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[摘 要]针对普通磨鞋磨铣速度慢、使用时间短、机械性能差、工具磨损大等问题，通过对材料优选、结构分析设计、工艺改进，制造了一种高效磨鞋。该磨鞋以老式普通磨鞋为基础，使用碳化钨复合焊棒进行堆焊，并在焊料中镶嵌优质硬质合金，大大提高了磨鞋的施工效率。
[关键词]磨鞋；碳化钨焊棒；硬质合金
中图分类号：TE92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0340-01
磨鞋属于井下事故处理工具的一种。在钻井或采油作业中，常会发生井下钻具被卡、脱扣、扭断以及地面金属碎片、水泥甚至钻头牙轮、硬质合金牙轮等物落入井中，俗称落鱼。落鱼应及时打捞，否则影响正常作业，当打捞工具处理卡钻无效或落鱼不能完整捞出时，须下入磨鞋，将落鱼磨铣成碎片，然后利用钻井液循环带出井眼。
磨鞋的焊接工艺是用氧-乙炔火焰将强化材料堆焊到工具上，堆焊面对着井下的落物旋转磨铣时，磨铣中有大量的硬质合金颗粒嵌入被铣削的落物中，每颗硬质合金颗粒相当于一个切削刃。当硬质合金颗粒的切削刃被磨钝时，堆焊层的胎體金属受到强烈的冲刷，使硬质合金逐渐露出。另外，硬质合金颗粒内受到的压力和应变增加，便产生裂纹，沿裂纹面又形成了一个新的切削刃。这一过程周而复始，直至全部硬质合金颗粒耗尽为止。
1 高效磨鞋设计
要提高磨鞋的工作效率，不仅要求硬质合金颗粒耐磨性高，而且要求堆焊焊条与硬质合金具有良好的结合强度和适度的耐磨性，以保证堆焊层的自锐性。目前使用的磨鞋硬质合金、堆焊焊条均存在一些不足之处，当磨铣量较大时不能满足施工要求。针对这一现状，通过对硬质合金及焊接材料的研究，优选焊条及硬质合金，并对磨鞋的结构进行优化设计，制造了一种新式高效磨鞋，大大提高了磨铣效率。
1.1 合金材料选取
高效磨鞋的高性能是通过添加硬质合金获得的，合金材料的性能直接影响磨鞋的使用效果。目前使用的YG类合金磨鞋强度低，磨铣材质较硬的落鱼时，工具的损耗大，使用寿命短，影响施工效率。通过对不同厂家l0余种合金的优选，选用了YT系列合金。YT系列合金属于钨钛钴类硬质合金，主要成分是碳化钨、碳化钛（TiC）及钴。相对于YG类钨钴硬质合金增加了碳化钛含量。相比于YG类硬质合金，YT类钨钴钛硬质合金硬度偏向高而韧性偏向低，更耐磨损，更多是加工硬度高，平稳高速切削领域工件， 能满足高效磨铣工艺要求。
1.2 切削刃角设计
高效磨鞋与普通磨鞋相比，高效磨鞋的切削刃角度进行了调整。高效磨鞋采用了独特的切削后角设计，即硬质合金孕镶成形后后仰。常规的前角设计（ 即硬质合金孕镶成形后前倾 ）虽然利于连续切削，切削效果好（类似车刀的设计原理），但冲击大。高效硬质合金冲击韧性差，磨铣时工况恶劣，切削前角不利于对合金的保护，合金破碎率高。后角虽然损失部分切削速度，但利于合金保护。同时高效磨鞋在底面不同部位镶嵌了硬质合金，易受损部位得到加强，合金分布更均匀，使之产生类似牙轮式的冲击效果，提高了磨鞋的切削效率和使用寿命。
1.3 磨鞋结构设计
高效平低磨鞋。在结构上大都是以对称2水眼设计，磨铣齿呈一定角度均匀排列，水眼排量较小，不能充分清洗磨铣界面，降温效果也不理想。在设计高效平底磨鞋时，采用120°相位角、3水眼结构设计，排量不小于30m/h。磨铣齿排列设计上，采用大致呈圆形、不同规格大小合金镶嵌排列的结构，这种结构的特点是磨鞋切削刃多、切削速度高、切削效果好。
高效凹底磨鞋。磨鞋与落物的贴面效果较差，不适于大钻压、高钻速施工，造成磨铣效率低。高效凹底磨鞋，在设计时考虑了与落物的贴面性，增大了接触面积，使磨鞋与落物能充分接触；能满足大钻压施工要求，对螺栓、钻杆、钻头牙轮等落物，加大钻压，迫使其聚集于凹面控制的磨铣范围之内，将其磨碎、由钻井液循环携带出井筒。图2.3.2-1高效凹底磨鞋
1.4 优选堆焊焊条
堆焊所选用的Drilltech78G是一种高品质的碳化钨焊棒，主要用于钻头、钻井用稳定器、导向器和矿山挖掘设备部件的耐磨防护和维修堆焊。其采用了特殊的生产工艺，碳化钨切块均匀，切面锋利，堆焊层能产生明显的切削效果，同时具备良好的耐磨性，能抵御由沙砾，泥土和矿砂等固体物颗粒所产生的磨粒磨损和冲击磨损。基体金属为高强度特种合金，抗拉强度和韧性好，生成的堆焊层致密，浸润性好，结合强度高。
1.5 优化焊接工艺
堆焊焊条的熔点仅为760～780℃，因此堆焊时采用较小的焊接线能量以减小堆焊时硬质合金的熔化和烧损，提高堆焊层硬质合金的质量。实际加工中采用熔点温度的中性焰，火焰接近碳化焰，温度较低，氧含量少，避免了焊棒基体金属中某些合金成分烧损，防止基体金属变脆，抗拉强度降低，获得更高的焊接质量。
2.实践应用
在车571-12井与义104-10井进行了实验对比，两口井施工情况相同，均需磨铣钻杆。磨铣钻杆作业过程中车571-12使用了普通磨鞋，而义104-10使用了新型高效磨鞋。试验证明，新型高效磨鞋在磨铣速度、磨耗比等指标明显优于普通磨鞋。其中磨铣速度提高了117%，考虑更换磨鞋所耗费的起下钻时间，高效磨鞋单只时间磨铣效率可提高7-8倍。通过实例井施工的分析对比，高效磨鞋的磨铣速度较普通磨鞋得到很大提高，且高效磨鞋的机械损耗小。由此可见，高效磨鞋设计合理，综合机械性能优于普通磨鞋。
3.磨铣材料展望
3.1 硬质相的改进
由于强化材料中起关键作用的物质是硬质合金，国内目前均采用烧结WC-Co、WC-Ti—Co或两者的混合，但由于硬质合金在堆焊时容易被烧损，因此影响了堆焊层的性能。国外目前已开发出一种韧性更好、使用寿命更长的新型强化材料，但仍属保密中。目前国内的研究主方向正尝试用具有较高韧性的陶瓷与金属间化合物材料以及陶瓷与硬质合金复合材料作为强化材料。但存在的主要问题是这种材料的润湿性较差，用常用的焊条成形工艺和堆焊工艺有一定的难度。
3.2 焊接工艺的展望
目前强化材料的堆焊主要用氧-乙炔焰或氩弧焊作为热源。氧-乙炔热源虽然温度相对较低，硬质合金边缘的熔化较小，但堆焊后硬质合金在溶池中存在的时间较长，导致硬质合金溶解和扩散量增大。目前我国正在开发磨铣工具一次成形工艺，解决硬质合金的烧损和堆焊过程的分解、扩散、溶解，但尚需解决成形过程中硬质合金的沉淀。其关键是采用密度低，硬度高，韧性好，与胎体金属润湿性好的硬质相。
随着材料技术的不断进步，将有更加优质的钨合金被研发出来，同时合金钢的焊接工艺技术、金属工具的表面处理技术也将不断进步，必将带动井下工业磨铣工具的不断更新，进一步提高现场作业效率和施工质量。
参考文献
[1] 范景莲编著.钨合金及其制备新技术.冶金工业出版社，2006
[2] 汤小文，刘承杰，黄本生等.钻头齿面堆焊用硬质合金焊条的改进.石油矿场机械，2010.
[关键词]磨鞋；碳化钨焊棒；硬质合金
中图分类号：TE92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0340-01
磨鞋属于井下事故处理工具的一种。在钻井或采油作业中，常会发生井下钻具被卡、脱扣、扭断以及地面金属碎片、水泥甚至钻头牙轮、硬质合金牙轮等物落入井中，俗称落鱼。落鱼应及时打捞，否则影响正常作业，当打捞工具处理卡钻无效或落鱼不能完整捞出时，须下入磨鞋，将落鱼磨铣成碎片，然后利用钻井液循环带出井眼。
磨鞋的焊接工艺是用氧-乙炔火焰将强化材料堆焊到工具上，堆焊面对着井下的落物旋转磨铣时，磨铣中有大量的硬质合金颗粒嵌入被铣削的落物中，每颗硬质合金颗粒相当于一个切削刃。当硬质合金颗粒的切削刃被磨钝时，堆焊层的胎體金属受到强烈的冲刷，使硬质合金逐渐露出。另外，硬质合金颗粒内受到的压力和应变增加，便产生裂纹，沿裂纹面又形成了一个新的切削刃。这一过程周而复始，直至全部硬质合金颗粒耗尽为止。
1 高效磨鞋设计
要提高磨鞋的工作效率，不仅要求硬质合金颗粒耐磨性高，而且要求堆焊焊条与硬质合金具有良好的结合强度和适度的耐磨性，以保证堆焊层的自锐性。目前使用的磨鞋硬质合金、堆焊焊条均存在一些不足之处，当磨铣量较大时不能满足施工要求。针对这一现状，通过对硬质合金及焊接材料的研究，优选焊条及硬质合金，并对磨鞋的结构进行优化设计，制造了一种新式高效磨鞋，大大提高了磨铣效率。
1.1 合金材料选取
高效磨鞋的高性能是通过添加硬质合金获得的，合金材料的性能直接影响磨鞋的使用效果。目前使用的YG类合金磨鞋强度低，磨铣材质较硬的落鱼时，工具的损耗大，使用寿命短，影响施工效率。通过对不同厂家l0余种合金的优选，选用了YT系列合金。YT系列合金属于钨钛钴类硬质合金，主要成分是碳化钨、碳化钛（TiC）及钴。相对于YG类钨钴硬质合金增加了碳化钛含量。相比于YG类硬质合金，YT类钨钴钛硬质合金硬度偏向高而韧性偏向低，更耐磨损，更多是加工硬度高，平稳高速切削领域工件， 能满足高效磨铣工艺要求。
1.2 切削刃角设计
高效磨鞋与普通磨鞋相比，高效磨鞋的切削刃角度进行了调整。高效磨鞋采用了独特的切削后角设计，即硬质合金孕镶成形后后仰。常规的前角设计（ 即硬质合金孕镶成形后前倾 ）虽然利于连续切削，切削效果好（类似车刀的设计原理），但冲击大。高效硬质合金冲击韧性差，磨铣时工况恶劣，切削前角不利于对合金的保护，合金破碎率高。后角虽然损失部分切削速度，但利于合金保护。同时高效磨鞋在底面不同部位镶嵌了硬质合金，易受损部位得到加强，合金分布更均匀，使之产生类似牙轮式的冲击效果，提高了磨鞋的切削效率和使用寿命。
1.3 磨鞋结构设计
高效平低磨鞋。在结构上大都是以对称2水眼设计，磨铣齿呈一定角度均匀排列，水眼排量较小，不能充分清洗磨铣界面，降温效果也不理想。在设计高效平底磨鞋时，采用120°相位角、3水眼结构设计，排量不小于30m/h。磨铣齿排列设计上，采用大致呈圆形、不同规格大小合金镶嵌排列的结构，这种结构的特点是磨鞋切削刃多、切削速度高、切削效果好。
高效凹底磨鞋。磨鞋与落物的贴面效果较差，不适于大钻压、高钻速施工，造成磨铣效率低。高效凹底磨鞋，在设计时考虑了与落物的贴面性，增大了接触面积，使磨鞋与落物能充分接触；能满足大钻压施工要求，对螺栓、钻杆、钻头牙轮等落物，加大钻压，迫使其聚集于凹面控制的磨铣范围之内，将其磨碎、由钻井液循环携带出井筒。图2.3.2-1高效凹底磨鞋
1.4 优选堆焊焊条
堆焊所选用的Drilltech78G是一种高品质的碳化钨焊棒，主要用于钻头、钻井用稳定器、导向器和矿山挖掘设备部件的耐磨防护和维修堆焊。其采用了特殊的生产工艺，碳化钨切块均匀，切面锋利，堆焊层能产生明显的切削效果，同时具备良好的耐磨性，能抵御由沙砾，泥土和矿砂等固体物颗粒所产生的磨粒磨损和冲击磨损。基体金属为高强度特种合金，抗拉强度和韧性好，生成的堆焊层致密，浸润性好，结合强度高。
1.5 优化焊接工艺
堆焊焊条的熔点仅为760～780℃，因此堆焊时采用较小的焊接线能量以减小堆焊时硬质合金的熔化和烧损，提高堆焊层硬质合金的质量。实际加工中采用熔点温度的中性焰，火焰接近碳化焰，温度较低，氧含量少，避免了焊棒基体金属中某些合金成分烧损，防止基体金属变脆，抗拉强度降低，获得更高的焊接质量。
2.实践应用
在车571-12井与义104-10井进行了实验对比，两口井施工情况相同，均需磨铣钻杆。磨铣钻杆作业过程中车571-12使用了普通磨鞋，而义104-10使用了新型高效磨鞋。试验证明，新型高效磨鞋在磨铣速度、磨耗比等指标明显优于普通磨鞋。其中磨铣速度提高了117%，考虑更换磨鞋所耗费的起下钻时间，高效磨鞋单只时间磨铣效率可提高7-8倍。通过实例井施工的分析对比，高效磨鞋的磨铣速度较普通磨鞋得到很大提高，且高效磨鞋的机械损耗小。由此可见，高效磨鞋设计合理，综合机械性能优于普通磨鞋。
3.磨铣材料展望
3.1 硬质相的改进
由于强化材料中起关键作用的物质是硬质合金，国内目前均采用烧结WC-Co、WC-Ti—Co或两者的混合，但由于硬质合金在堆焊时容易被烧损，因此影响了堆焊层的性能。国外目前已开发出一种韧性更好、使用寿命更长的新型强化材料，但仍属保密中。目前国内的研究主方向正尝试用具有较高韧性的陶瓷与金属间化合物材料以及陶瓷与硬质合金复合材料作为强化材料。但存在的主要问题是这种材料的润湿性较差，用常用的焊条成形工艺和堆焊工艺有一定的难度。
3.2 焊接工艺的展望
目前强化材料的堆焊主要用氧-乙炔焰或氩弧焊作为热源。氧-乙炔热源虽然温度相对较低，硬质合金边缘的熔化较小，但堆焊后硬质合金在溶池中存在的时间较长，导致硬质合金溶解和扩散量增大。目前我国正在开发磨铣工具一次成形工艺，解决硬质合金的烧损和堆焊过程的分解、扩散、溶解，但尚需解决成形过程中硬质合金的沉淀。其关键是采用密度低，硬度高，韧性好，与胎体金属润湿性好的硬质相。
随着材料技术的不断进步，将有更加优质的钨合金被研发出来，同时合金钢的焊接工艺技术、金属工具的表面处理技术也将不断进步，必将带动井下工业磨铣工具的不断更新，进一步提高现场作业效率和施工质量。
参考文献
[1] 范景莲编著.钨合金及其制备新技术.冶金工业出版社，2006
[2] 汤小文，刘承杰，黄本生等.钻头齿面堆焊用硬质合金焊条的改进.石油矿场机械，2010.