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

Металлографический анализ образцов позволил объяснить причину образования усталостных выкрашиваний в процессе проведения испытаний на контактную выносливость. Микро­ структура поверхностных слоев конуса и сердцевины образцов с твердостью HRC 60—62 и HRC 56—58 до испытаний состоя­ ла из мелкоигольчатого мартенсита с равномерно распределен­ ными карбидами хрома.

Исследование образцов, подвергнутых статическим нагруже­ ниям, показало, что в поверхностных слоях конуса в зоне кон­ такта с шарами отмечается белая полоса, которая ограничивает небольшой объем металла по пятну контакта и отделяется от ис­ ходной структуры сильно травящейся полоской металла. На­ блюдаемые в поверхностных слоях белые слои по своему внеш­ нему виду можно разделить на два вида: однородные слои, ко­ торые от исходной структуры отделяются сильно травящейся полоской металла, и неоднородные слои волокнистого строения.

Микротвердость белых слоев, измеренная на микротвердоме­

цов, испытанных при различных режимах нагружения, можно объяснить различный внешний вид белых слоев. Если образова­ ние однородных белых слоев присуще образцам, испытанным в условиях статического нагружения без последующего враще­ ния, то образующиеся белые слои неоднородного волокнистого строения отмечаются на образцах, испытанных в условиях по­ следовательного чередования статических нагружений и враще­ ний.

Появление белых слоев волокнистого строения объясняется характером режима испытания — чередованием нагружения и вращения. При первом цикле нагружения образовавшиеся бе­ лые слои ограничивают объем металла, сдвигаемый в момент приложения нагрузки; повторное приложение циклической на­ грузки после вращения образца вызывает новые сдвиги в микро­ объемах и, следовательно, приводит к появлению новых белых слоев. В результате таких чередований происходит образование волокнистых белых слоев.

Таким образом, образование белых слоев происходит при статических нагружениях и связано с высокими контактными напряжениями, возникающими при нагружении образца. Полу­ ченные результаты согласуются с данными работ [32] и др., в которых появление белых слоев также объясняется высокими контактными напряжениями и возникающими при этом локаль­ ными термическими процессами.

То обстоятельство, что образование белых слоев происходит именно при статических нагружениях, подтверждает сделанное ранее предположение, что остаточные деформации являются ло­ кальными очагами возникновения усталостных выкрашиваний

150

Mkjto в зонах деформаций происходят структурные изменения по­ верхностных слоев.

Исходя из изложенного и учитывая, что белые слои пред­ ставляют собой упрочненные участки, процесс образования вы­ крашиваний при вращении образца может быть объяснен сле­ дующим образом. В процессе вращения образца при контактиро­ вании конуса с шарами (напряжение 230 кгс/мм2) участки бе­ лых слоев, обладая значительно большей твердостью, чем серд-

Рис. 54. Трещина и отколы на пояске ко­ нуса по дуге белого слоя (Х 340).

цевина, продавливаются и, растрескиваясь, откалываются. По­ этому на пояске образцов, испытанных с предварительными ста­ тическими нагружениями и последующим вращением, в местах выкрашиваний наряду с измельчением и скоплением карбидов наблюдаются трещины и отколы (рис. 54) по дуге белого слоя.

Низкая долговечность образцов с твердостью HRC 56—58 объясняется тем, что в их относительно более мягкую сердцевину (по сравнению с образцами с твердостью HRC 60—62) легче продавливаются участки белых слоев. Этим, очевидно, и объясняется уменьшение грузоподъемности и срока службы под­ шипников, например, при снижении твердости ниже HRC 60.

На пояске образцов, испытанных без предварительных ста­ тических нагружений, в местах выкрашиваний отмечается толь­ ко скопление карбидов.

Проведенные испытания образцов на контактную выносли­ вость по режимам, воспроизводящим нагружение основной опо­ ры ротора в процессе его эксплуатации, показали, что долго­ вечность образцов зависит от числа циклов статических нагру­ жений, обусловливающих образование остаточных деформаций.

На основании полученных экспериментальных данных о дол­ говечности образцов (см. табл. 34) и зависимости между чис-

151

лом циклов статического нагружения и относительной дефор:

внутреннего кольца (что соответствует рассматриваемому слу­ чаю) Ак=1; ко —динамический коэффициент (для рассматри­

152

ваемого случая £ст = 1); /е0—-коэффициент приведения нагрузок, действующих при различных режимах, к режиму, принятому за

фициент работоспособности при этом, вычисленный по формуле (32), С= 855. Исходя из того что с увеличением числа циклов предварительных статических нагружений долговечность образ­ цов уменьшается (см. рис. 55, б), определим коэффициенты ра­ ботоспособности по значениям долговечности, полученным после 300, 500, 700 и 900 циклов нагружения. Тогда коэффициенты

В расчетах изменение коэффициента работоспособности в за­ висимости от числа циклов статических нагружений может быть учтено введением соответствующего коэффициента числа цик­ лов £ц.

Коэффициент числа циклов представляет собой отношение коэффициента работоспособности при отсутствии статических нагружений к коэффициенту работоспособности при заданном числе циклов статических нагружений:

Для рассматриваемого случая значения коэффициента чис­ ла циклов находилось в пределах 1,23—1,43.

Таким образом, коэффициент работоспособности зависит от числа циклов статических нагружений. Следовательно, при расчете опор роторов в формулу коэффициента работоспособ­ ности должен быть введен коэффициент числа циклов, учиты­ вающий влияние статических нагружений основной опоры в процессе бурения:

Проведенные расчеты долговечности опоры без учета коэф­ фициента числа циклов и данные фактической долговечности для диапазона нагрузок 150—200 тс показали, что долговеч­ ность опоры по расчетным данным примерно в 1,5 раза больше фактической. При учете коэффициента числа циклов расхожде­ ние в значениях расчетной и фактической долговечности незна­ чительное.

бС. Г. Бабаев

ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

возможности ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Проблема повышения надежности оборудования охватывает большой круг вопросов теоретического, практического и органи­ зационного характера. Решение этой проблемы требует проведе­ ния значительных разработок в области научных исследований, проектирования, технологии производства и эксплуатации.

Недостаточная надежность бурового оборудования приводит к увеличению эксплуатационных расходов и времени простоя. Кроме того, при недостаточной надежности внезапные отказы узлов и деталей вследствие нарушений установленной техноло­ гии бурения могут привести к тяжелым авариям, затраты на ликвидацию которых весьма велики.

Достижения современной науки и производства позволяют спроектировать и изготовить оборудование достаточно высокой надежности. Однако повышение надежности связано с усложне­ нием оборудования, увеличением его веса, габаритных размеров и стоимости. Поэтому необходимо установить некоторую опти­ мальную надежность.

Оптимальная надежность устанавливается исходя из крите­ рия минимальной стоимости проектирования, изготовления и эк­ сплуатации оборудования. Проектирование и изготовление высо­ конадежного оборудования требуют дополнительных средств. Однако с увеличением надежности уменьшаются число отказов, время вынужденного простоя, необходимое количество запасных частей, что позволяет снизить эксплуатационные расходы.

Таким образом, с увеличением надежности оборудования ра­ стет стоимость проектирования и изготовления, но уменьшается стоимость эксплуатации. При этом существует некоторое (опти­ мальное) значение надежности, при котором суммарная стои­

154

мость проектирования, изготовления и эксплуатации мини­

мальна.

Требования повышения безотказности оборудования, связан­ ные с обеспечением установленной оптимальной надежности, на­ столько высоки, что удовлетворить этим требованиям, не прибе­ гая к специальным мерам по повышению надежности, часто не представляется возможным.

Мероприятия по повышению надежности могут быть осуще­ ствлены на трех этапах: при проектировании, при производстве и в условиях эксплуатации. Все методы повышения надежности оборудования принципиально могут быть сведены к следующим основным [57]: резервирование; уменьшение интенсивности от­ казов оборудования; сокращение времени непрерывной работы; уменьшение среднего времени восстановления.

Р е з е р в и р о в а н и е наиболее целесообразно применять для повышения надежности оборудования, предназначенного для не­ прерывной работы в течение короткого времени. Использование резервирования для повышения надежности оборудования, пред­ назначенного для длительной работы, часто требует высокой кратности резервирования или применения специальных спосо­ бов [57].

Повышение надежности оборудования путем его резервиро­ вания приводит к ухудшению таких характеристик, как вес, га­ баритные размеры, стоимость, усложнение условий эксплуата­ ции (увеличение частоты проверок, необходимого количества запасных детален и узлов и т. п.). Перечисленное несколько ограничивает использование этого метода при конструировании бурового оборудования.

У м е н ь ш е н и е и нте н с и в н о с т и о т к а з о в связано с осуществлением комплекса мероприятий по повышению каче­ ства и долговечности оборудования. Наряду с этим важное зна­ чение имеют упрощение кинематической схемы оборудования, использование наиболее надежных деталей, стандартизация и унификация деталей и узлов, а также профилактические меро­ приятия в условиях эксплуатации, направленные на преду­ преждение отказов.

Все основное буровое оборудование является восстанавли­ ваемым и требует проведения периодического технического об­ служивания во время эксплуатации: внепланового или планового (профилактическое обслуживание).

Внеплановое обслуживание предусматривает восстановление функций оборудования после возникновения отказов путем за­ мен. ремонтов или подрегулировок отказавших узлов и деталей.

Профилактическое обслуживание оборудования время от времени предусматривает замену деталей, еще исправных, но с определенной степенью износа. Наряду с повышением безотказ­ ности работы оборудования профилактическое обслуживание целесообразно проводить и в тех случаях, когда устранение по­

следствий отказов или неисправностей обходится дороже, чем замена еще исправных деталей, проработавших определенное время. При этом важным вопросом является выбор стратегии и периодичности профилактического обслуживания.

С о к р а щ е н и е в р е м е н и н е п р е р ы в н о й р а б о т ы

оборудования фактически не является методом повышения его надежности. Однако, уменьшая суммарное время работы обору­ дования, можно тем самым увеличить время его существования в исправном состоянии. Следовдтельно, этот путь позволяет ра­ зумно использовать надежность оборудования.

Если применяется экспоненциальный закон надежности, то время t и интенсивность отказов X в выражении вероятности безотказной работы входят в показатель степени при е в виде произведения. Это означает, что сокращение времени непрерыв­ ной работы оборудования эквивалентно уменьшению в то же число раз интенсивности его отказов.

В связи с этим важным для бурового оборудования является изыскание путей увеличения механической и рейсовой скоростей бурения, а также уменьшения числа спуско-подъемных опера­

венное влияние на коэффициент готовности и коэффициент вы­ нужденного простоя. Уменьшая время восстановления, можно увеличить готовность оборудования к действию в любой момент времени, уменьшить простои и тем самым повысить эффектив­ ность его действия.

Уменьшить время, необходимое для ремонта оборудования, можно главным образом за счет рационального его конструиро­ вания и использования передовых методов эксплуатации.

Оценить эффективность того или иного метода повышения надежности можно на основании сравнения количественных ха­ рактеристик надежности.

Вероятность безотказной работы оборудования, интенсив­ ность отказов которого уменьшена в k раз, при Xo=const будет

где Хо — интенсивность отказов оборудования до ее понижения. Выигрыш надежности по вероятности отказов в этом случае

будет определяться выражением

G0 (0 =

1 — е-V

Из выражения для GQ (t) видно, что при X<jf-»-0 выигрыш на­ дежности по вероятности отказов равен \/k. С ростом Хоt он

156

убывает и в области больших kot стремится к единице. Выигрыш надежности по среднему времени безотказной работы, как это видно из приведенного выражения, растет пропорционально коэффициенту k.

Основы теории повышения надежности с использованием пе­ речисленных методов в достаточной степени разработаны при­ менительно к элементам и системам автоматики [22, 64]. Од­ нако эти разработки в основном проведены с учетом лишь эк­ споненциального закона распределения времени безотказной ра­ боты элементов и систем. Кроме того, требуется рассмотреть отдельные вопросы с учетом специфических условий эксплуата­ ции бурового оборудования.

Поскольку буровое оборудование работает многократно пе­ риодически — циклами, а его детали и узлы подвержены преи­ мущественно износу (влияние которого выражается в возраста­ нии интенсивности отказов во времени), то одним из эффектив­ ных способов повышения надежности оборудования является профилактическое обслуживание. Целесообразно проводить про­ филактическое обслуживание буровых лебедок, роторов и верт­ люгов. Как было показано выше, детали перечисленного обору­ дования выходят из строя преимущественно вследствие износа; внезапные отказы наблюдаются в редких случаях.

В то же время для буровых насосов характерны преиму­ щественно внезапные отказы. Время безотказной работы буро­ вых насосов подчиняется экспоненциальному закону распреде­ ления, а как известно, при экспоненциальном распределении профилактическое обслуживание неэффективно.

Повышения надежности буровых насосов можно достигнуть путем значительного увеличения срока службы деталей гидрав-

.лической части, что позволит снизить интенсивность их отказов. Кроме того, в насосной группе буровых установок применимо резервирование.

Таким образом, если надежность бурового оборудования оце­ нивать вероятностью безотказной работы, то задачу повышения надежности можно сформулировать следующим образом: тре­ буется применить такие методы повышения надежности, чтобы вероятность безотказной работы была не ниже требуемой (оп­ тимальной), а ее стоимость (вес, или габариты) минимальной.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫБОРА НАИВЫГОДНЕЙШЕЙ ПЕРИОДИЧНОСТИ ПРОФИЛАКТИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Критерием эффективности использования оборудования при введении профилактического обслуживания могут служить от­ носительные эксплуатационные потери в течение заданного ко­ нечного интервала времени, зависящие от доли времени простоя оборудования при профилактическом и внеплановом обслужива-

157

mm за этот же период времени. На практике в большинстве случаев имеется возможность так выбрать периодичность прове­ дения профилактического обслуживания, чтобы относительные эксплуатационные потери были бы минимальными.

Вопросам профилактического обслуживания сложных систем и отдельных изделий посвящены работы [9, 51, 58] и др. В этих работах даются некоторые рекомендации в основном общего ха­ рактера по выбору периода между двумя очередными профилак­ тическими обслуживаниями. Однако применить полученные ре­ зультаты для решения конкретных задач не представляется воз­ можным, так как нет разработок по выбору оптимальной перио­ дичности профилактического обслуживания для известных за­ конов распределения времени безотказной работы оборудования.

В общем виде задачу определения оптимальной периодично­ сти профилактического обслуживания можно сформулировать следующим образом.

Для нерезервируемого восстанавливаемого изделия с задан­ ным законом распределения времени безотказной работы F(t) = = P { t^ t} так выбрать период проведения профилактического обслуживания t0, чтобы в установившемся режиме работы при заданных средних значениях времени проведения внепланового (аварийного) обслуживания Та и времени проведения профи­ лактического обслуживания Тп относительные эксплуатационные потери были бы минимальными.

Если Ср — стоимость продукции (в руб.), произведенной из­ делием, а Сп— убытки (в руб.) в результате простоя изделия из-за его ненадежности, то для нахождения і0 необходимо ми­ нимизировать величину Сп/Ср.

Пусть с' — удельная стоимость произведенной изделием про­ дукции (в руб./ч). Тогда относительные эксплуатационные по­ терн можно представить в виде

длительности периода вынужденного простоя и длительности пе­ риода безотказной работы.

Выбор оптимального периода профилактического обслужива­ ния рассмотрим для двух заданных систем его проведения, так называемых стратегий проведения профилактического обслужи­

обслуживание затрачивается случайное время р. Если изделие отказывает в случайный момент времени £(£<?ot), то произво­ дится аварийный ремонт изделия, который заканчивается за случайное время ц. Следующее профилактическое обслуживание производится через время f0i, если за это время изделие не отка­

158

зывает, и через время £, если оно откажет, и т. д. Временная диаграмма для первой стратегии проведения профилактики при­ ведена на рис. 56, а.

В т о р а я с т р а т е г и я предусматривает проведение профи­ лактического обслуживания через фиксированное время t02 не­ зависимо от количества наблюдавшихся отказов изделия за пе­ риод (02 - По истечении времени toz производится профилактиче­ ское обслуживание случайной длительностью тр Аварийные от­ казы, возникающие за период между очередными профилактнче-

скими обслуживаниями через случайное время £(£<Дог), устра­ няются за случайное время р. Пусть аварийные ремонты не из­ меняют общей интенсивности отказов изделия. Профилактиче­ ское же обслуживание предусматривает полную замену быстро­ изнашивающихся деталей, т. е. изделие полностью обновляется.

Таким образом, если при первой стратегии профилактиче­ ское обслуживание и аварийные ремонты полностью обновляют изделие, то при второй стратегии изделие обновляется только при профилактическом обслуживании. Временная диаграмма для второй стратегии проведения профилактического обслужива­ ния представлена на рис. 56, б.

Пусть £ и [г — независимые и одинаково распределенные величины [ F ( t ) = P { ^ t } и А(т) = Р { р ^ т } ].

Для первой стратегии длительность периода безотказной ра­

159