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

ОСНОВНЫЕ виды ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И ПРИЧИНЫ

ОТКАЗОВ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ

ОСНОВНЫХ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ

Различие функций оборудования, применяемого для бурения на нефть и газ, и условия его работы определяют многообразие видов изнашивания рабочих поверхностей деталей. Так, для од­ ной группы деталей характерно абразивное изнашивание под действием промывочных жидкостей; для другой группы — ин­ тенсивное разрушение поверхностей трения при высоких удель­ ных давлениях и при одновременном коррозионном воздействии среды; для третьей группы — усталостные виды изнашивания рабочих поверхностей и т. д.

Многообразие видов изнашивания деталей бурового обору­ дования затрудняет проведение работ по повышению их долго­ вечности. Требуется глубоко изучить имеющиеся основные виды изнашивания, установить закономерности их протекания, а так­ же разграничить и классифицировать виды изнашивания дета­ лей по отличительным признакам.

Опубликовано много работ по классификации видов изнаши­ вания деталей машин. Эти работы можно условно разделить на две группы.

К одной группе относятся исследования, имеющие в основ­ ном прикладной характер. Результатом этих исследований часто являются изучение и систематизация основных видов изнаши­ вания, присущие конкретным деталям и узлам машин. Большая часть работ этой группы посвящена изысканию путей и методов борьбы с изнашиванием и разрушением рабочих поверхностей конкретных деталей в различных условиях эксплуатации.

Ко второй группе работ относятся исследования, связанные с изучением физической природы явлений трения и изнашива­ ния [37, 39, 80]. Результатом этих работ является обобщение эк-

20

сперимептального материала, теоретическая разработка вопро­ сов, связанных с вскрытием механизма изнашивания и разруше­ ния поверхностных слоев деталей, а также классификация ви­ дов изнашивания деталей машин.

Наиболее ранней можно считать классификацию, предложен­ ную А. К. Зайцевым [23]. Интерес представляют также класси­ фикации, выдвинутые В. А. Кисликом, Д. Барвеллом и С. Строн­ гом, Г. М. Заморуевым [24], В. Ф. Лоренцом [45], Говардом С. Эвери [97] и др.

Однако в перечисленных классификациях в основном описы­ ваются внешние признаки видов изнашивания и недостаточное внимание уделено вскрытию природы и характера физических процессов, протекающих на поверхностях трения, а также не проведем глубокий анализ механизма развития износа и не установлены зависимости видов изнашивания от условий трения. Наиболее детально разработаны классификации видов изнаши­ вания, предложенные М. М. Хрущовым [79], Б. И. Костецким [37], И. В. Крагельским и Е. М. Швецовой.

Классификация, разработанная М. М. Хрущовым [79], сво­ дится к механическому, молекулярно-механическому и корро­ зионно-механическому явлениям, которые определяют вид из­ нашивания.

К механическим видам изнашивания М. М. Хрущов относит прежде всего абразивное изнашивание, а также изнашивание вследствие пластического деформирования и хрупкого разруше­ ния. К молекулярно-механическим видам изнашивания он отно­ сит схватывание, задиры, а также молекулярный и атомарный перенос металла; к коррозионно-механическим видам — различ­ ные сочетания химических процессов на поверхностях трения с образованием на них пленок окислов и уносом этих пленок из зоны контакта.

Классификация, разработанная Е. М. Швецовой и И. В. Кра­ гельским, охватывает случаи сухого и граничного трения. Рас­ сматриваются два вида взаимодействия поверхностей трения: механическое (внедрение) и молекулярное (притяжение и схва­ тывание).

Механическим видам взаимодействия соответствуют такие виды разрушения поверхностей трения, как выцарапывание, вык­ рашивание, отслаивание, различные микроразрушения. В каче­ стве характерных для молекулярного взаимодействия отмечены: глубинное вырывание и виды разрушения, свойственные для механического взаимодействия, — отслаивание, выкрашивание и микроразрушение.

Основные положения молекулярно-механической теории тре­ ния и износа в последующем нашли развитие в книге И. В. Крагельского [39], в которой приведены результаты многочислен­ ных исследований процессов трения и изнашивания и рекомен­ дации для правильного подбора пар трения.

2)

Большое развитие и применение в трудах советских исследо­

вателей получила классификация, предложенная Б. И. К'остецким [37].

На основании качественного и количественного исследования явлении износа большого количества деталей различных машин, работающих в разных условиях трения, Б. И. Костецким уста­ новлено, что вид изнашивания и интенсивность его при устано­

2)факторами внешней среды;

3)факторами, связанными со свойствами трущихся мате­ риалов.

Из указанных факторов первая группа является основной. Внешние механические воздействия на поверхности трения опре­ деляют вид изнашивания и темп его развития. Факторы третьей группы, связанные со свойствами трущихся металлов, определя­ ют главным образом темп износа.

По классификации Б. И. Костецкого основными видами из­ нашивания являются: схватывание первого рода, окислительный, тепловой (схватывание второго рода), абразивный и усталост­ ный.

Наряду с перечисленными основными видами изнашивания Б. И. Костецкий отмечает некоторые явления, сопутствующие из­ нашиванию деталей машин и оказывающие влияние на их срок службы [37]. К таким явлениям он относит: 1) различные виды коррозии металлов; 2) различные виды эрозии металлов; 3) пла­ стические деформации смятия металла деталей в больших объе­ мах.

Классификация, предложенная Б. И. Костецким, не лишена недостатков. Имеются, например, возражения в части приня­ тых классификационных признаков, а именно к положению о том, что окислительный и тепловой виды изнашивания построе­ ны по признаку изменений, которые вызывает теплота трения в поверхностных слоях, а осповидный и абразивный виды из­ нашивания построены по характеру разрушения поверхностей трения.

На основе обобщения результатов проведенных исследова­ ний в 1971 г. был введен стандарт на применение терминов и на определение основных понятий в области трения и изнашивания в машинах, в том числе по видам и характеристикам изнашива­

ния.

Методика исследований по оценке износа деталей и выбора правильного направления повышения долговечности претерпела за последнее время некоторые изменения.

Для более ранних работ [23] характерным является накоп­ ление данных преимущественно по количественным характери­ стикам износа без достаточного изучения сущности процессов,

22

протекающих в поверхностных слоях детален. Отсюда основное направление борьбы с износом — преимущественно эмпириче­ ский подбор материалов трущихся пар, изменение конструкции и технологии — не всегда соответствовало требованиям эксплу­ атации. Все же, несмотря на некоторые недостатки, эти работы сыграли большую роль в развитии исследований явлении трения и износа. В последующих исследованиях большое вни­ мание уделяется выяснению роли факторов, связанных с усло­ виями эксплуатации и определяющих износ деталей; наряду с установлением величины износа проводится металлографиче­ ский анализ деталей, изношенных в процессе эксплуатации. При­ мером может служить проведенное В, А. Кпсликом и А. И. Кар­ мазиным исследование повреждений поверхности катания колес грузовых вагонов. Эта работа выполнена по четко составленной методике, в которой наряду с изучением количественных харак­ теристик значительное место уделено изучению качественных характеристик металла деталей, вышедших из строя в процес­ се эксплуатации. Представляют также интерес методики про­ ведения работ по определению сроков службы п оценке долго­ вечности, изложенные в работах В..Н. Трейера [73], А. С. Проішкова [56], Н. И. Иващенко [25] и др.

В настоящее время как метод определения основного вида из­ нашивания распространение получила паспортизация исследуе­ мых узлов и деталей [20]. В основу этого метода положено выяв-

.ление и детальное изучение факторов, определяющих не только количественные, но и качественные показатели износа, что поз­ воляет выявить основной вид изнашивания, особенности и ме­ ханизм его развития.

Применение метода паспортизации дает возможность и - дальнейшем накапливать материалы по внешним признака^ видов изнашивания путем сопоставления характерных участков поверхностей трения исследуемых деталей машин с типовыми макро- и микрофотографиями, а также более ускоренно опреде­ лять основные виды изнашивания.

Состояние и свойства рабочих слоев при износе в условиях перехода системы от нормальной эксплуатации в режиме уста­ новившегося износа к аварийному состоянию отражены в рабо­ те Б. М. Барбалат. Были установлены наиболее распространен­ ные в практике причины перехода і< аварийным режимам изно- ■са: перегрузки, перегрев, а также развитие непредусмотренных абразивных процессов (например, попадание абразивных ча­ стиц в смазку). Исходя из этого, понятие надежности деталей машин автор рассматривает во взаимосвязи с вероятностью пе­ рехода системы от нормальной работы к аварийным (нежела­ тельным) видам изнашивания.

Необходимо отметить, что во всех рассмотренных работах речь идет о нежелательных видах изнашивания, о переходе к

.аварийному состоянию лишь с точки зрения качественной сторо-

23

мы явлений трения и изнашивания. Оценка же надежности дан­ ной детали, влияния нежелательных видов изнашивания на на­ дежность узла или машины в целом не рассматривается. Это осо­ бенно важно, так как, например, известно [74], что начавшееся усталостное изнашивание может' затем прекратиться и не при­ ведет к выходу из строя сопряжения в сравнительно короткий срок. Возможны также относительно медленное развитие и изнашивания других видов.

Многочисленные исследования явлений изнашивания различ­ ных машин и механизмов ограничены специфическими условия­ ми трения рабочих поверхностей деталей, вследствие чего прак­ тически невозможно использовать их результаты непосредствен­ но при изучении износа деталей бурового оборудования. Поэтому отсутствие классификации видов изнашивания деталей буро­ вого оборудования является серьезным препятствием для раз­ вития исследований в области повышения его надежности и дол­ говечности.

На основании сказанного, а также в результате анализа ра­ бот, в которых отражены методические вопросы изучения про­ цесса изнашивания деталей машин, было принято следующеепостроение методики исследования видов изнашивания поверх­ ностей трения деталей бурового оборудования:

1) наблюдения в условиях эксплуатации с целью выявления причин выхода деталей и узлов из строя;

2)определение основных видов изнашивания путем исследо­ вания деталей и узлов, изношенных при эксплуатации, а также путем организации специальных эксплуатационных испытаний;

3)выявление деталей и сопряжений, которым присущи не­ желательные виды изнашивания, определение причин их отказа

сучетом условий эксплуатации, разработка классификации ви­ дов изнашивания;

4)воспроизведение основных видов изнашивания на соот­

ветствующих лабораторных установках для выявления истинных причин интенсивного износа; установление закономерностей раз­ вития основных видов изнашивания;

5) экспериментально-теоретические исследования с целью разработки обоснованных рекомендаций по борьбе с изнашива­ нием, проверка деталей путем проведения стендовых и промыс­ ловых испытаний и окончательное определение мероприятий по повышению их надежности и долговечности.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ОТКАЗОВ И УСТАНОВЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ

Чтобы установить качественные изменения трущихся поверх­ ностей и характерные виды изнашивания деталей основных уз­ лов бурового оборудования, последние были обследованы как

24

при производстве капитального ремонта, так и в условиях эк­ сплуатации.

При капитальном ремонте выявляются основные виды изна­ шивания, присущие деталям и узлам оборудования, что дает возможность произвести анализ и систематизировать виды излашивания. Наряду с обследованием при капитальном ремонте были проведены наблюдения в условиях эксплуатации и выпол­ нены эксплуатационные испытания.

Для выявления основных видов изнашивания были исследо­ ваны поверхностные слои металла деталей оборудования. При этом учитывалось влияние на износ деталей характера внешних механических воздействий, среды, а также характеристик метал­ ла и состояния поверхностей трения исследуемых деталей.

Обследованию при производстве капитального ремонта и в условиях эксплуатации были подвергнуты основные виды буро­ вого оборудования — роторы, вертлюги, буровые лебедки, узлы талевой системы и буровые насосы.

Роторы

В настоящее время наибольшее применение в установках, предназначенных для бурения глубоких скважин, имеют роторы Р560-Ш8 и У7-520-3.

Основные отличия ротора Р560-Ш8 от ротора У7-520-3 за­ ключаются в следующем. Конструкцией ротора Р560-Ш8 преду­ смотрено, верхнее расположение основной опоры. У ротора У7-520-3 основная опора имеет нижнее расположение. Привод­ ной вал ротора Р560-Ш8 смонтирован на двух роликовых сфе­ рических двухрядных подшипниках, помещенных в общем ста­ кане. Приводной вал ротора У7-520-3 смонтирован на таких же двух подшипниках, которые помещены в самостоятельные ста­ каны. В роторе У7-520-3 применена косозубая коническая зуб­ чатая передача, а в роторе Р560-Ш8 — прямозубая передача.

Смазка основной опоры и зубчатой передачи ротора Р560Ш8 осуществляется из общей масляной ванны, смазка вспо­ могательной опоры — консистентная, через отдельный подвод. Подшипники приводного вала этого ротора имеют изолирован­ ную лабиринтами ванну. В роторе У7-520-3 смазка основной н вспомогательной опор, а также зубчатой передачи осуществля­ ется из общей масляной ванны, а подшипники приводного вала имеют отдельную масляную ванну.

В процессе капитального ремонта было обследовано 80 ро­ торов: 60 роторов Р560-Ш8 и 20 роторов У7-520-3.

Установлено, что в большинстве случаев отмечается наличие промывочной жидкости (глинистого раствора) в масляных ван­ нах роторов. Из общего числа обследованных роторов Р560-Ш8 и У7-520-3 соответственно в 77 и 90% случаях обнаруживалось

25

попадание глинистого раствора в ванну ротора. Случаи же на­ личия глинистого раствора в ванне приводного вала для рото­ ров обеих марок примерно одинаковы. Благодаря применению' раздельной масляной ванны загрязненность смазки ванны стола ротора Р560-Ш8 не влияет на состояние смазки вспомогатель­ ной опоры; в роторе У7-520-3 из-за наличия масляной ванны при: попадании глинистого раствора одновременно загрязняется смаз­ ка как основной, так п вспомогательной опор. Однако гермети­ зация масляной ванны вспомогательной опоры ротора Р560-Ш8' также недостаточно надежна.

Рис. 2. Коррозионное разрушение рабочей по­ верхности кольца основной опоры ротора У7-520-3.

Загрязненность смазки глинистым раствором приводит іс ускоренному износу основных деталей и узлов роторов, а такжеспособствует коррозии. На рис. 2 показано кольцо основной опоры, у которой отмечена коррозия беговой дорожки.

Характерными являются результаты обследования в условиях: эксплуатации: ротор Р560-Ш8 (инвентарный № 77) проработал всего десять дней в интервале бурения 0—1145 м, роторы. У7-520-3 (№122) и Р560-Ш8 (№213) проработали соответствен­ но тридцать девять и пятнадцать дней в интервалах бурения 3944—3956 и 3847—3927 м. Во всех перечисленных случаях за короткий срок было отмечено попадание глинистого раствора ffванны роторов, в результате чего происходили интенсивный из­ нос и коррозия основных деталей.

Анализ причин попадания глинистого раствора показывает,, что в ванны основной и вспомогательной опор глинистый раст­

26

вор проникает через верхнее и нижнее лабиринтные уплотне­ ния. В ванну приводного вала глинистый раствор попадает через лабиринтное уплотнение со стороны шестерни, т. е. в случае за­ грязнения смазки в ванне стола.

Расчет размерных цепей ротора Р560-Ш8, определяющих величину зазоров в лабиринтах [42], показал, что величина ра­ диального зазора в лабиринтном уплотнении масляной ванны -стола может достигать 5,7 мм. В этом случае не может быть -обеспечено эффективное уплотнение. В лабиринтном уплотнении масляной ванны приводного вала величина зазора (1,9—3,2 мм) также значительно превышает рекомендуемую.

В большинстве случаев причиной потери работоспособности роторов является выход из строя основной опоры. Как видно из табл. 4, основные виды изнашивания верхних и нижних колец основной опоры обусловлены контактной усталостью металла. Этот вид изнашивания (от^ общего количества случаев) состав­ ляет: 61% для колец роторов Р560-Ш8 и 53,5% для колец рото­ ров У7-520-3.

Кольца с начальным развитием усталостного изнашивания характеризуются единичными, реже групповыми, неглубокими 'выкрашиваниями; кольца с прогрессирующим усталостным из­ нашиванием— глубокими (0,3—1,5 мм и более) выкрашива­ ниями.

Под действием многократно приложенных высоких контакт­ ных нагрузок в зоне действия наибольших касательных напря­ жений и в зоне, где касательные напряжения изменяются с на­ ибольшей амплитудой, происходят фазовые превращения. Пони­ жение твердости в результате фазовых превращений в этих зо­ нах приводит к усилению пластической деформации и возник­ новению усталостных трещин. Этому в немалой степени способ­ ствует наличие значительных динамических нагрузок.

Различие в глубине выкрашиваний на поверхностях колец подшипников объясняется тем, что в малых активных объемах

27

металла поверхностных слоев происходят интенсивные микро­ скопические деформации, вызывающие значительное упрочнение металла. Глубина упрочненного слоя и интенсивность упрочне­ ния зависят от нагрузки, а глубина выкрашиваний, в свою оче­ редь,— от глубины упрочнения. Это справедливо при условии, что фазовых и структурных изменений в поверхностных слоях нет [36].

Большое число колец с усталостным изнашиванием беговых дорожек имеют «наплывы» металла в направлении к внутрен­ нему диаметру и трещины (рис. 3, а). Трещины на поверхностях колец в большинстве случаев расположены хаотично, что являет­ ся следствием структурных изменений. Отмечены также случаи, когца трещины на поверхностях колец подшипников направлены перпендикулярно силам трения (рис. 3, б), что свидетельствует об их усталостном происхождении.

Следовательно, на кольцах основных опор наблюдаются выкрашивания, не связанные и связанные (усталостные) с фа­ зовыми и структурными превращениями.

Металлографический анализ показал, что образцы колец ос­ новной опоры роторов Р560-Ш8 наряду с нормальной структу­ рой (мелкоигольчатый мартенсит с карбидами хрома балл 1—2) имеют структуру троостосорбит, а также структуру, состоящую' из аустенита с очень крупными иглами мартенсита и местами троостосорбита.

Выявленная металлографическим анализом неудовлетвори­ тельная микроструктура, а также заниженная твердость явля­ ются одной из причин, способствующей возникновению устало­ стного изнашивания.

Следует отметить, что в результате проведенных исследова­ ний установлена нижняя граница твердости, при которой на­ блюдается интенсивное изнашивание, значительное снижениегрузоподъемности и срока службы подшипников. Так, влияниетвердости начинает резко сказываться при снижении ее ниже

HRC 58.

Преобладающими видами разрушений верхних и нижних колец основной опоры являются (см. табл. 4) отколы, отслаива­ ние металла, а также коррозия. Разрушения этих трех видов для роторов Р560-Ш8 и У7-520-3 суммарно составляют 36 и 39,5% от общего числа отмеченных случаев разрушений и изна­

шивания.

По условиям работы ротора коррозия является недопусти­ мым видом разрушения, сопутствующим и ускоряющим изнаши­

вание опор.

Однако, как отмечалось выше, попадание глинистого ра­ створа и воды в масляные ванны способствует развитию коррозии колец. Большее число случаев коррозии колец ротора У7-520-3 объясняется тем, что конструкцией этого ротора предусмотрены общая масляная ванна и нижнее расположение основной опоры. При таком расположении опоры вследствие осе-

28

Рис. 3. Усталостное изнашивание беговой дорожки колец основной опоры ротора Р560-Ш8.

а — наплывы металла, выкрашивания и трещины; б — усталостпые трещины; в — отслаивание металла.