Технология изготовления изделий нефтегазового машиностроения

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

«СТАНКИН»

В. А. ТИМИРЯЗЕВ
А. Г. СХИРТЛАДЗЕ
Г. А. МЕЛЕТЬЕВ

Технология изготовления изделий 

нефтегазового машиностроения

Учебное пособие

Под общей редакцией 

д-ра техн. наук, профессора В. А. Тимирязева

Йошкар-Ола

ПГТУ
2022

УДК 621.121.002(075.8)
ББК 30.8

Т 38

Р е ц е н з е н т ы:

зав. кафедрой машиностроения и материаловедения ПГТУ, 

доктор технических наук, профессор С. Я. Алибеков;

и. о. зав. кафедрой физики и материаловедения, 

доктор технических наук, профессор МарГУ А. И. Мурзашев

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ

Тимирязев, В. А. 

Т 38    Технология изготовления изделий нефтегазового машиностро-

ения: учебное пособие / В. А. Тимирязев, А. Г. Схиртладзе,
Г. А. Мелетьев. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный тех-
нологический университет, 2022. – 386 с.
ISBN 978-5-8158-2278-8

Изложены научные основы разработки технологических процессов из-

готовления деталей и сборки изделий нефтегазового машиностроения. 
Приведены примеры расчета и методы достижения параметров точности 
изделий при их изготовлении. Рассмотрены технологические процессы из-
готовления типовых деталей на высокопроизводительных многоцелевых 
станках и на станках с ЧПУ. 

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направле-

ниям подготовки «Конструкторско-технологическое обеспечение машино-
строительных производств», «Автоматизация технологических процессов 
и производств (нефтегазовая отрасль)».

УДК. 621.121.002(075.8)

ББК 30.8

ISBN 978-5-8158-2278-8
© Тимирязев В. А., Схиртладзе А. Г.,
Мелетьев Г. А., 2022
© Поволжский государственный
технологический университет, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................7

РАЗДЕЛ 1. ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 
БУРОВЫХ ДОЛОТ............................................................................11

Глава 1. Служебное назначение, конструкция
и параметры точности буровых долот............................................11

1.1. Служебное назначение и особенности конструкции 

трехшарошечных буровых долот .............................................11

1.2. Технические требования на изготовление

трехшарошечных буровых долот .............................................18

1.3. Размерные связи, определяющие разновысотность зубьев 

буровых долот............................................................................25

1.4. Влияние погрешности базирования соединяемых лап 

на параметры точности трехшарошечных долот....................32

1.5. Размерные связи, определяющие радиальное 

положение зубьев и смещение осей шарошек 
относительно оси долота...........................................................44

1.6. Влияние качества изготовления трехшарошечных долот 

на их работоспособность...........................................................52

Глава 2. Технологии изготовления базовых деталей 
буровых долот......................................................................................57

2.1. Достижение требуемой точности изготовления лап 

на операциях технологического процесса ...............................57

2.2. Достижение требуемой точности изготовления

корпуса шарошки.......................................................................72

Глава 3. Технология сборки шарошек............................................88

3.1. Обеспечение требуемого натяга в соединении 

твердосплавных режущих зубков с корпусом шарошки........88

3.2. Определение нагрузочной способности соединения зубков 

с корпусом шарошки .................................................................96

3.3. Достижение требуемой равновысотности зубков 

в корпусе шарошки..................................................................104

Глава 4. Технологии общей сборки трехшарошечных 
буровых долот....................................................................................112

4.1. Технологические методы достижения требуемой точности

на операциях общей сборки буровых долот..........................112

4.2. Достижение требований точности долота 

на операции создания его базовых поверхностей.................120

4.3. Достижение точности сборки буровых алмазных долот ......133

РАЗДЕЛ 2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ
НЕФТЕГАЗОВОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ..............................139

Глава 5. Технологии изготовления типовых деталей машин..139

5.1. Основы разработки технологических процессов

изготовления деталей машин ..................................................139

5.2. Заготовки для изготовления деталей машин..........................151

5.2.1. Заготовки отливки..........................................................151
5.2.2. Заготовки, получаемые обработкой давлением ..........157
5.2.3. Заготовки, получаемые сваркой 

и комбинированными методами....................................165

5.2.4. Получение заготовок и изделий 

методом порошковой металлургии ..............................172

5.3. Методы обработки наружных и внутренних 

цилиндрических поверхностей................................................179
5.3.1. Обработка цилиндрических поверхностей точением.179
5.3.2. Сверление отверстий.....................................................183
5.3.3. Зенкерование отверстий................................................186
5.3.4. Развертывание отверстий............................................188
5.3.5. Протягивание отверстий..............................................189
5.3.6. Шлифование наружных и внутренних цилиндрических

поверхностей...................................................................192

5.4. Методы обработки плоских и профильных поверхностей ...196

5.4.1. Обработка поверхностей деталей фрезерованием ....196
5.4.2. Обработка поверхностей деталей строганием 

и долблением....................................................................200

5.4.3. Обработка плоских поверхностей деталей 

точением .........................................................................203

5.4.4. Обработка наружных поверхностей деталей 

протягиванием................................................................205

5.4.5. Обработка плоских поверхностей деталей 

шлифованием...................................................................206

5.5. Методы нарезания винтовых поверхностей...........................210
5.6. Методы нарезания зубчатых колес и червячных пар ...........223

5.6.1. Нарезание цилиндрических зубчатых колес.................223
5.6.2. Нарезание конических зубчатых колес.........................230
5.6.3. Методы отделки зубчатых колес ................................237
5.6.4. Методы нарезания червячных пар ...............................244

5.7. Типовые технологические маршруты изготовления

деталей машин..........................................................................249
5.7.1. Технологические маршруты изготовления валов ........249
5.7.2. Технологические маршруты изготовления

зубчатых колес................................................................255

5.7.3. Технологический маршрут изготовления корпуса.......263

Глава 6. Технологии изготовления деталей нефтегазового 
машиностроения на многоцелевых станках 
и на станках с ЧПУ ..........................................................................267

6.1. Проектирование технологических операций изготовления 

деталей на многоцелевых станках и на станках с ЧПУ.........267

6.2. Изготовление деталей нефтегазового машиностроения

на многоцелевых станках и на станках с ЧПУ.......................284
6.2.1.Изготовление замков бурильных труб. Изготовление 

ниппеля.............................................................................284

6.2.2.Изготовление детали ниппель 2....................................289
6.2.3.Изготовление муфты.....................................................291
6.2.4.Изготовление переводников...........................................295
6.2.5.Изготовление детали ось...............................................298
6.2.6.Изготовление корпуса клапана 4001.............................300
6.2.7.Изготовление корпуса клапана 5410.............................303

6.3. Изготовление деталей погружного насоса.............................307

6.3.1.Изготовление детали аппарат направляющий...........308
6.3.2.Изготовление рабочего колеса......................................325

РАЗДЕЛ 3. CБОРКА ИЗДЕЛИЙ 
НЕФТЕГАЗОВОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ..............................331

Глава 7. Деление машин на сборочные единицы .......................331

Глава 8. Разработка техпроцесса сборки 
шестеренного насоса ........................................................................335

Глава 9. Технологии сборки зубчатых и червячных передач..350

9.1. Сборка цилиндрических зубчатых передач ...........................350
9.2. Сборка конических зубчатых передач....................................356
9.3. Сборка червячных передач......................................................361

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................367

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ЗНАНИЙ .369

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................371

Приложение 1. Математическое описание и моделирование баз..373

Приложение 2. Расчет предельных значений натяга 
в соединениях зубков, устанавливаемых 
на всех полосках корпуса шарошки..................................................381

Введение

Добыча нефти и газа в настоящее время является одним из основных 
сырьевых потенциалов, обеспечивающих повышение благосостояния 
и стабильность дальнейшего развития экономики страны. 
Растущий спрос на углеводородное сырье требует поиска и освоения
новых нефтяных и газовых месторождений, что обуславливает необходимость 
бурения в разнообразных по сложности геологических породах. 


Технологические системы нефтегазового комплекса включают 

различное сложное взаимосвязанное оборудование, эффективная работа 
которого определяет необходимость его качественного изготовления, 
повышения надежности и долговечности.

Это обусловливает необходимость по-новому ставить задачи совершенствования 
и дальнейшего развития производства изделий 
нефтегазового оборудования с применением цифровых производственных 
технологий и современного станочного оборудования,
включая роботизированные технологические комплексы, станки с 
ЧПУ и обрабатывающие центры.

В настоящем издании подробно описываются технологические 

процессы сборки и изготовления основных деталей бурового оборудования, 
для которого ключевым является шарошечный буровой инструмент – 
буровые долота и их элементы, изготавливаемые в условиях 
крупносерийного и массового производства. 

Эти изделия изготавливают на специализированных заводах 

нефтегазового машиностроения с использованием высокопроизводительного 
отечественного и импортного технологического оборудования.


Сложность изготавливаемых изделий бурового оборудования 

определяет необходимость применения различных методов механической 
обработки с использованием широкой номенклатуры
применяемого режущего инструмента. В книге дано подробное 
описание применяемых методов обработки и режимов резания,

обеспечивающих достижение требуемого качества изделий с наиболее 
высокой производительностью.

Для анализа рассматриваемых технологических процессов и 

расчета точности, достигаемой на различных этапах изготовления 
изделий, авторами использованы аналитические методы теории баз 
и методы расчета точности конструкторских и технологических раз-
мерных цепей.

Представленные в учебном пособии методы расчета параметров 

точности зубков и базовых отверстий в корпусе шарошки позволяют 
путем выполнения селективной сборки обеспечить одинаковый тре-
буемый гарантированный натяг, что повышает надежность и проч-
ность прессового соединения зубков с корпусом.

Эксплуатация бурового инструмента и оборудования осуществ-

ляется в агрессивной абразивной среде при воздействии сложных зна-
копеременных нагрузок, вызывающих коррозию, интенсивный износ
и поломку деталей бурового инструмента. Рассматриваемые в насто-
ящем издании методы газотермического напыления покрытий позво-
ляют восстановить работоспособность бурового инструмента и повы-
сить его долговечность.

При изложении и анализе технологических процессов изготовле-

ния и применения бурового оборудования и инструмента авторы опи-
рались на труды авторитетных ученых, исследователей, специали-
стов-практиков, а также использовали работы ведущих научно-иссле-
довательских институтов и заводов-изготовителей буровой техники.

Существенную роль в современном производстве машин для до-

бычи нефти и газа и нефтегазового оборудования, во многом опреде-
ляя уровень развития производства, имеют измерения геометриче-
ских параметров оборудования и их деталей: измерения точности раз-
меров, расположения, формы и шероховатости поверхности.

Условия эксплуатации и конструкции машин для добычи нефти и 

газа и нефтегазового оборудования определяют характерные требова-
ния, предъявляемые к их производству и его метрологическому обес-
печению. При изготовлении нефтегазового оборудования и машин 
необходимо обеспечивать высокую эксплуатационную надежность 
изделий, работоспособность в течение всего цикла эксплуатации, 

высокую ремонтопригодность, эффективность монтажа, унификацию 
нормализованных рядов узлов и изделий одного назначения, унифи-
кацию и взаимозаменяемость быстроизнашиваемых узлов и деталей, 
а также высокую прочность деталей.

От технологических методов производства и его метрологиче-

ского обеспечения, в конечном счете, зависят работоспособность и 
эксплуатационная надежность машин и оборудования нефтегазодо-
бычи. В связи с многообразием видов и типоразмеров таких машин и 
оборудования унификация и стандартизация являются эффективным 
средством уменьшения трудоемкости изготовления оборудования и 
технологии его ремонта. Это способствует повышению качества обо-
рудования и снижению трудоемкости самого метрологического обес-
печения производства.

Существует две особенности производства машин и оборудова-

ния нефтегазадобычи и его метрологического обеспечения.

Первая особенность состоит в том, что круг задач, решаемых ма-

шиностроительными предприятиями отрасли и ее метрологическим 
обеспечением, очень широк. Это обусловлено производством обору-
дования, машин, технологического оснащения и различного инстру-
мента для обеспечения геологоразведочных работ, бурения и эксплу-
атации нефтяных и газовых скважин, транспортировки газа, нефти и 
нефтепродуктов, переработки нефти и газа, а также широкой номен-
клатуры продуктов и изделий на их основе (полимеров, резины и т.п.).

Вторая особенность заключается в специфических условиях экс-

плуатации машин и оборудования нефтегазодобычи, в частности, на 
открытом воздухе, в различных климатических условиях, под водой, 
под землей, в условиях интенсивного абразивного изнашивания, в 
агрессивных средах, при резких перепадах температуры и давления.

Это обуславливает высокие требования к производству, его мет-

рологическому обеспечению, качеству выпускаемых изделий, к 
надежности, безотказности и ремонтопригодности.

Обеспечение и поддержание необходимого уровня качества изде-

лий нефтегазового машиностроения и, следовательно, их конкуренто-
способности на мировом рынке невозможно без систематического
мониторинга
и
контроля входных и
выходных параметров

технологических процессов, что неизбежно связано с выполнением
большого количества измерений. Поэтому перед специалистом в об-
ласти нефтегазового машиностроения встают задачи должной орга-
низации измерительного процесса, обработки и представления ре-
зультатов измерений в соответствии с принципами метрологии и дей-
ствующими нормативными документами. Метрологическое обеспе-
чение нефтегазового производства, основанное на практическом ис-
пользовании положений метрологии, является составной частью си-
стемы управления качеством и одной из основных предпосылок до-
стижения требуемого качества выпускаемых машин и оборудования 
нефтегазодобычи [20].

Деятельность инженера-исследователя, инженера-технолога, ин-

женера-конструктора постоянно связана с измерениями. Например, 
инженер-конструктор обязан иметь четкое представление о возмож-
ностях измерительной техники, обеспечивать взаимозаменяемость 
деталей и сборочных единиц, контролепригодность разрабатывае-
мого изделия на всех стадиях его жизненного цикла. Измерительная 
информация является основой для принятия технических и управлен-
ческих решений при испытании продукции нефтегазового машино-
строения, при оценке ее технического уровня, при аттестации и сер-
тификации качества. Знание современных правил, норм и требований 
в области измерений также необходимо для специалистов, осуществ-
ляющих функции организации и управления производством машин 
для добычи нефти и газа.

РАЗДЕЛ 1

ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 

БУРОВЫХ ДОЛОТ

Глава 1

СЛУЖЕБНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ, КОНСТРУКЦИЯ 

И ПАРАМЕТРЫ ТОЧНОСТИ БУРОВЫХ ДОЛОТ

1.1. Служебное назначение и особенности 

конструкции трехшарошечных
буровых долот

Долото – основной вид породоразрушающего инструмента, применяемого 
при роторном бурении взрывных и геологоразведочных 
скважин. По характеру разрушения горной породы различают долота 
лопастные, шарошечные, алмазные и долота типа ИСМ. Лопастные 
долота разрушают породу резанием и скалыванием, шарошечные – 
дроблением и скалыванием, алмазные и долота типа ИСМ 
– истиранием и резанием. По назначению долота делятся на три 
класса: для бескернового бурения, колонкового бурения и для специальных 
целей.

Шарошечные долота с коническими шарошками применяют в 

породах любой крепости, но наиболее успешно – в породах крепостью 
f = 5…9 по шкале проф. М. М. Протодъяконова, когда рациональным 
осевым усилием на долото является Рос. = 70…80 кН [5].

Трехшарочное долото (рис. 1.1) – один из основных породоразру-

шающих инструментов. Корпус его сваривается из трех секций (лап), 
которые вместе с подшипниками образуют опоры шарошек. При 

сборке в опоры закладываются графитовая смазка или технический 
вазелин. Широшки 1 и цапфы долота изготавливают из высоколегированных 
сталей с последующей термообработкой и цементацией. 
Корпус долота имеет присоединительную резьбу 8 и каналы для про-
хода промывочной жидкости.

Для бурения пород средней и высокой крепости f = 10…12 при-

меняют долота, шарошки которых имеют вставные твердосплав-
ные зубки, рациональным осевым усилием на долото является
Рос. = 90…110 кН. Шарошки вооружают также стальными фрезеро-
ванными зубьями, наплавленными твердым сплавом. В этом случае 
корпус шарошки и ее зубки представляют собой цельную деталь 
сложной геометрии, которую изготавливают на современных много-
координатных станках с ЧПУ. Высота зубьев шарошек, угол их заост-
рения и шаг зависят от твердости разбуриваемых пород. В мягких по-
родах используют долота с крупными зубками, имеющими малые
yглы заострения и большой шаг. 

С повышением твердости породы зубки выполняют более мел-

кими, с меньшим шагом и большими углами заострения. 

Рис. 1.1. Схема конструк-
ции трехшарошечного сек-
ционного долота с фрезеро-
ванными зубьями, наплав-
ленными
твердым спла-

вом: 1 – шарошка; 2 – ро-
лики; 3 – шарики; 4, 7 –
штифты; 5 – палец; 6 – лапа;
8 – базовая присоединитель-
ная резьба, расположенная 
на ниппельной части долота

При вращении долота шарошки участвуют в двух движениях: в 

относительном вращении вокруг оси цапфы и переносном вращении 

вокруг оси долота. Частота ударов nш зубьев всех трех шарошек до-
лота по забою определяется зависимостью [9]

𝑛ш = 𝑚 ⋅ 𝑧 ⋅ 𝑛Д ⋅ 𝐷Д

𝑑ш

, 
(1.1)

где т – число шарошек; z – число зубьев одной шарошки; 𝑛Д – частота 
вращения долота, об/мин; DД , dш – соответственно диаметр долота и 
средний диаметр шарошки, см.

Согласно выражению (1.1), при высокой частоте врезания зубьев 

в породу и при малой суммарной площади контакта зубьев шарошек 
с забоем возникают высокие удельные нагрузки на зубья долота. Кро-
ме того, в процессе перекатывания шарошки попеременно опираются 
о забой одним или двумя зубьями, обеспечивая возвратно-поступа-
тельное перемещение долота в вертикальном направлении. Это вызы-
вает дополнительные динамические нагрузки на зубья, что в свою 
очередь способствует разрушению породы.

При бурении твердых и крепких пород (f = 8…12) применяют до-

лота, ось которых пересекается с осями шарошек. При перекатывании 
последних по забою обеспечивается дробление породы. В долотах 
для бурения мягких пород (f  5) оси шарошек смещены относительно 
оси долота, а сами шарошки выполняют многоконусными. Такая конструкция 
обеспечивает не только дробление, но и скалывание породы 
забоя за счет проскальзывания шарошек.

Преимущество шарошечных долот – небольшие значения момента 
и мощности, необходимые для вращения на забое. Характерным 
недостатком является преждевременный выход из строя опор 
шарошек в результате проникновения в опору промывочной жидкости, 
вызывающей абразивный износ. Практика свидетельствует, что 
применение шарошечных долот с герметизированными маслонаполненными 
опорами позволяет повысить их работоспособность на 30 % 
по сравнению с обычными долотами.

Представленная на рисунке 1.1 конструкция долота относится к 

долотам секционного типа, которые выпускают на ряде предприятий.
Помимо этой конструкции на заводах выпускают также долота корпусного 
типа (ЗАО «Гормаш» Московская обл., Белгородский 

долотный завод). Общий вид конструкции корпусного долота приведен 
на рисунке 1.2.

Рис. 1.2. Общий вид конструкции корпусного долота

Важным преимуществом долот корпусного типа является воз-

можность их быстрой модернизации с целью учета при сборке долота
и при изготовлении его деталей условий и особенностей эксплуата-
ции у конкретного потребителя.