Φ73 mm渦輪鉆具四支點推力球軸承鍍膜后性能測試研究*

徐鋮洋，辛永安，劉家煒，呂維平，段晨偉，張 強

（1.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023；2.中石油江漢機械研究所有限公司，武漢 430024）

0 前 言

近年來，隨著油氣勘探開發向高溫地熱鉆探、深井和超深井油氣鉆探、非常規油氣鉆探等領域深入，在鉆探過程中遇到的復雜地層也越來越多[1]。

對于一些復雜的高溫深井、超深井，使用螺桿鉆具無法完成鉆井作業，隨著高效PDC 鉆頭和連續管鉆井等與渦輪鉆具配套的新型鉆井技術的蓬勃發展，加之渦輪鉆具與螺桿鉆具相比具有轉速高、無橫向振動和抗高溫性能好等優點，使得渦輪鉆具在復雜地層鉆探中應用越來越多[2]。除此之外，當前微小井眼鉆井技術是一項高效、低成本、環保的鉆井前沿技術，其應用前景非常廣闊，對于微小井眼鉆井如連續管鉆井，鉆壓受到限制，需要實現低鉆壓高效鉆進，而渦輪鉆具可以通過提高鉆頭旋轉速度來提高傳遞到井底的能量，所以與螺桿鉆具相比，渦輪鉆具更適用于連續管作業。

渦輪鉆具由渦輪節和支承節兩部分組成。每個渦輪節有100多級定轉子，由泥漿驅動產生旋轉力矩。支承節主要由推力軸承、轉軸組成，渦輪節把力矩傳遞給支承節，支承節帶動鉆頭突破巖層。支承節中的推力軸承在工作中承受較大的軸向載荷和一定的徑向載荷，是渦輪鉆具的核心部件之一，同時也是最薄弱的部件，一旦推力軸承失效就會導致定子和轉子發生碰撞而磨損損壞，因此推力軸承的壽命決定了渦輪鉆具的壽命[3]。

研究表明，表面鍍膜技術能夠延長軸承壽命，提升軸承耐磨性和耐疲勞性，是提高軸承性能的有效手段，已經開始被應用于軸承、齒輪、航天發動機軸承等領域[4-5]。但目前將表面鍍膜技術應用于渦輪鉆具止推軸承中的研究較少，為研究表面鍍膜技術對渦輪鉆具止推軸承性能的提升效果，現進行相關試驗。在表面鍍膜技術中金剛石是應用最廣泛的一種鍍膜材料，具有硬度高、摩擦系數低、化學性質穩定的優良特性，本試驗選取金剛石材料對渦輪鉆具推力軸承進行鍍膜，開展軸承性能試驗研究。

1 試驗準備

1.1 軸承選擇

試驗軸承采用的是Φ73 mm 渦輪鉆具的四支點推力球軸承，其結構如圖1 所示，四支點推力球軸承屬于軸徑向推力軸承，每單列軸承中滾珠被托在同時承受軸向力和徑向力的軸承座之間，同時起到止推軸承和徑向軸承的作用，滾珠被控制在內外圈之間，在內外圈4 個圓弧形滾刀槽中滾動。四支點推力球軸承組通常有5～13 列，多列串聯組裝具有承受較大軸向負載的能力[6-7]。

圖1 渦輪鉆具四支點推力球軸承結構示意圖

1.2 軸承參數

取軸承外徑D=60 mm，內徑d=32 mm，節圓直徑Dpw= 47 mm，鋼球直徑Dw=7.938 mm，接觸角α=50°鋼球數Z的計算方法為

計算得出Z=18顆。

試驗軸承的參數見表1，鍍膜主要參數見表2。

表1 軸承基本參數

表2 軸承鍍膜參數

1.3 試驗設備

為本試驗特別設計了對應的軸承試驗裝置，結構如圖2所示。試驗軸承的外圈由軸承座與軸承外圈壓環固定，軸承內圈則由中心桿與軸承內圈擋圈固定在中心桿上，試驗時軸承外圈靜止，內圈跟隨中心桿一起轉動，中心桿外接50型立式鉆床主軸，鉆床主軸采用電子測力計和轉速儀標定軸向力和轉速的大小，軸承外圈壓帽上部注入冷卻液，在試驗中給軸承潤滑并且降溫，同時可通過觀測冷卻液顏色的變化判斷軸承的磨損程度。

圖2 軸承試驗裝置示意圖

1.4 試驗方案

本試驗屬于驗證性、對比性試驗，給Φ73 mm渦輪鉆具設定額定軸向力和額定轉速，研究金剛石鍍膜對軸承壽命的影響，分別測試鋼軸承座+鋼球和金剛石鍍膜軸承座+鋼球兩種方案在轉向力為1 820 N 且轉速、載荷相同情況下的使用壽命。試驗的具體實施參數見表3。

表3 試驗實施參數

試驗的具體實施方案：①兩種方案使用的材料不同，轉速、軸承潤滑、軸向力需保持一致，轉速調至1 800 r/min，軸向力調至1 820 N，記錄轉速、軸向力和時間；②每30 min測量鉆床溫度和主軸轉速，視情況給鉆床降溫，鉆床停轉時停止試驗計時；③每8 h 測量一次軸向高度；④從達到規定轉速（1 800 r/min）、鉆壓（1 820 N），開始計時，每8 h測量一次軸向高度，200 h卸下試驗軸承，測量滾動體（球）的直徑；⑤若發現異常振動、異常響聲則拆下試驗軸承檢查，測量滾動體（球）的直徑。

1.5 試驗過程

（1）準備試驗工具、測量器具；

（2）鉆床主軸連接電子測力計，在手輪加力桿（加長桿）掛配重塊，調整力臂使鉆床主軸產生500 N、1 000 N、1 500 N、1 820 N（185.7 kg）的向下作用力，并分別在加長桿掛配重位置做標記；

（3）用千分表（尺）測量原始鋼球直徑并記錄；

（4）組裝軸承試驗裝置，裝入1列軸承。軸承外圈螺紋上緊扭矩160 N·m；軸承內圈螺紋上緊扭矩90 N·m；

（5）調整鉆床主軸與軸承試驗裝置中心軸同軸：將莫氏夾頭與軸承中心桿上端連接并夾緊，上提鉆床主軸低速(＜100 r/min)試運轉，下放至試驗裝置解除固定平臺，壓板壓緊并固定；

（6）連接冷卻水循環回路。

2 試驗結果與分析

試驗在鉆壓1 820 N、轉速1 800 r/min 條件下進行，兩組試驗方案的總體軸向高度隨運行時間的變化擬合曲線如圖3 所示，由于軸向高度的變化過于微小，測量存在一定的誤差，但不影響軸向高度的總體變化趨勢，隨著時間的延長，軸向高度均下降，軸向高度可以側面描述軸承座圈和鋼球的磨損情況，軸向高度下降得越快說明軸承磨損越嚴重。同時觀測兩種方案運行的時間可以看出，鋼制軸承座+鋼球的原始搭配運行了試驗方案擬定的200 h，而金剛石鍍膜軸承座+鋼球搭配方案運轉至60 h 左右出現了異常狀態導致試驗中斷。

圖3 軸承軸向高度變化圖

2.1 鋼制軸承座+鋼球

軸承運轉至試驗方案擬定的200 h 未出現較大異常，在運行后期噪聲增大、振動增大，經檢查發現，軸承座出現磨損且產生部分麻點，說明軸承座產生了一定的疲勞磨損，大部分鋼球表面光澤度明顯下降，部分鋼球出現表面環槽，軸承磨損形貌如圖4所示。

圖4 鋼制軸承座+鋼球試驗后磨損形貌

試驗后，對軸承的18 顆鋼球尺寸進行多次測量并從中取最小直徑繪制點線圖，如圖5 所示，圖中上方的虛線代表軸承磨損前的標準直徑，x軸為18 顆鋼球的編號，y軸為鋼球磨損后的最小直徑，共18 條點線。每條點線代表一顆鋼球，通過與磨損前的標準直徑進行對比，可直觀地看出每顆鋼球磨損后的最小直徑和磨損程度，每條點線的點到標準直徑線的距離越大說明磨損量越大。通過圖5可以看出，大部分鋼球都出現了磨損，鋼球直徑減小，部分鋼球出現環槽，其中4顆鋼球磨損較為嚴重，且部分鋼球表面出現裂紋，預計不久會發生疲勞剝落。

圖5 鋼制軸承座+鋼球試驗后鋼球最小直徑

2.2 金剛石鍍膜軸承座+鋼球

試驗時，軸承在規定鉆壓、轉速下運行平穩，噪聲相對較小，隨著運行時間的延長，運行噪聲加大，在運行至70 h 左右時觀測到較大異常噪聲，聲音發澀，軸承尚未失效但出現異常情況便立即停止試驗，將軸承拆卸并進行檢查。對軸承座圈進行檢查時發現，鍍膜已出現明顯脫落，鍍膜的脫落主要發生在軸承內外圈的接觸軌跡上，如圖6（a）所示，圖中顏色較淺部位即為金剛石鍍膜脫落區域。同時還觀察到冷卻水在試驗過程中由乳白色逐漸變灰，過濾裝置發現較小的黑色顆粒狀物質，可以得出是軸承座圈金剛石鍍層脫落導致。觀察軸承鋼球可看出，鋼球光澤度下降，均出現了一定磨損。對18 顆鋼球尺寸進行詳細測量并繪制出磨損后鋼球最小直徑分布圖，如圖7 所示，從圖7可以看出，鋼球磨損較為均勻，磨損后的鋼球直徑為7.85～7.90 mm。

圖6 金剛石鍍膜軸承座+鋼球試驗后磨損形貌

圖7 金剛石鍍膜軸承座+鋼球試驗后鋼球最小直徑

由圖3 軸承的軸向高度變化可以看出，相比未鍍膜的鋼制軸承座+鋼球方案，金剛石鍍膜軸承座+鋼球方案在前50 h 運行更穩定，軸向高度下降的更慢，說明在這段時間內發生的磨損較小，軸承鍍膜方案的確可以提升運轉穩定性和耐磨性，同時降低疲勞的效果，但是隨著軸承運行時間的延長，金剛石鍍膜軸承的軸向高度加速下降，噪聲增大，說明磨損增大，隨后產生異常噪聲而導致試驗中斷，盡管軸承尚未失效但通過軸向高度的下降趨勢且產生異常噪聲可以判斷金剛石鍍膜后軸承總體壽命不如未鍍膜時的軸承。

試驗后金剛石鍍膜軸承座鋼球的直徑變化與圖5 對比可以看出，鍍膜后的軸承鋼球直徑均出現下降，說明發生了磨損且各鋼球的磨損程度接近，不同于未鍍膜軸承鋼球出現的個別磨損較大而個別磨損較小，軸承座鍍膜軸承鋼球在試驗中斷時磨損程度均勻且總體磨損較小，說明軸承壽命的縮短并非是鍍膜軸承的鋼球導致的，加之軸承座金剛石鍍層大量脫落，金剛石鍍層的脫落會產生顆粒改變軸承內部的環境，因此推測鍍膜方案的主要失效形式不同于未鍍膜軸承方案的疲勞磨損、疲勞剝落，而是軸承座鍍層的脫落不僅會使軸承失去鍍膜帶來的性能提升，而且鍍層磨損會使磨損產生的金剛石顆粒進入工作面，產生磨料磨損，導致軸承內部，運轉不平穩，加快軸承失效。

賈貴西、李言等[8-9]用光發射譜給軸承鍍膜且控制鍍層復合工作層的成分為w（C）=28.0%，w（Cr）=64%，w（N）=7.84%，在試驗完成后分別使用JSM—6700F 型掃描電子顯微鏡和X 射線能譜儀觀察鍍層的表面形貌，同時對表層元素進行了分析，分析結果如圖8 所示。圖8（b）證明了未鍍膜軸承的主要失效形式為疲勞剝落失效，由圖8（a）可見復合鍍層幾乎全部磨損，且圖8（c）選區元素含量表明，表面元素主要為Fe 元素，此外還有Cr 和C 元素，此時的元素含量與試驗前的復合鍍層元素含量不同，因此驗證了鍍膜軸承的主要失效形式為鍍層的脫落。

圖8 軸承失效形貌及表層元素分析

鍍膜軸承鍍層的磨損脫落機理較為復雜，本試驗為驗證性試驗，考慮到試驗成本等問題，暫未進行更多試驗探究鍍層磨損相關機理，調研相關研究表明具有兩種可能原因: ①由于鍍膜材料的膜-基結合力不夠，導致在工作過程中鍍層從膜-基結合面的剝離[10]；②由于鍍膜內部存在微觀缺陷，如空隙、顆粒等，這些微觀缺陷部位易引起應力集中而產生裂紋，在循環載荷的作用下裂紋向周圍擴展，引起周圍鍍層的不斷變形，出現二次細小裂紋，裂紋擴展并相互連結最終發生斷裂而導致鍍層脫落[11]。

3 結 論

（1）金剛石鍍膜軸承在本次試驗中運行70 h，其中前50 h 相比未鍍膜軸承運轉更穩定，軸向高度下降更慢，證明了金剛石材料的硬度高，摩擦系數低等特征，確實對軸承的耐磨性、抗疲勞性具有較大提升效果。

（2）在試驗后20 h 軸承的軸向高度急速下降，噪聲增大，最后發出較大發澀噪聲迫使試驗終止。通過試驗后軸承座鍍層肉眼可見脫落，軸承冷卻液變色，未鍍膜軸承鋼球發生較大磨損，而鍍膜軸承中斷時鋼球磨損較小且直徑均勻等現象，說明鍍膜軸承后期磨損增大的原因為軸承座上的金剛石鍍層脫落，大量金剛石顆粒進入軸承內部產生了磨粒磨損。

（3）此次對比試驗表明，金剛石鍍膜的渦輪鉆具四支點推力球軸承相較原方案在運行的前50 h 具有一定的性能提升，提高了軸承的穩定性和耐磨性，但隨著運行時間的延長磨損逐漸加大，總體壽命反而從原方案的200 h 降低至70 h，說明該鍍膜方案的可靠性不足，使用風險較高，還需進一步研究。