книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

сокііе результаты обеспечивают специальный отжиг или улуч­ шение [59].

Впоследние годы делались попытки осуществлять объем­ ную закалку штанг по всей длине. Как показали исследования, проведенные в ряде институтов, сквозная закалка буровых штанг не дала преимуществ в сравнении со штангами, у кото­ рых термообработке подвергались только концы [56, 57].

Вцелом, как отмечается в зарубежной и отечественной ли­ тературе, вопрос о рациональной термообработке штанг попрежнему остается открытым. В значительной степени это свя­ зывают как с противоречивостью взглядов исследователей на процессы термообработки элементов штанги, так и с большой номенклатурой их по конструкции, условиям эксплуатации и маркам стали, требующим определенной технологии обработки. Становится общепризнанным, что отсутствие единой технологии ковки и термообработки штанг значительно сокращает срок их службы и приводит к перерасходу буровой стали.

Впоследние годы все более широкое внедрение получает так называемая прочностная технология, т. е. специальная об­ работка поверхностей для повышения ударно-усталостной проч­ ности буровых штанг. Толчком к этому послужили многочислен­ ные исследования, связанные с повышением усталостной проч­ ности изделий в машиностроительной промышленности, уста­ новившие, что при эксплуатации машин практически наиболь­ шие напряжения возникают на поверхности деталей, где чаще всего протекают усталостные процессы. Особенно опасны рас­ тягивающие поверхностные напряжения в деталях, вызванные знакопеременными изгибающими нагрузками, поскольку при

наличии каких-либо концентраторов напряжений в металле они вызывают быстрое усталостное разрушение. Создание в поверхностных слоях деталей остаточных напряжений сжатия за счет упрочняющей обработки приводит к уменьшению рас­ тягивающих напряжений и, следовательно,, к более длитель­ ному сроку их службы [60—73]..

Учитывая опыт успешного упрочнения огромной номенкла­ туры детален в машиностроении, в ряде стран проводились ис­ следования по упрочнению буровых перфораторных штанг. Пер­ вые попытки упрочнения поверхности буровой стали осущест­ влялись в Канаде, где был выдан патент на спиральную обкат­ ку'. [191]. Примерно в этот же период в Швеции был разрабо­ тан способ поверхностного наклепа буровых штанг за счет од­ ноосного растяжения предварительно обезуглероженного метал­ ла, а . также началось исследование различных режимов попе­ речной обкатки штанг роликами.

В основе упрочнения штанг обкаткой роликами лежит явле­ ние локального наклепа поверхностных слоев стали. В резуль­ тате создания остаточных сжимающих напряжений на поверх­ ности долговечность штанг повысилась на 50%. В США и в

50

обкатки на поверхность штанг сообщается через ролики усилие до 400 кг.

Глубина наклепа достигается в пределах 0,2—0,3 мм. Дробеструйная обдувка штанг с целью создания сжимаю­

щих напряжений появилась почти одновременно с накаткой. Буры, подвергнутые дровеструйнои обработке, оказались почти вдвое долговечнее обычных. Согласно литературным данным, в последние годы дробеструйный наклеп буровых штанг при­ меняется лишь в Швеции, ФРГ и частично в Японии. Считают, что способ дробеструйного наклепа малопроизводительный, од­ нако многие авторы видят преимущество способа в более эф­ фективном упрочнении поверхности штанг, по сравнению с на­ каткой роликами. Очевидно, в связи с этим, в последнее время некоторые фирмы возобновили разработку различных режи­ мов дробеструйного наклепа. Например, акционерное общест­ во «Фагерста Брук» (Швеция) рекламирует шаровую бомбар­ дировку поверхности буровых штанг, которые имеют наиболь­ ший возможный срок службы в самых тяжелых условиях бу­ рения [74].

родные буры «Комета», которые в процессе производства под­ вергаются дробеструйной обработке [76].

В СССР дробеструйная обработка буровых штанг не по­ лучила распространения.

Наряду с деформационными способами поверхностного уп­ рочнения буровых штанг за рубежом и в СССР проводились исследования, направленные на увеличение их долговечности за счет поверхностной термообработки, однако в очень малом объеме. Первая попытка осуществления поверхностного упроч­ нения буровых штанг индукционной закалкой в исследователь­ ских целях принадлежит Влодеку [193]. Производя закалку хромоникелевой и углеродистой стали на глубину 0,5—0,9 мм, он получил удовлетворительное распределение закаленного слоя по периметру шестигранника. Выявление эффективности повер­ хностной закалки буровой стали осуществлялось им путем ус­ талостных испытаний на специальной крутильной машине (ка­ надский метод испытаний). Для сравнения также испытыва­ лись образцы буровых штанг, подвергнутых спиральной обкат-

51

ке, дробеструйной обдувке и протяжке. Испытания показали, что наибольшее сопротивление усталостным нагрузкам оказали образцы углеродистой и легированной буровой стали, подвер­ гнутые спиральной обкатке.

Образцы, подвергнутые индукционной закалке, показали на­ половину меньший эффект. Очевидно, по этой причине индук­ ционная закалка буровых штанг не получила в США и Канаде распространения и дальнейшие исследования в этом направле­ нии прекратились.

В СССР исследования, направленные на повышение уста­ лостной прочности буровых штанг методами поверхностного упрочнения, осуществили институты ЦНІІЧМ, НИГРН, а так­ же Серовскип металлургический завод. В ЦНІІЧМ в лабора­ торных условиях испытывались усталостные образцы углеро­ дистой шестигранной буровой стали с поверхностным упрочне­

глубину до 5 мм. [77].

В процессе испытаний выяснилось, что наиболее эффектив­ ными для увеличения выносливости буровой стали являются

дала, т. к. штанги были очень хрупки.

Испытания шестигранных буровых штанг, изготовленных из углеродистой стали У7 и подвергнутых дробеструйной обра­

62

ботке, провел в шахтных условиях институт НІІГРІ-І [77]. Од­ новременно нм испытывались буровые штанги, у которых кону­ са подвергались обкатке роликами. Было установлено, что дол­ говечность тех и других штанг повысилась, по сравнению с не­ упрочненными, в среднем на 35%.

Упрочнение поверхности буровых штанг, изготовленных из

прочности буровых перфораторных штанг проведены институ­ том ВостНИГРИ совместно с Кузнецким машиностроительным заводом и Абаканским железным рудником [78—80]. Было уста­ новлено, что наиболее эффективно долговечность буровых штанг повышается после поверхностного упрочнения индукционной закалкой. При этом оказалось, что весьма важным является правильный выбор режима закалки. Стойкость буровых штанг, изготовленных из стали 55С2 и подвергнутых индукционной за­ калке. в шахтных условиях повысилась в 4—5 раз, по сравне­ нию с обычными, и в 2—3 раза по сравнению со штангами, стержень которых упрочнялся обкаткой роликами [81]. В на­ стоящее время прогрессивный и эффективный способ упрочне­ ния буровых штанг внедрен и освоен па Кузнецком машино­ строительном заводе и продолжает внедряться на друтих пред­ приятиях страны.

§ 7. Явления коррозионной усталости в буровых штатах

Внедрение в горнорудной промышленности бурения шпуров с промывкой значительно изменило условия работы штанг и резко сократило срок их службы. Разрушение штанг сконцент­ рировалось в основном по стержню и конусам, причем разру­ шение стержня на 30—70% стало развиваться от осевого про­ мывочного канала [82]. Увеличение долговечности штанг стало острой проблемой и привлекло внимание ученых и производ­ ственников почти во всех странах.

C целью определения влияния рудничной ВОДЫ HiT стойкость буровых штанг в шахтных и лабораторных условиях в Швеции, Канаде, США и СССР осуществлялось бурение с удалением бурового шламма водой и сжатым воздухом. Испытания пока­ зали, что стойкость штанг при бурении с промывкой, т. е. в коррозионных условиях, оказалась в два раза ниже, чем при бурении с продувкой воздухом. Далиным [82] и Влодеком [193] было обнаружено непрерывное снижение кривых усталости, т. е. имела место ограниченная выносливость буровой стали, ха-

53

растеризуемая тангенсом угла наклона кривой усталости к оси абсцисс. Испытания штанг при бурении с продувкой воздухом, т. е. в «сухик» условиях, напротив, показали наличие постоян­ ного предела усталости. Пытаясь вскрыть причину быстрого усталостного разрушения буровых штанг, Дарби, Симпсон, Кемсли и др. исследовали влияние качества поверхности буровой ста­ ли. Ими установлено, что после горячей прокатки на поверх­ ности буровой стали имеются многочисленные дефекты, после удаления которых шлифовкой стойкость штанг увеличилась в 2 раза.

При объяснении влияния воды на усталостное разрушение буровых штанг привлекалась прежде всего упомянутая выше гипотеза электрокоррозионного роста трещин в металлах, сфор­ мулированная Эвансом [83, 84]. Согласно этой гипотезе, на поверхности штанги или в промывочном отверстии в резуль­ тате механического воздействия или коррозионного процесса возникает небольшое поражение (канавка) в форме местных изъязвлений, катодом которой являются места концентрации напряжений, т. е. дно канавки, а анодом — внешняя поверх­ ность. При эксплуатации штанг, в силу электрохимической ак­ тивности, изъязвления углубляются и превращаются в глубокие трещины. Дальнейшее разрастание трещин под действием кон­ центрации циклических напряжений приводит к разрушению штанги, когда оставшееся сечение не способно выдерживать ударные нагрузки. Электрокоррозионный механизм раскрыл внешнюю картину усталостного разрушения буровых штанг, однако многие явления, связанные с высокой скоростью проте­ кания усталостного процесса, избирательностью развития тре­ щин, защитным влиянием остаточных сжимающих напряжений и другими факторами, не нашли удовлетворительного объяс­ нения. В связи с этим были попытки дать объяснение ударно­ усталостному разрушению штанг с позиций теории адсорбцион- но-электро-химической коррозии [194], разработанной в СССР. Карпенко Г. П. на основе адсорбционно-расклинивающего эф­ фекта Ребиндера П. А. [85, 86]. По указанной гипотезе в период коррозионной усталости наблюдается всегда два процесса: пер­ вичный, заключающийся в адсорбционном образовании микро­ трещин под влиянием ударно-циклических нагрузок, и вторич­ ный, собственно, коррозионный процесс (электрохимическая коррозия) внутри уже образовавшихся трещин. В целях уве­ личения коррозионно-усталостной стойкости буровых штанг многие зарубежные фирмы пошли по пути упрочнения внешней поверхности. Как уже указывалось, за счет создания поверх­ ностных напряжений сжатия дробеструйным наклепом и обкат­ кой роликами частично удалось ликвидировать усталостные' поломки штанг по стержню с внешней поверхности, что в целом способствовало увеличению их долговечности примерно на

54

ванная обработка, заключающаяся в дробеструйном наклепе и оцинковании (рис. 14). Однако, в результате последующих ис­ следований оцинкование, как технологически сложный и мало­ эффективный способ был отвергнут, и дальнейшие исследова­ ния по изысканию антикоррозионной обработки буровых штанг прекратились.

Анализ опубликованной зарубежной н отечественной горно­

недостаточно полной изученности этого явления. В суждении о причинах и механизме, а также скорости коррозионно-усталост­ ного разрушения буровых штанг все еще не преодолены проти­ воречия, которые, безусловно, сдерживают правильное обосно­ вание путей повышения их долговечности. В работах Влодека, Кемсли и др. отмечается необходимость более полного изучения характера связи процессов коррозионно-усталостного разруше­ ния буровой стали с ее механическими свойствами, структурой, качеством поверхности, геометрией и т. д.

56

показали несостоятельность методов решения вопросов повы­ шения долговечности бурового инструмента путем осуществле­ ния частных мероприятий внутриведомственного масштаба. Многие министерства и ведомства, имеющие в своем производ­ стве буровые работы, вынуждены тратить немало усилий и ма­ териальных средств на создание собственного фонда бурового инструмента. Со временем это привело к созданию многочис­ ленных очагов по выпуску буровых штанг, коронок и буров в

горнорудных предприятиях .Министерств черной и цветной ме­ таллургии.

водства буровых штанг и цельноармированного инструмента, а также увеличению их качества. Однако до настоящего време­ ни улучшению технологии производства и повышению надеж­ ности бурового инструмента на основной массе рудников все еще уделяется недостаточно внимания и чаще всего осущест­ вляется путем рационализации только наиболее трудоемких операций. В значительной степени это определяется целым ря­ дом объективных причин, например, отдаленностью рудных баз, нехваткой специалистов-металловедов, а также недостаточным оснащением бурозаправочных мастерских современным обору­ дованием и инструментом. За редким исключением, большин­ ство рудников вынуждено осваивать бурозаправочные работы, исходя из местных условий, зачастую применяя кустарное обо­ рудование и устаревшую технологию. В лучшем случае выбор режима ковки и термообработки штанг и их элементов произво­ дится путем подбора, исключительно основанного на опыте и навыках бурозаправщиков-термистов. Неудовлетворительно организована и поставка буровой стали на рудники, не говоря уже о том, что сам поступаемый с заводов металл не всегда обладает требуемым качеством. Часто допускается пересорти­ ца марок стали, порча поверхности за счет неудовлетворитель­ ного хранения, что приводит к большому количеству брака и отходов и в общем итоге значительному удорожанию бурозап­ равочных работ. Сейчас непосредственно на рудниках изготав-

57

ляется около 90% необходимого количества буровых штанг и буров, поэтому возникает острая потребность в создании цент­ рализованной системы их производства и поставки с разработ­ кой единых поставочных нормативов и ГОСТов. Однако органи­ зация централизованного производства бурового инструмента зависит от своевременного осуществления исследований в этой области металлургии. И, очевидно, наиболее плодотворное и оперативное решение этой проблемы возможно только при условии целенаправленной мобилизации усилий ученых и спе­ циалистов различных профилей: металлургов, машиностроите­ лей и технологов-металловедов.

При этом учитывая опыт ведущих зарубежных фирм указан­

упрочняющая и антикоррозионная обработка. Нерешенных вопросов в направлении создания высокопрочного бурового инструмента, к сожалению, еще много.

Как показал анализ опубликованной отечественной литера­ туры, до сих пор многие важнейшие положения, связанные с получением сталей бурового сортамента, технологией бурозап­ равочных работ и заключительных операций, таких как упроч­ нение, изучены еще далеко недостаточно, что значительно сдерживает повышение его надежности и долговечности. Недос­ таточно полно разработаны и единые теоретические основы, раскрывающие перспективы повышения сопротивления бурового инструмента усталостному разрушению, вызванному ударно­ циклическими нагрузками и одновременными коррозионными яв­ лениями. Например, в обширной информации по теории волно­ вых напряжений в буровых штангах, почти не уделено внима­ ния поведению буровой стали с различным структурным соста­ вом при прохождении импульсов ударно-циклических напряже­ ний.

Имеющиеся данные по этому вопросу, изобилуют неточ­ ностью и ошибочностью суждений. Это привело к тому, что до настоящего времени такие исключительно важные вопросы, как выбор марок буровой стали, их состав и метод термообработки, оценка усталостных и прочностных свойств, практически ос­ таются не решенными и требуют детального изучения.

Чтобы обеспечить высокое сопротивление буровых штанг усталостному разрушению, вызванному высокими ударно-цик­ лическими нагрузками, необходимо осуществить исследования в направлении изыскания прогрессивных способов выплавки и прокатки, установлению эффективного и рационального упроч­ нения их внешней поверхности. Несмотря на то, что в ряде стран предпринимались попытки исследовать данный вопрос, в опубликованных работах умалчивается или.не указывается

58

чественные закономерности и связь внешних силовых факторов, остаточных напряжений, констант материала, с долговечностью. В результате чего до сих пор нет ясности в том, какие способы и режимы поверхностного упрочнения инструмента деформаци­ онные, термические, химико-термические или комбинированные являются наиболее эффективными.

Сильное отрицательное влияние на стойкость бурового става

лероживание и т. д.). В связи с этим материалы бурового сор­ тамента следует оценивать на предельное состояние, как тела с трещиной методами линейной механики разрушения. В этом отношении изучение влияния указанных факторов на стойкость бурового инструмента и разработка оптимальных мероприятий

горному оборудованию эти аспекты линейной механики разру­ шения пока не получили научного освещения. Огромное прак­ тическое значение при производстве буровых штанг, как отме­ чалось, имеет разработка приемлемых способов антикоррозион­ ной защиты. Пока и по этому вопросу есть ряд существенных разногласий. Одни считают, что коррозионно-усталостные явле­ ния в элементах бурового става не отличаются от процессов усталостного разрушения, протекающих в изделиях при обыч­ ных плавных условиях нагружения (кручение, изгиб и т. π.). В то же время многие результаты исследований приводят к выво­

разрушение металла объясняет с позиций теории электрохими­ ческих явлений, что практикой защиты штанг пока не подтверж­ дается. C другой стороны, делаются попытки представить ме­ ханизм разрушения штанг с привлечением теории адсорбцион- по-электрокоррозионных явлений. Однако и в этом направле­ нии выполнено еще мало исследований, а имеющиеся результа­ ты пока не являются надежными и требуют проверки κ∙ уточ­ нения. Как следствие этого на заводах и рудниках, практически, отсутствуют участки по защите бурового металла и готового инструмента от коррозии. Не создано также и надежных мето­ дов расчета элементов бурового става на прочность и долговеч­ ность, связывающих силовые параметры буровой машины, свой­

59