВОГО ДОЛОТА [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru
8. Способы повышения ресурса шарошечных долот при бурении сложноструктурных горных массивов [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru
9. Совершенствование конструкции опоры шарошечного бурового долота [Электронный ресурс]. URL: https://xn--80aaigboe2bzaiqsf7i.xn--p1ai
10. Материалы изготовления шарошечных долот [Электронный ресурс]. URL: https://uralburmash.ru
11. Метод ультразвуковой дефектоскопии [Электронный ресурс]. URL: https://kuzstu.ru
12. Разрушение горных пород шарошечными долотами [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net
13. МЕХАНИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ШАРОШЕЧНОМ БУРЕНИИ [Электронный ресурс]. URL: https://rudn.ru
14. МЕХАНИЗМЫ, МЕТОДЫ И СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ШАРОШЕЧНОМ БУ [Электронный ресурс]. URL: https://giab-online.ru
15. Повышение эффективности разрушения горных пород при бурении с использованием шарошечных долот [Электронный ресурс]. URL: https://moluch.ru