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

у лебедки У2-4-8. Кроме того, на тормозной ленте лебедки У2- 5-5 крепятся двадцать две тормозные колодки, а на лепте лебед­

ческие тормозы выходят из строя в основном из-за низкой рабо­ тоспособности сальниковых уплотнений, в результате чего отме­ чается попадание воды в подшипники. В месте установки саль­ ников отмечен значительный износ вала гидравлического тормоза с образованием кольцевых выработок.

Во многих случаях отмечен значительный износ зубьев звез­ дочек, а в отдельных случаях — отколы и выщербины на их по­ верхностях. Особенно значительный износ и отколы наблюда­ ются на звездочках подъемного вала и вала трансмиссии ротора.

Наиболее опасными с точки зрения возможных последствий являются выходы из строя тормозных шкивов лебедок.

41

При спуске бурильного инструмента и обсадных колонн в про­ цессе бурения выделяется значительное количество энергии, ко­ торая должна поглощаться тормозными устройствами буровой лебедки. При торможении эта энергия превращается в тепло, которое вызывает значительный нагрев рабочей поверхности тор­ мозных шкивов и колодок. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные под руководством Г. М. Шахмалиева, показали, что при спуско-подъемных операциях циклический нагрев рабочей поверхности тормозных шкивов до температур свыше 900° С приводит к образованию трещин на их рабочей поверхности.

Обследованиями, проведенными в конторах бурения многих нефтепромысловых объединений, установлено, что в некоторых случаях наблюдается значительный рост трещин на поверхно­ сти тормозных шкивов.

Применяемые в настоящее время тормозные колодки из ма­ териала ретинакс ФК-24А по сравнению с применявшимися ра­ нее колодками из материала 6КХ-1 при повышении температуры контактирующих поверхностей более стабильно сохраняют фрик­ ционные свойства, одновременно значительно меньше изнаши­ ваются сами колодки. Сказанное подтверждается данными, приведенными в работе [40]. Коэффициент трения материала 6КХ-1 при температуре контактирующих поверхностей 490— 500° С снижается до 0,14, а коэффициент трения материала ФК-24А в диапазоне температур 500—700° С стабилен и равен 0,25—0,27.

Внедрение колодок из материала ФК-24А позволило значи­

показывают, что с переходом на применение колодок из материа­ ла ФК-24А число смен тормозных лент за время бурения сква­ жин, а также на каждые 1000 м проходки уменьшилось в 2— Зраза. ^

42

Таким образом, способность колодок из материала ФК-24А более стабильно сохранять фрикционные свойства при значи­ тельных температурах контактирующих поверхностей привела к увеличению темпа спуско-подъемных операций и, в конечном счете, к возрастанию теп­ лового режима работы тормозных шкивов.

Чтобы получить, дан­ ные, характеризующие рост трещин на рабочей поверхности тормозных шкивов в зависимости от произведенной работы торможения, были про­ контролированы шкивы лебедок У2-5-4 и У2-5-5. Поскольку доступ к тор­ мозным шкивам непо­ средственно на буровой затруднен, методикой бы­ ло предусмотрено мас­ штабное фотографирова­ ние определенных участ­ ков рабочей поверхности шкивов с последующим изучением размера и чис­ ла трещин в зависимости от работы, совершенной тормозом лебедки при спуско-подъемных опе­ рациях.

Наблюдениями уста­ новлено, что за короткий промежуток времени, даже при установке но­ вых шкивов, наблюдался значительный рост коли­ чества трещин. В боль­ шинстве случаев шкивы неоднократно заменялись. Наряду с этим отме­

чается значительное различие в продолжительности работы шкивов.

На рис. 15, а, б представлены фотографии рабочей поверх­ ности тормозных шкивов в момент их замены. Характерным яв­ ляется наличие большого числа развитых трещин, достигающих по длине 120—130 мм.

43

Механизм развития трещин на рабочей поверхности тормоз­ ных шкивов и причины их аварийных разрывов заключаются в следующем.

Высокая нагруженность тормоза буровой лебедки в процес­ се спуска инструмента и обсадных колонн, как отмечалось вы­ ше, приводит к выделению на поверхности трения большого ко­ личества тепла. Циклический нагрев рабочей поверхности шки­ вов до температур, превышающих критическую точку Ле1_ 3, и

последующее охлаждение приводят к возникновению внутренних напряжений.

Возникновение внутренних напряжений объясняется боль­ шой скоростью тепловых смен, приводящей к появлению темпе­ ратурного градиента. Наличие градиента обусловливает раз­ личную величину объемных изменений металла в соответствии с распределением температуры. Связь между собой отдельных зон тела, препятствующая полной реализации ее термического расширения, приводит к возникновению термических напряже­ ний.

Во время работы тормозных шкивов значительный нагрев металла всегда происходит в поверхностных (рабочих) слоях при незначительном нагреве основной массы. Поэтому поверхност­ ный слой всегда охлаждается в последнюю очередь, и под дей­ ствием температурных и структурных напряжений возникают растягивающие и сжимающие напряжения (причем преобла­ дают растягивающие напряжения). Этот процесс неоднократно повторяется при последующих циклах торможения и, если воз­ никающие растягивающие напряжения достигают значений больше предела упругости, то в поверхностном слое металла шкива появляются трещины. В этом случае необходимо учиты­ вать, что при быстром охлаждении на различных участках по окружности возникают местные искажения полей температур­ ных напряжений, связанные с химической неоднородностью ме­ талла, фазовыми превращениями, протекающими в разное вре­ мя, дефектами литейного производства и другими факторами, которые влияют на неоднородность пластической деформации, вызываемой температурными напряжениями [76].

В работе Ю. Ф. Баландина отмечается, что более плотный материал, в котором сведены к минимуму внутренние пустоты, поры, газовые пузыри и неметаллические включения, лучше сопротивляется термической усталости. В этом отношении ха­ рактерными являются возникновение и быстрый рост трещин на участках рабочей поверхности тормозных шкивов, где имеются литейные дефекты-раковины, рыхлоты и т. д. (рис. 16).

На рис. 17 показана сквозная трещина в шкиве соответствен­ но до и после снятия его с барабана лебедки. Образовавшийся после снятия шкива развод концов по трещине (около 70 мм) подтверждает наличие в нем значительных внутренних напря­ жений.

44

личин трещим на рабочей поверхности шкивов буровых лебедою У2-5-5 в виде гистограмм. Были исследованы тормозные шкивы без видимых дефектов металла, па поверхности которых отсут­ ствовали единичные, сильно развитые трещины. Гистограммы

Рис. 17. Вид сквозной трещины на тормоз­ ном шкиве лебедки У2-5-4 (объединение «Карадагнефть», буровая № 91).

а — до снятия с барабана лебедки: б ^ после сня­ тия с барабана лебедки.

распределения получены в результате обработки макрофото­ графий состояния рабочей поверхности тормозных шкивов, со­ ответствующих определенному числу произведенных спуско­ подъемных операций /гд. Макрофотографии получены путем периодического фотографирования рабочей поверхности тормоз­ ных шкивов непосредственно на буровых.

46

Была выдвинута гипотеза о том, что распределения трещин подчиняются логарифмически нормальному закону распределе­ ния. Для проверки согласованности полученных гистограмм распределений с логарифмически нормальным распределением использовался критерий Х-квадрат [12].

где nii — число значении в г-ом интервале статистического ряда:

Оценка согласия по Х-квадрату показала, что все статисти­ ческие ряды хорошо согласуются с выбранным законом распре­ деления (вероятность попадания Р была не меньше 0,2).

Для выравнивания статистических рядов был использован метод моментов [12]. Согласно этому методу, а и Х0 выбирались из расчета, чтобы математическое ожидание М [X] и дисперсия Л[Х] теоретического распределения совпадали с соответствую­

оО

Если в .интеграле заменить переменную

при х>1, то вероятность возникновения этих трещин определит-

.ся как

47

По данной зависимости построен график (рис. 18), который позволяет определить вероятность возникновения трещин на ра­ бочей поверхности тормозных шкивов. Из графика видно, что в случаях качественного изготовления тормозных шкивов трещи­

и более, ширина — от сотых долей до двух миллиметров и более.

и определить механические свойства. Характер распределения и величину неметаллических включений определяли просмотром нетравленых шлифов как в светлом, так и в темном полях осве­ щения. Исследования показали, что основная масса неметалли­ ческих включений состоит из оксидов (FeO, MnO, FeO • МпО, А120 3). Металл некоторых тормозных шкивов имел завышенное содержанке сульфидов сернистого марганца (MnS). При этом распределение сульфидов носило групповой характер.

Литейные дефекты и неметаллические включения способст­ вуют образованию и развитию термических трещин (см. рис. 16).

В табл. 10 приведены результаты определения микрострукту­ ры образцов. При исследовании было установлено значительное изменение микроструктуры у всех шкивов по сечению, что обус-

48

мелкозернистая троостосорбитная структура, распространяю­ щаяся на глубину до 2 мм, при твердости до НВ 321 (образцы 35-1, 35-2, 77-1 и 77-2). Деформация структуры по сечению шки­ вов не наблюдалась. Механические свойства металла шкивов оп­ ределялись на образцах, вырезанных из нерабочей части шки­ вов. Установлено, что механические свойства (особенно удар­ ная вязкость) металла некоторых шкивов (образцы 77-2, 289-1 и 94-1) имеют заниженные значения.

Таким образом, исследования тормозных шкивов буровых лебедок в условиях эксплуатации показали, что на всех шкивах V рабочей поверхности происходят структурные изменения. На­ блюдаемая в поверхностных слоях структура троостосорбнт ука­ зывает на значительный нагрев шкивов в процессе работы тор­ моза.

Циклические и резкие тепловые смены вызывают изменения структуры рабочей поверхности шкивов, что приводит к их раз­ рушению.

Износ тормозных колодок в соответствии с распределением удельных давлений по длине тормозной ленты происходит нерав­ номерно — колодки на набегающем конце ленты изнашивают­

4P