книги из ГПНТБ / Бабаев С.Г. Надежность и долговечность бурового оборудования

Рис. 38. Камеры для испытании образцов.

а — при кольцевой регулируемой щели: б — при двусторон* ней нерегулируемой щели. ѵ

опытах была равна 15 мм, ширина 5 мм. На образцах имеются также совпадающие отверстия для установки центрирующих штифтов. Торцевые сопряженные поверхности образцов предва­ рительно притираются друг к другу.

Образцы 1 и 2 устанавливают в седло 11 и закрепляют на основании 3 гайкой 4. Уплотнение между образцами, а также между нижним образцом и седлом достигается посредством при­ жатия их винтом 12. Собранный узел 5 вставляется в корпус 6', закрепляется гайкой 7 и закрывается крышкой 8.

Оценка износостойкости металлов производилась по умень­ шению веса верхнего и нижнего образцов (по суммарной потере веса), а также по характеру изнашивания образцов. Погреш­ ность результатов испытаний в каждой серии не превышала 5%.

Верхние и нижние образцы изготовляли из одинаковых ма­ териалов; в качестве эталона была принята сталь 40Х, закален­ ная и отпущенная на твердость HRC 47—53. В качестве рабочей •среды применялся нормальный глинистый раствор (плотность 1,2 г/см3, вязкость 30 с по СПВ-5). Перед каждым опытом гли­ нистый раствор тщательно перемешивался путем предваритель­ ной циркуляции в установке. Температура раствора в опытах составляла 68—74° С. Для определения качества раствора непо­ средственно из линии в месте слива отбирались пробы. Образ­ цы с двусторонней щелью испытывали одновременно в двух камерах; в каждую камеру устанавливали образцы, изготов­ ленные из одного и того же материала. Испытания образцов при кольцевом зазоре производили в одной камере. В обоих случаях испытания опытных образцов чередовались с испыта­ ниями эталонных. Продолжительность одного цикла испытаний равнялась 1 ч в опытах с кольцевым зазором и 30 мин — а опытах с двусторонней щелью. Скорость течения глинистого раствора в щели определяли расчетным путем по среднему фак­ тическому расходу среды и площади поперечного сечения щели. Расход жидкости измеряли объемным способом при помощи оттарированного мерного бака.

Известно, что глинистые растворы, применяемые в бурении, в отличие от реальных ньютоновских жидкостей, по реологиче­

В настоящей работе в качестве критерия, определяющего ре­ жим течения глинистых растворов, также использован обобщен­ ный критерий Рейнольдса [49, 84].

Обобщенный критерий Рейнольдса для кольцевого простран­ ства (зазора) подсчитывался по формуле

91

где ур— удельный вес глинистого раствора в мг/см3; и , с к о ­ рость течения глинистого раствора в щели в см/с; т) — структур­

раствора в трубах. В работе [49], кроме того, указано, что при турбулентном режиме движения глинистого раствора в кольце­ вом пространстве Re*^2000.

Число Рейнольдса, подсчитанное для случаев течения глини­ стого раствора, при кольцевом зазоре было в пределах 3640— 3700 (величина щели 1—1,1 мм, скорость течения раствора 20,9—23,1 м/с). При прямоугольной двусторонней щели высотой 1,3—2 мм число Рейнольдса составляло от 31000 до 35000. Таким образом, режим течения раствора в щели в проведенных исследованиях — турбулентный.

Выбор для исследований марок сталей и видов упрочнений производили с учетом результатов проведенных исследований, а также исходя из условий работы деталей гидравлической части буровых насосов.

За последние два десятилетия проведено значительное число исследований с целью повышения долговечности деталей гид­ равлической части буровых насосов.

Для улучшения качества изготовления клапанов и штоков

Г.В. Мыльников в 1948 г. рекомендовал:

1)изготовлять тарелки и седла клапанов из стали 40Х е последующей термообработкой рабочих поверхностей (для та­ релок— закалка т. в.ч. на твердость HRC 52—58 и для седел — объемная закалка на твердость HRC 43—46);

2)изготовлять штоки из стали 45 с закалкой т. в. ч. на глу­ бину 2,5—3,5 мм на твердость HRC 50—52.

Следует отметить, что этих рекомендаций в основном при­ держиваются и в настоящее время.

92

поэтому эти способы упрочнения неприемлемы в условиях раз­ вития гидроабразивного изнашивания.

Достаточную глубину упрочнения (2—2,5 мм и выше) можно получить за счет цементации. При одинаковой поверхностной твердости цементируемые стали, имеющие мартенситную струк­ туру с избыточными карбидами, обладают большей износостой­ костью по сравнению с другими сталями с такой же твердостью, но не имеющими избыточных карбидов (например, сталь 40Х, из которой изготовляют клапаны и штоки буровых насосов, кро­ ме того, сталь 40Х при закалке обладает склонностью сохранять в структуре очень мягкую составляющую — феррит).

Во многих отраслях машиностроения наиболее ответственные детали изготовляют в основном из цементируемых сталей 12ХНЗА, 20ХНЗА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, 25ХГТ; лапы долот, кото­ рые работают в условиях абразивного изнашивания и значи­ тельных динамических нагрузок, изготовляют из стали 14Х2НЗМА. Указанные стали различаются механическими свой­ ствами, трудоемкостью термической обработки и стоимостью. В зависимости от нарастающего значения этих факторов це­ ментируемые стали можно разбить на следующие группы:

цевом регулируемом зазоре от каждой группы были взяты стали 18ХГТ, 12ХНЗА и 14Х2НЗМА.

Сравнивая между собой указанные марки цементируемых сталей, необходимо отметить, что при наиболее простой__термнческой обработке (нормализация, цементация с непосредствен­ ной закалкой, низкий отпуск) сталь 18ХГТ обладает меньшей склонностью к образованию цемеятитной сетки и избыточного аустенита при подструживаиии до температуры 825° С и обеспе­ чивает получение стабильной твердости HRC 58. Сталь 12ХНЗА но сравнению со сталью 18ХГТ обладает большей склонностью к росту зерна при нагреве. Эта сталь лучше воспринимает удар­ ные нагрузки, а наличие в стали значительного количества ни­ келя обеспечивает высокую прочность цементированного слоя. Сталь 14Х2НЗМА по сравнению со сталями 12ХНЗА и 18ХГТ обладает меньшей склонностью к росту зерна при температуре цементации, большей коррозионной стойкостью и более высоки­ ми механическими свойствами цементированного слоя.

Помимо легированных цементируемых сталей были также испытаны стали следующих характерных классов:

1)низколегированные конструкционные стали 30XFC, ЗОХГСНА, 35ХГТ, 40ХГТ, 40ХНМА и др. В качестве «предста­ вителя» этого класса принята сталь ЗОХГС;

2)легированные инструментальные стали ХВГ, 9ХВТ, 9ХС,

■94

95ХГС (ЭИ553) и т. п. В качестве «представителя» принята сталь ХВГ;

3)шарикоподшипниковые стали ШХ15СГ, ШХ15, ШХ10 ндр.

Вкачестве «представителя» принята сталь ШХ15СГ;

4)углеродистые качественные конструкционные стали. В ка­ честве «представителя» принята сталь 70.

Наряду со сталями перечисленных марок были испытаны

также образцы из стали 40Х (HRC 49—55) с хромовым покры­ тием толщиной 75 мк.

Таблица 22

Результаты испытаний приведены в табл. 22, из которой вид­ но, что наибольшую износостойкость имеют образцы из стали 40Х с хромовым покрытием. Разрушение хромового покрытия по характеру развития отличается от разрушения стали. Гидроаб­ разивное изнашивание начинается с появления на поверхности образцов продольных рисок. С повышением времени воздейст­ вия промывочной жидкости размеры рисок увеличиваются. Эти очаги, постепенно развиваясь и, сливаясь друг с другом, обра­ зуют область разрушения. При наличии дефектов покрытия (отслоений, отколов и других) разрушение поверхности имеет несколько иной характер — появляются единичные изолирован­ ные очаги, которые довольно быстро развиваются.

Наиболее низкой износостойкостью обладают стали ЗОХГС и 40Х. На образцах из этих сталей отмечены значительные раз­ рушения рабочей .поверхности по всему периметру конуса (рис. 39,а).

Такой характер изнашивания согласуется со структурой ме­ талла образцов. Образцы из стали 40Х имели троостомартенситную основу с ферритом. В местах наибольших разрушений

95-

отмечалось скопление феррита. Структура образцов из стали ЗОХГС состоит из троостита с ферритом. В местах развития оча­ гов разрушения .отмечалось скопление феррита.

Заметим, что в работе [77] также отмечается повышение ин­ тенсивности разрушения сплава от гидроэрозии при наличии в его структуре большого количества 'феррита; с уменьшением

доли феррита в структуре за счет соответствующего легирова­ ния, а также термической обработки стойкость сплава в отноше­ нии гидроэрозии повышается.

Значительная износостойкость наблюдалась на образцах из стали ХВГ, имеющих твердость рабочей поверхности HRC 58—61. На верхнйх образцах был снят равномерный слой металла, и только на одном образце отмечен местный промыв. Нижние об­ разцы износились незначительно. Металлографический анализ показал, что по кромке промыва отмечается значительное скоп­ ление карбидов хрома, а структура основного металла состоит из мелкоигольчатого мартенсита с большим количеством карби­ дов хрома и вольфрама, местами имеющими групповое располо­ жение.

•36

Достаточно высокую износостойкость показали цементирован­ ные стали 14Х2НЗМА и 12ХНЗА, термически обработанные на

Образцы из стали 14Х2НЗМА у рабочей поверхности имеют цементированный слой глубиной до 2,3 мм. У самой кромки структура состоит из мелкоигольчатого мартенсита, карбидов хрома и до 5—8% остаточного аустенита. С глубиной количество остаточного аустенита увеличивается и доходит до 60%. Струк­ тура на поверхности у образцов из стали 12ХНЗА— мелкоиголь­ чатый мартенсит с 5—10% остаточным аустенитом и равномерно распределенным зернистым цементитом. Образцы из стали 18ХГТ у рабочей кромки имеют цементированный слой глуби­ ной до 2,4 мм. Структура у кромки — мелкоигольчатый мартен­ сит с остаточным (до 10—15%) аустенитом.

РІзносостойкость подшипниковой стали ШХ15СГ, несмотря на

из этой стали имеются достаточно глубокие промывы. Харак­ терным также является то, что разрушение рабочей поверхности образцов, имеющих недопустимую структуру — мелкоигольчатый мартенсит с карбидной сеткой, происходит именно по границам сетки.

Конструкционная углеродистая сталь 70 в проведенных ис­ следованиях показала недостаточно высокую износостойкость. Однако для этой стали характерно равномерное гидроабразив­ ное изнашивание с мелкими, неглубокими промывами поверхно­ сти образцов (рис. 39,в).

Выше (в разделе «Основные виды изнашивания деталей н причины отказов бурового оборудования»), было сделано пред­ положение, что очаги промывов на деталях клапанов возникают не только вследствие повреждения резинового уплотнения, но и в определенных условиях при открытом клапане, когда скорость потока в клапанной щели составляет 5—8 м/с и в некоторых случаях доходит до 10 м/с [26].

Исследование износостойкости металлов при этих скоростях особенно важно, так как разрушение (и даже незначительное

щели 5 и 10 м/с были испытаны образцы из стали 40Х и стали 18ХГТ. Результаты испытаний представлены в табл. 23.

Установлено (см. табл. 23), что при скорости течения гли­ нистого раствора 5 м/с на образцах из стали 40Х, как правило, отмечается образование промывов. При этом на образцах, имею­ щих в структуре металла большое количество феррита, образо-

промывы

* Испытания не проводились.

ванне промывов наступало уже через 5 ч испытаний. Уменьше­ ние доли феррита в структуре несколько сдерживает образова­ ние промывов. При скорости 10 м/с промывы на образцах из стали 40Х наступали через 2—3 ч испытаний. На образцах из стали 18ХГТ при скорости течения раствора 5 м/с промывы не наблюдались. При скорости же 10 м/с промывы отмечались позднее, чем на образцах из стали 40Х.

Проведенные исследования показывают важное преимуще­ ство цементируемой стали 18ХГТ по сравнению со сталыо 40Х, применяемой в настоящее время для изготовления клапанов буровых насосов.

При двусторонней щели были испытаны следующие принци­ пиально различающиеся стали: 20ХНЗЛ, ШХ15, 40Х с повышен­ ным содержанием хрома до 1,5% и сталь 40. Результаты испы­ таний образцов с двусторонней щелыо представлены в табл. 24.

Таблица 24

98

Сравнивая данные, приведенные в табл. 24, можно отметить, что суммарная потеря веса у опытных образцов значительно меньше, чем у эталонных (сталь 40Х). Различны также харак­

теры изнашивания рабочих поверхностен образцов. Для эталон­ ных образцов характерно разрушение краев канавки нижнего

Рис. 40. Характерное изнашивание эталонного образца из стали 40Х (вид с торца).

образца и плоской поверхности верхнего образца (рис. 40) Опытные образцы (рис. 41, а, б), изготовленные, из стали 20ХНЗА, имели меньшую потерю веса и более равномерное разрушение дна канавки (рис. 41, а).

Более интенсивный характер разрушения эталонных образ­ цов объясняется особенностями микроструктуры стали 40Х. Образцы из этой стали имели троостомартенентную структуру с включениями феррита. Металлографический анализ показал, что на некоторых эталонных образцах по кромке промыва отме­ чалось скопление свободного, дисперсного феррита, т. е. разру­ шение начиналось по наиболее мягкой структурной составляю­ щей. На других образцах в местах промыва обнаружена сетка

4* 99