Электродный блок для электрохимической обработки кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем Российский патент 2022 года по МПК B23H3/04 B23H9/00 

Изобретение относится к нефтяной промышленности, а именно для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера, применяемых в винтовых героторных двигателях для бурения нефтяных скважин.

Статоры с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall) повышают ресурс и надежность винтовых героторных двигателей, используются для увеличения крутящего момента на выходном валу в режиме максимальной мощности, допустимой осевой нагрузки за счет увеличения перепада давления в режиме максимальной мощности, обеспечения равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых (шлюзовых) камер между зубьями ротора и обкладки статора.

Известны винтовые героторные двигатели компании "Радиус-Сервис" (RU), входящей в состав "Шлюмберже" (US), имеющие статоры с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), (парк более 1000 ед.), которые более 10 лет надежно работают в скважинах на территории России и за рубежом (патенты RU 2300617, RU 2321767, RU 2321768, RU 2361997, RU 2373364, RU 2652724, RU 2652725, RU2689014, RU 2723595, RU 2745677).

Основные преимущества статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall):

- повышается нагрузочная способность статора, снижаются гистерезисные потери в обкладке, повышаются энергетические характеристики и тормозной момент двигательной секции, что исключает вероятность торможения двигателя при изменении нагрузки и повышает управляемость бурения;

- снижается количество вырабатываемого и сохраняемого тепла, натяг в соединении ротор-обкладка статора меньше зависит от температуры и деструкции ("разбухания") эластомера, обеспечиваются высокие энергетические характеристики двигателя в увеличенном интервале глубины скважины, температуры и буровых растворов на нефтяной основе;

- улучшенные энергетические характеристики двигателя позволяют эффективно использовать его с долотами PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) с поликристаллическими алмазами;

- за счет меньшей толщины эластомера при отрыве кусков обкладки не происходит закупорки промывочных отверстий долота, вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ (Журнал "Бурение и нефть", 11/2014, стр. 56+59).

Известен график отработок двигателей компании «Радиус-Сервис», входящей в состав Шлюмберже, которые работали с долотами StingBlade (рис. 6). Данные представлены для габарита - 172 мм, интервал бурения достигал 2000 м. Анализируя его, можно заметить, что 200 часов не представляют проблемы даже для стандартных двигателей компании «Радиус-Сервис». Журнал "Бурение и нефть", №4, 2018 г, Гумич Д.П. и др., " Бурение в один рейс…".

Известно устройство для электрохимической обработки необработанной внутренней поверхности, образующей осевое отверстие трубчатой заготовки, содержащее:

средство для поддержки указанной заготовки; электродный инструмент, включающий в себя множество примыкающих по окружности канавок, имеющих между собой канавки, проходящие между его противоположными в осевом направлении передним и задним краями; средство для перемещения инструмента в осевом направлении через отверстие заготовки между передним и задним краями заготовки; средство для приведения в действие заготовки и инструмента для воздействия на анод и катод соответственно; средство для направления жидкого электролита через отверстие вокруг инструмента для электрохимической обработки незавершенного отверстия с образованием желобчатого отверстия позади заднего края инструмента; и средство для герметизации инструмента, примыкающего к его заднему краю к заготовке, для герметизации от протекания электролита через нее, чтобы изолировать поток электролита в незавершенном отверстии, когда инструмент проходит через него.

Уплотнительное средство неподвижно прикреплено к инструменту рядом с его задним краем для перемещения с ним и дополняется рифленым отверстием для герметизации протекающего через него электролита.

Устройство содержит средство для направления жидкости за задний край инструмента, при этом уплотнительное средство является эффективным для отделения указанной жидкости от электролита на заднем крае инструмента.

Устройство, в котором жидкость представляет собой промывочную жидкость для вымывания рассеянного электролита из рифленого отверстия, когда инструмент проходит через незавершенное отверстие во время электрохимической обработки.

Средство направления жидкости является эффективным для направления жидкости под давлением, чтобы компенсировать давление электролита на противоположных сторонах уплотнительного средства.

Уплотнительное средство содержит заднюю направляющую, скрепленную с задним краем инструмента и включающую множество примыкающих по окружности направляющих канавок, имеющих канавки между ними, при этом направляющие канавки больше, чем канавки инструмента для уплотнения рифленого отверстия.

Уплотнительное средство содержит внешнюю направляющую, неподвижно соединенную с ближним краем заготовки и включающую множество примыкающих по окружности внутренних канавок, имеющих между собой канавки, при этом внутренние канавки комплементарны задним направляющим канавкам для герметизации против протекания электролита и жидкости между ними.

Канавки внешней направляющей имеют такую же спиральную форму для самовращения указанного инструмента, когда инструмент проходит в осевом направлении через заготовку.

Инструмент выполнен полым в передней части для пропуска через него электролита.

Инструмент содержит заднюю направляющую с канавками, неподвижно соединенную с его задним краем и имеющую размеры, обеспечивающие герметизацию отверстия с канавками во время электрохимической обработки, и переднюю направляющую с канавками, неподвижно соединенную с его передним краем и имеющую размер скользящего зацепления с незавершенным отверстием, и передняя и задняя направляющие поддерживают рифленый инструмент в осевом направлении между собой для центрирования инструмента внутри заготовки для поддержания равномерного зазора между канавками инструмента и внутренней поверхностью заготовки во время электрохимической обработки (US6413407, 02.07.2002).

Недостатком известного электрода является недостаточная эффективность защиты от коротких замыканий и механических повреждений, что объясняется тем, что электрод, закрепленный на приводной штанге (длиной до 5500 мм), вдвигается в отверстие трубчатой заготовки, расположенной перед электродом, при этом из-за трения устройства уплотнения заднего края электрода в винтовом отверстии заготовки происходит потеря устойчивости приводной штанги, разрушение электрической изоляции и возникновение неизолированных поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается ресурс электрода и повышение точности обработки, а также возможность уменьшения расхода электроэнергии.

Недостатки известного электрода объясняются тем, что площадь поперечного сечения, которую удаляют во время электрохимического фрезерования необработанной внутренней поверхности осевого отверстия трубчатой заготовки, достаточно велика, постоянный ток составляет 30000 ампер при напряжении 25 вольт, при этом поток электролита, прокачиваемого против направления движения электрода, подающегося в межэлектродный промежуток и проходящего далее через отверстия электрода, не обеспечивает улучшения теплоотвода, что увеличивает вероятность потери устойчивости и возникновения неизолированных поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается длительный (без износа) ресурс электрода, используемого в качестве катода.

Недостатки известного электрода объясняются также тем, что процесс электрохимической обработки в известной установке предназначен для получения гладкого винтового зубчатого профиля внутренней поверхности в необработанном отверстии трубчатой заготовки, при этом для предотвращения ухудшения шероховатости обработанной поверхности при дальнейшем воздействии электролита после создания канала нужных размеров, задняя внутренняя направляющая, присоединенная к заднему краю электрода, образует уплотнение за электродом, а вода или другая жидкость затем прокачивается под давлением за задней направляющей электрода для обеспечения промывки оставшегося электролита.

Для достижения гладкой поверхности винтового зубчатого профиля в осевом отверстии трубчатой заготовки, увеличено время окончательной обработки внутренней стенки трубчатой заготовки в отдельной камере под действием электролита, вследствие этого в указанной отдельной камере имеются неизолированные поверхности, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, что не позволяет уменьшить расход электроэнергии и увеличить производительность обработки, изображено на фиг. 2, 3, 5 патента US 6413407.

Недостатком известного электрода является также то, что гладкий винтовой зубчатый профиль внутренней поверхности в отверстии трубчатой заготовки, получаемый в результате электрохимической обработки, не обеспечивает требуемую адгезионную прочность "привулканизованной" (скрепленной при помощи вулканизации эластомера) затем обкладки из эластомера к профилю внутренней винтовой поверхности трубчатой заготовки.

Вследствие этого не обеспечиваются свойства материала в конструкции, а именно усталостная выносливость эластомера при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточная деформация и усталостная выносливость при многократном сжатии (ГОСТ20418-75), температурный предел хрупкости (ГОСТ7912-74), истирание при скольжении (ГОСТ426-77).

Известна установка для электрохимической обработки геликоидального зубчатого профиля внутренней поверхности трубчатой детали для изготовления статора винтового двигателя или насоса, включающая электрод зубчатой формы, приводную штангу для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории таким образом, чтобы электрод мог электрохимическим методом обрабатывать геликоидальный зубчатый профиль внутренней поверхности трубчатой детали, а устройство для создания траектории потока и направления электролита в первоначальном пространстве между электродом и деталью выполнено таким образом, чтобы электропитание обеспечивало электрический ток через электролит на первоначальном пространстве между электродом и деталью, где траектория потока также включает в себя зону за электродом, в то время как электрод движется вдоль прямолинейной траектории, и электролит может использоваться для создания шероховатости на внутренней поверхности детали после обработки электродом, при этом электрод удерживается внутри детали в течение продолжительного времени для достижения шероховатости внутренней поверхности детали (US 7192260, 20. 03. 2007).

Известная установка включает электрод для формирования винтовых зубьев в трубчатой детали, приводную штангу для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории, электропитание, соединенное с электродом и имеющее соединение с трубчатой деталью, расположенной вдоль прямолинейной траектории и установленной таким образом, что электрод может проходить в осевом положении внутри трубчатой детали, посредством чего электропитание может обеспечивать электрический ток через электрод (катод) и деталь (анод), при этом траектория потока для направления электролита между электродом и деталью включает зону, обозначенную между частью приводной штанги и деталью за электродом, и включает электрический проводник, соединенный с электропитанием и воздействующий на зону, где электрический ток установлен через электролит внутри зоны между проводником и деталью, при этом содержит зону значительного размера в направлении прямолинейной траектории, причем электрический ток, проведенный в зону, может травить, и тем самым увеличивать шероховатость окончательно обработанной внутренней поверхности детали после обработки электродом, а электрод удерживается внутри трубчатой детали в течение продолжительного времени, достаточного для достижения шероховатости внутренней поверхности детали.

В известной установке электрод соединен с приводной штангой при помощи инструментального конуса, наружная поверхность которого имеет форму усеченного конуса и соединяется с внутренней поверхностью в форме усеченного конуса в приводной штанге и электроде, при этом пространство определяется уплотнением на приводной штанге, контактирующим с винтовыми каналами детали.

В известной установке часть приводной штанги покрыта изолирующей муфтой, а электрический проводник воздействует на зону между частью приводной штанги и деталью, которая является частью приводной штанги, не покрытой изолирующей муфтой.

В известной установке содержится, по меньшей мере, один канал для прохождения электролита мимо направляющей, созданный на наружной поверхности приводной штанги, между приводной штангой и деталью, при этом задняя направляющая образована для создания зоны, где электролит проходит между задней направляющей и приводной штангой для отвода тепла от электрода и передачи на соединение приводной штанги, при этом задняя направляющая содержит множество каналов для прохождения электролита между задней направляющей и приводной штангой с целью отвода тепла от электрода и передачи на соединение приводной штанги.

Отличием изобретения, выбранного в качестве прототипа, от аналога, описанного в патенте US 6413407, является то, что для достижения шероховатости поверхности внутренней стенки статора, увеличено время окончательной обработки внутренней стенки под действием электролита, и тогда электрический ток может продолжать травление внутренней обработанной поверхности, посредством этого достигается шероховатость поверхности, что обеспечивает требуемую адгезионную прочность скрепленной обкладки из эластомера при помощи вулканизации эластомера к профилю внутренней поверхности трубчатой заготовки.

Электролит вводится через канал 42 в камеру на входе (приближенную к месту крепления) 44, изображено на фиг. 7 патента US 7192260.

Во время электрохимической обработки детали 46 электролит проходит по длине приводной штанги 48 между приводной штангой и обработанной частью 47 детали 46, и через канавки 49 в стенке центрального отверстия направляющей детали 50, где проходит приводная штанга, предпочтительное расположение канавок - параллельно друг другу с интервалами по окружности центрального отверстия задней направляющей детали 50, при этом поток электролита через эти канавки обеспечивает охлаждение зоны контакта электрода и приводной штанги, а электролит проходит затем через электрод 52 в направлении от входа к выходу, т.е. по направлению движения электрода мимо передней направляющей 80 и ниже длины необработанного отверстия 56 детали 46, в камеру, где электролит выпускается и отправляется на повторное использование, изображено на фиг. 9, 10 патента US 7192260.

Камера 44 имеет внутренний диаметр в соответствии с размером обработанного профиля детали, чтобы удержать вес электрода, перед тем как задняя направляющая входит в деталь, при этом задняя направляющая 50 направляет поток электролита и удерживает вес электрода, установленного на приводной штанге 48, но она не выполняет функции уплотнения, электролит остается в положении за электродом во время процесса обработки, при этом изолирующая трубка 60 приводной штанги смещена в положение 62, чтобы открыть кольцевую площадь 64 приводной штанги достаточной длины, тогда электрический ток между направляющим стержнем и деталью будет оказывать травление окончательно обработанной внутренней стенки трубчатой детали, изображено на фиг. 7, 10 патента US 7192260.

Недостатком известного электрода является недостаточная эффективность защиты от коротких замыканий и механических повреждений, что объясняется тем, что электрод, закрепленный на приводной штанге (длиной до 5500 мм), вдвигается в отверстие трубчатой заготовки, расположенной перед электродом, при этом из-за трения устройства уплотнения заднего края электрода в винтовом отверстии заготовки происходит потеря устойчивости приводной штанги, разрушение электрической изоляции и возникновение неизолированных поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается ресурс электрода и повышение точности обработки, а также возможность уменьшения расхода электроэнергии.

Недостатками известного электрода являются также неполная возможность повышения ресурса при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в необработанной поверхности отверстия трубчатой заготовки, например, максимального габарита трубчатой заготовки - длиной 7500 мм и наружным диаметром 260 мм, снижения расхода электроэнергии, а также повышения точности обработки.

Недостатки известного электрода объясняются неполной возможностью повышения эффективности теплообмена электрода, обеспечения изотермических условий с минимально возможным градиентом плотности тока на его рабочей поверхности, предотвращения протекания токов, шунтирующих рабочий ток в межэлектродном промежутке, повышения точности центрирования электрода, а также недостаточной эффективностью уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий ("прижегов") электрода.

Во время электрохимической обработки детали 46 электролит проходит по длине приводной штанги 48 между приводной штангой и обработанной частью 47 детали 46, и через канавки 49 в стенке центрального отверстия направляющей детали 50, что не обеспечивает изотермические условия с минимально возможным градиентом плотности тока на его рабочей поверхности, при этом металлический шлам накапливается между задней стенкой направляющей 80 и передним торцом электрода 52, что не обеспечивает эффективного уноса металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита, изображено на фиг. 9, 10 патента US 7192260.

Недостатки известного электрода объясняются также тем, что площадь поперечного сечения, которую удаляют во время обработки, достаточно велика, постоянный ток составляет 30000 ампер при напряжении 25 вольт, передача электрического тока с таким высоким значением между электродом и приводной штангой не обеспечивает надежной защиты от коротких замыканий электрода и обрабатываемой детали, а поток электролита 30, прокачиваемого в межэлектродный промежуток и проходящего через каналы 49 электрода 52 или через каналы 91 электрода 88, не обеспечивает эффективного охлаждения электрода и минимального градиента температуры в его стенках и на рабочей поверхности, увеличивает вероятность возникновения неизолированных поверхностей (частиц металлического шлама в электролите), через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается форма и размеры электрода, имеющего винтовую зубчатую форму наружной поверхности, не обеспечивается форма и размеры винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, а также не обеспечивается длительный (без износа) ресурс электрода, изображено на фиг. 7, 9, 10 патента US 7192260.

Недостаточная эффективность защиты электрода от механических повреждений и коротких замыканий объясняется также тем, что приводная штанга с закрепленным на ней электродом вдвигается в отверстие трубчатой заготовки, расположенной перед электродом, при этом из-за трения уплотнительных элементов 86, 92 относительно зубчатого профиля внутренней поверхности трубчатой детали происходит потеря устойчивости приводной штанги и возникновение неизолированных поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечиваются ресурс электрода, изображено 7, 9, 10 патента US 7192260.

Известен электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащий электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, присоединенную к заднему краю электрода, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, а также содержащий оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, при этом передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, скрепленной с оправкой, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и снабжена каналами для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор, выполненный из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода и в дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода (RU 2586365, 10.06.2016).

Недостатками известного электрода являются неполная возможность повышения надежности и ресурса при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в необработанной поверхности отверстия трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера, например, трубчатой заготовки длиной 7500 мм максимального (в России) габарита 260 мм, снижения расхода электроэнергии, а также повышения точности обработки.

Неполная возможность повышения надежности и ресурса электродного блока при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки и снижения расхода электроэнергии объясняется отсутствием плотного контакта по торцам токопроводящих деталей - электрода и оправки при затяжке болта на торце оправки вследствие того, что между электродом и оправкой размещен центратор из диэлектрического материала, при этом не предотвращается протекание токов, шунтирующих рабочий ток в межэлектродном промежутке, а также в зоне контакта электрода и оправки, при этом возникают короткие замыкания в зоне контакта электрода и оправки, а также в резьбовом соединении болта с оправкой и в резьбовом соединении оправки и приводной штанги, изображено на фиг. 1, 2, 7 патента RU 2586365.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащий электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, присоединенную к заднему краю электрода, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, и содержащий оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, скрепленной с оправкой, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и снабжена каналами для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода и в дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода, при этом электродный блок снабжен резьбовым модулем и внутренней втулкой, скрепленной с центратором из диэлектрического материала, выполненной из токопроводящего материала и установленной коаксиально на оправке, при этом край приводной штанги, направленный к электроду, выполнен с наружным центрирующим поясом, а оправка выполнена со сквозным центральным отверстием и внутренним центрирующим поясом и установлена коаксиально на центрирующем поясе приводной штанги, резьбовой модуль прикреплен к приводной штанге сквозь центральное отверстие оправки и имеет резьбовые элементы на открытом краю оправки с возможностью плотных контактов переднего торца электрода с задним торцом внутренней втулки в центраторе из диэлектрического материала, переднего торца внутренней втулки в центраторе из диэлектрического материала с упорным торцом оправки, и торцов оправки и приводной штанги, при этом со стороны контактирующего с задним торцом электрода торца задней направляющей, выполненной в виде зубчатого диска, в плоскости каждой впадины между зубьями выполнена кавитационная каверна с возможностью образования собственных щелевых каналов для электролита, соединенных с выходом дополнительных каналов для электролита, образованных вкладышем из диэлектрического материала с поперечным сечением в форме двутаврового профиля, а стенка задней направляющей, выполненной в виде зубчатого диска, имеет минимальную толщину в плоскости каждой впадины между зубьями (RU 2663789, 09.08.2018).

Недостатками известного электродного блока для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в необработанной поверхности отверстия трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), являются неполная возможность повышения его ресурса и надежности, повышения точности обработки и снижение расхода электроэнергии путем улучшения теплоотвода, создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий ("прижегов") при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, например, трубчатой заготовки длиной 7500 мм максимального (в России) габарита 260 мм.

Масса металлического шлама при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в необработанной поверхности отверстия трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), например, трубчатой заготовки длиной 7500 мм максимального габарита 260 мм, составляет 200÷250 кг.

Другим недостатком известного электродного блока является неполная возможность его использования для производства гибридных статоров винтовых героторных двигателей (патент RU 2745677), применяемых для бурения нефтяных скважин, в котором трубчатый корпус на длине крепления обкладки из эластомера к внутренним винтовым зубьям трубчатого корпуса содержит ряд внутренних полостей, каждая их которых выполнена в виде кольцевой канавки на внутренней поверхности трубчатого корпуса, примыкающей к боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным кольцевой канавкой на внутренней винтовой поверхности трубчатого корпуса, а обкладка из эластомера на длине крепления к внутренним винтовым зубьям трубчатого корпуса содержит в каждой из внутренних полостей статорный демпфер из эластомера с внутренними винтовыми зубьями, примыкающими к внутренним винтовым зубьям обкладки из эластомера, прилегающий к поверхности кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса и боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным кольцевой канавкой, с возможностью скрепления с обкладкой из эластомера, а также с кольцевой канавкой внутри трубчатого корпуса и боковыми поверхностями внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованными кольцевой канавкой.

Токарная расточка кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем, например, на расточном комплексе WS3 (US), не обеспечивает экономического преимущества вследствие максимальной длины бортштанги 4400 мм.

Техническим результатом изобретения является возможность электрохимической обработки кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем при изготовлении гибридных статоров (R-Wall) винтовых героторных двигателей, применяемых для бурения нефтяных скважин, повышение ресурса и надежности двигателей путем повышения усталостной выносливости, абразивной стойкости, упругости и герметичности уплотнения рабочей пары: ротор-обкладка из эластомера в статоре, предотвращения растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки из эластомера в корпусе статора на длине крепления обкладки из эластомера к внутренним винтовым зубьям трубчатого корпуса за счет повышения усталостной выносливости обкладки из эластомера при многократном сжатии, прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора, а также улучшенного теплоотвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера к потоку бурового раствора внутри корпуса и сквозь стенки корпуса к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве, повышает также точность проходки наклонных и горизонтальных интервалов скважин, темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны путем уменьшения жесткости корпуса при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

Технический результат, который обеспечивается настоящим изобретением, заключается в том, что в электродном блоке для электрохимической обработки кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем, содержащем электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода для перемещения за ним в винтовом отверстии, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода, передняя направляющая выполнена в виде гильзы и центратора из диэлектрического материала, установленных на оправке, а центратор установлен на оправке со стороны передней части гильзы, причем оправка с установленным на ней электродом скреплена с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде экрана из диэлектрического материала, контактирующего с задним краем электрода, а также содержит кожух из диэлектрического материала, прикрепленный к экрану из диэлектрического материала, согласно изобретению электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, выполнен из первого и второго зубчатых модулей с возможностью образования внутри первого и второго зубчатых модулей первой и, соответственно, второй камер для электролита, обращенных друг к другу, при этом первый и второй зубчатые модули установлены на оправке с возможностью плотного контакта друг с другом и образования внутри электрода единой камеры для электролита внутри каждого винтового зуба, причем поверхность электрода, образующая форму профиля кольцевой канавки при вращении электрода вокруг своей оси в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем, выполнена в форме огибающей профиля кольцевой канавки в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем, причем круглая боковая поверхность гильзы, установленной на оправке, а также круглая боковая поверхность центратора, установленного на приводной штанге, выполнены с возможностью подвижного соединения с направленными внутрь вершинами зубьев винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, а гильза из диэлектрического материала содержит уплотнители, имеющие винтовую зубчатую форму наружной поверхности, выполненные с возможностью подвижного соединения с винтовым зубчатым профилем в отверстии трубчатой заготовки, при этом винтовая задняя направляющая, выполненная в виде экрана из диэлектрического материала, содержит дроссельные отверстия, выполненные с возможностью поддержания избыточного давления электролита в полости между винтовым зубчатым профилем трубчатой заготовки, уплотнителями передней направляющей, имеющими винтовую зубчатую форму наружной поверхности, и винтовой задней направляющей, выполненной в виде экрана из диэлектрического материала.

Гильза из диэлектрического материала, установленная на оправке, выполнена съемной и центрируется относительно оправки при помощи винтов с возможностью упора головок винтов в оправку и обеспечения плотного контакта головок винтов с отверстиями для головок винтов в гильзе, а отверстия для головок винтов в гильзе герметично закрыты заглушками из диэлектрического материала.

Уплотнители, размещенные в гильзе из диэлектрического материала, а также винтовая задняя направляющая в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, выполнены с возможностью вращения вокруг оси гильзы при перемещении с электродным блоком в винтовом отверстии трубчатой заготовки.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом, что электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, выполнен из первого и второго зубчатых модулей с возможностью образования внутри первого и второго зубчатых модулей первой и, соответственно, второй камер для электролита, обращенных друг к другу, при этом первый и второй зубчатые модули установлены на оправке с возможностью плотного контакта друг с другом и образования внутри электрода единой камеры для электролита внутри каждого винтового зуба, причем поверхность электрода, образующая форму профиля кольцевой канавки при вращении электрода вокруг своей оси в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем, выполнена в форме огибающей профиля кольцевой канавки в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем, причем круглая боковая поверхность гильзы, установленной на оправке, а также круглая боковая поверхность центратора, установленного на приводной штанге, выполнены с возможностью подвижного соединения с направленными внутрь вершинами зубьев винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, а гильза из диэлектрического материала содержит уплотнители, имеющие винтовую зубчатую форму наружной поверхности, выполненные с возможностью подвижного соединения с винтовым зубчатым профилем в отверстии трубчатой заготовки, при этом винтовая задняя направляющая, выполненная в виде экрана из диэлектрического материала, содержит дроссельные отверстия, выполненные с возможностью поддержания избыточного давления электролита в полости между винтовым зубчатым профилем трубчатой заготовки, уплотнителями передней направляющей, имеющими винтовую зубчатую форму наружной поверхности, и винтовой задней направляющей, выполненной в виде экрана из диэлектрического материала, обеспечивает возможность электрохимической обработки кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем при изготовлении гибридных статоров (R-Wall) винтовых героторных двигателей, применяемых для бурения нефтяных скважин, повышает ресурс и надежность двигателей путем повышения усталостной выносливости, абразивной стойкости, упругости и герметичности уплотнения рабочей пары: ротор-обкладка из эластомера в статоре, предотвращения растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки из эластомера в корпусе статора на длине крепления обкладки из эластомера к внутренним винтовым зубьям трубчатого корпуса за счет повышения усталостной выносливости обкладки из эластомера при многократном сжатии, прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора, а также улучшенного теплоотвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера к потоку бурового раствора внутри корпуса и сквозь стенки корпуса к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве, повышает также точность проходки наклонных и горизонтальных интервалов скважин, темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны путем уменьшения жесткости корпуса при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом уменьшает потери давления потока электролита - хлорида натрия на водной основе (NaCl) под давлением в системе - 4,0 МПа и гидроабразивный "размыв" за счет выравнивания скоростей и давлений потока электролита между выходами каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, выполненных в стенке каждого винтового зуба электрода, а также в полости между уплотнителями передней направляющей, размещенными в гильзе и имеющими винтовую зубчатую форму наружной поверхности, и винтовой задней направляющей, прикрепленной к заднему краю электрода, с возможностью поддержания избыточного давления электролита в полости между винтовым зубчатым профилем трубчатой заготовки, уплотнителями передней направляющей, имеющими винтовую зубчатую форму наружной поверхности, и винтовой задней направляющей, выполненной в виде экрана из диэлектрического материала, для предотвращения коротких замыканий ("прижегов") при вращении электрода и срезания зубьев для образования кольцевой канавки в винтовом отверстии трубчатой заготовки, обеспечивает изотермические условия с минимально возможным градиентом плотности тока на его рабочей поверхности, улучшает теплоотвод за счет создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама потоком электролита для предотвращения коротких замыканий ("прижегов") из межэлектродного промежутка.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом повышает ресурс и надежность винтовых героторных двигателей для бурения нефтяных скважин, в которых корпус выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), за счет повышения усталостной выносливости эластомера при знакопеременном изгибе с вращением, а также за счет повышения прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора, что предотвращает отслоение обкладки из эластомера на рабочей длине корпуса, а также растрескивание, отслоение и вырывы кусков обкладки из эластомера по краям, со стороны входа и выхода текучей среды (бурового раствора), в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором и обкладкой трубчатого корпуса необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление может достигать 50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности может достигать 30 кН м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.

Вследствие этого повышаются свойства эластомера в конструкции, например, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ426-77), что предотвращает закупорку промывочного узла бурового долота, по существу, предотвращает основной отказ компоновки низа бурильной колонны (КНБК) при бурении скважины по причине - "резина в долоте", при этом требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ, обеспечиваются существенные экономические преимущества заявляемой конструкции.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом, что гильза из диэлектрического материала, установленная на оправке, выполнена съемной и центрируется относительно оправки при помощи винтов с возможностью упора головок винтов в оправку и обеспечения плотного контакта головок винтов с отверстиями для головок винтов в гильзе, а отверстия для головок винтов в гильзе герметично закрыты заглушками из диэлектрического материала, обеспечивает быструю замену поврежденной или изношенной гильзы, повышает точность центрирования электрода относительно обработанного винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, а также точность получаемой в результате электрохимической обработки формы и размеров электрохимической обработки кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем на установке ЭХО компании "Радиус-Сервис" (RU), (патенты RU 2578895, RU 2710092), для производства гибридных статоров винтовых героторных двигателей (патент RU 2745677), применяемых для бурения нефтяных скважин.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом, что уплотнители, размещенные в гильзе из диэлектрического материала, а также винтовая задняя направляющая в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, выполнены с возможностью вращения вокруг оси гильзы при перемещении с электродным блоком в винтовом отверстии трубчатой заготовки, обеспечивает скольжение (самовращение) уплотнителей, размещенных в гильзе из диэлектрического материала, а также винтовой задней направляющей, выполненной в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, при перемещении штанги для электрохимической обработки следующей кольцевой канавки в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем.

Ниже изображен электродный блок для электрохимической обработки кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем, предназначенной для производства гибридных статоров винтовых героторных двигателей (патент RU 2745677).

На фиг. 1 изображен электродный блок, скрепленный с краем приводной штанги, в процессе электрохимической обработки одной из кольцевых канавок (срезания зубьев) в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем.

На фиг. 2 изображен электродный блок, скрепленный с краем приводной штанги.

На фиг. 3 изображен разрез А-А на фиг. 1 поперек края приводной штанги, оправки, гильзы с уплотнителем, имеющим винтовую зубчатую форму наружной поверхности в отверстии трубчатой заготовки.

На фиг. 4 изображен разрез Б-Б на фиг. 1 оправки и гильзы с уплотнителем в отверстии трубчатой заготовки.

На фиг. 5 изображен разрез В-В на фиг. 1 зубчатого модуля электрода с камерой для электролита и рядом поперечных щелевых каналов.

На фиг. 6 изображен разрез Г-Г на фиг. 1 экрана с наружным винтовым поясом и дроссельными отверстиями, выполненного с возможностью вращения вокруг своей оси в отверстии трубчатой заготовки.

На фиг. 7 - изометрическое изображение электродного блока со стороны заднего края электрода.

На фиг. 8 - изометрическое изображение электродного блока со стороны переднего края электрода.

На фиг. 9 изображен продольный разрез трубчатой заготовки с кольцевыми канавками в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем.

На фиг. 10 изображен разрез Д-Д на фиг. 9 трубчатой заготовки поперек винтового зубчатого профиля.

На фиг. 11 изображен разрез Е-Е на фиг. 9 трубчатой заготовки поперек кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем.

На фиг. 12 изображен продольный разрез статора винтового героторного двигателя с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), после вулканизации обкладки.

На фиг. 13 изображен разрез Ж-Ж на фиг. 12 статора винтового героторного двигателя с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall).

На фиг. 14 изображен разрез И-И на фиг. 12 статора винтового героторного двигателя с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall).

На фиг. 15 изображен продольный разрез статора винтового героторного двигателя с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), после нарезки резьбы на краях статора.

Электродный блок 1 для электрохимической обработки кольцевых канавок 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5 содержит электрод 6 (из латуни Л-63 ГОСТ 15527-70), имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности 7, включающий винтовую заднюю направляющую 8, прикрепленную к заднему краю (торцу) 9 электрода 6 для перемещения за ним в винтовом отверстии 3, и переднюю направляющую 10, прикрепленную к переднему краю (торцу) 11 электрода 6, изображено на фиг. 1, 2.

Передняя направляющая 10 выполнена в виде гильзы 12 и центратора 13, все из диэлектрического материала (из капролона СТП-30 ТУ2224-003-39046337-04), установленных на оправке 14, а центратор 13 установлен со

стороны передней части (торца) 15 гильзы 12 на приводной штанге 16, причем оправка 14 с установленным на ней электродом 6 скреплена с приводной штангой 16 для продвижения электрода 6 вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода 6 вокруг своей 17 оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора 18 между зубьями 7 электрода 6 и внутренней поверхностью 5 трубчатой заготовки 4, изображено на фиг. 1, 2.

Электрод 6 образует внутри каждого винтового зуба 7 камеру 19 для электролита 20, в стенке 21 каждого винтового зуба 7 электрода 6 выполнен ряд каналов 22 для направления электролита 20 в межэлектродный промежуток 23, изображено на фиг. 1, 2, 5.

Винтовая задняя направляющая 8 выполнена в виде экрана 24 из диэлектрического материала (из капролона СТП-30 ТУ2224-003-39046337-04), контактирующего с задним краем (торцом) 9 электрода 6, а также содержит кожух 25 из диэлектрического материала (из капролона СТП-30 ТУ2224-003-39046337-04), прикрепленный к экрану 24 из диэлектрического материала посредством втулки 26 с резьбой 27, а втулка 26 закреплена гайкой 28 на оправке 14, изображено на фиг. 1, 2, 7.

Электрод 6, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности 7, выполнен из первого зубчатого модуля 29 и второго зубчатого модуля 30 с возможностью образования внутри первого и второго зубчатых модулей 29 и 30 первой камеры 31 и, соответственно, второй камеры 32 для электролита 20, обращенных друг к другу, при этом первый и второй зубчатые модули 29 и 30 установлены на оправке 14 с возможностью плотного контакта друг с другом по поверхностям (торцам) 33 и 34 и образования внутри электрода 6 единой камеры 19 для электролита 20 внутри каждого винтового зуба 7, при этом первый и второй зубчатые модули 29 и 30 установлены на оправке 14 с использованием шпоночного соединения 35, обеспечивающего заданное окружное расположение на оправке 14, а также возможность передачи вращающего момента от приводной штанги 16 и образования формы профиля кольцевой канавки 2 (срезания зубьев) при вращении электрода 6, закрепленного на приводной штанге 16, вокруг своей оси 17 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, изображено на фиг. 1, 2, 5, 7.

Поверхность 7 электрода 6 (имеющая винтовую зубчатую форму), образующая форму профиля кольцевой канавки 2 при вращении электрода 6 вокруг своей оси 17 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, выполнена в форме огибающей 36 профиля кольцевой канавки 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, изображено на фиг. 1, 2, 7.

Круглая боковая поверхность 37 гильзы 12, установленной на оправке 14, а также круглая боковая 38 поверхность центратора 13, установленного на приводной штанге 16, выполнены (каждая) с возможностью подвижного соединения с направленными внутрь вершинами зубьев 39 винтового зубчатого профиля 5 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4, изображено на фиг. 1, 2, 7, 8.

Гильза 12 из диэлектрического материала содержит уплотнители 40 (из резины марки R1, DE, твердость составляет 75±3 ед. Шор А), имеющие винтовую зубчатую форму наружной поверхности 41, закрепленные винтами 42 в обойме 43, 44, выполненные с возможностью подвижного соединения уплотнителей 40, закрепленных винтами 42 в обойму 43, 44, с винтовым зубчатым профилем 5 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4, относительно центрирующих поверхностей (диаметров) 45 и 46 гильзы 12, изображено на фиг. 1, 2, 3,4, 7, 8.

Винтовая задняя направляющая 8, выполненная в виде экрана 24 из диэлектрического материала, содержит дроссельные отверстия 47, выполненные с возможностью поддержания избыточного давления электролита 20 в полости 48 между винтовым зубчатым профилем 5 заготовки 4, уплотнителями 40 передней направляющей 10, имеющими винтовую зубчатую форму наружной поверхности 41, и винтовой задней направляющей 8, выполненной в виде экрана 24 из диэлектрического материала, изображено на фиг. 1, 2, 7.

Гильза 12 из диэлектрического материала, установленная на оправке 14, выполнена съемной и центрируется относительно оправки 14 при помощи винтов 49 с возможностью упора головок 50 винтов 49 в оправку 14 по поверхности 51 и обеспечения плотного контакта головок 50 винтов 49 с отверстиями 52 для головок 50 винтов 49 в гильзе 12, а отверстия 52 для головок 50 винтов 49 в гильзе 12 герметично закрыты заглушками 53 из диэлектрического материала, изображено на фиг. 1, 2, 7.

Уплотнители 40, имеющие винтовую зубчатую форму наружной поверхности 41, закреплены винтами 42 в обойме 43, 44, выполнены с возможностью подвижного соединения уплотнителей 40, закрепленных винтами 42 в обойме 43, 44, с винтовым зубчатым профилем 5 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 относительно центрирующих поверхностей 45 и 46 гильзы 12, а винтовая задняя направляющая 8 выполнена в виде экрана 24 из диэлектрического материала, содержит дроссельные отверстия 47, выполненные с возможностью поддержания избыточного давления электролита 20 в полости 48 между уплотнителями 40 передней направляющей 10, имеющими винтовую зубчатую форму наружной поверхности 41, и винтовой задней направляющей 8, выполненной в виде экрана 24 из диэлектрического, выполнены с возможностью вращения вокруг оси 17 оправки 14 при перемещении с электродным блоком 1 и приводной штангой 16 в винтовом отверстии 5 трубчатой заготовки 4 (для электрохимической обработки следующей кольцевой канавки), изображено на фиг. 1, 2.

Вход 54 каждой камеры 19 для электролита 20 в электроде 6 расположен со стороны переднего края (торца) 11 электрода 6, а выход 55 каждой камеры 19 для электролита 20 в электроде 6 герметично перекрыт торцом 56 экрана 24 и торцом 57 втулки 26 с резьбой 27, контактирующими с торцом 9 электрода 6, а электрод 6 и втулка 26 закреплена гайкой 28 на оправке 14, изображено на фиг. 1, 2.

Электродный блок 1 снабжен резьбовым модулем 58, выполненным в виде резьбовой шпильки 59 и гайки 60, скрепленных с приводной штангой 16 при помощи резьбы в приваренном к приводной штанге 16 вкладыше 61 с ребрами 62, а шпилька 59 расположена внутри оправки 14, при этом поз.63 - обтекатель, размещенный внутри оправки 14 для уменьшения потерь давления насосной подачи электролита 20 в полость 48 между винтовым зубчатым профилем 5 заготовки 4, уплотнителями 40 передней направляющей 10, имеющими винтовую зубчатую форму наружной поверхности 41, и винтовой задней направляющей 8, выполненной в виде экрана 24 из диэлектрического материала, изображено на фиг. 1, 2, 3.

Электродный блок 1 для электрохимической обработки снабжен устройством 64 фиксации (шпоночным соединением) окружного положения оправки 14 с закрепленным на оправке 14 электродным блоком 1 относительно приводной штанги 16, изображено на фиг. 1, 2, 3.

Кроме того, на фиг. 9 изображен продольный разрез трубчатой заготовки 4 (остова статора), получаемой после электрохимической обработки - срезания зубьев и образования кольцевых канавок 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5; на фиг. 13 изображено поперечное сечение статора винтового героторного двигателя, в котором статор (корпус трубчатой заготовки 4) выполнен с винтовым зубчатым профилем 5 и равномерной толщиной 65 обкладки 66 из эластомера (R-Wall); на фиг. 15 - изображен продольный разрез статора винтового героторного двигателя с равномерной толщиной 65 обкладки 66 из эластомера (R-Wall) после нарезки резьбы 67 на краях 68 и 69 статора.

Ниже представлен лучший вариант использования заявляемого электродного блока для электрохимической обработки кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем.

Электродный блок используют на установке ЭХО компании "Радиус-Сервис" (RU), (патенты RU 2578895, RU 2710092), для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в необработанной поверхности отверстия трубчатой заготовки (патент RU 2774193), имеющий идентичные базовые поверхности приводной штанги и оправки для производства гибридных статоров винтовых героторных двигателей (патент RU 2745677). Предварительно собирают электродный блок 1.

На оправку 14 устанавливают гильзу 12 из диэлектрического материала, используемую в качестве передней направляющей 10 электрода 6, совмещают каналы в гильзе 12 и оправке 14 (при помощи фиксатора), центрируют гильзу 12 на оправке 14 при помощи винтов 49 с возможностью упора головок 50 винтов 49 в оправку 14 и обеспечения плотного контакта головок 50 винтов 49 с отверстиями 52 для головок 50 винтов 49 в гильзе 12, отверстия 52 для головок 50 винтов 49 закрывают с наружной поверхности гильзы 12 заглушками 53 из диэлектрического материала, устанавливают уплотнители 40 из эластомера, имеющие винтовую зубчатую форму наружной поверхности 41, закрепляют винтами 42 в обойме 43, 44, проверяют возможность вращения уплотнителей 40, закрепленных винтами 42 в обойме 43, 44, относительно центрирующих поверхностей 45 и 46 гильзы 12, изображено на фиг. 1, 2.

На оправку 11 устанавливают шпонку для обеспечения шпоночного соединения 35, устанавливают электрод 6, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности 7, выполненный из первого зубчатого модуля 29 и второго зубчатого модуля 30 с возможностью образования внутри первого и второго зубчатых модулей 29 и 30 первой камеры 31 и второй камеры 32 для электролита 20, обращенных друг к другу, при этом первый и второй зубчатые модули 29 и 30 устанавливают на оправке 14 с возможностью плотного контакта друг с другом по поверхностям (торцам) 33 и 34 и образования внутри электрода 6 единой камеры 19 для электролита 20 внутри каждого винтового зуба 7, при этом первый и второй зубчатые модули 29 и 30 устанавливают на оправке 14 с использованием шпоночного соединения 35, обеспечивающего возможность передачи вращающего момента от приводной штанги 16 и образования формы профиля кольцевой канавки 2 (срезания зубьев) при вращении электрода 6, закрепленного на приводной штанге 16, вокруг оси 17 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, изображено на фиг. 1, 2, 5, 7.

Устанавливают экран 24 на втулку 26 с резьбой 27, далее экран 24 и втулку 26 устанавливают на оправку 14 в шпоночном соединении 35 и закрепляют гайкой 28 на краю оправки 14 для контакта втулки 26 с задним краем 9 электрода 6, при этом проверяют возможность вращения экрана 24 на втулке 26, изображено на фиг. 1, 2, 7.

Устанавливают кран-балкой трубчатую заготовку 4 в люнеты: ближний край трубчатой заготовки 4 устанавливают на ролики неподвижно скрепленного с рамой установки регулируемого люнета, а дальний край трубчатой заготовки 4 устанавливают на ролики скрепленного с рамой установки, перемещаемого на раме установки в продольном направлении, вдоль отверстия 3 трубчатой заготовки 4 второго люнета (не показано).

На приводной штанге 16 в резьбу внутри резьбового отверстия в цапфе 61 с ребрами 62, которая скреплена с краем приводной штанги 16 при помощи сварки, заворачивают резьбовую шпильку 58 и затягивают резьбовую шпильку 58 (с шестигранником у основания резьбы) с цапфой 61 приводной штанги 16, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.

На приводную штангу 16 устанавливают центратор 13, круглая боковая 38 поверхность центратора 13, установленного на приводной штанге 16, выполнена с возможностью подвижного соединения с направленными внутрь вершинами зубьев 39 винтового зубчатого профиля 5 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4, устанавливают приводную штангу 16 на собственные люнеты, скрепляют болтами фланец приводной штанги 16 с приводом вращения приводной штанги 16, установленном на суппорте, соединенном с приводом продольного перемещения суппорта (не показано), изображено на фиг. 1, 2, 7, 8.

Включают привод продольного перемещения суппорта и вдвигают приводную штангу 16 с установленным на ней центратором 13 и закрепленной резьбовой шпилькой 58 в отверстие 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, установленной в собственных люнетах, при этом край приводной штанги 16 располагают с "вылетом" из отверстия 3 трубчатой заготовки 4 таким образом, чтобы было удобно монтировать электродный блок 1 с оправкой 14 на краю приводной штанги 16, изображено на фиг. 1, 2.

На резьбовую шпильку 62 устанавливают втулку 63 из диэлектрического материала, изображено на фиг. 2.

На приводную штангу 16 с установленным на ней центратором 13 и закрепленной резьбовой шпилькой 58, устанавливают шпонку 64, на наружный центрирующий пояс края приводной штанги 16 устанавливают электродный блок 1, выполненный в виде оправки 14 с собранной на ней гильзой 12, уплотнителями 40 из эластомера в обойме 43, 44, а также с электродом 6, имеющим винтовую зубчатую форму наружной поверхности 7, выполненным из первого зубчатого модуля 29 и второго зубчатого модуля 30 с возможностью образования внутри первого и второго зубчатых модулей 29 и 30 первой камеры 31 и второй камеры 32 для электролита 20, обращенных друг к другу, обеспечивающую возможность передачи вращающего момента от приводной штанги 16 и образования формы профиля кольцевой канавки 2 (срезания зубьев) при вращении электрода 6, закрепленного на приводной штанге 16, вокруг оси 17 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, изображено на фиг. 1, 2, 5, 7.

Электродный блок 1, установленный на оправке 14, закрепляют резьбовым модулем 58, выполненным в виде резьбовой шпильки 59 и гайки 60, затем скрепляют кожух 25 с втулкой 26 при помощи резьбы 27, изображено на фиг. 1, 2, 5, 7.

Установка для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля внутренней поверхности в отверстии трубчатой заготовки содержит первую камеру для электролита 20, присоединенную к ближнему от привода вращения приводной штанги 16 краю трубчатой заготовки 4, и вторую камеру для электролита 20, присоединенную к дальнему от привода вращения приводной штанги 16 краю трубчатой заготовки 4, (не показано).

Перемещают вдоль направляющей рамы на второй край трубчатой заготовки 4 камеру для электролита 20, снабженную устройством для поддержания избыточного давления электролита 20 в межэлектродном промежутке 23, (не показано).

Электродный блок 1, скрепленный с приводной штангой 16, располагают в камере для электролита 20 (не показанной), переднюю направляющую 10, выполненную в виде гильзы 12 и центратора 13, установленных на оправке 14, причем оправка 14 с установленным на ней электродом 6 скреплена с приводной штангой 16 для продвижения электрода 6 вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода 6 вокруг оси 17 параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора 18 между зубьями 7 электрода 6 и внутренней поверхностью трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, а электрод 6 образует внутри каждого винтового зуба 7 камеру 19 для электролита 20, в стенке 21 каждого винтового зуба 7 электрода 6 выполнен ряд каналов 22 для направления электролита 20 в межэлектродный промежуток 23, устанавливают по программе установки ЭХО в обработанном отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5 на заданном осевом расстоянии, изображено на фиг. 1, 2.

Присоединяют источник электрического тока, например, выпрямитель KRAFT 12000/24 (DE), для подключения неподвижной трубчатой заготовки 4 в виде анода, и с токосъемником для подключения вращающейся приводной штанги 16 и электрода 6 в виде катода, через поток электролита 20 в межэлектродном промежутке 23, а также соединяют блок управления с электрическими выходными сигналами параметров установки с компьютером.

Включают блок управления, соединенный с компьютером, при этом включаются насосы, электрооборудование, источник электрического тока -выпрямитель, привод продольного перемещения суппорта, приводной штанги 16 и скрепленного с ней электродного блока 1 вдоль прямолинейной траектории внутри отверстия 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, привод вращения приводной штанги 16 и скрепленного с ней электродного блока 1 вокруг оси 17 приводной штанги 16, сила технологического тока составляет 12000 А, напряжение составляет 25 В, при этом происходит передача вращающего момента от приводной штанги 16 и образование формы профиля кольцевой канавки 2 (срезания зубьев) при вращении электрода 6, закрепленного на приводной штанге 16, вокруг оси 17 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, изображено на фиг. 1, 2, 5, 7.

Электролит 20 в процессе электрохимической обработки циркулирует по гидравлической схеме: бак рабочий с электролитом 20, бак промежуточный с электролитом 20, бак промывки с электролитом 20, насосы, модули фильтров, а также арматура (теплообменники, фильтры, вентили, затворы дисковые, датчики давления, температуры, расхода, рукав высокого давления и гибкий рукав сливной) и устройства для регулирования параметров электролита, управляемых выходными сигналами блока управления, при этом давление электролита в системе -4,0 МПа.

В электрохимическом процессе используют электролит 20 на основе хлорида натрия на водной основе (Na О), при осуществлении указанного процесса вода разлагается, а ионы ОН соединяются с ионами железа, образуя FOH, который выпадает в осадок и подвергается фильтрованию в модуле фильтров, концентрация электролита 18÷20%, температура электролита 40С°, водородный показатель электролита 7÷9 рН, допустимое количество продуктов анодного растворения в электролите 50 г/л.

Частота вращения приводной штанги 16 составляет 0,75÷2,25 об/мин, скорость резания составляет 3,5 мм/мин, время срезания винтовых зубьев и образование одной кольцевой канавки 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5 длиной 7500 мм максимального габарита 260 мм. составляет 25÷30 мин.

Отключают по программе при помощи компьютера источник электрического тока, а именно выпрямитель KRAFT 12000/24 (DE), для отключения неподвижной трубчатой заготовки 4 в виде анода, и с токосъемником для отключения вращающейся приводной штанги 16 и электрода 6 в виде катода.

Электродный блок 1, скрепленный с приводной штангой 16, устанавливают по программе установки ЭХО в обработанном отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5 на заданном осевом расстоянии месторасположения для обработки следующей кольцевой канавки 2, изображено на фиг. 1, 2.

Подключают источник электрического тока, а именно выпрямитель KRAFT 12000/24 (DE), для подключения неподвижной трубчатой заготовки 4 в виде анода, и с токосъемником для подключения вращающейся приводной штанги 16 и электрода 6 в виде катода, через поток электролита 20 в межэлектродном промежутке 23, при этом происходит передача вращающего момента от приводной штанги 16 и образование формы профиля кольцевой канавки 2 (срезания зубьев) при вращении электрода 6, закрепленного на приводной штанге 16, вокруг своей оси 17 в следующем отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, изображено на фиг. 1, 2, 5, 7.

По истечении времени технологического процесса отключают блок управления, соединенный с компьютером, насосы, электрооборудование, источник электрического тока - выпрямитель, привод продольного перемещения суппорта, приводной штанги 16 и скрепленного с ней электродного блока 1 вдоль прямолинейной траектории внутри отверстия 3 трубчатой заготовки 4, привод вращения приводной штанги 16 и скрепленного с ней электродного блока 1 вокруг оси 17 приводной штанги 16.

Отключают токосъемник для подключения неподвижной трубчатой заготовки 4 в виде анода, и токосъемник для подключения вращающейся приводной штанги 16 и электрода 6 в виде катода.

Для этого отводят две полумуфты токосъемника с колодками от неподвижной трубчатой заготовки 4, отсоединяют устройство для удерживания заготовки 4 в местах крепления его крепление с рамой, перемещают вдоль направляющей рамы камеру для электролита 20 вместе с устройством для удерживания заготовки 4.

Отворачивают задний кожух 25, отворачивают гайку 28 и снимают электродный блок 1, включающий оправку 14 с размещенными на ней гильзой 12, центратором 13, электродом 6 с задней направляющей 8, выполненной в виде экрана 24, установленного на втулку 26 с резьбой 27, и размещают их в технологическом месте хранения.

Устанавливают технологические заглушки, производят промывку винтового зубчатого профиля внутренней поверхности 3 трубчатой заготовки 4 специальным раствором.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом, что электрод 6, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности 7, выполнен из первого зубчатого модуля 29 и второго зубчатого модуля 30 с возможностью образования внутри первого и второго зубчатых модулей 29 и 30 первой камеры 31 и, соответственно, второй камеры 32 для электролита 20, обращенных друг к другу, при этом первый и второй зубчатые модули 29 и 30 установлены на оправке 14 с возможностью плотного контакта друг с другом по поверхностям 33 и 34 и образования внутри электрода 6 единой камеры 19 для электролита 20 внутри каждого винтового зуба 7, при этом первый и второй зубчатые модули 29 и 30 установлены на оправке 14 с использованием шпоночного соединения 35, обеспечивающего заданное окружное расположение на оправке 14, а также возможность передачи вращающего момента от приводной штанги 16 и образования формы профиля кольцевой канавки 2 (срезания зубьев) при вращении электрода 6, закрепленного на приводной штанге 16, вокруг оси 17 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, при этом поверхность 7 электрода 6 (имеющая винтовую зубчатую форму), образующая форму профиля кольцевой канавки 2 при вращении электрода 6 вокруг своей оси 17 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, выполнена в форме огибающей 36 профиля кольцевой канавки 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 с винтовым зубчатым профилем 5, обеспечивает надежный контроль межэлектродного зазора 18 в межэлектродном промежутке 23 за счет использования электронных датчиков давления, температуры и расхода электролита, а также блока управления с электрическими выходными сигналами параметров установки, соединенного с компьютером.

В настоящее время по технологии R-Wall изготавливаются статоры с длиной до 7500 мм в габаритах 172÷260 мм. Ведутся постоянные работы по внедрению новой номенклатуры статоров.

Максимальная наработка статора R-Wall без "перезаливки" эластомера составляет: для габарита 172 мм - 902 часа, для габарита 106 мм - 609 часов, для габарита 95 мм - 672 часа. (Журнал "Бурение и нефть", 06/2017, https://burneft.ru/archive/issues/2017-06/56).

Изобретение обеспечивает возможность электрохимической обработки кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем при изготовлении гибридных статоров (R-Wall) винтовых героторных двигателей, применяемых для бурения нефтяных скважин, повышает ресурс и надежность двигателей путем повышения усталостной выносливости, абразивной стойкости, упругости и герметичности уплотнения рабочей пары: ротор-обкладка из эластомера в статоре, предотвращения растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки из эластомера в корпусе статора на длине крепления обкладки из эластомера к внутренним винтовым зубьям трубчатого корпуса за счет повышения усталостной выносливости обкладки из эластомера при многократном сжатии, прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора, а также улучшенного теплоотвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера к потоку бурового раствора внутри корпуса и сквозь стенки корпуса к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве, повышает также точность проходки наклонных и горизонтальных интервалов скважин, темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны путем уменьшения жесткости корпуса при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

Изобретение относится к электродному блоку для электрохимической обработки кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем, используемому при изготовлении гибридных статоров винтовых героторных двигателей, применяемых для бурения нефтяных скважин. Изобретение обеспечивает уменьшение потери давления потока электролита за счет выравнивания скоростей и давлений потока электролита, предотвращение коротких замыканий при вращении электрода и образовании кольцевой канавки в винтовом отверстии трубчатой заготовки, при улучшении теплоотвода за счет создания дополнительной турбулентности и повышения уноса и очистки металлического шлама потоком электролита для предотвращения коротких замыканий из межэлектродного промежутка. Изобретение также обеспечивает повышение точности центрирования электрода относительно обработанного винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, что позволяет повысить точность получаемых кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем. 2 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Электродный блок для электрохимической обработки кольцевых канавок в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем, содержащий электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода для перемещения за ним в винтовом отверстии, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода, передняя направляющая выполнена в виде гильзы и центратора из диэлектрического материала, установленных на оправке, а центратор установлен на оправке со стороны передней части гильзы, причем оправка с установленным на ней электродом скреплена с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде экрана из диэлектрического материала, контактирующего с задним краем электрода, а также содержит кожух из диэлектрического материала, прикрепленный к экрану из диэлектрического материала, отличающийся тем, что электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, выполнен из первого и второго зубчатых модулей с возможностью образования внутри первого и второго зубчатых модулей первой и, соответственно, второй камер для электролита, обращенных друг к другу, при этом первый и второй зубчатые модули установлены на оправке с возможностью плотного контакта друг с другом и образования внутри электрода единой камеры для электролита внутри каждого винтового зуба, причем поверхность электрода образует форму профиля кольцевой канавки при вращении электрода вокруг своей оси в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем и выполнена в форме огибающей профиля кольцевой канавки в отверстии трубчатой заготовки с винтовым зубчатым профилем, причем круглая боковая поверхность гильзы, установленной на оправке, а также круглая боковая поверхность центратора, установленного на приводной штанге, выполнены с возможностью подвижного соединения с направленными внутрь вершинами зубьев винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, а гильза из диэлектрического материала содержит уплотнители, имеющие винтовую зубчатую форму наружной поверхности, выполненные с возможностью подвижного соединения с винтовым зубчатым профилем в отверстии трубчатой заготовки, при этом винтовая задняя направляющая, выполненная в виде экрана из диэлектрического материала, содержит дроссельные отверстия, выполненные с возможностью поддержания избыточного давления электролита в полости между винтовым зубчатым профилем трубчатой заготовки, уплотнителями передней направляющей, имеющими винтовую зубчатую форму наружной поверхности, и винтовой задней направляющей, выполненной в виде экрана из диэлектрического материала.

2. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что гильза из диэлектрического материала, установленная на оправке, выполнена съемной и центрируется относительно оправки при помощи винтов с возможностью упора головок винтов в оправку и обеспечения плотного контакта головок винтов с отверстиями для головок винтов в гильзе, а отверстия для головок винтов в гильзе герметично закрыты заглушками из диэлектрического материала.

3. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что уплотнители, размещенные в гильзе из диэлектрического материала, а также винтовая задняя направляющая в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, выполнены с возможностью вращения вокруг оси гильзы при перемещении с электродным блоком в винтовом отверстии трубчатой заготовки.