книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

ные йз легированных сталей, показали очень низкую стойкость далее после поверхностного упрочнения индукционной закалкой. Объясняется это двумя причинами. Во-первых, тем, что у дан­ ных сталей имеется большое количество всевозможных вредных дефектов и прежде всего избыточных фаз, которые особенно сильно снижают долговечность. Кроме того, в штангах, изготов­ ленных из легированных сталей, имеется сравнительно больше, чем в стали 55С2, различных поверхностных дефектов. Указан­ ные легированные стали в 3—4 раза дороже стали 55С2 и очень трудоемки при производстве. Поэтому применять буровые штан­ ги, изготовленные из дорогих сложнолегированных сталей, сле­ дует только после их тщательной проверки в условиях эксплуа­ тации, добившись высококачественного их изготовления и раз­ работки рационального режима поверхностного упрочнения. Применять буровые штанги, изготовленные из легированных ста­ лей без какого-либо упрочнения, основываясь только на том, что они имеют повышенные механические свойства в состоянии по­ ставки, очевидно, лишено оснований. Как было показано выше, для буровых штанг, работающих в условиях сложного напря­ женного состояния, необходимо создание поверхностных сжи­ мающих остаточных напряжений, обеспечивающих ее разгружение. Как известно, это можно достигнуть только разработкой какой-либо упрочняющей технологии.

Нельзя отрицать возможность применения для упрочнения буровых штанг, изготовленных из сложнолегированных сталей, поверхностной индукционной закалки, однако необходимо при

конструкционные сложнолегированные стали осуществляется в основном'с целью увеличения прокаливаемое™. Это дает воз­ можность при термообработке (например, улучшении) получать достаточно высокие и стабильные механические свойства из­ делий, практически, по всему сечению. Если же деталь, напри­

ной роли. C этой точки зрения применение легированной стали также не является рациональным, хотя бы по той причине, что индукционная поверхностная закалка их значительно услож­ няется. В этом случае требуется специальная разработка ре­ жимов нагрева и способов охлаждения штанг, а может быть и создание особых станков и приспособлений.

Шахтные испытания экспериментальных партий подтверди­ ли высокую циклическую прочность буровых штанг, изготов­ ленных из стали 55С2, подвергнутых упрочнению индукцион­ ной закалкой. Это дает основание сосредоточить в настоящее время внимание на их массовом производстве при централизо-

170

и конуса);

Б— штанги, упрочненные индукционной повер­ хностной закалкой.

ванном изготовлении с получением гарантированного прироста

результатам шахтных испытаний большого количества штанг.

танной технологии), можно с достаточной надежностью гаран­ тировать работоспособность любого количества штанг при дан­ ном уровне долговечности. Например, при долговечности 150 шпурометров, коэффициент надежности для штанг, обработан­ ных по старой технологии (кривая А), составляет менее 0,1. Это значит, что работоспособность всего объема данных штанг при достижении такого ресурса долговечности будет исчерпана. При этом же уровне долговечности коэффициент надежности штанг, упрочненных по предлагаемой технологии (кривая Б), составляет 0,85, что гарантирует работоспособность более поло­ вины всего количества данных штанг, значительная часть из которых имеет стойкость намного больше, чем 300 шпурометров.

Для установления гарантированного ресурса долговечности упрочненных штанг, изготавливаемых, при массовом производ­ стве, проводили испытания двух партий штанг в количестве. 380 штук. У штанг одной партии (280 штук) стержень подвер­ гался упрочнению индукционной закалкой, штанги другой пар­ тии (100 штук) упрочнялись по комплексной технологии, заключающейся в том, что промывочный канал их .дополни­

171

дукционной закалке, составляет 180—200 шпурометров. Сред­

бурение шпуров уменьшенного диаметра 30—36 мм. Исследо­ ваниями, проведенными в этом направлении, установлено зна­ чительное возрастание производительности бурения, возмож­ ность получения гладкостенного взрывания, а также уменьше­ ние расходов сжатого воздуха, взрывчатых веществ и т. д. Для бурения шпуров малых диаметров металлургической промыш­ ленностью выпускается сталь с поперечным сечением 22 мм и очень редко 19 мм. Поскольку при бурении штанги уменьшен­ ного сечения нагружаются, как правило, обычными типами перфораторов, напряжения, возникающие в них, намного выше, чем в штангах сечения 25 мм.

Особенно велики напряжения, вызванные изгибом штанг. Так, например, в штангах сечением 22 мм и длиной 3,5 м по­

ны. По этой причине, как показала практика бурения, долго­

лической прочности, ВостНИГРИ совместно с Кузнецким машиностроительным заводом осуществляли упрочнение штанг уменьшенного сечения поверхностной индукционной закалкой на глубину 0,4—0,8 мм; 0,8—1 мм и 1—1,4 мм с проверкой их стойкости на Джезказганском горнометаллургическом комби­ нате. Для сравнения испытывались одновременно штанги, уп­ рочненные по обычной технологии.

Испытывались штанги, изготовленные из стали 55С2 длиной 3200 мм. Бурение производилось по породам крепостью 15—16 перфораторами ПР-ЗОК с помощью крестовых коронок. Резуль­ таты испытаний всех опытных партий штанг приведены в таб­

150—300 мм от торца хвостовика. При этом у штанг с неупрочненным стержнем усталостные трещины развивались в основ­ ном с внешней поверхности. У штанг, подвергнутых поверх­ ностной индукционной закалке на глубину 1—1,4 мм, наблюдалось хрупкое разрушение без видимых признаков

172

173

усталостного разрушения. Эти штанги показали самую низкую стойкость. Максимальная стойкость оказалась у штанг, зака­ ленных на глубину 0,4—-0,8 мм.

По-видимому, для штанг сечением 22 мм Данная глубина упрочненного слоя наиболее рациональна, т. к. при этом обес­ печивается оптимальное соотношение запаса остаточных сжи­ мающих поверхностных напряжений и прочности незакаленной вязкой сердцевины. При более глубокой закалке, по-видимому, такое соотношение нарушается, поскольку в сердцевине штанг появляются неблагоприятные остаточные напряжения растяже­

растягивающей составляющей остаточных напряжений дости­ гают величины, превышающей предел прочности металла. По

способами, например, дробеструйной или шаровой обработкой

способ бурения шпуров, который в наши дни нашел широкое применение в силу его значительного преимущества перед вра­ щательным д ударно-поворотным. Исследованиями ЭпштейД, на Е. Ф., Чумакова С. А., Израилета Б. 3., Медведева И. Ф., Пуляева Л. И., Алимова О. Д., Горбунова В. Ф. и др. показа­

увеличения усилия подачи, числа и энергии ударов. Вращательно-ударные буровые установки наиболее де­

тально исследовались в СССР и Западной Германии. Создано ряд конструкций бурильных машин вращательно-ударного действия. В ФРГ выпуск данных буровых установок освоили фирмы «Хаусхерр» и «Зальцгиттер». В СССР буровые уста­ новки вращательно-ударного действия выпускаются Кузнецким

основном высокоуглеродистая буровая сталь, легированная до­ полнительно хромом,никелем, молибденом.

174

Стержень штанг подвергается только износу, поэтому усталост­

с Кузнецким машиностроительным заводом провели исследо­ вания по повышению циклической прочности и долговечности штанг вращательно-ударного бурения. Для этой цели штанги подвергались поверхностной индукционной закалке по всей длине, обеспечивающей не только высокое их сопротивление усталостному разрушению, но и износоустойчивость поверхности.

с получением более глубоких слоев .практически не целесооб­

с обычными (незакаленными) в лабораторных условиях, а так­

буровой мелочи производилось за счет боковой подачи промы­

выше обычных. Основным местом поломок упрочненных штанг является также конусное соединение и особенно соединение штанги с коронкой.

175

соединение. Только в этом случае можно достигнуть высокого упрочняющего эффекта при закалке.

§ 4. О результатах исследования стойкости штанг для бурения глубоких скважин

В горно-рудной промышленности большое распространение

меняют витую круглую буровую сталь, позволяющую изготав­ ливать отдельные секции штанг без дополнительной нарезки.

инструмента является торцевое соединение, выполненное в ви­ де резьб с муфтами. Разработка различных соединений буро­

рое обеспечивало бы легкое монтирование и разъем штанг, было бы проще и обладало бы продолжительным сроком служ­ бы.

Вначале в США применялась обратная (левая) упорная резьба. Затем после продолжительных экспериментов в Шве­ ции была разработана ленточная (канатная) резьба «Коромант». Эта резьба позволяет легко разъединить штанги руками без гаечного ключа или другого оборудования.

Для буровых штанг широкое распространение имеют два типа резьб — ленточная и обратная упорная резьба (рис. 81). Меньшее распространение имеют круглая резьба, применяю­ щаяся исключительно в США, и коническая обратная упорная резьба, наиболее распространенная в Европе.

Штанги для составных буров изготавливаются из легиро­ ванных сталей высокого качества. В Европе и Америке обычно используются хромоникелевая сталь, которая подвергается тер­

176

P и с. 80. Составны е круглые ш танги для бурения глубоких скважин.

введены свинчивающиеся штанги, изготавливаемые из холод-

ровному профилю ленточной резьбы и малому зазору между

штанги будет увеличено путем высадки. В последнем случае резьба имеет большее поперечное сечение в конце нарезки, чем вначале штанги. Утолщенная часть нарезки воспринимает большую часть изгибающих напряжений, вследствие чего уменьшаются поломки штанг. По этой причине составные штан­ ги с резьбой, нарезанной после высадки концов штанг, должны применяться там, где может ожидаться отклонение шпуров от прямого направления, например, при бурении глубоких шпуров в подземных условиях.

Резьбовое соединение штанг, как показала практика экс­

проводились исследования по усовершенствованию конструк­ ции и термической обработки штанг с целью получения более

тация и затем изучалась зависимость стойкости штанги от дан­ ных видов термообработки. Наилучшими оказались штанги из науглероженных сталей, которые сейчас особенно интенсивно внедряются при ударном бурении скважин. На таких штангах

178

начали нарезать упорную резьбу, имеющую . больший угол наклона поверхности ниток и большую допустимую толщину тела износа. Кроме того, эта резьба способна самоцентрироваться при равномерном распределении напряжений. Установ­

нию штанги и спиральных (винтовых) углов резьбы к попереч­ ному сечению штанги. Чем меньше эти углы, тем больше затя­ гивающая сила резьбы при вращательной нагрузке.

узла. соединения наступает от износа. Разъединение узла сое­ динения комплекта штанг с такой резьбой очень трудоемко и требует больших усилий, на что расходуется большое коли­ чество времени. При этом бурильщик часто прибегает к посту­

Исследовалась также толстониточная резьба волнообразной формы. Конструкция этой резьбы имеет ограниченную площадь контакта, в результате чего происходит быстрый износ с обра­ зованием больших углов вдавливания, вызывающих ослабление соединения. Хотя процесс разъединения этой резьбы происходит очень легко и не требует постукиваний, ни сильных ударов, всеже повреждение штанг при работе наблюдается.

На основании опытных данных и результатов всесторонних лабораторных исследований формы резьбы и структуры ме­ талла штанг и муфт после термообработки была разработана

слабую ходовую нарезку и легко разъединяется без примене­ ния постукиваний, ударов и растягивающих усилий. Это резь­ бовое соединение имеет большой срок службы, обеспечиваю­ щийся довольно широкими участками соприкасающихся ниток

гими штанговыми соединениями и пригодна для бурения как мелких шпуров, так и глубоких скважин.

В Советском Союзе составные штанги для бурения глубоких

круглой буровой стали диаметром 36, 38 и реже 32 мм. Сталь такого диаметра применяется в основном при бурении шпуров колонковыми перфораторами. Стали диаметром 36—38 мм при­

179