книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

ВЫВОДЫ:

1.В процессе ударно-циклического нагружения буровые перфораторные штанги подвержены воздействию высоких на­ пряжений растяжения — сжатия, напряжений изгиба, а также напряжений смятия в конусном соединении с коронкой. Вслед­ ствие интерференции, напряжения в штангах в процессе работы становится значительно выше, по сравнению с нагрузками, соз­ даваемыми только ударами поршня перфоратора.

2.Внешний вид, структура и геометрия усталостных изломов штанг свидетельствует о высокой скорости их разрушения при напряжениях, значительно превышающих предел усталости стали.

3.Ударно-циклические нагрузки создают неравномерное распределение напряжений по длине штанг. Экспериментально установлено, что максимальные переменные напряжения возни­

кают у конуса штанг и в зоне буртика на расстоянии 200 — 400 мм от торца хвостовика.

4.В обычных (неупрочненных) штангах усталостные трещи­ ны развиваются преимущественно с внешней поверхности.

5.Объемная закалка штанг незначительно увеличивает их эксплуатационную стойкость, хотя прочностные свойства стали после термообработки увеличиваются в 2—2,5 раза. Усталост­ ное разрушение таких штанг так же, как и у штанг, термически

не обработанных, происходит с внешней поверхности.

6.Поверхностное упрочнение значительно повышает стой­ кость штанг за счет возникновения в поверхностных слоях сжи­ мающих напряжений, которые в значительной степени разгру­ жают штангу, т. е. снимают возникающие в них растягивающие напряжения при ударно-циклическом нагружении и изгибе.

7.Из различных способов поверхностного упрочнения штанг, максимальную стойкость их при эксплуатации обеспечивает ин­

дукционная закалка по всей длине. В штангах, упрочненных ин­ дукционной закалкой, развитие усталостных трещин снаружи отсутствует. Данная обработка повышает стойкость штанг, как за счет высоких остаточных сжимающих напряжений, достигаю­ щих на поверхности до 70 кг/мм2, так и увеличения прочности и твердости закаленного слоя. Индукционная закалка сообщает штанге, в целом, хорошее сочетание прочностных свойств за счет упрочнения поверхности и необходимого запаса пластич­ ности благодаря наличию вязкой сердцевины.

8. Поверхностная индукционная закалка позволояет практи­ чески исключить поломки конусов штанг, которые обычно про­ исходили в результате образования и развития трещин усталости в местах вмятин, создаваемых при посадке и сбивании ко­ ронок. Твердый закаленный слой в поверхности конусных голо­ вок штанг не нарушает в работе необходимой плотности контак­

110

та конуса и коронки и в то же время ликвидирует образование концентраторов напряжений за счет смятия поверхности.

9. Штанги, подвергнутые упрочнению путем наклепа поверх­ ности, повышают стойкость незначительно. Развитие усталост­ ных трещин у них происходит по-прежнему с внешней упроч­ ненной поверхности по причине незначительной глубины и твер­ дости упрочненного слоя, быстро истирающегося в процессе бурения о стенки шпура, а также недостаточно высокого обще­ го запаса остаточных сжимающих напряжений.

10. Химико-термическая обработка штанг (азотирование и цементация) заметно повышает циклическую прочность штанг. Однако данные методы обладают значительной трудоемкостью, повышают хрупкость штанг. Требуется детальное изучение влия­ ния химико-термических способов упрочнения с разработкой соответствующего состава сталей.

11.Штанги, подвергнутые поверхностному упрочнению ин­ дукционной закалкой, после достаточно продолжительного ре­ сурса долговечности разрушаются по стержню в результате развития усталостных трещин от поверхности промывочного ка­ нала. Рост трещин в промывочном канале штанг обусловлен поверхностными дефектами металла, образующимися в про­ цессе прокатки буровой стали, интенсивными силовыми и кор­ розионными процессами, а также некоторыми другими факто­ рами.

12.C целью дальнейшего увеличения эксплуатационной стойкости штанг следует обрабатывать их промывочное отвер­ стие, обеспечивая максимальное удаление всевозможных кон­ центраторов напряжений с его поверхности. Необходимо соз­ давать в поверхности промывочного канала штанг надежное антикоррозионное покрытие.

Ill

ГЛАВА IV

РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ БУРОВЫХ

Для целого ряда изделий в машиностроении поверхностная индукционная закалка производится с целью повышения из­ носостойкости трущихся поверхностей. Выбор глубины закален­ ного слоя в этом случае чаще всего определяется допустимым износом детали и лимитируется сечением (диаметром). Для буровых перфораторных штанг износ поверхности не является решающим фактором, влияющим на долговечность. Как было показано индукционной закалкой значительно повышается соп­ ротивление буровых штанг усталостному разрушению за счет высоких поверхностных сжимающих остаточных напряжений, а также высокой твердости поверхностного слоя, значительно по­ вышающего сопротивление смятию в зоне посадки коронки на конус штанги и в целом достигается невосприимчивость ее стер­ жня к различным концентраторам напряжений, которые могут возникать уже в процессе эксплуатации.

Однако положительное влияние поверхностной закалки на долговечность буровых штанг может быть обеспечено только при оптимальном соотношении площадей закаленной внешней оболочки и сердцевины, иными словами говоря, при соответст­ вующей глубине закаленного слоя.

В большинстве случаев при закалке изделий из углероди­ стых и низколегированных сталей с увеличением глубины зака­ ленного слоя повышается значение сжимающих напряжений, а максимум растягивающих напряжений смещается вглубь де­ тали. Однако с определенного момента увеличение глубины за­ каленного слоя приводит к снижению полезных сжимающих

112

напряжений на поверхности изделия, что неблагоприятно мо­ жет сказываться на их долговечности [126, 145].

В большинстве случаев при выборе оптимальной глубины закалённого слоя для деталей, работающих в режимах стати­ ческого нагружения, руководствуются приближенными эмпири­ ческими соотношениями [119].

Для обоснования необходимой глубины слоя закалки буро­ вых штанг, имеющих пустотелое сечение, очевидно, пользоваться данными формулами нельзя. Как показывает простой расчет, необходимая глубина закаленного слоя для буровых штанг в этом случае должна составлять 4—5 мм, т. е. практически с учетом переходной зоны занимать почти все живое сечение стержня. По-видимому, такая глубина закалки штанг не может быть приемлема для повышения их ударно-циклической проч­ ности. Как видно из графика рис. 36, закалка буровых штанг на глубину выше 1 мм вызывает заметное повышение растяги­ вающих напряжений в переходной зоне, а сжимающие поверх­ ностные напряжения, напротив, уменьшаются. При глубине закаленного слоя 4—5 мм остаточные сжимающие напряжения в поверхности штанг уменьшаются в 1,5—2 раза. Чтобы уста­ новить при какой глубине закаленного слоя обеспечивается мак­ симальная стойкость буровых штанг, осуществили натурные ударно-усталостные испытания. Испытывались буровые штанги, закаленные с поверхности на глубину 0,5; 1,2—1,5; 2,5—3 и 4,5—5 мм (рис. 40). Закалка штанг осуществлялась на верти­ кальном закалочном станке в 3-х витковом индукторе—спреере. Необходимая глубина закалки достигалась изменением скоро­ сти подачи штанги через индуктор. Вращение штанг производи­ лось с постоянной скоростью 150 оборотов в минуту.

Рис. 40. Макрошлифы поперечного сечения буровых штанг, закаленных ТВЧ на различную глубину.

3

X

X <υ

≡5 eS

114

Результаты ударно-усталостных испытаний представлены в таблице 3, а также в виде графической зависимости па рис. 41. Максимальную стойкость показали буровые штанги, закаленные на глубину 1,2—1,5 мм. Все штанги разрушались ' преимущест­ венно по стержню с развитием усталостных трещин от поверх­ ности промывочного канала. Внешний вид усталостных изломов аналогичен изломам, изображенным на рис. 28. Штанги, зака­ ленные па глубину 2,5—3 мм., разрушались значительно быстрее. Минимальное сопротивление усталостному разрушению показа­ ли штанги, закаленные на глубину 4,5—5 мм. У штанг с глуби­ ной слоя закалки 4,5—5 мм наблюдалось разрушение галтели бурта, т. е. там, где обрывается закаленный слой. По-видимому, это объясняется повышением растягивающих напряжений, ко­ торые всегда появляются в местах обрыва глубоких закаленных слоев на детали у галтелей, выточек, канавок и т. п. [145].

NM>

Отличительной особенностью усталостных изломов буровых штанг с различной глубиной закаленного слоя стержня явилось то, что при увеличении слоя закалки площадь усталостной зоны

ние преимущественно произошло по конусам, с внешней поверх­ ности. Это, очевидно, объясняется тем, что данная глубина закаленного слоя оказывается недостаточной для обеспечения сопротивления высоким напряжениям смятия, образующимся' в контакте конуса и корпуса коронки под действием ударно-цик­ лических нагрузок.

115

При большой глубине закалки сопротивление ударно-цикли­ ческому нагружению резко ослабевает по причине снижения благоприятных поверхностных сжимающих напряжений и уве­ личения опасных растягивающих напряжений в подкорковой переходной зоне. Для достижения максимального эффекта упрочнения и получения наилучшего сочетания прочности и пла­ стичных свойств исследуемых штанг, глубина закаленного слоя для них (с учетом результатов экспериментальных данных) дол­ жна определяться расчётной величиной остаточных сжимающих напряжении.

§ 2. Влияние отпуска на стойкость буровых штанг, подвергнутых индукционной поверхностной закалке

При поверхностной индукционной закалке чаще всего стре­ мятся получить максимальную твердость поверхностного слоя, так как при этом условии возникают наибольшие сжимающие остаточные напряжения и, следовательно, значительный запас прочности детали. Во избежание коробления и снятия части остаточных напряжении в ряде случаев назначается отпуск де­ талей, который, как правило, проводится при температуре не выше 200oC. Чаще же всего ограничиваются самоотпуском, ко­ торый происходит за счет тепла, сохоаняющегося во внутпилежащих слоял детали после охлаждения поверхности [120]. Исследования, проведенные в последнее время [145], показыва­ ют, что температура и продолжительность отпуска оказывает существенное влияние на величину остаточных напряжений в деталях. Например, отпуск при 150°C в течение 1 часа уже сни­ жает величину остаточных напряжений на 20—30%. Это необ­ ходимо учитывать для тех изделий, где желательно сохранить первоначально полученные закалкой напряжения и твердость.

Важно знать влияние отпуска и на прочность буровых штанг, подвергнутых индукционной закалке, поскольку в горно-техни­ ческой литературе не имеется данных по этому вопросу. C этой целью осуществлялись ударно-усталостные испытания трех партий буровых штанг, которые после индукционной закалки на глубину 1,2—1,5 мм подвергались отпуску в камерной элек­ тропечи ПН-50 при температуре 200°, 400° и 620oC с выдерж­ кой 1,2 часа. Стойкость указанных партий штанг сопоставля­ лась с аналогично упрочненными штангами (таблица 1), кото­ рые испытывались без отпуска. Твердость закаленного слоя после отпуска определялась на приборе ТК.-2. Из графика (рис. 42), построенного по результатам средних-значений стойкости (таблица 4), видно, что с понижением твердости поверхности значительно снижается сопротивление штанг ударно-цикличес­ кому нагружению. Некоторое снижение стойкости штанг и по­ верхностной твердости наблюдается уже после отпуска при 200oC и резко падает у штанг, отпущенных при 400oC. После

116

4 <3 гг з

Р е з у л ь т а т ы н а т у р н ы х у д а р н о - у с т а л о с т н ы х и с п ы т а н и й б у р о в ы х ш т а н г , з а к а л е н н ы х Т В Ч и п о д в е р г н у т ы х о т п у с к у п р и р а з л и ч н о й т е м п е р а т у р е

117

отпуска при 600oC твердость поверхности штанг снижается на 50%, а стойкость их оказывается практически такой же, как у неупрочненных. Значительное снижение циклической прочности штанг, подвергнутых отпуску следует объяснить уменьшением поверхностных сжимающих напряжений и твердости. Штанги, не подвергнутые дополнительному отпуску в процессе испыта­ ний, показали максимальную стойкость, причем у них не наблю­ далось остаточных явлений в виде коробленая и растрескивания, вызванных большими напряжениями.

Таким образом, при осуществлении поверхностного упроч­ нения буровых штанг индукционной поверхностной закалкой необходимость отпуска отпадает.

§ 3. Влияние антикоррозионной обработки промывочного канала на стойкость буровых штанг

Усталостная прочность металлов может значительно сни­ жаться под влиянием различных факторов, однако более всего снижает сопротивление металлов усталостному разрушению на­

сивно, чем разрушение на воздухе. При коррозионной усталости кривая испытании, построенная в обычных координатах (напря­ жение—число циклов) приобретает характерный вид: сна не имеет участка, параллельного оси абсцисс, ограничивающего область выносливости металла, а представляет собой кривую, непрерывно снижающуюся с увеличением числа циклов. Таким образом, характерной особенностью коррозионно-усталостного разрушения является ограниченная выносливость металла, а истинный предел усталости отсутствует [86].

Причина возникновения коррозионно-усталостного разруше­ ния, особенности его протекания и связь с различными факто­ рами до сих пор еще не может считаться окончательно установ­ ленной, несмотря на то, что в течение многих лет не прекращаются исследования ` в этой области. Однако многие исследованные аспекты коррозионно-усталостного разрушения и выясненные в связи с этим положения уже сейчас широко используются для повышения прочности изделий, работающих в коррозионных средах. Значительную трудность при изучении процесса коррозионно-усталостного разрушения металлов соз­ дают специфические особенности нагружения деталей механиз­ мов, машин и конструкций, а также многообразие коррозионных сред, которые ио-разному реагируют на металл. Поэтому в пос­ ледние годы все больше внимания уделяется исследованиям коррозионно-усталостного разрушения большого количества тех

118

изделии, которые работают в особых условиях нагружения (контактно-циклическое, центробежными силами, ударно-цик­ лическое, вибрационное и др).

Одной из .мало изученной разновидностью усталостного разрушения металлов является коррозионно-ударпо-циклическое разрушение. К категории изделий, которые разрушаются вслед­ ствие усталости при одновременном действии интенсивных ударно-циклических нагрузок и агрессивной жидкости, относятся и буровые перфораторные штанги.

Механизм коррозионного влияния промывочной рудничной (пластовой) воды на процесс усталостного разрушения буровых штанг пока ещё не до конца ясен, однако некоторыми исследо­ ваниями [82] установлено, что вода способствует снижению стойкости штанг в 1,5—2 раза.

C целью установления влияния воды на интенсивность уста­ лостного разрушения буровых штанг и механизма роста уста­ лостных трещин, а также разработки дальнейших мероприятий по устранению этого влияния, нами.проведены специальные на­ турные, ударно-усталостные испытания [146]. Испытывали две партии буровых штанг, упрочненных индукционной поверх­ ностной закалкой на глубину 1,2-1,5 мм. Упрочнение штанг осуществлялось с целью предотвращения возможного усталост­ ного разрушения штанг с развитием трещин от внешней поверх­ ности. Испытание проводилось по ранее разработанной методике за исключением того, что удаление бурового шламма у штанг одной партии производилось водой, в то время как штанги другой партии продувались сжатым воздухом, т. е. для них был исключен фактор, обуславливающий коррозионное влияние.

Результаты испытаний данных партий штанг приведены в таблице 5. Из таблицы видно, что буровые штанги, которые испытывались с продувкой сжатым воздухом, показали стой- 'кость в целом на 70—75% выше по сравнению со штангами, испытанными с удалением буровой мелочи водой. Особенно заметно снизилась под влиянием воды (почти в 2 раза) стой­ кость конусов штанг.

Если сопоставить аналогичные усталостные изломы, проис­ шедшие на одинаковых по длине участках буровых штанг, испытанных в коррозионных и «сухих» условиях, то можно об­ наружить принципиальные различия в характере их усталост­ ного разрушения.

Разрушение штанг по стержню произошло в обоих случаях на расстоянии 150—400 мм от торца хвостовика и развивалось с промывочного отверстия, однако структура и геометрия уста­ лостных зон значительно отличаются. На рис. 43 показан типич­ ный усталостный излом буровой штанги, испытанной в «сухих» условиях и разрушившейся по стержню. Структура усталостного излома стержня штанги, разрушившейся без доступа ьоды в

119