DE2442626A1

DE2442626A1 - Verfahren zum herstellen eines lagerelementes

Info

Publication number: DE2442626A1
Application number: DE2442626A
Authority: DE
Inventors: Robert Keith Sorensen
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1973-09-10
Filing date: 1974-09-05
Publication date: 1975-03-13
Also published as: FR2434301A1; DE2442626C2; JPS5054747A; IT1019224B; FR2434301B1; FR2243368B1; US4105263A; CA1042869A; FR2243368A1; AR213266A1; US3984158A; PL96150B1; SU791263A3; GB1464609A; AU7278074A

Description

PATENTANWALTSBÜRO

BERLIN — MÜNCHEN

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPL-ING. H.-J. PRESTING (BLN)

1 BERLIN 33, HERBERTSTR. 22

Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unser Zeichen Berlin, den

- 5, SEP.

SC-70-3 Fall 255

Dresser Industries, Inc.

Eepublic National Bank, Dalles, Texas 75221, USA.

Verfahren zum Herstellen eines Lagerelementes

Die Erfindung bezieht sich auf Lagerungen, im allgemeinen, und auf Achs- und Führungslager mit verbesserter Ausführung und längerer Lebensdauer, im besonderen. Die Lagerung nach der Erfindung dient besonders zur Verwendung an derjenigen Art von Steinmeißel, die allgemein als Drei-Konus-Meißel bekannt sind. Ihre Verwendung ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann auch auf anderen Anlagen bezogen werden, bei denen eine bessere Lagerung verlangt wird.

Ein rotierender Steinmeißel arbeitet unter sehr erschwerten Umweltbedingungen und die Größe und Geometrie des Meißels ist durch die Betriebscharakteristiken beschränkt. Gleichzeitig erfordert die Wirtschaftlichkeit der Erdölproduktion eine längere Lebensdauer und eine bessere Ausbildung des

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BORO MÖNCHEN:	TELEX:	TELEGRAMM:	TELEFON:	BANKKONTO:	POSTSCHECKKONTO:
8 MÖNCHEN 22	1-856 44	INVENTION	BERLIN	BERLINER BANK AQ.	W. MEISSNER, BLN-W
ST. ANNASTR. 11	INVEN d	BERLIN	030/885 60 37	BERLIN 31	12282-109
TEL: 089/22 86 44			030/888 23 82	3695716000

Meißels. Bei Versuchen zum Verbessern eines Meißels sind bessere und neue Materialien für die Schneidkonstruktion der Schneidkonen entwickelt worden, die längere Benutzungsdauer den Konen ergeben· Dies führt zu einer Lagerung, die erst während des Bohrens ausfällt. Folglich ist es für eine bessere Lagerung notwendig die Benutzungsdauer des Meißels zu verlängern.

TJm hohe Durchdringungsraten mit einem rotierenden Steinmeißel in vielen Formationen zu erhalten, müssen schwere Lasten auf den Meißel gelegt und dieser bei mäßiger Geschwindigkeit betrieben werden. Bei anderen Formationen sind nur mäßige Belastungen notwendig, aber der Meißel muß mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden. Der Steinmeißel arbeitet unter hochliorrosiver Umgebung und ist extremen Temperaturen ausgesetzt. Das Bohren kann dreitausend Meter unter der Erde erfolgen, wo hohe Temperaturen auftreten. Der Meißel muß ständig durch eine umlaufende Bohrflüssigkeit gekühlt und aus den Bohrabfällen herausgeführt werden. Die Flüssigkeit ist gewöhnlich Wasser mit chemischen Zusätzen, um den Wasserschwund oder die Viskosität und/oder den pH-Wert zu regeln. Viele der verwendeten Chemikalien ergeben eine korrosive Bohrflüssigkeit· Die Bohrabfälle, die Materialien die in den Erdformationen auftreten und die chemische Zusammensetzung der Bohrflüssigkeit kombinieren das Erzeugen einer korrosiven und einer abreibenden Bohrumgebung. Der Meißel ist während des Bohrens einem großen Bereich von Bohrdrücken ausgesetzt. Wenn der Meißel sich an der Erdoberfläche befindet, ist er nur dem atmosphärischem Druck ausgesetzt. Wenn er jedoch in das Bohrloch gesenkt wird, ist er wegen der oberen Flüssigkeitsschicht im Bohrloch sehr hohem Flüssigkeitsdruck unterworfen. Hinsichtlich dieser Umstände soll eine Lagerung für rotierende Steinmeißel ausnehmend gute Ausbildungscharakterie-

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tiken in einer begrenzten geometrischen Ausführung enthalten. Da der ganze Bohrstrang zurückgezogen werden muß, um den Meißel bei einem Fehler auszuwechseln, ist es sehr erwünscht, eine Lagerung zu haben, die für eine längere Zeitdauer arbeitet.

In der USA-Patentschrift 2.595,905 wird ein Dreikonenmeißel beschrieben, der drei Schenkel besitzt, die zusammengefaßt sind und den Meißel ergeben. Das untere Ende jedes Schenkels ist in ein Achslager eingepaßt und über dem Achslager ist ein konischer Zahnschneider aufgenommen. Die Lagerung enthält Reibungslager und Anti-Reibungslager. Diese Patentschrift stellt viele Probleme auf, die bei rotierenden Steinmeißeln auftreten.

In der USA-Patentschrift 3.235.316 wird ein Achslager für einen Steinmeißel mit abwechselnden Flächen aus abnutzungswiderständen und verschleißfesten Materialien gezeigt. Die dort beschriebene Lagerung enthält Nuten in den drehbaren Teilen mit einem weichen Metall, das Verschleißfestigkeit besitzt.

Die USA-Patentschrift 2.096.252 beschreibt ein poröses Lager, das durch "Brikettierendes" Metallpulver unter hohem Druck hergestellt wird. Das poröse Lager ist gesintert und ergibt so eine starre, poröse Struktur. Das gesinterte, poröse Metallager wird dann einem Infiltrationsprozeß unterworfen, bei dem geschmolzenes Blei durch Kapillarwirkung in die poröse Struktur absorbiert wird. Das die poröse Lagermatrix bildende Metall kann Kupfer, Bronze oder Messig sein.

In der USA-Patentechrift 2.706.693 wird ein Verfahren zum Imprägnieren von Metallagern beschrieben. Das Lager wird durch "Brikettieren" oder Pressen von pulverisiertem Ei-

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sen zum Erhalten der porösen Struktur hergestellt. Der gepreßte Lagerkörper wird dann einem Verfahren unterworfen, bei dem gleichzeitig gesintert und infiltriert wird. Das Infiltrieren erfolgt während der Sinterung durch Einbringen eine3 Kerns aus Kupfer oder einer Kupfer-Zinklegierung in die Mitte des Lagerkörpers. Der Kupfereinsatz schmilzt und infiltriert in die Poren des pulverisierten Eisenkörpers unter Freilassen seines Platzes für eine mittlere Lücke oder einen Hohlraum. Der Lagerkörper wird dann einem zweiten Infiltrationsschritt ausgesetzt, bei dem ein Antimon in die Lagerstruktur reinfiltriert wird. Das "Beinfiltriermetall" kann eine Mischung aus Antimon und Blei, Antimon und Zinn, Blei allein oder Zinn allein sein.

Die Erfindung gibt eine neuartige Lagerung für Erdbohrmeißel an. Mindestens eine der Lagerflächen enthält Stellen mit abnutzungsresistentem Material und Stellen von abriebfestem Material. Ein Pulver einer Legierung wird in die Form des beschriebenen Lagerelementes gedrückt, wodurch eine poröse Matrix erhalten wird. Ein abriebfestes Material wird in die poröse Matrix infiltriert. Die Matrix wird gehärtet, wodurch ein Lagerelement mit einer harten abnutzungsresistenten Oberfläche besitzt, wobei die Poren mit einem abriebfestem Material infiltriert werden.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen.
In diesen ist:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines rotierenden Dreikonen-Steinmeißels mit einem Lager nach der Erfindung;

Figur 2 zeigt ein Drittel eines rotierenden Dreikonen-Meißels mit einem Lager nach der Erfindung;

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- 5 -Figur 3 zeigt eine poröse Matrix eines Lagerlements;

Figur 4 ist ein Schnitt der Matrix nach Figur 3 ⁱⁿ größerem Maßstab; und

Figur 5 eine Darstellung der Matrix nach Figur 3 nach der Oberflächenhärtung.

Figur 1 zeigt einen rotierenden Dreikonen-Steinmeißel 10 des Düsentyps mit einem Körper 11, der einen oberen Gewindeteil 12 aufweist. Der Teil 12 ermöglicht das Verbinden des Meißels 10 am unteren Ende eines (nicht dargestellten) rotierenden Bohrstrangs. Vom Meißelkörper 11 gehen drei identische Arme nach unten, von denen die Arme 13 und 13' in Figur 1 zu sehen sind. An drei Lagerstiften, die von den Armen abgehen, befinden sich drei rotierende Konusschneider 14, 14' und 14", von denen jeder Schneidkonstruktionen 15, 15' bzw. 15" an seiner Außenfläche aufweist, die zum Zerkleinern der Formationen dienen, wenn der Meißel 10 gedreht und durch die Formationen geführt wird. Die Schneidkonstruktion 15 j 15' und 15" wird in der Form von Wolframkarbideinsätzen gezeigt, jedoch können auch andere Schneidkonstruktionen, wie Stahlzähne, hierfür an den Schneidern verwendet werden.

Der Meißel 10 enthält einen mittleren Durchgang 16, der entlang der Mittelachse des Körpers 11 verläuft, so daß Bohrflüssigkeit aus dem oberen Abschnitt des (nicht dargestellten) Bohrstranges unmittelbar über den drei Düsen eintreten und nach unten zum Boden des Bohrlochs hindurchfließen kann. Eine Düse 17 wird in Figur 1 gezeigt. Beim Angreifen an den Boden des Bohrlochs wird der Bohrstrang gedreht und mit ihm der Meißel 10. Die Schneider 14, 14· und 14" drehen sich an ihren Lagerstiften.

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Durch den Innendurchgang des rotierenden Bohrstranges wird Bohrflüssigkeit nach unten gedrückt, die weiter durch den Mitteldurchgang 16 des Meißels 10 und durch die Düsen zum Bohrlochboden fließt. Von dort fließt sie im Ring zwischen dem Bohrstrang und der Wandung des Bohrlochs zur Erdoberfläche hinauf.

Ein Schnitt eines Armes 13 eines Meißels mit einer Lagerung nach der Erfindung wird in Figur 2 gezeigt. Der Meißel dient zum Verbinden mit einem rotierendem Bohrstrang und arbeitet in der beschriebenen Weise. Der längliche Unterteil des Armes 13 ergibt ein Drehlager 18 an dem sich der Bohrlöffel des Schneiders 14 befindet. Die Schneidkonstruktionen 15 bestehen aus einer Reihe von Wolframkarbideinsätzen. Beim Drehen des Meißels berühren die Einsätze die Formationen und zerkleinern sie, um das Erdbohrloch zu erhalten.

Die Lagerung nach der Erfindung gewährleistet ein freies Drehen des Schneiders 14 unter erschwerten Bohrverhältnissen. Eine Reihe von Kugellagern 20 gewährleistet, daß der Bohrlöffel 19 am Lager drehbar befestigt ist. Der Schneider 14 ist am Lager 18 angebracht und die Reihe von Kugellagern 20 wird durch die Bohrung 21 eingeführt, die sich im Aa?m 13 befindet. Nach dem Einbringen der Kugellager 20 wird ein Stöpsel 22 in die Bohrung 21 eingesetzt und dort bei 23 verschweißt.

Das Lager 18 und der Arm 13 sind mit einem Durchgang 24 versehen, der von einem Schmiermittelreservoir 25» das sich zwischen den verschiedenen Lagerflächen befindet, zum Schmierkanal führt. Der Durchgang 24 kreuzt, die Bohrung 21. Der Stöpsel 22 ist in diesem Gebiet von geringerem Durchmesser, damit das Schmiermittel zu den Lagern geleitet werden kann. Weitere Durchgänge 26, 27 und 28 lassen das Schmiermittel von der BoMung 21 zu den Lagern gelangen. Das Reservoir 25

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ist mit einem Schmiermittel gefüllt, das mitgerissene !Teilchen von abriebfestem Material enthält. Am Arm ist eine Kappe 29 befestigt, die das Schmiermittel im Reservoir 25 zurückhält. Die Kappe 29 ist so konstruiert, daß ein Durchgang 30 das Innere des Reserviors 25 mit der Außenseite des Meißels verbindet. Dadurch ist ein Druckausgleich möglich, was verhindert, das Druckdifferentiale die Lagerung beschädigen. Eine biegsame Membrane 31 dient zum Halten des Schmiermittels.

Das Schmiermittel füllt das Reservior 25, den Durchgang 24, die Bohrung 21 weitere Durchgänge 26, 27 und 28 und die Zwischenräume zwischen dem äußeren Bohrlöffel 19 und dem Lager 18. Eine biegsame Dichtung 32 steht mit dem Schneidlöffel 19 in Kontakt und ergibt eine Dichtung zwischen dem Bohrlöffel 19 und dem Lager 18, so daß das Schmiermittel verloren gehen oder durch die Materialien des Bohrlochs auch beim Bohren verschmutzt werden kann. Wenn der Meißel in das Bohrloch gesenkt wird, wird er beim Tiefergehen einem steigenden Flüssigkeitsdruck ausgesetzt. Wenn keine Einrichtung zum Druckausgleich beim Schmiermittel vorgesehen ist, würde der Differentialdruck an der Dichtung ausreichen, um sie zu zerbrechen. In der Innenfläche des Bohrlöffels 19 des Schneiders 14 befindet sich eine Achslagerbuchse 33 und eine Gleitlagerbuchse 34. In dem Vorsprung des Bohrlöffels 19 befindet sich ein Achsdruckknopf 35. Dieser und die Buchsen 33 und 34 sind im Bohrlöffel 1°/ durch Paßsitz befestigt. Die Lagerflächen der Buchsen 33 und 34 und des Drucklagerknopfes 35 enthalten Flächen mit abwechselnden Stellen von abnutzungswiderstehenden und abriebfesten Materialien. Die Lagerflächen besitzen eine harte, abnutzungsresistente Matrix mit hoher Festigkeit und die Selbstschmierung des abriebfestem Materials. Die gewöhnliche Lebensdauer der Lager ist verlängert und dadurch auch die Lebensdauer des Meißels.

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Figur 3 zeigt die für die Gleitlagerbuchse 34 verwendete poröse Matrix 36, die durch Pressen einer pulverisierten Legierung in die Form des gewünschten Lagerelementes hergestellt ist. Das Pulver für die poröse Matrix 36 ist ein-Pulver einer niedriger Nickel-Stahllegierung aus AISI 4600 100 Teilchen. Es können natürlich auch andere pulverisierte Legierungen wie z.B. Teilchen von rostfreiem Stahl für die Herstellung der Matrix verwendet werden.

Vor dem Drücken wird Graphit oder Kohle mit der pulverisierten Legierung gemischt, um den endgültigen Kohlenstoffgehalt zu erlangen. Beispielsweise wird dem Pulver ausreichend Graphit zugesetzt, um eine poröse Matrix 36 mit 0,4% Kohlenstoff zu erhalten, nachdem die Matrix gesintert worden ist. Das Schmiermittel kann beispielsweise Zinkstearat sein. Das Schmiermittel verbrennt während der Sinterung. Das Pulver aus der Legierung wird mit einer Kraft von 5500 bis

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6000 kg/cm (Querschnittsgebiet) gepreßt. Dadurch wird die Matrix 36 mit einer scheinbaren Dichte von 6,8 Gramm pro Kubikzentimeter (85 bis 87% theoretische Dichte) nach dem Sintern versehen. Andere Dichten sind nach der Erfindung möglich und die Dichte kann im allgemeinen im Bereich von 50 bis 95% der theoretischen Dichte liegen.

Die Matrix 36 wird bei 1108° G vierzig Minuten lang gesintert. Das Graphit, das mit der pulverisierten Legierung gemiecht ist, diffundiert während der Sinterung in den Stahl und verbindet sich mit ihm und erzeugt so eine homogene Struktur mit dem gewünschten Kohlenstoffgehalt. Das Diffundieren des Kohlenstoffs durch die Struktur wie auch die Diffusionsbindung der Teilchen zusammen erfordert Temperaturen über 1000⁰O. Das Diffusionsverfahren kann mehrere Stunden bei 1000⁰C dauern, während man weniger als eine

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Stunde bei einer Temperatur von 111O⁰O braucht.

Ein Schnitt in größerem Maßstab von der Matrix 36 wird in Figur 4 gezeigt. Die Matrix 36 enthält mehrere Poren 37· Etwa 95% der Lücken oder Poren 37 in der Matrix 36 sind untereinander verbunden und können durch Infiltrieren mit einemabriebfestem Material gefüllt werden. Die Matrix 36 wird mit einer Legierung aus 85% Silber und 15% Mangan bei einer Temperatur von 1108⁰C infiltriert. Die Silber-Mangan-Legierung ermöglicht die Kappillarwirkung und die Schwerkraft zieht das Silber in die Poren 37 und füllt sie. Es können natürlich auch andere abriebfeste Materialien als Filtermaterial verwendet werden. Im allgemeinen kann das Infiltriermaterial ein weiches Metall oder eine weiche Legierung mit abriebfester (Anti-Galling)-Eigenschaft in der Art von Silber, Silberlegierungen oder Lagermetall sein. Etwa 95% der Poren 37 werden mit Silber gefüllt.

Nach dem Infiltrieren mit Silber wird die Matrix 36 gehärtet. Die Matrix 36 nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird durch Packen-Karburisieren bei 912⁰O zwölf Stunden lang gehärtet, auf 751°C eine halbe Stunde lang erhitzt und in einem Ölbad abgeschreckt. Die Matrix 36 wird dann getempert und in die spezielle Form des gewünschten Lagerelements gebracht .

Figur 5 zeigt in größerem Maßstab einen Schnitt der porösen Matrix 36, nach dem Härten. Eine beachtliche Zahl von Poren 37 ist mit dem Silber-Mangan-Anti-Galling-Material gefüllt. Das Aushärten macht die Oberfläche 37 der Matrix 36 hart und abriebfest. Die Poren 37 ergeben an der Fläche mit dem weicheren Anti-Galling-Material auf der Fläche 38 Stellen, die aus einem abriebfestem Material bestehen. Das Material der Matrix 36 ist scheinbar härter als Rockwell C 20,

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während die Fläche 38 eine scheinbare Härte besitzt, die größer als Rockwell G 40 ist.

Zusammenfassung:

Die Erfindung bezieht sich auf Achslager und/oder Gleitlager eines rotierenden Konuserdbohrmeißels, die abwechselnden Stellen von Abriebfesten und Verschleißfestem (Anti-Galling)-Materialien aufweisen. Die Lagermatrix wird durch Pressen einer pulverisierten Legierung in der Form des erwünschten Lagerelementes hergestellt. Die Matrix wird gesintert und dadurch gibt sich ein poröses Lagerelement. In die poröse Matrix wird ein Anti-Galling-Material infiltriert und das Lagerelement wird gehärtet. Das fertige Lagerelement enthält dann Stellen aus abriebfestem Materialien und von Anti-Galling-Materialien.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Lagerelements, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Pressen einer pulverisierten Legierung in die Form des gewünschten Lagerelementes und somit Herstellen eines porösen Matrixelementes;

Sintern des porösen Matrixelements (36); Infiltrieren eines Anti-Galling-Materials in das poröse Matrixelement, und Härten dieses.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten des Matrixelementes (36) aus dem Oberflächenhärten des Elements besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten des porösen Matrixelements aus dem Durchhärten des Elements besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverisierte Legierung ein Pulver eine Eisenlegierung ist.

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BORO MÖNCHEN: TELEX: TELEGRAMM: TELEFON: BANKKONTO:

MÖNCHEN 22 1-856 44 INVENTION BERLIN BERLINER BANK AG.

ST. ANNASTR. 11 INVENd BERLIN 030/8856037 BERLIN 31

TEL.: 089/22 35 44 030/886 23 82 3695716000

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine pulverisierte Legierung von rostfreiem Stahl ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulver vor dem Pressen in die Form des gewünschten Elements Kohlenstoff zugesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffmenge, die dem Pulver zugesetzt wird, ausreicht, um das poröse Matrixelement mit einem Kohlenstoffgehalt zu versehen, der nach dem Sintern im Bereich von 0,04 bis 1,5% liegt.

8. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Graphit mit der Eisenlegierung gemischt wird, die Mischung in die gewünschte Form des Matrixelements gepreßt, dieses gesintert, in dieses ein Anti-Galling-Material infiltriert und das Element gehärtet wird.

9. Lagerelement, das nachdem Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix mehrere untereinander verbundene Poren mit einer Dichte von etwa 85 bis 87 % besitzt.

10. Lagerelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix oberflächengehärtet ist und eine harte Oberfläche besitzt.

11. Lagerelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eine Scheinhärte besitzt, die größer als Rockwell C 40 ist und daß die Matrix eine Scheinhärte von mehr als Eockwell C 20 aufweist.

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12. Lagerelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix einen Kohlenstoffgehalt von 0*04- bis 1,5% aufweist.

13. Lagerelement nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem rotierenden Bohrmeißel (10) verwendet wird, der an dem Lagerstift befestigt ist, wobei ein Lagerelement zwischen dem Schneider und dem Stift eine Matrix aus gepreßtem porösem und gesinterten Pulver einer Eisenlegierung und einem Anti-Galling-Material besitzt, das in die gepreßte, poröse und gesinterte Eisenlegierungsmatrix infiltriert ist·

Lagerelement nach Anspruch 14, dadurch, gekennzeichnet, daß die Matrix (36) mehrere untereinander verbundene Poren und eine Dichte von etwa 85 bis 8?% besitzt*.

. P. E Meissner

Patentanwalt:· ' -

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