книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

ГЛАВА II

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

§1.0 выборе и обосновании стали для буровых перфораторных штанг

В настоящее время имеются многочисленные данные по дол­ говечности буровых штанг, изготовленных из самых различных по составу и структуре сталей, однако до сих пор не выявлено каких-либо значительных преимуществ сталей, средне и высо­ колегированных, в сравнении с углеродистыми или низколеги­ рованными конструкционными.

Многими исследователями замечено, что стойкость буровых штанг, изготовленных из легированных сталей различного сос­ тава, практически не имеют закономерной связи с их проч­ ностью. Сопоставляя, например, приведенные в литературе ре­ зультаты стойкости штанг, изготовленных из сталей ЗЗНХЗМ, 18Х2Н4А, ЗОХЗМФ, ЩХ15МЗ, 3X13, ЗОХГСФА, 95ХМА [90], можно сделать вывод о том, что данные штанги оказались в процессе эксплуатации в шахте менее долговечными, чем из­ готовленные из углеродистой стали.

Говоря иначе, прочность штанг, достигнутая только введе­ нием в сталь различных легирующих элементов без обеспече­ ния хорошей поверхности и без создания термообработкой уп­ рочненного слоя, не используется, поскольку не оказывает влия­

буровых штанг. По-прежнему стремятся достигнуть значитель­ ного повышения их стойкости разработкой и исследованием новых легированных марок сталей, не учитывая того, что на металлургических заводах это приводит к неоправданным за­ тратам средств на производство трудоемких опытных плавок. При этом не обоснованно ссылаются на опыт производства

61

легированных буровых сталей за рубежом, не учитывая воз­ можностей, специфики и особенностей зарубежной металлургии. Предпринимаются попытки по стандартизации марок буровой стали без проверки их стойкости в широких производственных масштабах.

Между тем, если исходить из эксплуатационных условий ра­ боты и нагружения буровых штанг, можно отметить ряд исклю­ чительно важных особенностей их напряженного состояния, ко­ торые дают основание, в связи с выполненными в этом направ­ лении исследованиями, изменить взгляды на принцип выбора буровой стали по составу.

Поскольку буровые, штанги подвержены воздействию ин­ тенсивного ударно-циклического нагружения и одновременного коррозионного влияния воды, выбор стали для них приобрета­ ет особое значение и должен базироваться на способности ме­ талла оказывать значительное сопротивление ударно-усталост­ ному разрушению в данных условиях.

Как показали исследования [91—94], стали реагируют на им­ пульсивные ударные нагрузки совсем по-иному, чем на стати­ ческие. Различие может быть очень большим и даже совершен­ но неожиданным для данной стали, если она выбрана без уче­ та условия нагружения. При ударных нагрузках напряжения локализованы, имеют переходный характер и могут вызвать в детали разрушение в местах с самыми незначительными дефек­ тами механического, структурного или какого-либо другого про­ исхождения. Следовательно, для буровой стали, подвергаемой ударно-циклическому нагружению, состав, структура и качест­ во металла имеют очень важное значение, поскольку даже в пределах одной структуры у металла имеются участки с раз­

что участки с малым сопротивлением пластической деформа­ ции в буровом металле деформируются сильнее, чем соседние микрообъемы. В соответствии с этим разрушение буровой ста­ ли при микроударном воздействии происходит избирательно в наиболее слабых местах. Разрушение структуры перлита проис­ ходит на границе феррит-карбид и развивается в сторону фер­ рита. В связи в этим наличие в структуре доэвтектоидной бу­ ровой стали большого количества феррита обусловливает ин­ тенсивное ее разрушение. В сталях высокоуглеродистых, заэвтектоидпых избыточные карбидные фазы также облегчают про­ текание усталостного разрушения, действуя подобно надрезам в основной массе металла. Следовательно, в вопросе обеспече­ ния высокой стойкости буровой стали большое значение приоб­ ретает однородность и строение структуры. Образование избы-

62

точных структурных составляющих в металле отрицательно сказываются на длительности работы буровых штанг при вы­ соких динамических нагрузках независимо от запаса его меха­ нических свойств. Обнаруженное явление незначительной раз­ ницы в долговечности штанг, изготовленных из сталей с раз­ личной степенью легированности в сравнении с менее легиро­ ванными, находит логическое объяснение, вытекающее из сфор­ мулированной Гуляевым А. П. теории предельного легиро­ вания [95, 96]. Им показано, что механические свойства сталей разного состава при сопоставлении с прочностью, полученной термической обработкой, укладываются в узкую полосу естест­ венного рассеяния (рис. 15). Как отмечает Гуляев А. П.: «Нет каких-то особых счастливых сочетаний легирующих элементов, обеспечивающих получение исключительно высоких механиче­ ских свойств стали. Высокие механические свойства стальных деталей обеспечиваются, как высококачественным их изготовле­ нием, так и различными способами упрочнения и термообработ­ ки» [95].

Рис. 15. Зависимость механических свойств конструкционных сталей от прочности.

В практике бурения хорошо известно, что стойкость буровых штанг очень сильно зависит от состояния и качества поверхно­ сти. Это обстоятельство практически лишает смыслй применять для изготовления штанг сложно-легированные стали в состоя­ нии поставки без какой-либо обработки, тем более, что многими исследованиями, выполненными в последние годы, показана склонность их к образованию всевозможных поверхностных дефектов, сильно снижающих конструктивную прочность в усло­ виях эксплуатации [97—99].

Таким образом, при выборе и назначении марок буровой стали необходимо прежде всего руководствоваться не запасом их механических свойств, достигнутых введением различных

63

компонентов, а конструкционной динамической прочностью, и повышенной вязкостью разрушения, которая может быть полу­ чена в результате осуществления эффективной упрочняющей технологии или термообработки, а также и создания многослой­ ной (композитной) конструкции. Сталь должна иметь оптималь­ ный состав углерода и легирующих элементов, исключающих наличие вредных избытков фаз в структуре.

В приведенных исследованиях изучалась стойкость и долго­ вечность буровых штанг из перлитной буровой стали 55С2. Для получения сравнительных данных по долговечности наряду со штангами, изготовленными из стали 55С2, с различными иссле­ дуемыми вариантами обработки и упрочнения, испытывались в шахтных условиях также штанги из сложнолегированных ста­ лей. Были выбраны четыре марки буровых сталей (28X1 НЗМ, ЗОХГСФА, ШХ15М, 95ХМА), относящихся к различным струк­ турным классам и рекомендуемых для изготовления штанг [20, 22]. Состав, механические свойства и структура указанных сталей в состоянии поставки полностью соответствовали требо­ ваниям технических условии.

§ 2. Ударно-усталостные испытания буровых штанг

Буровые перфораторные штанги в процессе бурения подвер­ гаются весьма продолжительному действию быстроповторяю­ щихся ударных нагрузок. В этих условиях речь идет уже об ударно-циклической прочности материала штанг, характеристики и показатели которой будут отличаться от характеристик проч­ ности металлов при обычных циклических нагрузках и должны быть получены при испытаниях повторными ударами. Однако уже продолжительное время оценка усталостных свойств буро­ вых сталей, в состоянии поставки и подвергнутых различной упрочняющей обработке, осуществляется на разнотипных уста­ лостных машинах, совершенно не предусматривающих ударногонагружения. При этом испытания проводятся на стандартных образцах разного типа и размеров, нередко испытывают образ­ ны и в виде небольших отрезков буровой стали [23]. Это при­ вело к тому, что огромное количество экспериментальных данных оказалось не сопоставимым.

Так, для буровых сталей 55С2 и У8, которые сейчас наиболее широко применяются в горной промышленности, значение пре­ дела усталости только в состоянии поставки расходится более, чем в три-четыре раза. Еще больший разброс наблюдается в результатах усталостных испытаний штанг, подвергнутых раз­ личному упрочнению. Одностороннее отношение к испытанию буровых сталей, исключающих ударное нагружение, связано с устаревшей и ошибочной гипотезой, предложенной еще в начале

64

нашего столетия Стентоном и Берстау, а также частично под­ твержденной Мюллером [100—105].

Основные выводы этих экспериментальных работ сводились к тому, что при малом числе ударов (до 500) процесс ударно­ усталостного разрушения не отличается от разрушения, наблю­ даемого при единичном ударе. При большем же числе ударов (выше 10000) ударно-усталостное разрушение не отличается от процесса усталостного разрушения, наблюдаемого при стандарт­ ных испытаниях на кручение, изгиб и т. п.

В последние годы сложившиеся взгляды на испытания пов­ торными ударами были подвергнуты критике и эксперименталь­ ной проверке. В результате работ Давиденкова H. H., Ламп­ ой А. А., Лашко Н. Ф. [100, 101] и многих других разработаны новые теоретические положения, которые диктуют необходи­ мость осуществления специальных ударно-усталостных испыта­ ний для изделий, работающих в условиях ударно-циклического нагружения. Более достоверные и сопоставимые данные можно получить и для буровых перфораторных штанг, осуществляя их испытание в условиях, наиболее приближенных к эксплуа­ тационным.

Последнее время предпринимались попытки оценивать дол­ говечность штанг по результатам ударных испытаний, однако во многих случаях при этом было допущено ряд ошибок, иска­ жающих характер нагружения штанг. Например в Канаде одно время производились так называемые блоковые испытания бу­ ровой стали на специальном пневматическом вибростенде. Ука­ занный способ испытаний давал возможность в какой-то степени щенивать долговечность буровых сталей по количеству вибро­ циклов в единицу времени. Однако при этом не представлялось возможным учесть при нагружении образца многих факторов, оказывающих решающее влияние на стойкость буровых штанг в процессе бурения, таких, как изгибающие и осевые нагрузки,

В связи с отсутствием специальных высокочастотных удар­ ных испытательных машин и сложностью их конструирования усталостные свойства буровых штанг оцениваются по результа­ там стендовых испытаний, где разрушение штанг осуществля­ ется в процессе бурения типовым перфоратором по стальной или чугунной плите. В этом случае условия нагружения буровых штанг, хотя несколько жестче, чем при бурении по породе, но

Существенным недостатком всех предыдущих испытаний яв­ лялось то, что условия работы штанги в значительной степени ис-

вых подающих механизма, обеспечивающих перемещение, (пе­ рестановку) каретки в вертикальной и ..горизонтальной плос­ костях.

Пневліоподатчик служит для нагружения штанги в осевом направлении усилием 95—100 кг.

Воздухораспределительное устройство обеспечивает подачу сжатого воздуха к перфоратору и пневмоподатчику.

Стенд служит для установки и закрепления, с помощью за­ жимного устройства чугунного блока (плиты 800×800×400 мм),

по которому производится бурение.

Испытуемые натурные образцы изготавливались длиной 700 мм. Бурение опытными штангами проводилось при среднем рабочем давлении сжатого воздуха 5,5—6 ати, с применением долотчатых коронок, лезвие которых предварительно притупля­ лось для создания максимальной нагрузки на штангу. Удаление бурового шламма производилось водой, которая подавалась в шпур через перфоратор и штангу от водопроводной магистрали под давлением 2—2,5 ат. Бурение осуществлялось до первой поломки с точным, фиксированием давления сжатого воздуха и времени включения и выключения перфоратора в журнале хро­ нометражных наблюдений.

§ 3. Статистическая обработка результатов усталостных испытаний и оценка надежности буровых штанг

В процессе любых усталостных испытаний наблюдается значительный разброс результатов как по величине пределов выносливости, так и по долговечности [106—108]. Этот разброс связан с несовпадением свойств металла разных плавок, полу­ ченных при различных процессах изготовления полуфабрикатов (выплавка, ковка, прокатка и т. п.) и технологией последующей механической и термической обработки непосредственно самих образцов, а также многими другими явлениями. Разброс в показаниях может порождаться и условиями испытаний: коле­ баниями размеров образцов, точностью установки их в захватах испытательной машины, изменением нагрузки и другими слу­ чайными причинами. Все перечисленные факторы могут быть в той или иной степени устранены за счет точного изготовления и обработки образцов и тщательного соблюдения методики испы­ таний.

Однако никакие меры не могут полностью устранить рассе­ яния результатов испытаний, связанного со статистической при­ родой процесса усталостного разрушения. К причинам, порож­ дающим естественный разброс данных усталостных испытаний, следует отнести микроскопические источники рассеяния, связан­ ные со структурной неоднородностью металла (величина, форма и ориентация зерна, наличие неметаллических включений, иска-

67

жсние кристаллической решетки, изменение в структуре поверх­ ностных слоев и т. д.) Особенно сильно влияют указанные фак­ торы на разброс результатов усталостных испытании образцов, подвергаемых ударным нагрузкам и, в частности, при ударно­ усталостных испытаниях буровых штанг. В этом случае чувстви­ тельность образца, имеющего разного рода дефекты, очень велика. Вследствие значительного разброса характеристик стойкости буровых штанг результаты их испытаний необходимо подвергать статистической обработке;

До настоящего времени при оценке долговечности буровой стали и перфораторных штанг методы математической статисти­ ки почти не применялись. Первая попытка осуществления статис­ тической обработки результатов стойкости штанг принадлежит Далину [82], который, предположив, что она подчиняется нор­ мальному закону распределения, выразил плотность вероятно­ сти долговечности штанг функцией, согласно формуле 1. Где, а--параметр распределения. Гермал-Трантеполь [109] при оценке долговечности небольшого количества (5—6 штук) ис­ пытанных буровых штанг использовал метод малой выборки (выборочное распределение Стьюдента) [110, 111]. Указанный метод статистической обработки значении стойкости буровых штанг Герман-Трантеполь применил также условно.

Однако при оценке результатов долговечности буровых штанг крайне необходимо знание закономерной связи, которая проявляется в виде определенной функции распределения. Это позволяет не только вычислить критерии для объективного суж­ дения о преимуществах того или иного способа обработки штанг, но и составить вероятностные прогнозы их безотказной работы за определенный отрез.ок времени, т. е., иными словами, опреде­ лить надежность штанг.

В настоящее время в- результате многочисленных экспери­ ментальных данных установлено, что распределение усталостных долговечностей металлических образцов достаточно точно под­ чиняется логарифмически нормальному закону.

Предполагая, что распределение долговечности буровых штанг, разрушающихся исключительно в результате усталости, следует тому' же закону, на Кузнецком машиностроительном заводе совместно с институтом ВостНИГРИ выполнены специ­ альные статистические исследования. Математическая обработ­ ка результатов долговечности большого количества (более 500 штук) буровых штанг, разрушенных в лабораторных и шахтных условиях, показала, что они достаточно точно подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Данная методика статистической обработки и использовалась в работе.

Математическая обработка результатов усталостных испы­ таний всех без исключения партий штанг производилась в сле­ дующем порядке [112—114].

68

Значение долговечности штанг в каждой партии, выражен­ ное временем работы (или количеством пробуренных шпуров в случае обработки результатов промышленных испытаний) рас­ полагали в вариационный ряд по формулам 1,2 (стр. 70).

По значениям данного ряда вычисляли соответствующую последовательность логарифмов долговечности по формуле 3.

После этого для каждого значения долговечности и соответ­ ствующего ему логарифма долговечности находили накоплен­ ную частоту по формуле 4, оценивающую вероятность полом­ ки штанг.

Среднее арифметическое значение логарифма долговечности и эмпирическое средне-квадратическое отклонение логарифмов долговечности работы штанг определяли по формулам 5, 6.

По найденным величинам определяли далее значение нор­ мированной величины логарифма долговечности по формуле 7.

По полученным данным строились графики интегральных функции распределения долговечности штанг, где по оси абсцисс откладывались в натуральном масштабе значения логарифма долговечности, а по оси ординат соответственно значения нор­ мированной величины логарифма долговечности в натуральном масштабе.

При этом осъ ординат строилась, исходя из уравнения Лап­ ласа, согласно формулы 8. В данной формуле значение нор­ мированной функции Лапласа предварительно находили реше­ нием интеграла 9.

Кроме экспериментально полученных для каждой испытан­ ной партии штанг точек, отвечающих значениям вероятности разрушения и нормированной величине логарифма долговечно­ сти, на графики наносились также прямые нормированной ин­ тегральной функции логарифмически нормального закона распределения. Эта делалось с целью установить близость экспериметального и теоретического распределения координат точек логарифма долговечности и нормированной величины долговечности, которые при высоком качестве эксперимента и его точности, располагаются более и менее тесно вдоль теорети­ ческой прямой. Определение доверительных интервалов, а так­ же нахождение математического ожидания и среднего квадра­ тического отклонения для данной выборки долговечности при заданном уровне значимости производилось ііо формулам 10, 11, где нормированное отклонение или уровень значимости определялось по таблице распределения Стыодента, в зависи­ мости от числа степеней свободы, вариации и вероятности (в долях единицы или процентах). При этом верхние пределы распределения определялись по таблице распределения ХИ — квадрат также в зависимости от числа степеней свободы и выбранного уровня вероятности. Смысл нахождения довери­ тельных интервалов диктовался тем, что для данного количества

69