Сравнительное исследование металлургического качества сталей буровых шарошечных долот отечественного и зарубежного производства

Добыча нефти и газа, также горнорудных ископаемых играет огромную роль в жизни нашей страны, обеспечивая в настоящее время наряду с внутренними потребностями наиболее значительную долю поступлений в бюджет от экспортных поставок. Буровые долота являются основным инструментом, с помощью которого ведется бурение скважин в нефтяной и газовой промышленности, на карьерах по добыче угля и руд черных и цветных металлов, а также в строительстве.

Буровые долота предназначены для разрушении горной породы и образования ствола скважины, и работают в крайне тяжелых условиях. От работоспособности долота зависят основные технико-экономические показатели проводки скважины. При бурении скважин широко применяются лопастные, шарошечные и алмазные долота [7, 8]. Сначала бурение велось только лопастными долотами, но в настоящее время наиболее распространены шарошечные долота. Ими осуществляется около 98% всего разведочного и эксплуатационного бурения у нас в стране. Шарошечные буровые долота представляют собой неразборную конструкцию, состоящую из сваренных между собой отдельных секций (лап), на цапфах которых смонтированы свободно вращающиеся на опорах конусообразные шарошки с породоразрушающи-ми фрезерованными зубьями или вставными твердосплавными зубками в соответствии с рисунком 1 (на рисунке долото показано в перевернутом снизу вверх виде) [9].

Первое работоспособное долото с двумя одноконусными шарошками с опорами на роликах качения было создано Г. Р. Хьюзом в 1909 году в США, и оно предопределило будущее роторного бурения [9]. В 1933 году Г. Р. Хьюзом было впервые изготовлено трехшарошечное долото, которое получило наибольшее распространение при бурении нефтяных скважин и явилось прототипом современных шарошечных долот. В СССР первые трехшарошечные долота были испытаны в 1933 — 1934 годах и показали свое значительное превосходство над лопастными долотами при разбуривании крепких пород [10]. Однако действительно широкое применение в нашей стране этот тип долот получил на рубеже сороковых — пятидесятых годов прошлого столетия [11]. г*.

Зубки.

Первая шарошка.

Подпятник Малая втулка Шарик.

Ролик.

Уплотнитель-ное кольцо.

Вторая шарошка.

Замковый палец.

Корпус.

Ниппель.

Третья шарошка.

Лапа.

Рисунок 1 — Трехшарошечное долото с твердосплавными зубками и деталями опоры.

В 1939 году было принято решение Совета Народных Комиссаров СССР о строительстве в Куйбышеве завода по производству буровых шарошечных долот. Однако Великая Отечественная война отодвинула время реализации этого решения, и Куйбышевский долотный завод был введен в строй 24 мая 1948 года. Завод сразу же стал бурно развиваться в соответствии с ростом нефтегазодобывающей промышленности. Если в 1948 году было выпущено всего 1000 долот диаметром 243 мм с фрезерованным вооружением шарошек, то уже в 1956 году долот этого типоразмера было произведено 22 000 штук [12]. В 1961 году выпущено 78 000 долот, из них диаметром 243 мм —34%, диаметром 214 мм — 42% и диаметром 190 мм — 24%. Осваивались новые типы долот, рос объем их выпуска, увеличивались показатели средней проходки долота.

В 1978 году Совет Министров СССР принял решение о закупке в США завода по производству 100 тысяч низкооборотных буровых шарошечных долот в год и о размещении его на Куйбышевском долотном заводе. У фирмы «Дрессер» (США) была куплена лицензия на материалы, технологии и конструкции самых современных по тому времени шарошечных долот диаметром 190,5 — 295,3 мм. Поставку полного комплекта технологического оборудования из США, Италии, Германии, Англии, Бельгии, Швейцарии, Швеции, Дании, Франции и других стран осуществляла фирма «Дрессер». Лицензированный блок цехов был полностью запущен в производство в декабре 1982 года [12].

Уже в следующем, 1983 году проходка новых низкооборотных долот возросла в 2,54 раза. Прогрессивные материалы и технологии производства были перенесены и на производство высокооборотных долот, что позволило повысить показатели и их работы. В 1988 году Производственное объединение «Куйбышевбурмаш» выпустило более 360 тысяч штук 58 типоразмеров долот, в том числе более 100 тысяч штук низкооборотных. Значительно увеличились экспортные поставки, которые осуществлялись уже в 18 стран [12].

В 1994 году государственное предприятие ПО «Куйбышевбурмаш» было преобразовано в ОАО «Волгабурмаш». Пройдя все трудности вхождения в рыночные отношения, совпавшего по времени с глубоким кризисом в нефтегазодобывающем комплексе страны, ОАО «Волгабурмаш» сумело не только выжить, но и значительно укрепить свои позиции в России и дальнем зарубежье, увеличив экспорт по сравнению с 1994 годом. В настоящее время ОАО «Волгабурмаш» является основным производителем буровых шарошечных долот в России, обеспечивая более 80% всего объема разведочного и эксплуатационного бурения на нефть и газ в стране, а также более 60% потребности в долотах при строительстве скважин для взрывного бурения на рудных карьерах и в строительстве [13]. Традиционными потребителями продукции ОАО «Волгабурмаш» являются страны ближнего и дальнего зарубежья. ОАО «Волгабурмаш» занимает достойное место среди ведущих мировых фирм, производящих буровые долота.

При открытой рыночной экономике ОАО «Волгабурмаш» вынуждено работать в условиях острой конкурентной борьбы с зарубежными производителями буровых долот, в первую очередь американскими, не только на внешнем, но и на внутреннем рынке. В этих условиях первостепенное значение приобретает качество буровых долот, их способность эффективно и надежно, без аварий работать при бурении. О работоспособности долот судят по таким показателям как проходка (метры), стойкость (часы) и механическая скорость бурения (м/ч). По этим показателям долота ОАО «Волгабурмаш» заметно уступают долотам ведущих американских фирм, выигрывая у них в цене. Например, средние показатели долот ОАО «Волгабурмаш» ниже показателей долот фирмы «Хьюз»: по проходке на 27%, по стойкости — на 24% и по механической скорости — на 4% [13]. Для сохранения и укрепления позиций в конкурентной борьбе необходимо приближать технический уровень отечественных долот к уровню долот ведущих зарубежных фирм, так как практика показывает, что потребитель часто предпочитает более дорогие долота зарубежного производства, но при всесторонних гарантиях их качества и надежности.

В ОАО «Волгабурмаш» ведется постоянная и кропотливая работа по повышению технического уровня и освоению новых конструкций буровых долот, что позволило повысить среднюю проходку на долото с 26,2 м в 1965 году до 198 м в 1999 году, или более, чем в 7 раз [12]. В 1995 — 1997 годах была проведена большая ор-" ганизационная работа по Международной сертификации производства и качества продукции по условиям лицензирования и действующих стандартов № 7 Американского института нефти (American Petroleum Institute — API) системы качества Международной организации по стандартизации (ISO 9 001−94). Были переработаны более 80 стандартов предприятия, пересмотрены технологические процессы, организационные структуры, положения о службах, проведено обучение всего персонала [12].

Большое внимание в ОАО «Волгабурмаш» уделяется научно-техническим разработкам. В качестве примера приведем только две диссертационные работы, защищенные в последние годы работниками ОАО «Волгабурмаш» Богомоловым P.M. и Морозовым JI.B. Разработаны и используются при создании новых конструкций долот принципы научно обоснованного выбора и проектирования новых видов вооружения шарошек, сочетающихся с выбором наиболее эффективных схем и габаритов опор лап и соответствующей схемы очистки забоя [14]. Внедрены методы компьютерного анализа напряженно-деформированного состояния деталей буровых долот, а также технология селективной компьютерной сборки долот [15].

Однако многолетние исследования показывают, что работоспособность и безотказность буровых долот определяется не только конструкцией, качеством изготовления деталей и сборки долот, но и качеством материалов, из которых изготовлены детали долота [11, 16−20]. Основным материалом в долоте являются стали, так как из них изготавливаются главные детали долота: шарошки, лапы и тела качения (ролики и шарики). Эти стали называются долотными. Исследованию качества долотных сталей и посвящена настоящая диссертационная работа.

Как уже отмечалось, в основном производстве ОАО «Волгабурмаш» используются материалы и технологии, закупленные по лицензии у фирмы «Дрессер» (США). Поэтому стали, из которых изготавливаются буровые шарошечные долота в ОАО «Волгабурмаш» и в США, являются аналогичными. Однако показатели работоспособности российских долот заметно уступают американским. В связи с этим актуальным является сравнение качества российских и американских долотных сталей, выяснение их роли в обеспечении работоспособности буровых шарошечных долот, в повышении технического уровня отечественных долот до уровня лучших зарубежных долот.

Качество стали характеризуется совокупностью свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства [21, 22], и в этом смысле оно равнозначно понятию металлургическое качество стали [23]. В настоящей работе исследуется и сравнивается металлургическое качество сталей в буровых шарошечных долотах производства ОАО «Волгабурмаш» и ведущих американских фирм «Хьюз», «Смит», «Секьюрити» и «Варел». Анализируется химический состав сталей, их макрои микроструктура, прокаливаемость и механические свойства. Особое внимание уделяется стабильности, макрои микронеоднородности состава, структуры и свойств сталей — важнейшим показателям их качества, играющим определяющую роль в обеспечении эффективной и надежной работы долота. Результаты настоящей диссертационной работы представлены в публикациях [1−6, 149−151].

Работа выполнена в ОАО «Волгабурмаш» и на кафедре «Материаловедение в машиностроении» Самарского государственного технического университета (Сам-ГТУ). Автор выражает благодарность за помощь в проведении исследований сотрудникам ОАО «Волгабурмаш» Елуферьевой JI.JI. и Черакаеву А. Н., сотрудникам СамГТУ Иванову А. И., Пугачевой Т. М., Морозовой Е. А., а также научному руководителю д.ф.-м.н., профессору Амосову А. П. г.

1 Литературный обзор

Заключение

.

Из приведенных в настоящей работе данных следует, что современные отечественные и зарубежные буровые шарошечные долота производятся из сталей, аналогичных по марочному химическому составу, но показатели работоспособности российских долот заметно уступают американским. В этих условиях актуальным является сравнительное исследование металлургического качества современных российских и американских долотных сталей. Такое исследование может раскрыть роль качества сталей в различии показателей работоспособности долот, помочь разработать меры по приближению технического уровня отечественных шарошечных долот к уровню долот ведущих зарубежных фирм, что является крайне важным для решения проблемы повышения качества и конкурентоспособности отечественных долот при открытой рыночной экономике, для увеличения их экспортных поставок.

В нашей стране развитию долотных сталей уделялось большое внимание в шестидесятых — семидесятых годах прошлого столетия. Сначала это развитие было направлено на совершенствование марочного химического состава сталей. Например, в долотных сталях первого поколения все более широко стало использоваться легирование малым количеством молибдена подобно тому, как это делалось американцами. Затем все большее внимание стало уделяться металлургическому качеству долотных сталей. Для стабилизации механических свойств сужался диапазон содержания углерода в стали. Разрабатывались и согласовывались с поставщиками стали допускаемые полосы прокаливаемости. Были установлены нормы на величину зерна, неметаллические включения и механические свойства после термообработки. Для повышения качества стали уменьшалось допустимое содержание вредных примесей серы и фосфора. В литературном обзоре было показано, как такие меры по улучшению качества стали сказывались на показателях работы долот.

Особенно ярко влияние металлургического качества стали на работоспособность и надежность буровых шарошечных долот было продемонстрировано на примере сталей электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов (ЭШП и ВДП). Такие стали обладали особо высоким качеством и значительно подняли показатели работы долот, изготовленных из них: на 24% по проходке и на 10% по механической скорости бурения стали ЭШП, на 12 — 43% по проходке и на 8 — 44% по скорости бурения стали ВДП. (Интересно отметить, что примерно такое увеличение показателей работы требуется для долот ОАО «Волгабурмаш», чтобы достичь показателей работы долот лучшей американской фирмы «Хьюз»). Поэтому перечень отечественных сталей для серийного изготовления шарошек и лап буровых долот в конце семидесятых годов (ТУ 3−93 879) включал в себя только стали ЭШП.

Но в 1980 году были утверждены ТУ 3−102−80 на долотные стали для лицензионного производства на Куйбышевском долотном заводе (ныне ОАО «Волгабурмаш»), которые были аналогами сталей, используемых в США для производства буровых шарошечных долот. Эти стали не были сталями ЭШП. В ТУ 3−102−80 такие требования к металлургическому качеству как допустимые баллы неметаллических включений и дефектов макроструктуры были ослаблены по сравнению со сталями ЭШП. Правда, по содержанию вредных примесей (S < 0,015%- Р < 0,020%) советские долотные стали сначала имели нормы для сталей ЭШП и были чище аналогичных американских стандартных сталей, у которых по стандартам ASTM допускалось S и Р не более 0,040% для мартеновских сталей и не более. 0,025% для электросталей. Но, к сожалению, затем требования к чистоте советских долотных сталей по ТУ 3−102−80 стали понижаться: до 0,020% по предельному содержанию серы в 1987 году и до 0,030% - в 1991 году. В результате по содержанию вредных примесей наши долотные стали перешли из категории особовысококачественных сталей в категорию высококачественных сталей, а затем (в 1991 году) — даже в категорию качественных сталей. В таком виде ТУ 3−102−80 на долотные стали сохранились до настоящего времени, и поставка сталей в ОАО «Волгабурмаш» производится по ним.

Понижение качества отечественных долотных сталей в восьмидесятые годы объясняется следующими причинами. В этот период главным было выполнение плана по количеству долот, а не по их качеству. Заграничных конкурентов на рынке долот не было, да и самого рынка не было. Потребители долот брали все, что давали отечественные производители долот. Переход на менее качественные долотные стали упрощал металлургическим заводам их производство, давал меньше проблем и практически не сказывался на сбыте долот. Плохую роль сыграло также существовавшее тогда мнение: «Советские долотные стали неоправданно чистые по сравнению с американскими» .

Ситуация коренным образом изменилась в начале девяностых годов, когда закончилось советское время закрытой плановой экономики, и началось время открытых рыночных отношений. В страну пришли конкуренты — ведущие в мире производители буровых шарошечных долот, знаменитые американские фирмы «Хьюз», «Смит», «Секьюрити», «Варел». Это время совпало с глубоким кризисом в нефтегазодобывающем комплексе страны. Спрос на буровые долота резко упал.

С этого времени основной производитель буровых шарошечных долот в России — ОАО «Волгабурмаш» — вынужден работать в условиях острой конкурентной борьбы с зарубежными производителями долот как на внутреннем, так и на внешнем рынке. В этих условиях первостепенное значение приобрело качество буровых долот, их способность эффективно и надежно работать при бурении. Так как стоимость долота составляет небольшую часть от стоимости бурения скважины, потребитель часто стал предпочитать более дорогие долота зарубежного производства, но при всесторонних гарантиях их качества и надежности.

ОАО «Волгабурмаш» было вынуждено вести постоянную и всестороннюю работу по приближению технического уровня отечественных долот к уровню долот ведущих зарубежных фирм. Создавались новые конструкции долот, совершенствовались технологии и качество изготовления деталей и сборки долот. Но приведенные выше результаты многолетних исследований показывают, что показатели работы долот зависят также в значительной степени и от качества стали, из которой изготавливаются детали долота. Поэтому в конце девяностых годов настало время вновь заняться металлургическим качеством долотных сталей, выявлением и разработкой мер по устранению различий в металлургическом качестве современных долотных сталей российского и американского производства. Этому и была посвящена настоящая диссертационная работа.

В ней было предпринято комплексное исследование таких основных показателей металлургического качества стали как химический состав, макрои микроструктура, прокаливаемость, механические свойства. При этом особое внимание было уделено стабильности, макрои микронеоднородности состава, структуры и свойств долотных сталей — важнейшим критериям их качества, играющим определяющую роль в обеспечении самого высокого уровня показателей работы долот. Анализ нормативно-технической документации и результатов исследования реального металлургического качества современных долотных сталей развеял миф о том, что советские долотные стали неоправданно чистые по сравнению с американскими. Оказывается, при рассмотрении требований к химическому составу американских долотных сталей необходимо ориентироваться не на требования к стандартным сталям ASTM 4815Н, 8720Н и 9315Н (стандарт ASTM, А 304), а на спецификации к этому стандарту, по которым выпускаются долотные стали в США, и в которых содержатся более высокие требования к металлургическому качеству сталей, в частности, сужен диапазон содержания элементов, значительно снижено допустимое содержание серы: до 0,015% вместо 0,025%. Аналогичная картина наблюдается и по другим показателям металлургического качества долотных сталей. Проведенное в диссертации сравнительное исследование позволило установить и другое основное отличие российских долотных сталей — их большую химическую и структурную неоднородность. В работе также выполнен анализ связи металлургического качества со способами выплавки современных долотных сталей. На основе этого анализа и обобщения показателей качества сталей сделано заключение, что американские долотные стали относятся к сталям особо высокого металлургического качества, а российские — к сталям высокого металлургического качества. В итоге разработаны мероприятия по приближению металлургического качества российских долотных сталей к американским. Более подробно результаты диссертационной работы представлены в следующих выводах.

1. Проведено комплексное исследование и сопоставление металлургического качества сталей в буровых шарошечных долотах российского и американского производства с целью выявления и устранения различий в металлургическом качестве долотных сталей, повышения эффективности и надежности работы отечественных долот, их конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынках.

2. При анализе химического состава сталей показано, что отечественные долотные стали отличаются большей нестабильностью химического состава (шире диапазон изменения содержания элементов) и менее жесткими требованиями по содержанию вредных примесей серы и фосфора, а также большей неоднородностью распределения химических элементов в металле.

3. При проведении макроанализа стали штампованных из проката лап отечественных долот обнаружены области с сохранившейся структурой литого металла (дендриты длиной 8 -15 мм).Установлена особенность макроструктуры проката отечественной стали 19ХГНМА: наличие участков с крупными дендритами и зоны центральной сквозной пористости. Показано, что отечественная сталь также более загрязнена серой и имеет более выраженную зональную ликвацию.

4. При изучении микроструктуры стали в долотах найдено, что отечественная долотная сталь является самой неоднородной по микротвердости, распределению химических элементов и размеру зерна, обладает наиболее грубой волокнистой структурой по сравнению со сталью долот американских фирм.

5. Сравнительным металлографическим анализом установлено, что сталь отечественных долот наиболее сильно загрязнена неметаллическими включениями, которые имеют неблагоприятную вытянутую форму.

6. В цементованном слое отечественных долот обнаружены частицы цементита с неблагоприятной формой грубых пластинчатых включений, участки с хрупкой цементитной сеткой, включения остаточного аустенита.

7. При исследовании прокаливаемости показано, что у отечественной долотной стали наблюдается наибольший разброс твердости при удалении в глубь от поверхности, который также подтверждает вывод о заметной структурной и химической неоднородности отечественного металла.

8. При сравнении механических свойств стали 19ХГНМА с ее аналогами в зарубежных долотах найдено, что отечественная сталь имеет средние показатели прочности, но пониженные характеристики пластичности и вязкости.

9. Из анализа и обобщения показателей качества сталей по химическому составу, макроструктуре, содержанию неметаллических включений, микронеоднородности, механическим свойствам, а также данных сертификатов сделано заключение, что американские фирмы используют для долот сталь категории «особовысококачественная» как по химическому составу и макроструктуре, так и по микроструктуре (баллу зерна, неметаллических включений, структурной полосчатости) и свойствам, в то время как ОАО «Волгабурмаш» — сталь категории «высококачественная». Для достижения максимальной работоспособности долот ОАО «Волгабурмаш» необходимо внедрять в производство долот стали категории «особовысококачественная» .

10. Разработаны рекомендации для производства долотных сталей особо высокого качества на отечественных металлургических заводах. Проведено согласование разработанных рекомендаций с заводами — изготовителями сталей. В итоге переработаны ТУ 3−102−2004 «Прутки горячекатаные из конструкционной легированной стали марок 14ХНЗМА, 15НЗМА, 17НЗМА, 19ХГНМА», которые теперь гарантируют особо высокое металлургическое качество отечественных долотных сталей по химическому составу, макрои микроструктуре и свойствам на уровне лучших зарубежных долотных сталей.

11. Разработанные в диссертации рекомендации использованы в качестве основы при составлении Технического соглашения № 1125 — 2004 между ОАО «Волгабурмаш» и ОАО «Ижсталь» и Технических условий ТУ 14−550−51−2004 на поставку долотных сталей с повышенными требованиями к их металлургическому качеству.

12. В целом в диссертации решена задача комплексного определения и разработки мер для устранения отличий в металлургическом качестве сталей буровых шарошечных долот отечественного и зарубежного производства, имеющая существенное значение для материаловедения в машиностроении.