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

на состояние поверхности абразива в иеменьшей степени, чем

определяющим величину и характер износа. Как видно, в этом аспекте влияние среды на абразивный износ не рассма­ тривалось.

Остановимся теперь на способе воздействия абразива на металл. Как видно из приведенного обзора, разные исследо­ ватели решали этот вопрос по-разному. Если эти способы классифицировать, то их можно разбить на 2 группы: 1. Аб­ разив находится в виде монолита или в компактном виде; 2. Абразив находится в дисперсном состоянии.

Во второй группе следует дальше различать: а) абра­ зивную прослойку, а) абразивный поток, в) абразивную массу. Эта классификация заимствована у Лоренца [16] и весьма правильно отражает основные виды абразивного из­ носа, встречающиеся на практике.

К первой группе относятся работы М. М. Хрушова п со­ трудников [31, 33, 34, 35], Л. А. Шрейнера [13], М. Ш. Акмулина. К- Ф. Жигача, Л. А. Шрейнера [63] и др.

Ко второй группе относятся многочисленные исследова­ ния, применявшие в различных вариантах тот или другой из указанных типов абразивного износа.

Под «абразивной прослойкой» подразумевается слой абра­ зивного материала, расположенного между двумя трущими­ ся металлическими поверхностями. Оставляя в стороне во­ прос конструкции узла трения, мы рассмотрим применяв­ шиеся варианты ввода абразивного материала в контакт.

Л. Э. Вальдма [58] перед опытом покрывает трѵщиеся поверхности абразивным материалом, представляющим со­ бою суспензию электрокорундового порошка в масле. Абра­ зивный материал в ходе опыта, следовательно, здесь не обновляется.

Более часто, однако, применяется непрерывный ввод абразивного материала в контакт. Это достигается непре­ рывной подачей из какого-нибудь внешнего бункера сухого кварцевого песка [46, 47, 64], либо масляной суспензии [39], или же путем захвата абразивной суспензии в воде, либо в масле из нижерасположенной ванны [39, 68. 72]. Последнее легко осуществляется при возвратно-поступательном движе­ нии металлического образца. В работе А. Г. Шулепниковой [39] это достигается путем вращения диска с резиновыми на­ кладками, о который трется испытываемый образец.

При «абразивном потоке» металл подвергается трению о протекающую мимо него или ударяющуюся в него абра­ зивную массу. Последняя представляет собою или струю частиц сухого абразивного материала, направляемую на ме-

■20

галл [48], либо воздушную струю, содержащую определенное количество абразивных частиц [56] или суспензию абразива в какой-нибудь жидкости в виде сплошного потока, омыва­ ющего металлический образец [65], или же ударяющегося в него [2, 4, 5, 55, 65]. Здесь имеет значение скорость потока, концентрация абразива в среде и угол падения пли вообще угол встречи потока с поверхностью металла. Эти факторы явились основными моментами исследования в этих работах.

'Под методом «абразивной массы» подразумевается вра­ щение металлического образца в куче сухого порошкообраз­ ного абразивного материала.

Выбор для своих исследований того или другого типа абразивного воздействия, очевидно, обусловлен стремлением авторов насколько возможно моделировать определенный практически протекающий абразивный процесс.

іНаіряду с этим, однако, важно, чтобы полученные ре­ зультаты обладали достаточной «обобщаѳмостью». Под этим термином мы подразумеваем возможность распространения полученных результатов на другие близкие области абразив­ ного износа, другими словами, возможность установления каких-либо закономерностей более общего характера. При недостаточной «обобщаемое™» результатов значение иссле­ дования не поднимается выше частного случая, применимого только к данному экспериментальному комплексу. Отмечен­ ные выше случаи разногласий в выводах у разных исследо­ вателей свидетельствуют о наличии такого положения в этой области исследования.

Что же влияет на степень «обобщаемое™» результатов исследования? Прежде всего это — постоянство состояния абразивного материала на протяжении опыта. М. М. Хрущов придавал этому условию первостепенное значение, и в при­ нятой им методике оно почти полностью соблюдается. Это дало возможность ему с сотрудниками прийти к более об­ щим закономерностям абразивного износа при неограничен­ ной продолжительности опыта. Если же, как в большинстве других методик, состояние абразивного материала в ходе опыта меняется (изменение степени дисперсности, формы частиц, твердости и проч.), то в процессе износа большую роль начинает играть кинетический фактор, т. е. зависимость износа от времени воздействия абразива. Сам по себе этот факт не имел бы отрицательного значения. Известно, что во многих процессах химической технологии кинетический фак­ тор играет большую роль, что, однако, не препятствует точ­ ному знанию хода процесса во времени. Это происходит потому, что законы изменения процесса во времени нам точ­ но известны. В нашем же случае законы изменения состоя­ ния абразивного материала во времени не известны и вряд

21

ли они могут сколько-нибудь надежно определяться эмпири­

чески опытным путем.

Исследователи, разумеется, считаются с изменчивостью абразивного материала. Однако они выходят из положения тем, что устанавливают определенную продолжительность опыта [см., напр., 49, 58], считая, что в течение данного условно выбранного промежутка времени изменение абра­ зивного состояния будет еще недостаточно велико, или же будет протекать одинаковым, воспроизводным образом. Кроме того, авторы прибегают к средним значениям значи­ тельного числа опытов. Однако в отношении абразивной прослойки вряд ли можно найти надежное средство для устранения влияния изменения состояния абразивного мате­ риала. В методе ввода в контакт абразивного материала путем захвата его из нижерасположенной ванны при движе­ нии металлических частей узлов трения следует еще учесть изменчивость концентрации абразива в суспензии. Надо иметь в виду, что суспензии абразивного порошка в воде или масле представляют собою нестабильные системы, склонные к более или менее быстрому распаду, для устранения кото­ рого масса должна непрерывно перемешиваться. Однако, как видно из обзора конструкций, ванны не снабжены соответствующими мешалкамн.

В абразивном потоке в этом отношении дело обстоит луч­ ше, поскольку масса все время находится в принудительном движении. С другой стороны, в абразивном потоке имеются два источника, вызывающие изменения в абразиве: во-пер­ вых, в результате трения абразивных частиц о поверхность металла; во-вторых, в результате трения между частицами при вихревом движении. Ослабление первого фактора может быть достигнуто путем сильного увеличения объема абразив­ ной массы по отношению к поверхности металла, подверга­ ющегося трению. Возможно, что и действие второго фактора в этом случае будет тоже уменьшено.

При «абразивной массе» действие второго фактора будет незначительно, поэтому увеличение объема абразивного ма­ териала может дать лучший эффект. В общем, все же сле­ дует признать, что применение абразива в дисперсном со­ стоянии не может полностью устранить влияние изменений в состоянии абразива в ходе опыта. В этом отношении показа­ тельна уже упомянутая работа В. Н. Кащеева [52], прово­ дившего параллельные опыты в потоке и массе. Полученные результаты сильно различались между собою. Также отли­ чались результаты, полученные при параллельном исследова­ нии абразивного износа минералов в виде монолита и в раз­ дробленном виде А. И. Спиваком [73].

Но, если нельзя устранить полностью влияние изменения абразива, то можно добиться приближения к эффективному

22

постоянству абразива. Критерием для суждения об этом может служить изменение абразивного износа во времени. Форма соответствующей кривой может дать ясное представ­ ление, в какой мере даниаія методика приближает к эффек­ тивному постоянству абразива.

Под рассматриваемым углом зрения заслуживает вни­ мания методика, применяемая В. Н. Ткачевым [69]. Она за­ ключается в там, что уплотненная абразивная масса выдав­ ливается шнекам навстречу вращающемуся металлическому диску. Износ оценивался по изменению линейных размеров образца до и после испытания. Тот факт, что автор получил зависимость е —Н соответствующей закономерности, уста­ новленной М. М. Хрущовыім для абразивного износа, свиде­ тельствует о там, что данная методика позволяет в достаточ­ ной степени приблизиться к постоянству абразивного мате­ риала.

Каково же влияние на абразивный износ величины зерна абразива? Этот вопрос имел и имеет важное значение при разработке норм помола утяжелителей для бурения. Уста­ новлено, что чем тоньше помол, тем меньше абразивный износ. Поэтому раньше была установлена норма высокой тонкости помола, характеризующаяся 3%. остатком на сите в 4900 отверстий на 1 см2 [74]. Нужно, однако, отметить, что в бурении тонкость помола имеет двоякий смысл. С одной стороны, она обусловливает определенную степень абразив­ ного износа. С этой точки зрения следует стремиться к наи­ более тонкому помолу. С другой стороны, с увеличением тонкости помола повышается вязкость бурового раствора и, соответственно, понижается утяжеляющая способность утя­ желителя; с этой точки зрения большая тонкость помола вредна. Очевидно, необходимо установить некоторую опти­ мальную степень помола. Согласно норме, принятой в на­ стоящее время, степень помола определяется остаткам на сите 4900 отверстий на 1 см2 в 5—6%.

Прямая зависимость между крупностью зерна и абра­ зивным износом установлена А. И. Спиваком и Л. А. Шрейнѳрам [4] на большом числе утяжелителей и минералов. Однако для каждого утяжелителя эта зависимость различа­ ется количественно и имеет линейный характер. Это следует также из утверждения А. В. Кольченко и А. А. 'Силина [71]: чем крупнее частица абразива, тем больше износ.

Согласно В. Е. Маеву [72], с уменьшением размера частицы уменьшается износ, а при величине частицы

в1 (1 абразивное действие фактически прекращается.

23

дальнейшем увеличении крупности частицы износ уменьша­ ется. Этот же автор [55] при исследовании абразивного пото­ ка нашел, что износ практически не зависит от величины абразивной частицы. Г. В. Топоров [64], исследуя абразивную прослойку, установил, что изменение размера абразивной частицы в пределах 50—140 у не влияет на величину изно­ са. Г. В. Виноградов и В. А. Вишняков [66], изучая абразив­ ный износ при трении качения на 4-шариковой машине,

ется.

В. Н. Виноградов, Г. К- Шрейбер и Д. Я. Соболев [67] при исследовании абразивного износа пластиков установили, что влияние величины частицы на износ зависит от эластич­ ности пластика. Для жестких пластиков наблюдается паде­ ние износа с увеличением крупности абразивной частицы. Для полужестких и мягких пластиков имеет место обратное отношение. Авторы объясняют это различной возможностью внедрения частиц в жесткие и мягкие пластики.

Несовпадение результатов исследования влияния круп­ ности абразивных частиц на износ у разных авторов следует в основном приписать различиям применявшихся методик. Это лишний раз указывает на плохую «обобщаемость» ре­ зультатов многих исследований.

Наряду с крупностью, большое значение имеет форма частицы. Влияние формы частицы на износ признают все авторы, однако в большинстве случаев это является резуль­ татом чисто логических умозаключений. Попытка В. Э. Вайн­ штейна [82] исследовать форму частиц микроскопическим и радиографическим методами не дала существенных резуль­ татов. Это можно объяснить, главным образом, эксперимен­ тальными трудностями, в особенности, если принять во внимание, что обычно мы имеем дело с полидисперсными частицами, как в отношении крупности, так и в отношении формы. По-видимому, для изучения влияния формы частиц следовало бы исходить из действия одиночных частиц. Такое исследование было проведено Н. И. Богомоловым [83], кото­ рый для этой цели сконструировал особый прибор. Однако задача, поставленная автором, относится к изучению меха­ низма абразивного процесса. Влияние формы частицы авто­ ром не рассматривалось.

Остановимся теперь на вопросе о характере действия абразива на поверхность металла. Оказалось, что оно не выражается в простом сдирании стружек с поверхности ме­ талла, а имеет значительно более сложный, еще недостаточно исследованный характер.

Согласно М. М. Хрущову [44, 47], общим является режу­ щее, царапающее действие абразива. Причем он различает

24

три разновидности воздействия: 1) пластическая деформация без отделения частиц; 2) образование и отделение стружки; 3) выкалывание мелких и крупных частиц. Различие дей­ ствия обусловлено различием ориентаций абразивных зерен своими режущими краями к поверхности металла. Автор отмечает, что этот процесс почти не изучен.

М. М. Хрущов [76] излагает также современные взгляды на механизм абразивного изнашивания. По его мнению, главным процессом, обусловливающим абразивное изнаши­ вание, является .микрорезание, т. е. снятие абразивными зер­ нами микроскопически малой стружки с поверхностного слоя металла. Режут не все абразивные зерна, а только те, кото­ рые случайно благоприятно ориентированы своими гранями.

И. В. Крагельский считает, что основным процессом абразивного изнашивания является повторное деформирова­ ние поверхностного слоя абразивными зернами, в результате чего в одних и тех же объемах вследствие переформирова­ ния возникают усталостные трещины и происходит хрупкое отделение частиц металла.

Оо мнению П. Н. Львова, уже при однократном произ­ водстве абразивным зерном выдавленной царапины мате­ риал по ее краям становится настолько предразрушенным, что легко отделяется другими абразивными зернами. Итак, основной процесс разрушения при этом изнашивании состоит в производстве выдавленных царапин, а не в резании.

Как видно, общего взгляда на механизм абразивного изнашивания не существует. Это совершенно понятно, ибо процесс абразивного воздействия на металл отличается боль­ шим многообразием, обусловленным различием в природе металла и абразива, их физико-химцческих свойств, способе введения абразива в контакте с металлической поверхностью и пр. Однако некоторые общие закономерности установить все же возможно. В частности, это относится к вопросу, как влияет абразивное изнашивание на свойства участков по­ верхности, окружающих места разрушения; или в более общем виде: как изменяются свойства уцелевшей поверхно­ сти при абразивном изнашивании. Разумеется, это зависит от природы металла, но на одном и том же металле должна соблюдаться определенная закономерность.

Этот вопрос явился предметом многих исследований. Однако имеющиеся в литературе данные не совпадают. Сог­ ласно приведенному взгляду П. Н. Львова, края царапин находятся в предразрушенном состоянии и легко отделяются. К. Веллингер [55] указывает, что вокруг места удара абра­ зивной частицы образуется выпуклость из частично разрых­ ленного материала. Это, очевидно, надо истолковывать как явление ослабления, а не упрочнения поверхности. С другой стороны, В. Н. Кащеев и В. М. Глазков [51] установили, что

25

ГЛАВА II

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА И МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБРАЗИВНЫХ СВОЙСТВ УТЯЖЕЛЕННЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И УТЯЖЕЛИТЕЛЕЙ

Сформулированная во введении задача предопределяла следующие основные принципы методики:

1. Поскольку центр тяжести работы кроется в исследо­ вании влияния среды на абразивный износ металла, то необ­ ходимо было обеспечить возможность массовых определений многочисленных абразивных сред; следовательно, методика должна манипулировать с весьма малыми объемами (не боль­ ше 500 м л).

2.Абразивный износ бурового оборудования обусловлен

восновном утяжеленными буровыми растворами, поэтому це­ лесообразно в качестве объектов исследования использовать утяжеленные системы большого удельного веса (у =2,0— 2,25 г/см3), реально применяемые при бурении глубоких сква­ жин в осложненных геологических условиях.

3.Одной из целей работы являлось введение в практику бурения контроля над абразивными свойствами буровых ра­ створов и утяжелителей. Это обусловило требование, чтобы

прибор для определения абразивности отличался максималь­ ной простотой конструкции и манипуляций с ним, с тем, что­ бы его можно было применять непосредственно в промысло­ вой практике.

4. Устойчивость утяжеленных растворов, главным обра­ зом, обеспечивается тиксотропной структурированностью, при отсутствии которой система склонна к распаду. Поэтому мето­ дика должна обеспечить поддержание раствора во время оп­ ределения в однородном состоянии.

5. Из двух категорий износа, характерных для бурового «оборудования, — абразивная прослойка и абразивный по-

27

ток—в качестве моделирующего процесс, целесообразнее было выбрать абразивный поток. В пользу его говорит то сооб­ ражение, что в методе абразивного потока ввиду большого превалирования абразивной среды над (металлом постоянство абразивного фактора іможет быть обеспечено значительно лучше, чем в абразивной прослойке. Это позволит прийти к выводам более общего характера.

Из отмеченных в литературе приборов для определения абразивного износа, основанных на принципе абразивногопотока, заслуживают внимания машина А. А. Лпневского [3], в которой абразивный поток ударяется о неподвижную пла­ стинку імешалки, и установки АКИ-1 и АК.И-2 [65], разрабо­ танные Институтом технологии и (Машиностроения (ЦНИИТМаш), в которых абразивный поток имеет центро­ бежное направление.

Эти приборы, однако, очень громоздки и требуют боль­ шого количества абразивного материала (в нашем случае утяжеленной промывочной жидкости). Они, по существу, предназначены для массового исследования различных метал­ лов на одной и той же абразивной жидкости. Наша же задача имеет противоположную цель, а именно, массовое исследова­ ние различных абразивных сред на одном и том же или на ограниченном числе металлов. Это обстоятельство заста­ вило нас заняться разработкой конструкции прибора, кото­ рый соответствовал бы этим задачам и целям.

Особенность намеченной конструкции заключалась в центробежном направлении абразивного потока и в совмеще­ нии лопастей мешалки с объектами износа.

На рис. 1 показан общий вид разработанного прибораабразивометр А-21.

Как видно из рис. 1, прибор состоит из корпуса 1 в форме чаши с цилиндрическими стенками (объе^м 1 л) и крышки 2, прикрепляемой к корпусу болтами. На вал 6 надеваются пла­ стинки 4 — объекты абразивного воздействия, которые одно­ временно играют роль мешалок с целью поддержания жидкости в однородном состоянии. Следует отметить, что на­ ми испытывались образцы-мешалки различных форм и кон­ струкций. Однако с точки зрения технологии изготовления, а также получения лучшей воспроизводимости, мы остановились на образцах, указанных на рис. 2.

На вал насажен четырехступенчатый шкив 5, допускаю­ щий различные варианты скоростей. Вал приводится во вра-

1 В первом варианте конструкции («А-1») пластинки металлов, под­ вергающиеся износу, помещались на крышке прибора. Однако на практике этот вариант конструкции оказался не удобным в манипуляциях с прибо­ ром и чувствительность определения была недостаточной. Поэтому было' признано предпочтительным совместить пластинки износа г мешалками. Этот вариант конструкции прибора был обозначен «А-2».

28

Рис. 1. Общий вид абразивометра А-2: 1—корпус, 2—крышка, 3—вал, 4—объекты износа; 5—четырехступенчатыіі шкив; 6—охладительная манже­ та; 7—электродвигатель; 8—термометр; 9—нагреватель.

Рис. 2. Образец—объект абразивного износа.

29