Производитель елочных шестерен для насосов бурового раствора

Когда речь заходит о елочных шестернях для буровых насосов, многие сразу думают о твердости стали, но на деле ключевой параметр — это вязкость разрушения. В 2018 году на месторождении в Западной Сибири мы столкнулись с тем, что шестерни от европейского поставщика дали трещины после 200 моточасов — не из-за износа, а из-за циклических нагрузок при перепадах температур.

Ошибки при подборе геометрии зубьев

Стандартный модуль 16 по ГОСТу не всегда работает в условиях Арктики. При -45°C зазоры должны быть на 0.2 мм больше, иначе масло GP-18 густеет, и происходит выкрашивание рабочих поверхностей. Как-то пришлось экстренно переделывать партию для ?Роснефти? — добавили отрицательный профильный сдвиг, хотя изначально техотдел был против.

Особенно критичен угол наклона зубьев. Для насосов УНБ-600 лучше 23°, а для УНБ-1200 — уже 28°. Но тут есть нюанс: если приводной вал старого образца, превышение угла приводит к биению. Один раз пришлось демонтировать весь узел на буровой ?Лукойла? из-за такой ошибки в расчетах.

Сейчас многие требуют полировать зубья до Ra 0.4, но это оправдано только при использовании синтетических масел. Для минеральных масел типа М-10Г2к шероховатость Ra 0.8 даже предпочтительнее — дольше удерживается смазочная пленка.

Проблемы термообработтки

Цементация на глубину 1.8-2.2 мм — это стандарт, но для шестерен буровых насосов важнее градиент твердости. Наш технолог как-то экспериментировал с азотированием вместо цементации — получили твердость 62 HRC, но ударная вязкость упала до 35 Дж/см2. При гидроударах в насосе появились сколы.

Закалка ТВЧ спиралей зубьев — отдельная история. Если индуктор не калибровать под каждую партию заготовок, по краям зубьев появляются зоны отпуска. Как-то отгрузили партию в Казахстан, и через месяц пришла рекламация — шестерни сточились на 0.8 мм за 500 моточасов. Разбор показал, что твердость на контактных поверхностях была всего 54 HRC вместо 58-60.

Сейчас для ответственных объектов типа Бованенковского месторождения делаем двойную термообработку: предварительный отпуск при 300°C перед чистовой обработкой, затем низкотемпературный отпуск при 180°C. Дорого, но ресурс увеличивается на 30-40%.

Контроль качества и полевые испытания

Ультразвуковой контроль мы проводим не только готовых деталей, но и поковок. В 2021 году отказались от трех партий заготовок из-за волосовин в сердцевине — поставщик экономил на обжатии.

Стендовые испытания на заводе — это одно, а реальные условия на буровой — другое. Например, для шестерен насосов бурового раствора критична стойкость к сероводородной агрессии. Стандартные тесты в рассоле NaCl не показывают реальной картины — мы добавляем Na?S для имитации работы в сероводородных скважинах.

Интересный случай был с ООО Чэнду Цзитао Машиностроительное оборудование — их инженеры предложили изменить профиль спинки зуба для лучшего отвода шлама. Сначала скептически отнеслись, но испытания на стенде показали снижение температуры в зацеплении на 12-15°C. Теперь это внедрено в серию для модификаций НБ-125.

Материаловедческие тонкости

Сталь 20ХН3А — классика, но для арктических условий лучше идет 18ХГТ. Правда, ее сложнее обрабатывать — требует предварительного отжига.

Экспериментировали с порошковыми сталями, но для ударных нагрузок они не подходят. Зато для ведомых шестерен в насосах с гидростатической разгрузкой вариант интересный.

Вакуумная закалка — дорого, но для шестерен с модулем выше 20 это необходимость. Обычная печь дает отклонение твердости до 3 единиц HRC по контуру зуба.

Практические наблюдения с месторождений

На Приобском месторождении выяснилось, что при работе с гелеобразными растворами ресурс шестерен снижается на 20-25% — вибрации другие. Пришлось дорабатывать систему крепления ступицы.

В Комсомольском месторождении проблема была с псевдоожиженными системами — абразивный износ в 2.5 раза выше расчетного. Спасли наплавкой твердого сплава на торцы зубьев.

Сейчас для ООО Чэнду Цзитао Машиностроительное оборудование делаем шестерни с упрочняющей обработкой поверхности методом ППД — пока результаты обнадеживают, но статистики мало.

Перспективные разработки

Тестируем лазерную закалку рабочих поверхностей — пока дорого, но точность контроля глубины упрочнения лучше.

Для шестерен насосов бурового раствора нового поколения рассматриваем биметаллические заготовки — сердцевина из вязкой стали, зубья из износостойкой.

Интересное решение предлагают китайские коллеги из ООО Чэнду Цзитао Машиностроительное оборудование — комбинированная термообработтка: цементация + низкотемпературное азотирование. Ресурс по их данным увеличивается на 50-70%, но пока не проверяли.