Toplinsko trošenje i uklanjanje kobalta iz PDC-a

I. Toplinsko trošenje i uklanjanje kobalta iz PDC-a

U procesu sinteriranja pod visokim tlakom PDC-a, kobalt djeluje kao katalizator koji potiče izravno spajanje dijamanta i dijamanta, čineći dijamantni sloj i matricu volframovog karbida cjelinom, što rezultira PDC reznim zubima pogodnim za geološko bušenje naftnih polja s visokom žilavošću i izvrsnom otpornošću na habanje.

Otpornost dijamanata na toplinu je prilično ograničena. Pod atmosferskim tlakom, površina dijamanta može se transformirati na temperaturama oko 900 ℃ ili više. Tijekom upotrebe, tradicionalni PDC-ovi imaju tendenciju degradacije na oko 750 ℃. Prilikom bušenja kroz tvrde i abrazivne slojeve stijena, PDC-ovi mogu lako dosegnuti ovu temperaturu zbog topline trenja, a trenutna temperatura (tj. lokalizirana temperatura na mikroskopskoj razini) može biti čak i viša, daleko premašujući talište kobalta (1495 °C).

U usporedbi s čistim dijamantom, zbog prisutnosti kobalta, dijamant se pretvara u grafit na nižim temperaturama. Kao rezultat toga, trošenje dijamanta uzrokovano je grafitizacijom koja nastaje uslijed lokalizirane topline trenja. Osim toga, koeficijent toplinskog širenja kobalta mnogo je veći od dijamanta, pa se tijekom zagrijavanja veza između dijamantnih zrna može poremetiti širenjem kobalta.

Godine 1983. dva su istraživača izvršila tretman uklanjanja dijamanata na površini standardnih PDC dijamantnih slojeva, značajno poboljšavajući performanse PDC zuba. Međutim, ovaj izum nije dobio pažnju koju je zaslužio. Tek su nakon 2000. godine, s dubljim razumijevanjem PDC dijamantnih slojeva, dobavljači bušilica počeli primjenjivati ovu tehnologiju na PDC zube koji se koriste u bušenju stijena. Zubi obrađeni ovom metodom prikladni su za visoko abrazivne formacije sa značajnim toplinskim mehaničkim trošenjem i obično se nazivaju "dekobaltiranim" zubima.

Takozvani „de-kobalt“ se proizvodi na tradicionalan način za PDC, a zatim se površina njegovog dijamantnog sloja uranja u jaku kiselinu kako bi se uklonila kobaltna faza postupkom jetkanja kiselinom. Dubina uklanjanja kobalta može doseći oko 200 mikrona.

Ispitivanje trošenja u teškim uvjetima provedeno je na dva identična PDC zuba (od kojih je jedan podvrgnut tretmanu uklanjanja kobalta s površine dijamantnog sloja). Nakon rezanja 5000 m granita, utvrđeno je da je stopa trošenja PDC-a bez uklonjenog kobalta počela naglo rasti. Nasuprot tome, PDC s uklonjenim kobaltom održao je relativno stabilnu brzinu rezanja tijekom rezanja približno 15 000 m stijene.

2. Metoda detekcije PDC-a

Postoje dvije vrste metoda za otkrivanje PDC zuba, a to su destruktivno ispitivanje i nerazorno ispitivanje.

1. Destruktivno ispitivanje

Ova ispitivanja imaju za cilj što realnije simulirati uvjete u bušotini kako bi se procijenila učinkovitost reznih zuba u takvim uvjetima. Dva glavna oblika destruktivnih ispitivanja su ispitivanja otpornosti na habanje i ispitivanja otpornosti na udar.

(1) Ispitivanje otpornosti na habanje

Za provođenje PDC ispitivanja otpornosti na habanje koriste se tri vrste opreme:

A. Vertikalni tokarski stroj (VTL)

Tijekom ispitivanja, prvo pričvrstite PDC svrdlo na VTL tokarski stroj i postavite uzorak stijene (obično granit) pored PDC svrdla. Zatim rotirajte uzorak stijene oko osi tokarskog stroja određenom brzinom. PDC svrdlo reže u uzorak stijene do određene dubine. Kada se za ispitivanje koristi granit, ta dubina rezanja je općenito manja od 1 mm. Ovo ispitivanje može biti suho ili mokro. Kod "suhog VTL ispitivanja", kada PDC svrdlo reže kroz stijenu, ne primjenjuje se hlađenje; sva stvorena toplina trenja ulazi u PDC, ubrzavajući proces grafitizacije dijamanta. Ova metoda ispitivanja daje izvrsne rezultate pri procjeni PDC svrdla u uvjetima koji zahtijevaju visoki tlak bušenja ili veliku brzinu rotacije.

„Mokri VTL test“ detektira vijek trajanja PDC-a pod umjerenim uvjetima zagrijavanja hlađenjem zuba PDC-a vodom ili zrakom tijekom ispitivanja. Stoga je glavni izvor trošenja ovog ispitivanja brušenje uzorka stijene, a ne faktor zagrijavanja.

B, horizontalni tokarski stroj

Ovaj test se također provodi s granitom, a princip testa je u osnovi isti kao i kod VTL-a. Vrijeme testa je samo nekoliko minuta, a toplinski šok između granita i PDC zuba je vrlo ograničen.

Parametri ispitivanja granita koje koriste dobavljači PDC zupčanika variraju. Na primjer, parametri ispitivanja koje koriste Synthetic Corporation i DI Company u Sjedinjenim Državama nisu potpuno isti, ali za svoja ispitivanja koriste isti granitni materijal, polikristalnu magmatsku stijenu grube do srednje kvalitete s vrlo malom poroznošću i tlačnom čvrstoćom od 190 MPa.

C. Instrument za mjerenje omjera abrazije

Pod određenim uvjetima, dijamantni sloj PDC-a koristi se za obrezivanje brusnog kotača od silicij-karbida, a omjer brzine trošenja brusnog kotača i brzine trošenja PDC-a uzima se kao indeks trošenja PDC-a, koji se naziva omjer trošenja.

(2) Ispitivanje otpornosti na udar

Metoda ispitivanja udarom uključuje postavljanje PDC zuba pod kutom od 15-25 stupnjeva, a zatim ispuštanje predmeta s određene visine kako bi se okomito udario u dijamantni sloj na PDC zubima. Težina i visina padajućeg predmeta pokazuju razinu energije udara koju doživljava ispitivani zub, a koja se postupno može povećavati do 100 džula. Svaki zub može biti udaren 3-7 puta dok se više ne može ispitati. Općenito, najmanje 10 uzoraka svake vrste zuba testira se na svakoj razini energije. Budući da postoji raspon otpornosti zuba na udar, rezultati ispitivanja na svakoj razini energije predstavljaju prosječnu površinu ljuštenja dijamanta nakon udara za svaki zub.

2. Nerazorna ispitivanja

Najčešće korištena tehnika nerazornog ispitivanja (osim vizualnog i mikroskopskog pregleda) je ultrazvučno skeniranje (Cscan).

C-tehnologija skeniranja može otkriti male nedostatke i odrediti lokaciju i veličinu nedostataka. Prilikom ovog testa, prvo stavite PDC zub u spremnik s vodom, a zatim skenirajte ultrazvučnom sondom;

Ovaj članak je ponovno tiskan iz „Međunarodna mreža za obradu metala"