基于螺杆钻具转子镀铬工艺的研究与应用

王芳层

(山东华宇工学院 机械工程学院，山东 德州 253034)

螺杆钻具是一种以钻井液为动力、把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。一般螺杆钻具使用时间是400 h，转子作为螺杆钻具的核心零部件，也需要能够使用400 h，如果转子达不到400 h的使用时间，就需要中途更换转子，造成钻井时间延误，钻井成本增加。转子在工作过程中，由于直接与泥浆接触，且与定子形成啮合转动，极易产生腐蚀磨损，因此转子的表面一般需要进行镀铬，通过镀铬提高转子的使用寿命，延长螺杆钻具的使用寿命。

目前常用的钻井液有油基泥浆、水基泥浆和盐水泥浆。针对油基泥浆和水基泥浆，转子表面需要镀铬处理；针对盐水泥浆，转子表面需要喷涂处理。国内钻井大部分使用的是油基泥浆和水基泥浆，故转子镀铬应用更多。

1 背景描述

1.1 转子结构特点

转子作为螺杆钻具的核心部件，其加工的好坏往往直接影响螺杆钻具的使用效果。由于转子是一种螺旋结构，大径处和小径处镀铬厚度不一样，且整个表面是复杂曲面结构，长度介于1.5～7 m，直径小的长度稍短，直径大的长度长。其一般用高端数控机床加工，转子的螺旋线性可得到保证。容易出现加工问题的是镀铬阶段，如抛光后粗糙度不达标，镀铬后的厚度不合格，镀铬后出现针孔、电击伤、脱皮等，因为镀铬一根转子需要较长时间，镀铬后的修复则需要更多的时间[1]。

图1 转子Fig.1 Rotor

1.2 镀铬层性能

铬层具有极高的耐磨性能和防腐性能，但是镀铬后的表面如果出现针眼、起皮、电击伤，这些缺陷会严重影响镀层的性能，所以电镀工艺的好坏尤为重要[2]。

2 工艺策划

2.1 工艺方案策划

制定工艺流程如表1所示[3]。

表1 工艺流程Tab.1 Technological process

2.2 工装设计

转子由于其复杂的曲面结构，最大外径处和最小外径处铬层的厚度在实际电镀过程中会有差别，原因是转子放在井式镀槽中时最大外径处更容易电镀到，最小外径处(凹处)电流难以达到，所以，如果不屏蔽(绝缘)最大外径处，转子最小外径处基本上镀不上铬，故需要制作转子最大外径处的屏蔽工装。一般是制作直径和转子大径差不多的长直管状塑料圆柱管，把圆柱管套在转子上，割去整个转子小径处的塑料，这样正常电镀分为两次电镀。第一次电镀时，套上屏蔽工装，镀小径处的镀层，大径由于套有塑料管，起到了屏蔽作用，所以第一次电镀过程大径不参与。第二次电镀过程，不用套屏蔽工装，由于大径距离镀槽中阳极近，更容易电镀到，小径处不用处理，也基本上不参与电镀，通过两次电镀过程来满足镀层的要求[4]。

夹持转子入井式电镀槽中，工装与转子用螺纹进行连接，如图2。螺纹一般用转子图纸上的螺纹，此处需要注意在镀铬过程中保护螺纹处不进入镀液。转子的另外一端需要用堵头堵塞，防止镀液进入到转子中孔[5]。

图2 转子工装Fig.2 Rotor frock

3 转子电镀后的检验

3.1 常规检查

外观检测：目测镀层表面无任何缺陷，手感平滑，颜色一致。厚度检测：按图纸要求对齿顶、齿底镀层厚度和表面粗糙度进行检测，应满足要求。

3.2 涂层显微硬度

涂层显微硬度、涂层黏附力、浸泡实验这3个实验都需要准备转子试样。转子试样是从转子上截取的一小段转子，和转子用相同的镀铬工艺进行电镀。实验之前，确保转子试样镀铬表面光洁，无腐蚀。实验工具为显微硬度计。实验条件和硬度显示如表2、表3：

表2 显微硬度实验条件Tab.2 Microhardness test conditions

表3 显微硬度实验结果(HV)Tab.3 Microhardnes test results(HV)

3.3 涂层黏附力

进行实验之前，确保转子试样镀铬表面光洁，无腐蚀。固定好试样，准备好锉刀，沿基体金属到镀层方向，与镀层表面呈约45°的夹角进行反复锉削，观察镀层是否出现裂纹或脱落，无镀层从基体上脱落为合格，有镀层从基体上脱落为不合格。

3.4 浸泡实验

将样品浸泡在3.5% NaCl溶液中，在溶液中持续输入压缩空气，温度为室温，实验周期是168 h，结果无腐蚀为合格，有腐蚀为不合格。

图3 转子试样Fig.3 Rotor sample

4 应用效果

转子经过上述镀铬工艺，镀铬效果已经体现在了螺杆钻具的使用效果上。如在塔河油田8区，使用井段1 450～5 004 m，进尺3 554 m，一次下井纯钻269 h，大大提高了钻进效率，缩短了钻井时间，节省了钻井成本。

5 总结与展望

螺杆钻具的原理结构已比较成熟，但国内螺杆钻具相较国外螺杆钻具在使用效果上还有一定的差距。原因是多方面的，如材料性能、制造精度等，但转子镀铬工艺是一个重要的影响因素。提出了一套完整的镀铬工艺流程，为转子镀铬技术改进提供了一种思路。