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

распределение напряжении в микрообъемах отличается сильной неравномерностью. Поэтому можно предположить, что местом образования трещин являются перенапряженные участки. Тре­ щины ослабляют отдельные участки металла, которые легко разрушаются последующими воздействиями абразивных частиц.

Рис. 42. Микроструктура испытанных образцов.

o - и з стали 40Х. По месту размыва видна сетка мпкрптрсішш (х:ЮО); 6 — из стали ШХІ5. По месту размыва отмечается концентрация дисперсных карби­

дов (Х500).

В результате возрастает интенсивность изнашивания поверх­ ности.

Опытные образцы, подвергнутые цементации с последующей закалкой и отпуском (сталь 20ХНЗА), имели структуру цемен­ тированного слоя — мелкоигольчатый мартенсит со свободными выделениями дисперсного глобулярной формы цементита. Це­ ментированный слон по месту промыва на образцах имел глу­ бину 0,6—0,8 мм (при первоначальной глубине цементации 2—2,5 мм).

Опытные образцы, изготовленные из высокоуглеродистон хро­ мистой стали ШХ15, имели в среднем несколько большую по­ терю веса по сравнению с образцами из цементируемых сталей, хотя первые испытывались даже при меньшей скорости потока (см. табл. 24; скорость потока жидкости 31—33 м/с). Металло­ графический анализ этих образцов показал, что основная струк­ тура— мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределен­ ными первичными и вторичными карбидами хрома, имеющими глобулярную форму. В местах промыва, как по кромке, так и по дну образовавшихся лунок, отмечалось измельчение (карби­ дов или концентрация дисперсных карбидов (рис. 42,6).

100

На верхних образцах из высокоуглеродистой хромистой стали отмечены узкие, но достаточно глубокие, вытянутые лунки. Та­ кой характер изнашивания, а также концентрация и измельче­ ние карбидов по кромке размытой лунки позволяет сделать предположение об интенсивном удалении карбидных составляю­ щих. Зерна карбидов практически не обладают пластичностью, поэтому деформация под действием струи абразивной жидкости происходит путем перемещения зерен основы; при этом и про­ исходит разрушение карбидов.

В работе В. Н. Ткачева отмечается, что при большой ско­ рости относительного перемещения абразивных частиц обтека­ ние твердых включений не наблюдается. Мелкие карбиды вдав­ ливаются в мягкую основу, причем некоторые из них растре­ скиваются и попадают в микрообъемы деформированного метал­ ла. В работе П. Н. Львова указывается, что участки металла, состоящие из сильно деформированных зерен основы и разру­ шенных твердых зерен, менее прочны по сравнению с окружаю­ щим недеформированиым металлом. Поэтому такое скопление слабо связанных между собой зерен легко удаляется абразив­ ными частицами. Очевидно, этим п объясняется большая потеря веса образцов из высокоуглеродистой хромистой стали при иден­ тичной с образцами из цементируемых сталей твердости рабо­ чих поверхностей.

Образцы из углеродистой хромистой стали, закаленные и отпущенные на ту же твердость, что и эталонные образцы, но отличающиеся повышенным содержанием хрома (1,5%),не пока­ зали заметного возрастания износостойкости по сравнению со сталью 40Х (см. табл. 24).

Интересно отметить, что в условиях эрозионного воздействия воды и пара с увеличением содержания хрома стойкость сталей заметно возрастает.

Образцы из углеродистой конструкционной стали (сталь 40) показали самую низкую износостойкость даже при минимальной скорости потока в щели (28 м/с).

Резина (марки «особая 5»), испытанная в паре с нижними образцами из стали 40Х при скорости потока в щели до 37 м/с, оказалась с достаточно высокой износостойкостью (см. рис. 41, б). Однако существует мнение [103], что износ резины при касатель­ ном направлении потока и больших скоростях движения абра­ зивных частиц значительно возрастает и превышает износ ста­ ли. В работе [100] это явление объясняется тем, что при больших скоростях удара абразивных частиц 0' поверхность пла­ стические свойства резины ухудшаются (она становится более хрупкой).

Проведенные исследования показывают, что механизм гид­ роабразивного изнашивания выражается преимущественно в ме­ ханическом (динамическом) воздействии на поверхность метал­ ла потока, содержащего абразивные частицы.

101

Этот вывод вытекает из наиболее распространенной гипо­ тезы о непрерывных соударениях транспортируемых потоком абразивных частиц с поверхностью металла в результате тур­ булентных пульсаций с превращением кинетической энергии этих частиц в работу деформации металла. Отсюда износостой­ кость определяется способностью металла сопротивляться мно­ гократному воздействию абразивных частиц, перемещающихся

Рис. 43. Состояние зоны нанесения отпе­ чатков на поверхность образца.

о — до испытании: б — после испытании.

в потоке с большой скоростью. Нагрузки при этом на микро­ участках поверхности то внезапно возрастают до значительной величины, то так же быстро вслед за этим уменьшаются. Воз­ действие' абразивных частиц отличается многократностью и носит ударный характер; вследствие этого напряжения, вызы­ ваемые такими нагрузками, характеризуются локальностью и сильной неравномерностью.

В результате проведенных исследований установлено, что из­ носостойкость сталей в значительной степени зависит от струк­ туры металла. Наличие в структуре неметаллических включе­ ний и других дефектов заведомо создает ослабленные места и ускоряет проявление прогрессирующих очагов изнашивания. При наличии мягкой структурной составляющей — феррита — на поверхности рабочего конуса клапана при посадке тарелки на

L02

рушения приводит к возникновению очагов промывов и ускоряет развитие гидроабразивного изнашивания.

Для подтверждения рассмотренного на поверхности верхнего конусного образца на приборе ТК-2 твердосплавным наконеч­ ником с углом конуса 120° были нанесены три ряда отпечатков

глинистого раствора, протекающего в кольцевой щели со ско­ ростью 10 м/с. Исследования показали, что даже такие незна­ чительные повреждения поверхности могут явиться очагами промывов (рис. 43, а, б).

Проведенные исследования металлографической картины разрушения различных структур металлов показали определен­ ные закономерности в характере изнашивания. Развитие гндроабразивиого изнашивания идет не в сторону зерен или структур­ ных составляющих, менее стойких против коррозии, как это на­ блюдается при эрозионном изнашивании [60], а в сторону менее прочных составляющих.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведенное исследование абразивности утяжелителей и изу­ чение гидроабразивного изнашивания сталей — вида изнашива­ ния, лимитирующего срок службы деталей гидравлической части буровых иасосов, позволяют сделать следующие выводы.

1. Установлено, что относительная абразивность утяжелите­ лей— величина переменная и зависит от физико-механических свойств применяемых металлов. По результатам проведенных исследований выведена зависимость, позволяющая оценить аб­

Полученная формула позволяет оценивать абразивную спо­ собность утяжелителей до определенных значений твердости, так как величина Нл — Н ѵ должна быть положительной и не

103

равной нулю. Данное условие вытекает из того, что при повы­ шении твердости металла Нѵ до определенного предела (близ­ кого к значению коэффициента НА) износ под действием струи жидкости, содержащей соответствующий утяжелитель, резко уменьшается.

Оценку относительной износостойкости испытываемых метал­ лов Ка можно производить с помощью формулы

где Ну ' — поверхностная твердость эталонного металла. Наличие частиц выбуренных пород в утяжеленных глинистых

растворах способствует повышению интенсивности изнашивания деталей оборудования. Важным является вывод о том, что при содержании песка в растворе свыше 3% интенсивность абра­ зивного изнашивания практически не зависит от вида применяе­ мого утяжелителя.

2. Характер износа поверхности металла при гидроабразив ном изнашивании различен и при идентичных условиях испыта­ ний определяется не только твердостью, но в значительной мере и структурой металла. Однако различие касается лишь интен­ сивности изнашивания поверхности. Микроскопическим анали­ зом установлено, что при различных интенсивностях развития гидроабразивного изнашивания происходят равнозначные ха­ рактерные изменения в поверхностных слоях металла.

Процесс гидроабразивного изнашивания можно представить состоящим из трех стадий: 1) начальной стадии, характеризуе­

пины; 3) стадии прогрессирующего .износа, когда очаги выкра­ шивания в своем развитии приводят к образованию местных значительных очагов изнашивания на поверхности. Первые две стадии составляют «инкубационный» период, который может служить практическим критерием оценки износостойкости ме­

таллов.

Продолжительность инкубационного периода зависит от со­ противления микрообъемов металла пластической деформации. В начальной стадии происходит накапливание в микрообъемах металла деформации, а также снятие абразивными частицами микроскопически малой стружки с поверхности металла; вели­ чина износа детали на этой стадии развития гидроабразнвногэ изнашивания незначительна. Переход ко второй стадии харак­ теризуется образованием микротрещин и очагов изнашивания в

104

3. По результатам исследований установлено, что изменение величины износа в зависимости от скорости движения неутяжелеииого глинистого раствора в кольцевой щели и твердости металла математически оггисывается формулой

Необходимо отметить, что степенная зависимость величины износа от скорости движения абразивных частиц выявлена мно­ гими авторами. Однако в значениях показателя степени имеются расхождения. Большинство авторов считает, что износ пропор­ ционален приблизительно кубу скорости движения абразивных частиц. Вильям Л. Баклей установил, что интенсивность абра­ зивного изнашивания пропорциональна скорости жидкости-носи­

заниженные значения показателя степени т отставанием абра­ зивных частиц при больших скоростях потока и зависимостью такого отставания от размеров частиц или же [60] наличием ударного воздействия абразивных частиц в одних опытах я скользящего воздействия в других.

Существует также мнение, что на значения показателя сте­ пени оказывают влияние принятые режимы испытаний. Так, в опытах А. В. Кольченко [34] показатель степени т возрастает от 1,3 при скорости струи 0р = 7ч-9 м/с до т —2,9 при ир=

=364-60 м/с.

М.М. Тененбаум [71] и И. Клейс установили, что показатель степени т для разных материалов неодинаков (в работе [71]

показано, что для стали марки Ст. 3 показатель степени т = 2,3, для закаленной стали 45 пг= 2,5, а для белого чугуна т = 2,8).

Указанные расхождения связаны скорее всего с различными условиями проведения экспериментов. Так, исследования прово­ дились. при различных углах атаки; применялись различные аб­ разивные материалы (зола, кварцевый песок, искусственные абразивные порошки) и т. д.

Полученное в настоящих исследованиях несколько занижен­ ное значение показателя степени т можно объяснить чрезвы­ чайно низкой абразивностью глины, единственного компонента нормального глинистого раствора.

Вработе [89] приведены данные об абразивности минералов

ззависимости от их микротвердости. По этим данным относн-

105

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТОРМОЗНЫХ шкивов

БУРОВЫХ ЛЕБЕДОК

НЕКОТОРЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ПОВЫШЕНИЮ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТОРМОЗНЫХ шкивов.

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТЕРМОСТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Увеличение глубин и объемов бурения привело к необходи­ мости ускорения спуско-подъемных операций и, следовательно, применения форсированных режимов работы тормозных уст­ ройств буровых лебедок.

В связи с тяжелыми условиями работы тормозов буровых лебедок выдвигаются повышенные требования к их конструкции и в особенности к свойствам материалов, применяемых в фрик­ ционной паре трения.

Проблемам создания новых фрикционных материалов, изуче­ нию условий работы фрикционных пар трения и разработке бо­

Г. А. Георгиевского, В. С. Щедрова, Г. Е. Чупилко и другие, где даются ответы на многие вопросы, связанные с повышением работоспособности тормозных устройств различных машин и механизмов.

В течение нескольких лет под руководством Г. М. Шахмалиева проводились работы по повышению долговечности меха­ нического тормоза буровой лебедки. В результате была разра­ ботана новая конструкция ленточного тормоза, отличительной особенностью которой является свободное (гибкое) крепление иа ленте колодок из износостойкого и термостойкого фрикцион­ ного материала ретинакс марки ФК-24А [82], материала, полу­ ченного на основе синтетических смол.

Применение тормозных колодок из материала ФК-24А с более устойчивыми фрикционными свойствами и большей термо­

107

стойкостью позволило повысить эффект торможения и одновре­ менно привело к возникновению на поверхности контакта фрик­ ционной пары значительных температур н, как следствие, к заметному ускорению темпа появления и развития трещин па рабочей поверхности тормозных шкивов.

Как показал анализ микроструктур металла тормозных шки­ вов, значительный нагрев шкивов до температуры, превышаю­ тъ.; критическую точку УІС1_3, всегда происходит в поверхност-

1...1.Ѵ I,рабочих) слоях при небольшом нагреве основной массы металла.

Повышение температуры на рабочей поверхности тормозных шкивов носит циклический характер: се величина то возрастает (при спуске бурильных и обсадных труб), то снижается (при подъеме труб, бурении скважины п наращивании труб). В на­ чале спуска рост температуры более значителен, так как тепло­ отдача в окружающую среду вследствие малой разности тем­ ператур незначительная. В дальнейшем разность температур увеличивается, а вместе с этим повышается теплоотдача в ок­ ружающую среду. В результате темп роста температур замед­ ляется. Несмотря на сравнительно продолжительное время спуска колонны тепловое равновесие не наступает. Это объяс­ няется тем, что в процессе спуска одновременно с увеличением теплоотдачи возрастает работа торможения.

Циклическое изменение температуры па рабочей поверхно­ сти тормозных шкивов приводит к явлениям термической уста­ лости.

Под термической усталостью (термостойкостью) понимают постепенное разрушение и изменение формы детали при пере­ менных термических напряжениях, возникающих в результате циклических нагревов — охлаждений с перепадами температур по сечению детали [75].

Вопросам термостойкости материалов посвящено значитель­ ное число исследований [10 и др.]. Проведенные работы пока­ зали, что между сопротивлением термической усталости, опре­ деляемым числом циклов до появления трещин, и механически­ ми, а также теплофизическими характеристиками материалов нет достаточно простых зависимостей.

Большинство работ посвящено исследованиям термостойкости применительно к конкретным деталям и материалам. Причем в связи с отсутствием общепринятой методики испытаний выявить обобщающие закономерности на основе результатов, получен­ ных различными исследователями, чрезвычайно трудно.

Многие исследователи указывают, что при повышении макси­ мальной температуры испытаний резко снижается число циклов до появления трещин. Так, Ю. Ф. Баландин считает, что основ­ ной причиной такой зависимости является снижение механиче­ ских свойств (особенно пластичности металла) с повышением максимальной температуры цикла. М. А. Тылкин [75] наряду с

106

этим главной причиной называет увеличение термических на­ пряжений за счет большого температурного градиента.

М. В. Приданцев и А. Р. Крылова, а также Ю. Ф. Баландин установили, что с увеличением перепада температуры умень­ шается сопротивление термической усталости. Испытания на термическую усталость, проведенные при постоянной разности максимальной и минимальной температур цикла, также пока­ зали заметное снижение сопротивления термической усталости по мере увеличения средней температуры цикла [10, 92].

Наличие температурного градиента обусловливает различ­ ную величину объемных изменений металла в соответствии с распределением температуры по сечению детали. Связь между отдельными зонами тела, -препятствующая полной реализации ее термического расширения, приводит к возникновению термиче­ ских напряжений [98].

В результате, если способность металла к деформации оказы­ вается недостаточной, в поверхностных слоях образуются тре­ щины и рост их под действием циклических и резких тепловых смен приводит к снижению пластичности металла, который не выдерживает возрастающих растягивающих напряжений в по­ верхностном слое. Это способствует распространению трещин из поверхностного слоя в основной металла и в некоторых случаях приводит к разрушению детали.

Исследуя причины и характер образования закалочных тре­ щин, А. Л. Немчинский установил, что прочность стали падает обратно пропорционально квадратному корню из числа закалок и что длина элементарных трещин при повторных закалках воз­ растает прямо пропорционально числу закалок. Он обнаружил также, что сокращение времени между последовательными закалками несколько уменьшает влияние числа закалок на проч­ ность среднеутлероднетой стали и этим доказал, что микротре­ щины ра-етут в течение значительного промежутка времени.

Изучение сопротивления различных металлов циклическому тепловому нагружению показало, что трещины у высокопрочных сталей развиваются в радиальном направлении интенсивнее, чем у сталей, обладающих более высокой пластичностью. При­ чиной такой зависимости является работа пластической дефор­ мации при росте трещин. Для материалов с меньшей пластич­ ностью величина работы пластической деформации меньше, а следовательно, трещина будет распространяться в глубь ме­ талла легче.

В сплавах, обладающих малым запасом пластичности, при больших перепадах температуры отмечается быстрое развитие трещин; сплавы с повышенной пластичностью при больших перепадах температуры оказываются способными выдерживать значительные пластические деформации [29].

Трещины имеют тенденцию развиваться по границам зерен, и с этой точки зрения при крупнозернистой структуре развитие

109