книги из ГПНТБ / Мискарли, А. К. Влияние состава дисперсионной среды на абразивные свойства утяжеленных промывочных систем

вого оборудования является абразивный износ, осложненный в ряде случаев усталостным разрушением и коррозией дета­ лей [14]. Наряду с этим, автор различает еще гидродинамичеокое действие [16] бурового раствора, заключающееся в проникновении его в трещины, способствующем выкрашива­ нию металла.

Э. П. Мархасин [16] исследовал абразивный износ р личных марок стали на машине Х-1, в которой образец в виде цилиндра совершает возвратно-поступательное движе­ ние в стакане, моделируя работу глубинного насоса. При своем движении цилиндр периодически погружается в ван­ ну, содержащую суспензию кварцевого песка в воде или масле, захватывая последнюю и распределяя в кольцевом контакте между цилиндром и стаканом. Из приведенных данных видно, что износостойкость металла была одинакова как в водной, так и в масляной среде.

Достоинством работ Э. Л. Мархасина является, так ока­ зать, трехступенчатость исследований и испытаний: лабора­ торных, укрупненных стендовых и промысловых. Это дало возможность автору прийти к более обоснованным за­ ключениям в отношении износостойкости металлов и кон­ струкции деталей. Автор приводит данные Hawarth по влия­ нию рода абразивного материала на износ стали, из кото­ рых видно, что исследованные абразивные материалы: ко­ рунд, кварцит, песок, полевой шпат, железный колчедан, имея твердость по Моосу в пределах 6—9, вызывают колеба­ ния износа стали 1045 в пределах 21—140 единиц, а высоко­ хромистой стали в пределах — 2,2—75,2 единиц. Это лишний раз показывает, что правильное заключение о процессе абра­ зивного износа бурового оборудования может быть сделано только с учетом меняющихся свойств абразивной буровой среды.

Исследование износа грязевых насосов проводилось Н. 3. Левицким [1'8]. Эта работа представляет интерес в том отношении, что автор четко размежевывает роль абразивной прослойки и абразивного потока. Покуда клапаны и другие детали подвергаются только действию абразивной прослойким, им еще не грозит выход из строя. Только после того, как образовалась достаточная неплотность, обеспечивающая до­ ступ абразивному потоку, разрушение усиливается.

То обстоятельство, что буровое оборудование не может пользоваться смазкой, а находится все время в среде промы­ вочной жидкости привело к понятию «смазочной способности

По Г. И. Фуксу [19], эти два понятия, однако, не тожде­ ственны.

Б. В. Дерягин [20] по этому поводу высказывается так:

10

«Не оспаривая законности старой формулировки Гершеля, выбирающей в качестве индикатора смазочного действия коэффициент трения, все же надо учитывать, что наиболее важной является способность «смазки исключать или умень­ шать износ, а не понижение трения». Поэтому критерием ■смазочной способности предпочтительно считать именно

износ.

Надо отметить, что большинство исследователей по крайней мере в области промывочных жидкостей придержи­

вается такого же взгляда.

М. Rosenberg и R. I. Tailleur [21] в качестве критерия для юценки смазочных свойств глинистых растворов выдвинули величину нагрузки на узел трения, при которой начинается ■задирание металла. Чем большую нагрузку металл выдер­ живает до начала задирания, тем выше смазочная способ­ ность бурового раствора.

Авторы по этому принципу на машине «Тимкен» исследо­ вали суспензии бентонитовой глины как чисто водные, так и содержащие 10% дизельного топлива. Оказалось, что при­ месь последнего не улучшает смазочных свойств суспензии. Хорошими противозадирочными прибавками являются кар- ■боновые кислоты, их масла и эфиры, содержащие больше 8 ■углеродных атомов. Они утверждают, что раньше не суще­ ствовало метода для суждения о смазочных свойствах буро­ вых растворов.

Э. Г. Кистер, Р. С. Лернер и Г. В. Рогозин [22] для суж­ дения о смазочных свойствах глинистых растворов пользова­ лись тем же принципом, однако критерием служило время до начала задирания (питтинга). Авторы исследовали боль­ шую группу глинистых суспензий с разнообразными добав­ ками на переконструированной четырехшариковой машине, позволяющей определить как трение качения, так и трение ■скольжения. О сравнительной смазочной способности в пер­ вом случае судили по времени возникновения питтинга, во втором—по диаметру следа износа на шарике. Отметим, что из большого числа глинистых растворов использовался толь­ ко один утяжеленный раствор, и тот на барите.

■Из приведенных ими данных видно, что с повышением концентрации глины время питтинга уменьшается. Прибавка ■сульфанола и серебристого графита оказалась неэффектив­ ной, нефть же повысила время питтинга, хотя и ненамного. Из других добавок наилучшие результаты дали олеиновая кислота и синтетические жирные кислоты.

ІВ другой работе, проведенной по этой же методике, Э. Г. Кистер и др. [23] показали, что значительной смазывающей способностью (по повышению времени питтинга) обладает окисленный петролатум.

Е. Г. Юзібашева и Е. А. Яишникова [24] исследовали

11

смазочную способность неутяжеленных глинистых растворов также на 4-шариковой машине. Из добавок наилучший ре­ зультат дали сульфанол и АзНИИ-9.

Отметим факт несовпадения выводов в отношении сульфанола в работах [23, 24]. Это еще раз указывает на труд­ ность обобщения экспериментальных данных и применения іих для внешнеподобных случаев.

Дальнейший просмотр литературы вопроса вполне под­ твердил этот вывод. Так, согласно Кингу [25], КМЦ, крах­ мал, ПАВ не оказывают влияния на износ опор долот. Между тем, по К- Ф. Жпгачу и сотрудникам [8, 26] КМЦ понижает износ почти в четыре раза. Такое же разногласие можно отметить в отношении лигнина. По Кингу [25], лигнин является вредной примесью, а Е. Г. Юзбашева и Е. А. Яишникова [24] нашли, что лигнин даже повышает прочность пленки, которая для данных авторов является критерием смазочной способности.

Дальше, согласно тому же Кингу [25], вода оказывает отрицательное действие в сравнении с глинистым раствором. К такому же заключению приходит А. О. Акопян [27]. С дру­ гой стороны, Э. Г. Кистер и др. [22] показали, что время пит­ тинга на воде значительно больше, чем на глинистых суспен­ зиях.

Продолжая этот ряд сопоставлений, остановимся еще на смазочном действии нефтепродуктов. Как известно, нефть широко применяется в качестве добавок даже к обыкновен­ ным водным глинистым растворам, при этом предполагается, что нефть улучшает смазочные свойства глинистых раство­ ров [28, 29]. Высокая эффективность эмульсионных раство­ ров также приписывается смазочному действию содержаще­ гося в них нефтяного компонента [30]. В связи с этим работа [22] показала, что прибавка нефти повысила время питтинга, а это, по-мнению авторов, является критерием смазочной способности. С другой стороны, из работы [21] видно, что нефть не обнаружила смазочного действия.

'Приведенные примеры показывают, что по литератур­ ным данным нельзя делать определенного заключения о сма­ зочном действии того или другого вещества. Это обусловлено тем, что мы до сих пор не имеем общепризнанного и обосно­ ванного критерия смазочных свойств промывочных жидко­ стей. Каждый автор выдвигает критерий по своему усмотре­ нию. Совершенно очевидно, что этот вывод вполне можно распространить на промывочные жидкости вообще, как носи­ телей износа, в частности абразивного износа в системе бут рового оборудования.

Остановимся теперь на работах, посвященных абразив­ ному износу в более общем аспекте.

В этой области следует прежде всего отметить работы

12

М. М. Хрущова и его сотрудников. Эти работы отличаются большой тщательностью опытов, что позволило прийти к установлению более общих закономерностей абразивного износа. Следует иметь в виду, что в ходе абразивного дей­ ствия сам абразив претерпевает изменения в своих свойствах или в характере действия, что вносит в процесс некий кине­ тический фактор, трудновоспроизводимый. В этом случае ис­ следование в значительной степени приобретает условное

сравнительное значение.

Совершенно очевидно, что для правильной оценки абра­ зивного износа необходимо, чтобы абразив на протяжении опыта не претерпевал существенных изменений, а это воз­ можно только при условии, если будут разработаны приемы для устранения возможных неравномерностей отдельных зе­ рен или если каждое абразивное зерно будет участвовать в

оценить методику М. М. Хрущова, выгодно отличающуюся от многочисленных других методик, разработанных различ­ ными исследователями в области абразивного износа.

Исследования в области абразивного износа целесооб­ разно разбить на 2 группы, в зависимости от среды, в кото­ рой проводится опыт: 1) абразивный износ в воздушной среде (сухой контакт); 2) абразивный износ в жидкой среде (водной или масляной).

Рассмотрим вначале работы, относящиеся к первой группе.

• В одной из работ М. М. Хрущов и М. А. Бабичев [31] описывают машину Х-4, представляющую собой развитие прототипа этой категории машин, разработанного, Вилли То­ ном [32]. На подобной машине,' после дальнейшего усовер­ шенствования, получившей шифр Х4-Б, были проведены основные работы по исследованию абразивного износа.

Конструкция машины схематически заключается в сле­ дующем: диск с натянутым на него абразивным полотном, вращается с определенной скоростью. На диске установлен испытуемый металлический образец в виде маленького ци­ линдрика, торец которого подвергается трению об абразив­ ное полотно. В зависимости от варианта конструкции обра­ зец двигается по одному и тому же кругу или же описывает спираль, входя в соприкосновение со все новыми элемента - ' ми абразивного полотна.

Результатом данной работы [31] явилось установление следующих закономерностей: износ пропорционален длине пути трения, пропорционален удельному давлению и не за­ висит от скорости вращения.

.В [33, 34, 35] эти же авторы на машине Х4-Б исследова­ ли влияние твердости металла (определенную вдавливанием

13

алмазной пирамиды с квадратным основанием) на относи­ тельную износостойкость. В качестве абразива был взят ко­ рунд, а в качестве эталона для сравнения износостойкости разных металлов применялся оловянно-свинцовый сплав.

Была установлена линейная зависимость между относи­ тельной износостойкостью и твердостью ряда технически' чистых металлов и технически необработанных углероди­ стых сталей вида е = ЬН, где е — относительная износо­ стойкость, а Н — твердость. В графическом изображении она. представляет собою прямую линию, проходящую через на­ чало координат. Эту линию можно было продолжить для высокотвердых материалов до 2500 кг/мм2. В [36] эти же авторы приводят дополнительный ряд металлов, ложащихся на линии е —Н.

■Наряду с этим, авторы нашли такую же линейную зави­ симость для минералов. Для последних линия е —Н такжепроходит через начало координат, но под другим уклоном. Весьма интересно отметить, что германий и кремний ложат­ ся не на линии металлов, а на линии минералов. По этому поводу авторы отмечают, что на линии металлов располо­ жены металлы с кубической и гексагональной решетками. Металлы с алмазными решетками — германий и кремний — ложатся на линии минералов. Различия зависят от типа межатомных связей.

М. М. Хрущов указывает [37], что установление общих закономерностей абразивного износа было возможно благо­ даря тщательности отработки условий опыта, а именно: учету состояния абразивной поверхности шкурки, учету ее твердости и равномерности, спиральному ходу трения, позво­ ляющему вести трение о новые элементы поверхности, устра­ нению влияния температуры, применению эталона для срав­ нения. Автор считает, что необходимо придерживаться:

ные с твердостью материала: а) для техническій чистых ме­ таллов имеется общая прямая пропорциональность между относительной износостойкостью и твердостью; б) эта же пропорциональность справедлива для отожженных сталей;, в) для термически обработанных сталей имеется своя линей­ ная зависимость для каждой марки стали; г) для наклепан­ ных металлов износостойкость остается постоянной с повы­ шением твердости.

В связи с этими выводами, уместно привести некоторые другие работы, в которых также трактуется вопрос о связи износостойкости с твердостью металла. Так, Н. М. -Серіпик и М. М. Кантор [38] показали, что с повышением содержания углерода в стали износостойкость возрастает. Абразивный износ авторы исследовали на специальной установке, в кото­

14

величиной износа сталей и их твердостью по Роквеллу нет определенной зависимости. Одна твердость не характеризует износостойкость. Более важным фактором, от которого изно­ состойкость находится в прямой зависимости, является со­ держание углерода в стали. Применявшаяся ею методика заключалась в следующем. К вращающемуся диску, обтяну­ тому гребенчатой резиновой обкладкой, под определенным давлением прижимается испытуемый образец, который вра­ щением захватывает из камеры в контакт абразивные ча­ стицы.

Совершенно очевидно, что различие выводов в отноше­ нии рода твердости металла обусловлено различием абра­ зивных систем и методик.

Дальше отметим, что исследование абразивного изна­ шивания структурно-неоднородных материалов на машине Х4-Б привело к установлению следующего положения [40]: «относительная износостойкость при абразивном изнашива­ нии структурно-неоднородного материала равна сумме про­ изведений из относительного объема, занимаемого каждым структурным элементом, на его относительную износостой­ кость». Это положение, оправдавшееся на ряде материалов не оправдало себя однако на сплаве AJSi.

Влияние модуля упругости на относительную износо­ стойкость материалов М. М. Хрущов и М. А. Бабичев [41, 42] исследовали на той же машине Х445. Авторы установили за­ висимость, которая может быть выражена следующим урав­

упругости. Эта зависимость оказалась справедливой для 19 из 20 исследованных металлов, а также для ряда сплавов и минералов. Однако для термически обработанных сталей эта закономерность не соблюдается. При закалке и отпуске износостойкость увеличивается, а модуль упругости остается тем же. В связи с этим небезынтересно привести данные из работы [43], где абразивный износ пластиков исследовался методом трехминутной проводки материала по вращающему­ ся со скоростью 40 об/мин барабану, обтянутому абразив­ ным полотном. Отмечается, что высокая прочность на раз­ рыв (high tensile strength) и большое удлинение при растя­ гивании приводят к повышению абразивной износостойкости.

Машина Х4-Б, обладая большими достоинствами, имеет в то же время слабую сторону: ограниченные возможности для обстоятельных исследований фактора свойств абразив­

15

циклов в минуту, а испытание проводится в течение 120000 циклов.

На этой машине Р. М. Матвеевский исследовал абразив­ ный износ сталей [47]. Из результатов интерес представляет сравнительный износ пар без и в присутствии абразива. Ока­ залось, что если втулка сделана из более мягкого металла, чем палец, то в отсутствии абразива, она подвергается более сильному износу, чем палец, а в присутствии абразива на­ оборот— более твердый палец изнашивается сильнее. Автор объясняет это шаржированием поверхности мягкой пласти­ ческой втулки и задирающим действием закрепленных абра­ зивных зерен на поверхность пальца.

Ряд исследований в области сухого абразивного изнаши­ вания проводил В. Н. Кащеев [48—52]. Автор пользовало* методом ударной абразивной струи. Установка схематически представляла собой диск из испытуемого металла или име­ ющий на ободе сегменты испытуемого металла, вращающий­

к поверхности направлялась струя абразивных зерен. Высота падения составляла 90 см, износ определялся по потере веса. Для исследования влияния температуры на износ диск поме­ щался в электрически нагреваемой камере.

В [48] В. Н. Кащеев вместе с В. М. Глазковым по ука­ занной методике исследовали влияние твердости абразива на износ технически чистых металлов. В качестве абразивов ис­ следовались каменный уголь — мнкротвердость 32 кг/мм2, шифер — 219, кальцит — 318, магнезит — 456 и ОКС — 2100 кг/мм2 при дисперсности в пределах 10—36 меш. В резуль­ тате проведенной работы авторы, пришли, по существу, не к новому выводу, что значительное повышение износостойкости металла в потоке абразивных частиц возможно при боль­ шей твердости металла по сравнению с твердостью абразива (см. по этому поводу [44]).

В [50] В. Н. Кащеев и В. М. Глазков исследовали влия­ ние температуры на износ в абразивном потоке. Оказалось, что в то время как некоторые стали малочувствительны к температуре, другие обнаруживают резкое увеличение объем­ ного износа при температуре выше 400°, что авторы припи­ сывают проявлению коррозионного эффекта. .

Работа [51] посвящена механизму разрушения металли­ ческой поверхности свободно ударяющей абразивной части­ цей. А.вторы установили, что все разрушения высокотвердым зерном имеют характер коротких царапин сквозного и тупи­ кового вида, при этом «микротвердости, замеренные в непо­ средственной близости к единичным разрушениям, обычно выше, чем значения микротвердости, замеренныевдаэтйчотя.

этих разрушений». Этот последний факт, без сомнения пред­ ставляет большой интерес.

Аналогичное явление отмечает А. Г. Шулепникова [39]: «В процессе абразивного изнашивания поверхностный слой стали упрочняется. Какой бы большой ни была исходная твердость стали, она обязательно повышается на поверхно­ сти от воздействия абразивных частиц».

Дальше отметим работу [52], в которой сравниваются два метода абразивного износа: в потоке, как описано выше, и в абразивной массе (вращение металлического диска в кольцевой камере, содержащей абразивный материал). Из приведенных данных видно, что оба процесса не идентичны. Это лишний раз показывает, что условия воздействия одного и того же абразивного материала на металл имеют суще­ ственное значение.

Обстоятельные исследования абразивного износа прове­ дены К. Веллингером [54, 55]. Автор исследовал большую группу абразивных материалов, а также большую группу металлов и сплавов. Работа проводилась под углом зрения влияния различных факторов абразивного воздействия на износ металла. Применявшаяся методика основана на прин­ ципе пескоструйного насоса.

Приводим наиболее существенные результаты, получен­ ные автором:

1. Наибольший износ установлен при угле удара струи в 30—42°. Максимальный угол износа зависит от твердости абразива и многих других факторов.

2. При твердости абразива выше твердости металла род

ший износ, чем, например, гладкие.

Аналогичную по методике работу провел А. В. Шрейдер [56] , который по некоторым факторам абразивного износа, например, скорости потока, углу падения абразивных частиц получил результаты, аналогичные таковым Веллингера.

Остановимся теперь на исследованиях абразивного изно­ са в жидкой среде. Здесь существуют различные градации в зависимости от степени воздействия среды на данный ме­ талл. Мы ограничимся рассмотрением абразивного износа в некоррозионных оредах. Коррозионные среды приводят к коррозионно-абразивному типу износа, который рассмотрен нами в главе V данной работы.

М. М. Хрущов и М. А. Бабичев исследовали относитель­ ный абразивный износ стали в воздушной и водной среде [57] . Для этой цели они применяли ранее упомянутую маши­ ну Х4-іБ с тем отличием, что при водном испытании диск

18

машины был снабжен по периферии буртиком для удержа­ мия воды. В результате проведенного исследования авторы пришли к выводу, что износостойкость стали при сухом и водном трении об абразивную среду одинакова.

Л. Э. Вальдма £58] изучал абразивный износ металла при наличии абразивной прослойки между двумя трущимися поверхностями. Абразивный материал представлял собой суспензию электрокорундового порошка в масле. Как видно, масло имело чисто вспомогательное техническое значение. Влияние масляной среды на износ здесь не рассматрива­ лось. Однако, поскольку применялась абразивная прослойка, то сам абразив подвергался непрерывным изменениям, что должно было отражаться на ходе абразивного износа во времени. В данном случае среда могла бы влиять не только непосредственно на металл, но и на ход искрашивания абра­ зива, что косвенным образом, так сказать, «рикошетом» дол­ жно влиять на износ. Как видно, в этом аспекте вопрос не

рассматривался.

М. М. Хрущов, М. А. Бабичев и Г. Н. Дубинин [59, 60] исследовали износостойкость углеродистой стали после диф­ фузионного хромирования при трении в присутствии некото­ рых жидких сред: дистиллированной воды и 0,5%-ного би­ хромата калия. Авторы показали, что в растворе біихромата износостойкость значительно больше, чем в воде, что в по­ следнем случае износостойкость этой стали ниже, чем до хромирования ее, несмотря на то, что твердость стали после хромирования увеличилась в 9 раз. Нельзя не подчеркнуть высокую активность, проявляемую водной средой в данном случае.

В другой работе М. М. Хрущов и М. А. Бабичев [61] исследовали влияние на износ металлов различных жидких сред, из которых отметим дистиллированную воду и непо­ лярный керосин. Авторы применяли для этого исследования метод «лунки» на машине Х2-М. Они показали, что износ в керосине в 250 раз меньше, чем в воде, что опять указывает на высокую активность водной ореды.

Большой материал по влиянию жидкой среды на микротвердость различных минералов приводится в книге под ре­ дакцией Л. А. Шрейнера [62]. Из приведенных данных видно, что все исследованные жидкие среды, в том числе дистилли­ рованная вода, понижают микротвердость минералов.

По поводу приведенных работ, посвященных исследова­ нию влияния среды на абразивный износ, следует отметить, что здесь необходимо было бы рассматривать влияние среды как на металл, так и на самый абразив. Совершенно очевид­ но, что изменения, вносимые средой в величину износа, пред­ ставляют собою результат интегрального действия среды на абразив и на металл, ибо бесспорно, что среда может влиять

Ш