動力鉆具用PDC止推軸承的粘接工藝研究

趙毅，紀博，李玉海，王春華，鄭瑞強

（大慶油田鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413）＊

PDC 止推軸承廣泛應用于井下動力鉆具中［1－3］，它具有強度高、壽命長的優點。每對PDC止推軸承由上環與下環組成，每只軸承環分為硬質合金環與PDC復合片2部分。由于PDC復合片表面硬度大，采用常規釬焊技術制造PDC 止推軸承，PDC復合片接觸面之間的平面度較低且加工難度大。另外，焊接工藝會降低止推軸承環的硬度。所以，釬焊制造法不僅成本高而且還達不到技術要求。本文對PDC止推軸承的制造方法進行了研究，提出了粘壓工藝。本文重點介紹了工裝結構、粘接工藝的步驟和現場試驗結果。

1 工裝結構

1.1 總體結構

為了滿足止推軸承環PDC 復合片接觸面之間的平面度要求，采用高壓粘接工藝制造PDC止推軸承。為了實現壓制，參閱相關資料，采用800kN 油壓千斤頂為工裝提供壓力。該千斤頂底座側方有M16螺紋孔，可方便外接壓力表。工裝的總體結構如圖1。外框為鋼結構，底板與頂板均為加工有臺肩的45mm 厚鋼板。頂板中插入內套，底板與頂板同時插入兩側厚度為20mm的立板內，縫隙處采用焊接連接。內套與絲杠之間為矩形螺紋傳動，絲杠用來調節工件與千金頂之間的距離。在千斤頂底部M16螺紋孔相對應一側的立板上開孔，同時在千斤頂側方連接量程為100 MPa的壓力表。待粘接的PDC復合片置于扶正裝置內。工裝的外形尺寸為280mm×250 mm ×710 mm，占用空間小，使用方便。

圖1 PDC止推軸承粘接工裝總體結構示意

1.2 扶正裝置組成

為了保證粘接過程的可靠性與安全性，設計扶正裝置，如圖2。下部墊環主要起支撐作用，內部的臺肩結構有利于粘合劑從止推軸承環的小孔擠出，防止粘合劑從復合片邊緣溢出；上部墊環為硬質合金環，具有較高的硬度和表面平面度，能夠保證PDC復合片接觸面之間的平面度；外筒的作用主要是扶正以及保證制造過程的安全性；壓板主要用于傳遞壓力。

圖2 扶正裝置組成

2 粘接工藝

2.1 清洗

針對止推軸承環與PDC 復合片之間的連接問題，采用膠粘工藝進行處理。為使膠結面干凈無油漬，對止推軸承環進行清洗，分5個步驟：

1）將止推軸承環（上環、下環）分別放入沸水中清洗20min，水中放有純堿。

2）在微波清洗機中放入不銹鋼托盤，托盤內加入清水，水面要求沒過止推軸承環。

3）將止推軸承環從沸水中取出后放入微波清洗器中的托盤內清洗20min。

4）在微波清洗器的托盤內加入酒精，繼續清洗20min。

5）清洗后取出止推軸承環待用。

利用同樣的方法對PDC復合片進行清洗，清洗后用鑷子把PDC復合片裝在干凈的塑料盒內保存，防止被再次污染。

2.2 止推軸承環與PDC復合片的粘接

2.2.1 配制粘接劑

根據井下工況的要求，粘接劑選用BJZ－10型粘接堵漏密封劑，即“鐵膩子”。配制BJZ－10型粘接堵漏密封劑的操作人員要求帶上絕緣防塵口罩和醫用手套；然后，在電子天平上墊一張工業用擦拭紙后對天平進行清零；根據表1中數據，按實際需要選取一組數據（這里選取第3組），分別取出物料后在電子天平上稱重；最后再將稱好的物料攪拌均勻。

表1 粘接劑成分及配比

2.2.2 軸承的粘接

將止推軸承環（上環或者下環）平放在下部墊環上，取適量配好的粘接劑放入止推軸承環的PDC復合片孔座內。利用鑷子夾取1顆PDC復合片，在其圓柱面上涂抹厭氧膠后將其放入止推軸承環上的PDC復合片孔座內。當止推軸承環上所有PDC 復合片的孔座被PDC 復合片填滿后，用擦拭紙將PDC復合片表面的厭氧膠擦拭干凈。

2.2.3 壓制

1）將粘接好的PDC 止推軸承放入扶正裝置的下部墊環內。

2）按圖2順序組裝好扶正裝置，并按圖1位置對中安放于工裝上。

3）緩慢加壓至60 MPa，保壓60min，如圖3所示。

4）取下軸承，利用壁紙刀清潔PDC止推軸承的表面。制造的PDC止推軸承如圖4所示。

圖3 加壓曲線

圖4 PDC止推軸承產品

3 試驗結果

將PDC止推軸承裝入井下動力鉆具后在試驗井中進行試驗。動力鉆具運轉數小時后無任何異常狀況。起鉆后拆開動力鉆具，將PDC止推軸承取出并清洗后發現其PDC 復合片連接牢固且表面光亮如鏡，但個別PDC 復合片的邊緣有磨損現象，如圖5所示。磨損的原因是PDC 復合片邊緣倒角不夠，應適當增大倒角尺寸。由此可知，制造的PDC 止推軸承基本能夠滿足現場工況的要求。

圖5 經試驗后的PDC止推軸承

4 結論

1）設計了工裝，采用粘壓工藝制造PDC 止推軸承，操作簡單、成本低。

2）試驗證明，加壓粘接的PDC止推軸承能夠滿足井下動力鉆具及井底工況的要求。

3）焊接加工的PDC止推軸承，其平面度很難達到設計要求，且制造成本高，建議推廣粘接工藝。

［1］成海，鄭衛建，夏彬，等.國內外渦輪鉆具鉆井技術及其發展趨勢［J］.石油礦場機械，2008，37（4）：28－31.

［2］姜義忠.現代渦輪鉆具結構性能的改進［J］.石油礦場機械，1991，20（2）：11－16.

［3］謝金穩，周德軍，賈文杰.渦輪鉆具滾動止推軸承材料及其工藝的建議［J］.石油礦場機械，1999，28（5）：43－46.