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

периферии влияние поверхностного нагрева заметно ослаб­ ляется.

С т а л ь 20Х2МФ ( у л у ч ше нн а я ) . Исходная микрострук­ тура— основа ферритная, перлит сорбитизированный (# 50= = 1754-192 ктс/мм2). Трещины размером 2 мм на образцах из этой стали отмечены после 300—350 циклов. По мере увеличе­ ния числа циклов нагревов— охлаждении зона изменения мик­ роструктуры металла увеличивалась.

Микроструктура поверхностного слоя после 200 циклов со­ стоит из мелкодисперсного сорбита, игольчатого троостита на ферритной основе и распространена на глубину до 2 мм. В пе­ реходной зоне свободно выделен феррит в виде массивных уча­ стков, перлит — сорбитообразный. Мпкротвердость поверхност­ ного слоя термического воздействия # 50= 4734-550 кгс/мм2, переходной зоны # 50 = 362 кгс/мм2.

После 400 циклов нагревов у стали 20Х2МФ зона значитель­ ных изменений микроструктуры распространилась на глубину до 2,5 мм и появились трещины по всей зоне термического воз­ действия (рис. 45,6). Структура представлена мелкодисперсным сорбитообразным перлитом, который выделился на ферритной основе. В переходной зоне наблюдалось выделение ферритной составляющей в виде крупных участков как следствие действия высокой температуры. Мпкротвердость поверхностного слоя #50 = 510-1-550 кгс/мм2, переходной зоны #50 = 321 кгс/мм2.

С т а л ь 20Х2МФ ( н о р м а л и з о в а н н а я ) . Исходная мик­ роструктура — сорбитообразная. Трещины размером 2 мм появи­

до 5 мм и имеет сорбитообразную структуру с наличием ферри­ то-перлитных включений (#50=286 кгс/мм2). Третья зона рас­ пространяется на глубине 5—15 мм. Микроструктура совпадает с исходной (#50 = 286 кгс/мм2).

Наличие повышенного содержания хрома и молибдена в ста­ ли 20Х2МФ по сравнению со сталью 15ХНМФ заметно отрази­

троостита на ферритной основе до глубины 2,5 мм. Микротвер­ дость поверхностного слоя #50=362-4-390 ктс/мм2, переходной зоны # 5 0 = 207-4-292 кгс/мм2.

После 200 циклов испытаний образец имеет структуру из мелкодисперсного сорбита, игольчатого троостита, выделнв-

120

шихся на ферритной основе на глубине 2,5 мм от поверхности. В переходной зоне сорбитная структура переходит в структуру, состоящую из свободного феррита и сорбитообразного перлита. Микротвердость поверхностного слоя /У50= 362 кгс/мм2, переход­ ной зоны #50 = 286 кгс/мм2.

На поверхности образца после 300 циклов испытаний наблю­

видны границы крупных зерен.

Микротвердость поверхностного слоя # s o = 645 кгс/мм2, переход­ ной зоны #50 = 2864-362 кгс/мм2.

.Первая зона распространяется на глубину до 1,1 мм. Микро­

Четвертая зона распространяется на глубине 3,3—15 мм. Струк­ тура — феррито-перлитная, совпадает с исходной. Микротвер­ дость перлита # 5о=256 кгс/мм2, феррита # 50= 148 кгс/мм2.

Таким образом, наилучшие показатели по термостойкости при лабораторных испытаниях отмечены у образцов из сталей 20Х2МФ и 15ХНМФ. Термическая обработка образцов из этих сталей (закалка с высоким отпуском и нормализация) заметного влияния на их термостойкость не оказала.

Анализ влияния числа, циклов нагревов на структурные пре­ вращения в зоне испытания показал, что глубина резких струк­

121

турных изменении растет с увеличением количества циклов ис­ пытаний. Структурные превращения имеются уже при 100 циклах нагревов, а микротрещины возникают при 200 циклах. Дальней­ ший рост микротрещин особенно быстро прогрессирует у сталей 10X17, 10Х17НФ, 35ХНЛ, а также у стали 25ХГСЛ. Образцы из сталей этих марок уже при 200—250 циклах испытаний имеют на поверхности большое число развитых трещин.

Лучшие показатели термостойкости образцов из сталей 15ХНМФ и 20Х2МФ в основном объясняются сочетанием высо­ ких прочностных и пластических свойств этих сталей.

Стендовые испытания образцов шкивов, проведенные по из­ ложенной выше методике, показали высокую термостойкость шкивов, изготовленных из сталей 15ХНМФ и 20Х2МФ [5], и под­ твердили преимущество этих сталей по сравнению со сталью

35ХНЛ.

Наряду с лабораторно-стендовыми испытаниями материа­ лов на термостойкость было проведено исследование износо­ стойкости сталей 15ХНМФ и 20Х2МФ в сравнении со сталью 35ХНЛ. Испытания проводились на износной машине МІІ-ІМ по

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТОРМОЗНЫХ шкивов,

ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ СТАЛЕЙ НОВЫХ МАРОК

По результатам лабораторно-стендовых испытаний были про­ ведены промышленные испытания тормозных шкивов буровой лебедки У2-5-5, изготовленных из сталей 15ХНМФ и 20Х2МФ и подвергнутых закалке с высоким отпуском.

Промышленные испытания проводились на буровых объеди­ нений «Азнефть» и «Нижневолжскнефть». Методикой испыта­

122

ний была предусмотрена установка на одну буровую лебедку шкивов, изготовленных из опытной и серийной марок сталей (буровая № 296 объединения «Карадагнефть» и буровая № 81 объединения «Азизбековнефть»), а также установка шкивов, из­ готовленных из опытных марок сталей (буровые № 303 и № 2 объединения «Карадагнефть»), В объединении «Нижневолжск-

всех случаях использовались тормозные колодки из материала ФК-24А.

Анализ результатов промышленных испытаний показал, что состояние рабочей поверхности тормозных шкивов, изготовлен­ ных из сталей 15ХНМФ и 20Х2МФ, значительно лучше по срав­ нению с образцами серийных шкивов из стали 35ХНЛ.

При завершении испытаний на рабочей поверхности шкивов из стали 15ХНМФ были отмечены незначительные трещины, лишь отдельные из них достигали величины 15—20 мм. За этот же период на поверхности серийных шкивов из стали 35ХНЛ было отмечено значительное количество развитых трещин, до­ стигающих по длине 120 мм. На поверхности шкивов из стали 20Х2МФ трещины достигали 40—50 мм.

Износ рабочей поверхности опытных и серийных шкивов, а также срок службы тормозных лент на серийных и опытных шкивах был одинаковым.

Таким образом, установлено, что тормозные шкивы, изготов­ ленные из сталей 15ХНМФ и 20Х2МФ, по сравнению с образца­ ми из стали 35ХНЛ имеют значительно большую стойкость про­ тив трещинообразования.

Для металлографических исследований были сняты шкивы с лебедки на буровой № 303 (объединение «Карадагнефть») при глубине скважины 4526 м. Анализ микроструктур опытных образцов показал, что на их рабочей поверхности имеется сор­ битообразная структура, переходящая в феррито-перлитную. Глубина распространения сорбитообразной структуры в образце из стали 15ХНМФ — 0,6 мм. Твердость на поверхности НВ 310, твердость сердцевины НВ 228. Глубина структурных изменений металла шкивов из стали 20Х2МФ несколько больше— 1,1 мм. Твердость на поверхности НВ 420, твердость сердцевины НВ 217.

Структурные изменения металла шкивов, изготовленных из стали 35ХНЛ, как было отмечено выше, распространяются на глубину до 2 мм.

Таким образом, в результате промышленных испытаний тор­ мозных шкивов, изготовленных из сталей 15ХІТМФ и 20Х2МФ, было выявлено значительное увеличение работоспособности

шкивов.

Для определения физического состояния тонких поверхност­ ных слоев тормозных шкивов были проведены рентгенографи­

123

ческие исследования испытанных шкивов из сталей 15ХНМФ и 20Х2МФ, а также серийных шкивов из стали ЗОХМЛ. В табл. 30 приведены данные о наработке этих тормозных шкивов.

•И з-за аварий бурение производилась несколькими стволами. О Здая проходка 2684 м.

Поскольку поверхность шкива подвергается нагреву до тем­ пературы 1000° С, то на отдельных участках может наблюдаться распад мартенсита, а —ьу превращение, а также закалка поверх­ ностного слоя, которая происходит в результате быстрого отвода тепла массой металла шкива. Причем в некоторых случаях образовавшаяся у-фаза может стабилизироваться, что приведет к двухфазной структуре металла поверхности шкива.

Поэтому очень важно исследовать фазовый состав металла поверхности тормозных шкивов и тонкую кристаллическую структуру основной фазы, так как последней главным образом определяются механические свойства металла. В качестве ха­ рактеристики, указывающей на наличие мнкротрещип в поверх­ ностном слое, необходимо исследовать изменение плотности ме­ талла отработанных шкивов.

Для исследования физического состояния тонких поверхност­ ных слоев металла тормозных шкивов была использована уста­ новка УРС-50ИМ и применено Да-излучение железа. Образцы для исследований вырезали из рабочей поверхности шкивов; в качестве эталона применяли образцы, вырезанные с участков шкивов, где температура не превышала 200° С (место крепления к барабану лебедки). Плотность металла отработанных шкивов определяли методом гидростатического взвешивания в тетрабромэтане (СоНгВгД с плотностью, при 20° С равной 2,9638 г/мл. Принятая методика исследований более подробно изложена в работе [21].

При проведении рентгенографических исследований на уста­ новке УРС-50ИМ были зарегистрированы интерференционные линии а- и у-фаз. Данные, полученные планиметрированием интерференционных линий, сопоставлялись с данными, приведен­

124

ными в работе Л. И. Миркина и таким образом определялось

Из данных, приведенных в табл. 31, видно, что наибольшее изменение плотности отмечено у образца из стали ЗОХМЛ; у об­ разцов из сталей 15ХНМФ и 20Х2МФ плотность изменилась незначительно.

При анализе приведенных в табл. 31 данных следует учесть, что уширение дифракционных линий, а следовательно, и вели­ чины областей когерентного рассеяния (D) и микроискаженпй

верхности трения, термических и структурных напряжений и фа­ зовых превращений.

Вероятно, последний фактор играет наиболее важную роль, главным образом влияя на физическое уширение дифракцион­ ных линий. Действительно, даже при низком содержании угле­ рода при нагреве металла возможно перераспределение по угле­ роду, которое приведет к наличию обогащенных углеродом микрообъемов у-фазы. Это может послужить причиной пониже­ ния мартенситной точки и при последующем быстром охлажде­

привести к повышению количества стабилизированного остаточ­ ного аустенита.

Приведенные соображения можно проиллюстрировать дан­ ными табл. 31. Металл образца из стали ЗОХМЛ содержит 0,3— 0,4% углерода, и поэтому при охлаждении в нем протекает у—>-а мартенситное превращение, в результате чего происходит измельчение областей когерентного рассеяния и увеличение мик-1

1 Л. И. М ир к и и. Справочник по рентгеноструктурному анализу поли­ кристаллов. М., Фпзматгиз, 1961. 859 с.

125

роискажений. В образцах из сталей 15ХНМФ и 20Х2МФ микро­ искажения очень малы, что, вероятно, связано с малым содер­ жанием углерода и релаксацией упругих деформаций. Размер областей когерентного рассеяния для образца из стали 20Х2МФ в 2 раза меньше по сравнению с образцами из стали 15ХНМФ. А так как режим нагружения у них был одинаков, то это озна­ чает, что твердость a-фазы выше в образце из стали 20Х2МФ (что подтверждается и повышенным содержанием в нем у-фазы).

Исходя из полученных результатов, можно сделать заключе­ ние о том, что наилучшим материалом для тормозных шкивов является сталь 15ХНМФ, так как при наименьшем количестве у-фазы, она обладает лучшими показателями тонкой структуры.

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

ТОРМОЗНЫХ ШКИВОВ

Наряду с применением термостойких материалов для повы­ шения работоспособности тормозных шкивов целесообразно осу­ ществить некоторые конструкторско-технологические мероприя­ тия. Основные из них следующие.

1. Тяжелые условия работы тормозных шкивов буровых ле бедок обусловлены прежде всего многократно повторяющимися нагревами до значительных температур и последующими быст­ рыми охлаждениями рабочей поверхности шкивов.

Поэтому, наряду с применением материалов, стойких к тер­ мической усталости,' важным направлением повышения работо­ способности тормозных шкивов буровых лебедок является сни­ жение температуры поверхности шкива за счет дополнитель­ ного его охлаждения. Применение искусственного охлаждения хотя и не повышает фрикционных свойств материалов, работаю­ щих при одинаковых нагрузках и скоростях, но позволяет сни­ зить температуру на поверхности трения и тем самым значитель­ но уменьшить износ и разрушение рабочих поверхностей.

Однако, учитывая трудности обеспечения нормальной цирку­ ляции охлаждающей жидкости в условиях низких температур, необходимо отметить, что введение водяного охлаждения на бу­ ровых лебедках, эксплуатируемых в Сибири и на Крайнем Се­ вере, нежелательно.

На буровой № 18 Городищенская треста «Волгоградиефтеразведка» были испытаны тормозные шкивы из стали 35ХНЛ с водяным охлаждением [52]. Материал тормозных колодок ФК.-24А. Однако шкивы проработали всего около двух месяцев. За это время было пробурено 264 м в интервале 3823—4087 м произведена 41 спуско-подъемная операция. Шкивы были заме­ нены, так как на их поверхности было обнаружено большое ко-

126

лпчество трещин длиной 50—100 мм. Отмечено увеличение тем­ пературного перепада в охлаждаемых шкивах.

Результаты испытаний показывают, что применение водяного охлаждения, связано с проведением исследований по подбору фрикционной пары трения.

2. Гидравлический тормоз, как известно, должен выполнять функцию поглощения кинетической энергии спуска колонны в период разгона, разгружая тем самым основной ленточный тор­ моз. Поэтому от мощности гидравлического тормоза зависит ра­ ботоспособность основного тормоза лебедки. Применяемые гид­ равлические тормозы с диаметром ротора 1000 мм не обладают достаточной мощностью, чтобы в необходимой степени разгру­ зить основной тормоз.

В настоящее время лебедки У2-5-5 оснащают гидравлически­ ми тормозами с диаметром ротора 1450 мм, тормозной момент которого увеличен в 7,7 раза по сравнению с двухрядным гид­ равлическим тормозом с диаметром ротора 1000 мм. Сопостав­ ление расчетных мощностей, развиваемых при спуске колонны весом, равным номинальной грузоподъемности буровой уста­ новки, с безопасной скоростью спуска, а также развиваемых гидравлическими тормозами с диаметрами роторов 1000 и 1450 мм при соответствующих числах оборотов показывает, что только гидравлический тормоз с диаметром ротора 1450 мм со­ ответствует классу буровой установки, предназначенной для бурения на глубину 5000 м. Кроме того, в случае применения гидравлических тормозов с диаметром ротора 1450. мм отме­ чается некоторое уменьшение интенсивности роста трещин на рабочей поверхности тормозных шкивов.

Однако в большинстве случаев пробурить одну скважину' глубиной 4000—5000 м без смены шкивов по-прежнему не удается. Так, па буровой № 48 объединения «Нижневолжскнефть» эксплуатировалась буровая лебедка У2-5-5 с гидравли­ ческим тормозом, имеющим ротор диаметром 1450 мм. Вследст­ вие большого числа трещин на рабочей поверхности тормозные шкивы были заменены при глубине скважины 3861 м. Причем до смены шкивов было спущено 23033 свечи.

Наиболее перспективным является применение электрических вспомогательных тормозов порошкового и электромагнитного типов [26]. Тормозы этих типов по сравнению с механическими и гидравлическими тормозами отличаются устойчивым режимом работы, легкостью и плавностью перехода с одного режима на другой, а также удобством управления.

3. Учитывая, что качество металла проката выше, чем литья, были испытаны сварно-катаные тормозные шкивы, у которых обод был изготовлен из катаной заготовки (сталь 20ХГСА), а фланцевая часть — из листового проката [16].

Испытания пяти сварно-катаных тормозных шкивов, прове­ денные на лебедках У2-5-5, показали, что стойкость против тре-

127

щинообразования этих шкивов выше, чем у серийных литых шкивов из стали 35ХНЛ, при почти одинаковой износостойкости.

Для выявления преимуществ сварно-катаных шкивов пред­ стоит продолжить их испытания в промысловых условиях в ши­ роком масштабе и разных климатических условиях [16].

Рис. 47. Схема расположения прибыли.

4.Конструкцией тормозных шкивов буровых лебедок У2-4-

иУ2-5-5 предусматривается симметричное расположение обода шкива относительно диска — места крепления к барабану ле­ бедки.

По существующей технологии литья для обеспечения условии направленного затвердения отливки предусматриваются прибы­ ли с наружными напусками (рис. 47, а). С момента начала кри­ сталлизации затвердевание отливки тормозного шкива (сечение обода шкива лебедки У2-5-5 с припусками на механическую об­ работку составляет 80X310 мм, черный вес отливки 885 кг, чи­ стый вес 454 кг) происходит в условиях, когда жидкая фаза фильтруется из осевой зоны отливки в периферийную. При этом осевая зона служит как бы прибылью для периферийной.

В результате после полного затвердения отливки шкива в ее центральной части, несмотря на наличие прибылей, оказыва­ ются так называемая осевая микрорыхлость и усадочные рако­ вины, которые свойственны подобным отливкам. Это обстоятель­ ство усугубляется еще тем, что предусмотренные наружные на­ пуски под прибылями уводят осевую микрорыхлость ближе к рабочей поверхности тормозного шкива (см. рис. 16), что под­ тверждается также в работе [52].

128

Таким образом, после механической обработки осевая мйкрбрыхлость оказывается у самой рабочей поверхности шкива (при­ пуск на механическую обработку составляет 8 мм).

Во избежание расположения осевой микрорыхлости в непо­ средственной близости от рабочей поверхности тормозного шки­ ва необходимо обеспечить сочетание направленного затвердения с одновременным достаточно быстрым остыванием наружной поверхности шкива относительно внутренней его поверхности. Этого можно добиться при условии, если будет предусмотрено искусственное охлаждение наружной поверхности путем уста­ новки наружных холодильников, подприбыльных напусков на внутренней поверхности шкива и др. (рис. 47,6).

Для получения качественной отливки требуется также изме­ нить конструкцию тормозного шкива (рис. 47,б), что позволит упростить процессы формовки, механической обработки и умень­ шить расход металла.

5.Работоспособность тормозных шкивов в значительной сте­

вившейся температуры, что объясняется ухудшением охлажде­ ния шкива в центральной части тормозных колодок.

Ѵа 5 С. Г. Бабаев