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经典石油机械结构和工艺特点

第一节 牙轮钻头结构介绍
一、概述
伴随石油天然气勘探开发难度不停加大，面临地质条件和自然环境日趋复杂恶劣，对勘探开发过程中石油装备也提出了更高要求。牙轮钻头作为钻井关键破岩工具之一，怎样深入提升其工作性能，延长其使用寿命，是现在石油天然气勘探开发领域急需处理关键技术问题之一，也是降低起下钻次数，缩短完井周期有效路径，将有利于加紧中国石油天然气勘探开发速度，降低原油生产成本和提升原油产量，从而确保中国经济建设连续健康发展。
牙轮钻头工作寿命对降低钻井成本，提升钻井速度起着十分关键作用。钻头从下井开始直到工作寿命结束后才从井底提出，中途在井下无法更换任何零件，其寿命长短直接影响机械进尺和起下钻次数。所以，这就要求尽可能延长牙轮钻头各部件工作寿命，从而提升牙轮钻头整体工作寿命。三牙轮钻头工作过程中，钻压由钻杆或钻挺施加在牙轮钻头上部，再由牙爪经轴承传输至牙轮，驱使牙轮上牙齿压入和破碎岩石，同时钻头旋转使得牙齿破碎岩石位置发生改变。通常8 1/2"三牙轮钻头钻压在100～150kN左右，每个轴承载荷为30～50kN，轴承直径为57mm，旋转速度约为200转/分钟。实际钻井过程中，因为牙齿和岩石互作用、钻柱振动产生动载荷使得作用在钻头上实际载荷为随机改变动载荷。
二、牙轮钻头发展简史
自20世纪早期第一个旋转牙轮钻头问世开始，牙轮钻头就不停发展，并很快以其优良性能成为钻井工业中最关键破岩工具之一。
198月10日，美国Howard R. Hughes取得了第一个牙轮钻头专利以对付钻井中碰到刮刀钻头极难或不可能钻进较硬地层。当初因为牙轮在软地层中极易形成泥包，所以在软地层中刮刀钻头仍然享受主导地位。1925年出现了自洁式钻头。它出现克服了当初钻井中碰到软硬夹层地层必需数次起下钻以更换钻头情况，钻井进尺和机械钻速提升两倍多，显著降低了钻井成本。1932年对牙轮轴承改善，出现了滚动轴承，大大提升了钻头使用寿命。1933年出现了三牙轮钻头，和二牙轮钻头相比，不仅工作更平稳，钻速愈加快，寿命更长，而且有更多规径面积维持井径。1935年出现了移轴三牙轮钻头，这种钻头在当初提升机械钻速达30%，促进了牙轮钻头广泛使用。1949年出现了喷射式牙轮钻头，当初实际测试表明能增加机械钻速达50%。1951年出现了球型硬质合金镶齿钻头，大大提升了牙齿寿命，但轴承成了关键易损部分。1960年密封润滑轴承研制成功，提升了整体钻头工作时间。1967年研制成功了用于各类地层硬质合金镶齿钻头，大大提升了镶齿钻头适用范围和牙齿寿命。1968年密封润滑滑动轴承问世，使钻头工作时间深入提升一倍以上。
伴随钻井技术不停发展，钻头也得到了较大发展。如1970年O型环密封滑动轴承；1976年用真空/压力注油法向贮油囊注入润滑脂密封轴承钻头；1979年精密密封滚动轴承；1981年勺形齿；1982年用环锁法将牙轮装配在轴承上全滑动元件滑动轴承；90年代初推出用钻头体内三合一元件来确保三个牙掌正确对位焊接技术，能够承受恶劣使用环境全橡胶赔偿器；浮动套滑动轴承，对开丝扣环式保持器，网纹状密封圈等新结构。
综合牙轮钻头发展过程能够看出，牙轮钻头发展使其工作寿命大幅度提升，如硬质合金镶齿出现成倍提升了牙齿寿命；从滚动轴承到密封润滑滑动轴承乃至现在对轴承密封结构等一系列改善，全部大大提升了轴承寿命；新技术、新材料不停利用又从各方面提升了钻头工作寿命；伴随钢材质量及热处理工艺发展，牙轮钻头各部件性能全部得以增强；新型密封材料、润滑剂和高耐磨材料出现及加工工艺技术提升又增强了轴承抗破坏能力；精密绞孔工艺增强了镶齿牢靠程度；新型合金成份及加工工艺提升了硬质合金强度等等。近三十年来，因为齿面结构改变不大，全部齿面结构改善全部基于定性认识，依靠于大量试验结果。相对于钻头寿命增加来看，钻头机械钻速提升比较缓慢。
三、牙轮钻头结构
1．总体结构组成
牙轮钻头一直是钻井工程中最关键钻井工具之一，由壳体、牙爪、牙轮、轴承、水眼和储油密封赔偿系统等部分组成，图5.1所表示。 148/4英寸以上可制成无体式或有体式，有体式钻头由三组装有牙轮牙爪焊接在铸造钻头体上；128/4英寸以下钻头由三组装有牙轮牙爪直接焊接而成，称为无体式钻
头。牙轮钻头关键零部件含有以下特点：
牙掌：由毛坯基体(包含流道和掌背保径部分)、轴承、水孔、油孔四部分组成，空间结构关系复杂，形状极不规则，设计上最难把握。

图5.1 三牙轮钻头整体结构示意图

牙轮：分钢齿牙轮和镶齿牙轮两种，全部由牙轮体和牙齿组成。区分在于牙齿，前者用指形铣刀在牙轮体上铣削成齿并敷焊硬质合金材料，后者是在牙轮体上钻铰齿孔后镶嵌硬质合金齿。
小零件钻头小零件通常特征单一，零件已经标准化、系列化。
壳体上部车有丝扣(多为母扣)；下部焊有牙爪（又称巴掌）。牙轮分为单锥牙轮和复锥牙轮两种，单锥由主锥盒背锥组成；复锥牙轮由主锥、副锥和背锥组成，副锥可有一至三个，图5.2所表示。

图5.2 牙轮锥形

轴承由牙轮内轴承跑道、牙轮轴颈和滚动体组成。大轴承和小轴承承受径向载荷，滚珠轴承关键起定位作用，锁紧牙轮；止推轴承承受轴向载荷。水眼是泥浆通道。储油密封赔偿系统可预防泥浆进入轴承腔和预防漏失润滑脂，还可储存和向轴承腔内补充润滑脂。
2. 牙轮钻头轴承结构
牙轮钻头轴承是决定钻头寿命长短关键原因之一，按结构不一样分为滚动图1.2镶齿密封滑动轴承喷射式三牙轮钻头
1-牙爪；2-牙轮；3-牙轮轴；4-止推块；5-衬套；6-镶齿；7-滚珠；8-银锰合金；9-耐磨合金；10-第二道止推；11-密封圈；12-压力赔偿膜；13-护膜杯；14-压盖；15-喷嘴；16-喷嘴密封圈；17-喷嘴卡簧；18-传压孔
轴承和滑动轴承两大类。
（1） 滚动轴承结构
滚动轴承结构有两种结构：滚柱-滚珠-小轴滑动副-止推；滚柱-滚珠-滚柱-止推。前一个结构用在小尺寸（9英寸以下）钻头上，后一个结构用在大尺寸（9英寸以上）钻头上。小轴滑动副由牙爪小轴颈（堆焊有碳化钨粉）和衬套组成。钻头直径小于152毫米时，小轴滑动副由牙爪小轴颈和牙轮小孔组成。结构示意图图5.3所表示。

图5.3 滚动轴承结构示意图
油气钻井用牙轮钻头中滚动轴承和通用轴承相比，该类轴承含有没有内外套圈、无保持架、承载力大且耐振动冲击、转速低(<600r/min) ，脂润滑有限、强磨粒性外部环境等特点，现在中国外同类产品工作寿命还未超出50h。因为牙轮钻头轴承几何空间有限、工作环境和工作条件恶劣，而钻井过程中破碎岩石所需钻压又必需经过轴承来传输，使牙轮钻头轴承一直在巨大振动冲击载荷下工作，所以接触疲惫是牙轮钻头滚动轴承在短时间内失效关键原因。
（2） 滑动轴承结构
其结构为：大轴滑动副-滚珠轴承-第二道止推-小轴滑动副-第一道止推，图5.4所表示。现在中国外有厂家生产钻头已取消第一道止推，仅保留第二道止淮。滑动轴承摩擦面是面接触，承压面积大，接触压应力较小，轴承寿命较长。因为不用滚珠，可加大轴颈直径和增加轮壳厚度，使轮壳强度增加。

图5.4 滑动轴承结构示意图
3. 牙齿
现在中国外生产牙轮钻头按牙齿材料不一样分为铣齿(也称钢齿)和镶齿(也称硬质合金齿)两大类。
（1）铣齿
铣齿牙轮钻头（图5.5所表示）牙齿均为楔形齿，由牙轮毛坯直接铁削加工而成。
①铁齿敷焊碳化钨粉方案 为了提升牙齿耐磨性或使牙齿有自锐作用，在钻极软～中地层钻头牙齿表面敷焊一层碳化钨粉，。敷焊部位有以下多个方案；敷焊牙齿啮出面；敷焊牙齿啮入面；敷焊牙齿啮出和啮入面；敷焊牙齿啮出面和啮入而一部分。牙轮因移轴等结构使牙齿在井底有轴向滑动，故需敷焊牙齿内端面。钻中硬和硬地层钻头牙齿关键靠冲击、压碎作用破碎岩石，牙齿在井底滑动很小，不敷焊碳化钨粉，而是直接对牙齿表面渗碳、淬火处理。这么可避免敷焊层剥落，增加了牙齿韧性。
（2）镶齿
镶齿硬度和抗磨性比铣齿高，寿命比铣齿长。尤其是在高研磨性极硬地层中钻进，镶齿更只示出其优越性。现在中国外常见镶齿齿形大致有六种，图5.6所表示。其中瓢形齿是一个不对称楔形齿，啮入面是向内凹瓢形，啮出面是微向外凸圆弧，适适用于软到中软地层。镶齿牙轮钻头图5.7所表示

图5.5 铣齿钻头
。
图5.6 镶齿齿形

图5.7 镶齿密封滑动轴承三牙轮钻头
4. 密封圈及储油赔偿系统
O形密封圈（图5.8所表示）用在滑动密封轴承钻头上。它是一个径向密封元件，由含有一定硬度耐油橡胶制成，其结构简单，制造方便，密封性可靠。要使O形密封圈含有理想密封性能和较长工作寿命，必需有适宜预压缩率，通常为15%左右。
储油赔偿系统一船包含压盖、卡簧、压力赔偿膜(又称橡皮囊)、储油腔、护膜杯和长油道等六部分。带传压孔压盖装在爪背上方肩部处，也有传压孔开在牙爪内侧。后一个结构不仅可避免岩屑堵塞传压孔，而且还使传压孔处井内压力和密封圈外侧井内压力很靠近，可降低压力传输阻力，更轻易保持密封圈外侧压力平衡。图5.9所表示为盘形波纹式压力赔偿系统和风箱式压力赔偿系统。

图5.8 O形密封圈

a盘形波纹式压力赔偿系统 b风箱式压力赔偿系统
图5.9 储油赔偿系统
第二节 牙轮钻头牙轮及牙爪加工工艺
一、牙爪加工工艺
牙轮钻头不管是有体式还是无体式其牙爪全部应采取锻压件，这是因为钻头在井下工作恶劣条件所决定，要有足够强度，能承受大铀压和扭矩，所以对金属材质也要求有高机械性能，常见是铬-镍-钼或镍钼等合金钢。
1）毛坯
用压力机、蒸汽锤模锻——精锻整形——切边。铸造温度应严格控制，不能有过烧现象或终锻温度过低造成裂纹。比如20Ni4Mo合金加热始锻温度在1300～1S50℃之间，毛坯需要正火消除内应力。
2）划线及加工120°结合面
划线目标是为了找出120°结合面相关位置。所谓120°结合面是指钻头体由三个牙爪合成一个整体圆柱，所以有三个120°结合面。在刨床或组合铣床上加工出120°结合面，为以后各工序加工作定位基准，这一道工序不足之处是120°结合面几何形状误差及角度误差全部给以后工序带来较大积累误差从而影响钻头直径。
3）精车“C”点平面及确保“C”点尺寸
“C”点平面加工在牙爪加工中很关键，“C”点尺寸误差直接影响钻头直径大小。如“C”点尺寸大0.06毫米，则钻头直径就肯定要大1．20毫米，反之亦小，所以“C”尺寸不仅在设计中是关键尺寸，而且在加工中也要尤其注意“C”点尺寸精度。
4）堆焊大、小轴颈及一、二道止推面耐磨合金
牙轮在井底破碎岩石时轴向力和径向力直接传输到牙爪轴一、二道止推面和大、小轴颈，所以则要求大小铀颈及—、二道止推面除有足够强度外，还要求耐磨。现在中国常见堆焊耐磨合金有以高碳钴钨粉制焊条和高铬合金铸铁焊条。堆焊后应确保无裂纹和气孔，其洛氏硬度HRc48～50很好，加工时不易打刀。
5）牙爪热处理
牙爪热处理在钻头中十分关键，假如热处理不妥会给使用中带来不少麻烦，轻易发生井下事故，影响钻井时间，增加钻井成本。比如牙爪尖发生断裂，假如是密封钻头则密封得不到应造成轴承先期损坏从而大大降低了钻头使用寿命。又如牙有保护使之易于损伤而造成泥浆或岩屑侵入轴承腔，这么便加速了轴承磨损，爪轴断裂致使牙轮掉落井底，牙轮断裂掉落并底这些全部给清洁井底和打捞带来很多麻烦，所以热处理这一环对钻头制造和使用很重药。
中国各钻头制造厂在热处取方面出探索到部分比较成功经验，比如采取反复韧化处理收到比很好效果。其措施是；
第一次淬火——高温回火一一清洗；
第二次淬火——低温回火
其目标是为了提升它综合机械性能。
6）大轴颈密封台肩抛光
7）磁力探伤
关键检验大轴颈123°处耐磨合金焊接情况，假如123°堆焊耐磨合全一经磨削后，经磁力探伤发觉有裂纹或其它缺点则需报废。因为有了裂纹、夹渣、气孔等缺点，钻头在井下工作处于高压和大扭振情况易使裂纹扩展造成耐磨合金呈块状或片状剥落，从而造成轴承猛烈磨损，影响钻头使用寿命。
8）修整
修整120°两个接合面，塞肖孔倒毛刺，清洗洁净准备选装。
二、 牙轮加工工艺
因为牙轮在井下工作担负着破碎岩石任务，工作条件恶劣，所以对牙轮材料要求在一定程度上比牙爪材料还高。要求含有高强度，高抗冲击韧性，好可淬性。因为其结构和形状比较复杂，所以在加工中比较仔细。
1）毛坯制备
不管铣齿牙轮还是镶齿牙轮毛坯全部是采取模锻而成，再经正火消除内应力，去掉氧化皮为机械加工作好准备。
2）加工牙轮底平面（端面）、内孔
该工序首先将底平面车出，再粗车牙轮内孔各尺寸为加工牙轮表面各尺寸作定位胀紧基准。
3）牙轮表面各尺寸加工
铣齿牙轮
①在防形车床上车出一、二、三牙轮主、副锥，第二牙轮切顶。
②在切槽车床上将第一、二、三牙轮齿槽车出，然后在专用铣床上将齿铣出。
镶齿牙轮
①车第一、二、三牙轮主副锥面。
⑦车出排屑槽。
4）加工减磨合金镶焊沟槽及端面镶焊孔
镶齿牙抡内孔大轴颈开减磨合金镶焊沟槽，现在中国外有用铣削、电脉冲戎冲压加工，二道止推面钻减磨合金镶焊孔。然后再用氩弧焊或冷挤压将减磨合金镶焊到牙轮大铀颈所开沟槽中，用氩弧焊将减磨合金堆焊到牙轮二道止推面所开焊孔中。日前中国用减磨合金大部分是银—锰合金。
5）牙轮热处理前准备
牙轮在热处理前应将不渗碳地方敷上涂料，且要涂均匀并有一定厚度，在渗碳过程中不致脱落。不然在高温渗碳过程中碳原子会渗透到牙轮不该渗碳地方，一经淬火处理就被会变硬，给下面加工工序带来困难，甚至造成使用过程中止裂。
6）热处理
牙轮和牙爪一样全部采取反复韧化处理工艺，因为各厂全部有自己一套热处理规范，国外制造厂也是保密，所以就不作定论了。
7）镶齿牙轮钻齿孔
8）铣齿牙轮表面堆焊耐磨合金
现在在铣齿表面堆焊耐磨合合金块状碳化钨40～60目，使用中性火焰，焊后不能有气孔、夹渣、裂纹、凹陷或粘结人牢等缺点。焊接时应注意在齿关键受力侧面应焊宽些，后面次之。
9）牙轮内孔及“R”槽精加工
内孔表面光洁度要求在▽8以上，使滚珠、牙爪轴和牙轮之间有好工作条件。假如表面光洁度差，在清洗烘干后压入小轴套和止推块结合效果也差。 “R”槽光洁度高低直接影响滚珠寿命，多年中国各厂家在这方面全部很注意。
三、装配工艺
1） 牙爪和牙轮选配，分选
2） 装滚珠
3） 真空注油
4） 焊接
高度调整：专用夹具，牙爪丝扣端面凹槽定位。
先点焊，然后整体焊接，注意焊接过程中温度保护。
5） 车丝扣，专用夹具，数控加工
四 曲轴加工工艺
1、曲轴功用及技术要求
曲轴是异形类零件，在钻井泵和内燃机中占相关键地位。曲轴受力相当复杂。为确保工作可靠，曲轴必需有足够刚度和强度。
下面以一内燃机曲轴为例介绍曲轴常见加工工艺。
（1）、关键技术要求
（a）、主轴颈和曲拐轴颈应表面淬火，淬硬层2—5mm，硬度为HRC50—60。
（b）、主轴颈曲拐轴颈按6g加工；
（c）、主轴颈和曲拐轴颈圆柱公差为0.005mm
（d）、中间主轴颈相对基准轴心线AB径向圆跳动为0.01mm
（e）、由拐轴颈相对基准AB平行度公差为0.01/100mm
（f）、主轴颈和曲拐轴颈表面现象粗糙度为R30.2um
（g）、曲轴不加工表面应清洁，不得有分层、氧化皮、叠缝，夹渣、裂纹，且均需喷丸处理；
（h）、曲轴精加工表面应清洁，不得有碰伤、凹痕、划伤、刀痕、毛刺等；
（i）、曲轴精磨后应100%磁力探伤并退磁；
（j）、相关其它要求参考图。

2、技术条件分析
（1）、各轴颈尺寸精度直接影响和相配零件配合性质，曲轴高速旋转，配合过松或过紧全部达不到设计要求；
（2）、图中AB是设计基准，也是安装基准。假如中间主轴颈径向圆跳动超差，即曲轴主轴线弯曲，使各主轴颈及曲轴颈相对于主轴线不平行，这将引发主轴颈及曲拐轴颈和对应配合零件配合表面现象接触不良，磨损不均，进而影响到主轴承孔也连杆大头孔不均匀磨损。
（3）、各轴颈圆度和圆柱误差，不仅影响配合情况，而且包含到能否均匀磨损和配合性质稳定性，将直接影响内燃机性能；
（4）、表面粗糙大于要求值肯定影响实际配合精度，不仅加紧轴颈早期磨损，还会使对应配合表面划伤并加剧磨损。
总而言之，技术条件直接影响产品性能和使用寿命，并和产品经济技术效果相关，加工中应给确保。
3、曲轴材料及毛坯制造
曲轴工作时要受到很大扭力和大小和方向全部改变弯曲应力，高速运转曲轴还可能出现扭转振动，所以曲轴工作时可能发生裂断，轴颈易磨损。所以要求曲轴材料含有较高强度、高冲击韧性、疲惫强度和耐磨性。
曲轴通常见一般中碳钢或球墨铸铁制造；高速强载曲轴，则选择很好钢材如合金钢；大型低速运转曲轴，采取一般碳素钢和球墨铸铁为宜。常见材料有35、40、45号钢，或球墨铸铁QT60—2，合金钢40Cr、35CrMOA、45Mn、42Mn2V等。
毛坯制造，应依据批量、材料规格来决定。通常球墨铸铁用铸造；钢材：大批量、小型，用模锻；中大型、小批单件，用自由锻。大型组合曲轴同曲拐，采取铸钢件。
球墨铸铁应用，不仅能降低金属切削量，降低材料消耗、工时和成本，而且有相当好耐磨性和抗振性。所以，在曲轴制造中，大力推广以铸代锻、以铁代钢方针。
4、曲轴加工工艺过程及其分析
曲轴除含有轴类零件加工通常规律处，还含有刚度差、形状特殊、技术要求高、工艺过程复杂、工艺路线长特点。曲轴机械加工工艺过程伴随生产纲领和结构特点不一样，将有很大差异。图所表示曲轴加工工艺过程见表。
（1）、定位基准选择
定位基准选择对曲轴加工质量影响很大。从曲轴技术要求可知，曲轴关键加工表面是主轴颈和曲拐轴颈，它们精度高，粗糙度较低，且要求正确相互位置，所以在选择定位基按时，不管是粗、精加工全部应以确保达成技术要求前提。
（a）、粗基准选择：对大批量生产小型曲轴，因为通常采有用模锻毛坯，所以可用主轴颈定位，也能够用连杆轴颈定位，来加工两端面及顶尖孔。对于大中型曲轴，自由锻毛坯，通常先按划线来钻两端顶尖孔。
曲轴加工工艺过程
阶段
序号
工 序 内 容
基 准
设备
粗加工
1
铣端面、钻中心孔
两端主轴颈
专用机床
2
车主轴颈，曲颊间距及大小端各轴颈
两中心孔
车床
3
车曲颊圆弧
大端主轴颈、小端中心孔
车床
4
铣贡颊8处飞边
主轴颈
铣床
5
铣平面
顶尖孔
铣床
6
铣1、2、3、1曲拐凹槽
主轴颈
铣床
热处理
7
调质至HRC27—31

半精加工
8
铣曲拐两侧面及轴颈
主轴颈
数控铣床
9
钻1、3曲拐斜油孔
主轴颈
专用钻床
10
钻2、4曲拐斜油孔
主轴颈
专用钻床
11
粗磨主轴颈
两端顶尖孔
专用磨床
12
车大头端面，精车中心孔及大头各外圆
两端顶尖孔
车床
13
车小头端面，螺纹孔，锥孔、退刀槽
两端顶尖孔
车床
热处理
14
高频淬火（主轴颈及曲拐轴颈）

精加工
15
修整大、小端顶尖孔
主轴颈
车床
16
精磨产轴颈
两端顶尖孔
专用磨床
17
精车主轴颈圆角及小头三轴颈
两端顶尖孔
车床
18
精磨曲拐颈
主轴颈
专用磨床
19
校正各主轴颈
主轴颈
油压机
20
精磨小头三轴颈及大头轴及端面
小头顶尖孔、轴颈
磨床
21
铣半圆键槽、小头两平面
两主轴颈
铣床
22
铰大头轴承孔
小头顶尖孔、轴颈
车床
23
钻攻6—10Ｍ10螺纹孔，钻铰定位销孔

钻、钳
24
钳工清除尖角、毛刺、斜油孔氧化皮、切屑

工作台
光整加工
25
研磨主轴颈及曲拐轴颈

专用机床