книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

P ɪɪ с. 43. Внешний вид усталостного излома стержня буровой штанги, разрушившейся без доступа воды.

отличии от аналогичного коррозионно-усталостного излома, обнаруживает значительно замедленный темп разрушения без резких дополнительных перегрузок. Видно, что трещина устало­ сти проникла значительно глубже и распростанилась шире, чем

участками. Видно, что усталостный процесс развивался одно­ временно от двух и более независимых друг от друга очагов усталости. На поверхности усталостного излома можно разли­ чить несколько зон и участков: очаги усталости, участки избира­ тельного роста трещины, область ускоренного усталостного про­ цесса, зона вторичного зарождения трещин и зона долома. B'изломе отмечаются ступеньки, пасынковые трещины, вторич­ ные рубцы (уступы) и участки хрупкого проскальзывания. На участке избирательного развития деформации микрослоев металла, занимающем самую большую площадь излома, видны усталостные волнообразные следы локальных макросдвигов. Если в изломах штанг, разрушенных с доступом воды (в кор­ розионных условиях), линии усталости идут от очага усталости прямолинейно и радиально пересекают глазок усталости, то на изломе штанги, разрушенной в «сухих» условиях, линии уста­ лости имеют случайное направление. Иногда они пересекаются пасынковыми трещинами, зарождающимися в других местах. На изломе штанги, разрушенной без доступа воды, отчетливо раз­

линии первого типа без присутствия воды образовались, по-ви­ димому, вследствие изменения направления развития усталост­ ной трещины, связанной с макроизбирательностью процесса пластического сдвига. Усталостные линии второго типа связаны

121

с действием различных по величине и количеству кратковремен­ ных циклических перегрузок. Линия фронта усталостной трещи­ ны асимметрична и имеет волнистое строение на периферии. На некоторых участках она переходит в ломаную линию. Зона статического разрушения (зона долома) по площади невелика и составляет примерно 15—20% от площади сечения. Указанный вид усталостного излома, возникшего при отсутствии влияния воды, можно отнести к разрушению при умеренном номиналь­ ном напряжении, вызывающем небольшую величину коэффи­ циента усталостной перегрузки [137].

P і! с. 44. Изломы конусов буровых штанг, разрушившихся в коррозионных условиях (а) и «сухих» (без доступа воды) условиях (б).

На рис. 44 представлены изломы конусов штанг, разрушив­ шихся в коррозионных условиях и без доступа воды. У штанг, разрушившихся в присутствии воды, отчетливо проявляются два

скорость деформации в близко лежащих к поверхности слоях металла превышала деформацию в центре, где контактные напряжения действовали значительно слабее. Края линии фрон­ та усталости также неровные, в ряде случаев они сталкиваются с зонами усталости, идущими от других переферийных, незави­ симо развивающихся очагов усталости. Поверхность усталостной зоны имеет слоевую структуру, свойственную микроизбиратель­ ному принципу разрушения. Суммарная площадь усталостных зон занимает примерно 20% сечения, что значительно больше, чем у аналогичных изломов штанг, разрушившихся при наличии

122

воды. Это свидетельствует ó том, что у.штанг, разрушившихся в «сухих» условиях, усталостное разрушение, очевидно, протекало при умеренных номинальных напряжениях и без резких цикли­ ческих перегрузок, вызванных дополнительным усилием. Для того, чтобы установить, как влияет подача воды через промы­ вочный капал штанги на поверхность металла, осуществляли разрезку их вдоль продольной оси. Причем для1 сравнения исследовали исходную поверхность промывочного канала штанг до работы. Было установлено, что исходная поверхность канала штанг весьма неровная (рис. 45) и имеет различные микро- и макродефекты. На вырезанных по длине участках штанг после работы с водяной промывкой было обнаружено в канале боль­ шое количество усталостных микро- и макротрещин на базе поверхностных дефектов, имеющихся там до нагружения.

(X 1,2)

промывочного канала в буровой стали после про­ катки.

(X 40)

Характер их, расположение и распределение по длине полно­ стью соответствуют аналогичным трещинам, показанным на рис. 37. У штанг, испытанных без доступа воды, трещин в кана­ ле почти не обнаружено, за исключением единичных не различи­ мых невооруженным глазом микротрещин, выявленных на максимально нагруженной длине штанги, т. е. на расстоянии 200—400 мм от торца хвостовика.

Таким образом, на основании этих экспериментальных дан­ ных можно заключить, что вода, поступающая по каналу штанги с целью очистки шпура от буровой мелочи и пыли (шламма), существенно понижает сопротивление металла усталостному разрушению, так как в присутствии воды значительно облегчает­ ся развитие тех многочисленных дефектов прокатки, которые сохраняются в буровой стали.

123

Следовательно, при решении вопроса повышения долговеч­ ности штанг неизбежно возникает задача обработки промывоч­ ного канала. Эта обработка должна преследовать две цели. Во-первых, обеспечить максимально возможное удалениеі механических дефектов с поверхности канала буровых штанг, полученных в процессе производства буровой стали, а, во-вто­

При обосновании технологии обработки промывочного кана­ ла буровых штанг можно было бы рекомендовать большое ко­ личество уже известных в промышленности способов, однако специфические особенности нагружения штанг, их конструкция в большинстве случаев делают эти способы непригодными или весьма трудоемкими при осуществлении в основном по причине большой длины штанг, достигающих 3—4 м и более, малого диаметра отверстия, искаженности его профиля и неровности поверхности.

В связи с этим, с целью экспериментальной проверки воз­ можного повышения долговечности буровых штанг обработкой промывочного канала были выбраны следующие простые и достаточно экономичные способы:

1. Покрытие промывочного канала штанг высокоадгезийной эмалью после предварительного обезжиривания поверхности.

2. Гидроабразивная очистка поверхности промывочного ка­ нала штанг с последующим фосфатированием и высокОадгезийным эмалевым покрытием.

3. Упрочнение поверхности канала путем взрыва. Предварительно штанги всех трех партий, предназначенных

для обработки указанным способом, подвергались упрочнению поверхностной индукционной закалкой по всей длине па глуби­ ну 1,2—1,5 мм для того, чтобы предотвратить преждевременные поломки с развитием усталости с внешней поверхности.

Покрытие промывочного отверстия буровых штанг эмалью производилось с целью предохранения его поверхности от по­ падания влаги к макро- и микродефѳктам. Буровые штанги подвергались обезжириванию в горячем водном растворе кау­ стической соды при температуре +90oC. После сушки в промы­ вочный канал путем пульверизации наносилась алкидностироль­ ная эмаль MC-17, которая согласно ТУ-УХГІ-105-59 обладает влагоустойчивостью, стойкостью против воздействия масел, бензина, слабых кислот и широко используется для защиты металлов от коррозии. Эмаль эластична и обладает хорошей адгезией. Сушка штанг после покрытия осуществлялась при комнатной температуре в течение двух часов.

Фосфатирование, как способ антикоррозионной обработки, применительно к буровым штангам обладает рядом ценных преимуществ перед другими химическими способами [147—150].

124

Главное свойство фосфатированного покрытия—большая спо­ собность смачивания эмалями и лаками, способность увеличения адгезии покрытий и, что очень ценно, простота и экономичность процесса.

Подготовка поверхности перед фосфатированием имеет ре­ шающее значение для качества получаемой фосфатной пленки. В связи с этим для подготовки поверхности канала штанг при­ менялся способ гидроабразивной очистки. Гидроабразивная обработка экспериментальных штанг осуществлялась на уста­ новке (ПА-1) колокольного типа. Мокрая абразивная пульпа, состоящая из воды и мелкого кварцевого песка, через специаль­ ный ниппель и резиновый шланг пропускалась под давлением сжатого воздуха (5,5—6 ати) в промывочное отверстие с хво­ стовой части штанги и выбрасывалась через противоположный ее конец.

Фосфатирование штанг с подготовленной поверхностью осу­ ществлялось по следующей технологической схеме:

1. Обезжиривание поверхности.

Состав ванны: серная кислота—200 г/л, ингибиторная присадка КС-16 г/л, температура раствора +50oC.

2.Промывка в холодной воде.

3.Нейтрализация.

Состав ванны: каустическая сода—100 г/л, температура раствора +90°C.

4.Промывка в горячен воде с температурой +90°C.

5.Фосфатирование.

Состав ванны: препарат «Мажеф» — 35 г/л температура раствора +95oC.

6. Промывка в горячем воде с температурой +(80 — 90’С).

7.Промывка в холодной воде.

8.Сушка на воздухе.

После осуществления данных операций на поверхность про­ мывочного капала данной партии буровых штанг специальным !пневматическим пульверизатором наносилась эмаль ПФ-28. Эмаль ПФ-28, изготовленная на основе пентафталевых смол 1151, 152], выбиралась на основании того, что она обладает вы­ сокой адгезией к металлам и высокой механической прочностью, стойкая к периодическому воздействию масел, бензина, слабых кислот и воды. После покрытия производилась сушка штанг при комнатной температуре также в течение двух часов.

Взрывание взрывчатого вещества в канале буровых штанг осуществлялось с целью наклепа поверхности стенок канала, создания сжимающих остаточных напряжений и возможного заваривания имеющихся микродефектов. Взрывание производи­ лось детонирующим шнуром ДШ (скорость детонации 7000 м/сек) диаметром 6 мм, который пропускался в канал штанги на всю

125

126

длину. Количество одновременно взрываемого BB составляло 15 г. Подготовленные к взрыву штанги помещались (по две) в специальную камеру (толстостенную трубу диаметром 300 мм)

вгоризонтальном положении. К одному из концов детонирующе­ го шнура прикреплялся электродетонатор, с помощью которого производился взрыв. Результаты ударно-усталостных испытаний всех трех экспериментальных партий буровых штанг приведены

втаблице 6. Из таблицы 6 видно, что наибольшую стойкость до первой поломки имеют штанги, промывочный канал которых подвергался гидроабразивной обработке с последующим фосфа­ тированием и покрытием эмалью.

Их стойкость оказалась в 1,5—2 раза выше стойкости двух других партий штанг, а также ранее испытанных аналогичных штанг, промывочный канал которых не подвергался какой-либо обработке (таблица 1, партия 6) и штанг, испытанных без дос­ тупа воды (таблица 5. партия 2). Характерной особенностью поломок буровых штанг-, канал которых подвергался гидроабра­ зивной обработке, фосфатированию и эмалевому покрытию яв­ ляется то, что у них прекратились поломки стержня. Разрезка

Основная доля поломок произошла в зоне хвостовика и кону­ са с развитием усталостных трещин от внешней поверхности, что объясняется'значительно возросшим - общим ресурсом времени нагружения штанги, в период которого и стало возможным по­ явление очагов усталости в данных местах.

объясняется, во-первых, значительным повышением чистоты по­

стенок промывочного канала достигается абразивной обработ­

пульпой значительно уменьшается глубина, а также изменяется

127

Данный слой имеет достаточно прочное молекулярное сцепление с металлом и обеспечивает высокую адгезию при последующем нанесении эмали. В результате такой обработки поверхность промывочного канала как бы облицовывается эластичной обо­ лочкой, не допускающей проникновения воды к металлу. Такое покрытие не нарушается при эксплуатации штанг. Кроме того, при длительном хранении и транспортировке штанги, подверг­ нутые указанной обработке, гораздо меньше подвержены влия­ нию атмосферной коррозии.

Результаты статистической обработки партий буровых штанг с обработанным каналом приведены в виде графика на рис. 46. Для сравнения на графике также приведены резуль­ таты статистической обработки данных стойкости штанг, испы­ танных без доступа воды (табл. 5, партия 2). Из графика можно представить темп выхода из строя каждой из четырех партий штанг. Так, например, вероятность разрушения буровых штанг за 3,5 часа работы составит 55% для штанг, канал которых подвергался гидроабразивной очистке, фосфатированию и эма­ левому покрытию, за это же время штанги оставшихся партий (упрочнение канала взрывом, эмалевая консервация обезжирен­ ной поверхности) выйдут из строя полностью.

ги, испытанные без досту­ па воды; 4 — гидроабра­ зивная обработка канала с последующим фосфати­ рованием и покрытием эмалью.

Из всех опытных партий штанг, промывочный канал кото­ рых подвергается обработке, наименьшую долговечность пока­ зали штанги с взрывным упрочнением канала. Как показал анализ, поломки указанных штанг на 70% произошли по стержню с развитием усталостных трещин изнутри канала. Вид,

испытаний которых приведены в таблице 1.

Осуществляя замер микротвердости на упрочненной взрывом поверхности канала штанг прибором ПМТ-3 (нагрузка 20 г),

128

участках поверхности канала штанг выявлена разрыхленность и

мывочного канала в местах выхода на поверхность прокатных рисок. Длина таких трещин достигает 20—50 мм. Объясняется это, по-видимому, тем, что вызванная взрывом волна напряже­ ний распространяется к внешней поверхности штанги. При рас­ пространении волны по сечению штанги движение частиц уплот­ няемого металла направлено перпендикулярно фронту волны, т. е. так же, как и при взрыве заряда в отверстии толстостенного

цессе взрыва мгновенно подвергаются воздействию значитель­

1,5—2 мм, что свидетельствует о пластической деформации по всему сечению шестигранника. Вопреки предположению завари­

поломки оказалась на уровне со штангами, у'которых капал никакой упрочняющей и антикоррозионной обработке не под­ вергался (таблица 1, партия 6). Слабые защитные свойства

процессе нагружения штанг. Поскольку поверхность канала была не обработана и, следовательно, неровная, при нанесении эмали могла образоваться пористая пленка, которая при даль­