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

ся больше, чем на сбегающем конце. 1\ак было отмечено выше (см. табл. 9), при бурении скважин глубиной 4000—5000 м на месторождениях Апшероиа за каждые 1000 м проходки требу­ ется 4—8 раз заменять тормозные лепты. Недостаточная долго­ вечность тормозных колодок буровых лебедок также объясняется высоким температурным режимом работы тормоза. В работе

чениям (Х340).

‘{40] показано, что при повышении температуры с 310 до 500° С интенсивность износа материала колодок ФК.-24А увеличивается ■более чем в б раз.

Необходимо отметить, что большинство деталей и узлов бу­ ровых лебедок, поступивших на капитальный ремонт, находи­ лись в хорошем состоянии. Так, валы, подшипники (за исключе­ нием подшипников гидравлического тормоза), корпусы подшип­ ников и кулачковые муфты у девяти обследованных лебедок имели незначительный износ. Только в двух случаях на зубьях

-50

шиниопневмэтических муфт поверхностных повреждений и раз­ рывов в большинстве случаев не имели, однако у всех муфт были полностью сработаны фрикционные накладки.

Таким образом, по последствиям отказов наиболее недопусти­ мым являются выходы из строя тормозных шкивов. В связи с этим одна из первоочередных задач — изыскание путей повыше­ ния надежности и долговечности тормозных устройств буровых, лебедок.

Буровые насосы

Известно, что небольшие сроки службы имеют детали гид­ равлической части буровых насосов. Большое влияние на про­ должительность их работы оказывают условия эксплуатации. Так, с ростом глубин, усложнением условий бурения скважин и применением утяжеленных глинистых растворов сроки службы значительно сокращаются. По данным В. М. Литвинова [43],. при бурении скважин с промывкой водой сроки службы поршней составляют 180—200 ч, при использовании же утяжеленного гли­ нистого раствора (плотностью 2,25 г/см3) они снижаются до 18—20 ч, т. е. в 10 раз.

В табл. 11 на основании большого статистического материала автора и по данным работы [43] приведены результаты опреде­ ления средних сроков службы деталей гидравлической части бу­

Как видно из табл. 11, сроки службы деталей гидравлической части буровых насосов особенно низки в объединениях «Грознефть» и «Азнефть», что объясняется применением для буре­ ния в этих объединениях утяжеленных глинистых растворов.

Вследствие влияния большого числа факторов сроки службы деталей буровых насосов колеблются в значительных пределах. По данным работы [8], рассеяние сроков службы этих деталей

51.

характеру износа рабочей поверхности втулок (рис. 20). Харак­ терными видами разрушения поршней являются промыв манжет и пояска сердечника, а также разрушение манжет (табл. 13).

Из всех видов разрушения манжет значительный процент ■(33,3%) приходится иа разрушение резины у разделительного

наиболее характерными и составили 77% общего числа повреж­ дений на 88 обследованных поршнях.

Механизм изнашивания и образования промывов на рабочих поверхностях пары цилиндровая втулка— поршень представляет­ ся следующим образом.

53

Таблица 13

Процент от Число общего чи­ Виды изнашивания и разрушения повре­ сла повре­

ждений ждений

До момента потери герметичности изнашивание пары цилин­ дровая втулка — поршень происходит под воздействием абразив­ ной прослойки. Образующиеся на поверхности от воздействия абразивных частиц продольные риски и царапины приводят к нарушению герметичности. С этого момента, вследствие большо­ го перепада давлений в одной полости втулки над другой по­ лостью, абразивная струя прорывается через неплотности, вызы­ вая образование глубоких продольных канавок на поверхности цилиндровой втулки и поршня.

Аналогичный механизм износа пары описывается и другими авторами [86,101]. Причем в работе [101] отмечается даже, что совместное истирание поверхностей пары не играет большой роли в уменьшении работоспособности узла. В другой работе [44] указывается, что наиболее разрушающе действует на эла­ стичное уплотнение перепад давлений и что с ростом давления нагнетания действие этого фактора возрастает и становится преобладающим в износе уплотнения. Абразивное же действие среды при большом давлении играет второстепенную роль.

Интересно отметить, что Я. С. Мкртычан [14] основным ви­ дом изнашивания, определяющим срок службы пары, считает изнашивание абразивной прослойкой, исходя из кратковременно­ сти протекания износа абразивной струей, а А. С. Николич [50]' основным видом изнашивания поршней считает вырывание ре­ зины в уплотняемом зазоре.

Исследованиями, проведенными В. М. Литвиновым [43], уста­ новлено, что раструбная часть манжеты поршня при нормальной работе не касается поверхности втулки. Это оказывает влияние на механизм износа пары, так как создаются благоприятные условия для попадания абразивных частиц на поверхность трения. Последнее подтверждается также исследованиями В. И. Рощупкина и О. И. Верзилина [62], которыми доказано, что абразивные частицы проникают по поверхности трения в ос­ новном на длину раструбной части манжеты поршня.

54

Имеются некоторые разногласия в трактовке механизма из­ носа абразивной прослойкой. Так, В. С. Ломакин, В. Г. Мыль­ ников и В. И. Шлыков утверждают, что износ абразивной про­ слойкой является в основном процессом микрорезания абразив­ ными частицами. Я. С. Мкртычан же [14] утверждает, что износ вызван процессом многократного деформирования рабочей по­ верхности абразивными частицами и абразивной жидкостью и лишь частично процессом микрорезания.

Проведенные исследования подтвердили, что действительно видом изнашивания, в значительной степени определяющим срок службы пары цилиндровая втулка — поршень, является изнаши­ вание абразивной прослойкой, как это отмечается в некоторых работах. Однако немалое влияние на срок службы оказывает и перепад давлений. Чем выше давление нагнетания, тем при меньшем зазоре между разделительным пояском сердечника поршня и цилиндровой втулкой происходит прорыв через об­ разовавшиеся неплотности струй промывочной жидкости, что фактически и лимитирует срок службы пары.

55

П а р а т а р е л к а — с е д л о к л а п а н а . Всего было обсле­ довано 153 тарелки и 129 седел, характерные виды изнашивания и разрушения которых приведены в табл. 14.

На большинстве из обследованных клапанов имелись разру­ шения резинового уплотнения. Примерно 85% тарелок и седел.

Рис. 21. Разрушение поверхности рабочего конуса тарелки клапана.

а — начальный промыв: 6 — значительный про­ мыв в месте разрушения уплотнения.

имели на рабочих поверхностях промывы. Причем промывы от­ мечались иа всех тарелках, имеющих разрушение резинового уплотнения. От степени разрушения резинового уплотнения и за­ висит характер промыва. При начальном разрушении резины от­ мечались начальные промывы (рис. 21), а при значительных разрушениях резины— глубокие промывы различного рода: ра­ диальные (рис. 21, б), сочетание радиальных и окружных. Ха-

56

рактер промыва на паре совместно работающих тарелок и седел в большинстве случаев идентичен. Кроме указанных видов про­ мывов на седлах наблюдались также сквозные промывы.

Возникновению промывов предшествует образование вмятин, выкрашивании (рис. 22, а) и трещин (рис. 22, б). На рабочих

Рис. 22. Выкрашивания (а) и трещина (б) на рабочем конусе тарелки клапана.

шоверхностях тарелок (50%) и седел (70%) имелись кольцевые выработки. Это является следствием пластической деформации (расклепывания) металла, что характерно для абразивного из­ нашивания при ударных динамических нагрузках.

На тарелках наблюдался также прогиб периферийной части (рис. 23), одной из причин которого является недостаточная твердость сердцевины [94].

57

Создание плотного беззазорного сопряжения рабочих конус­ ных поверхностей тарелки и седла клапана (при условии обеспе­ чения соосности) всецело зависит от точности формы и угла этих конусных поверхностей. Искажение формы конусной поверх­ ности (неплоскостность, непрямолинейность и т. д.) приводит к. возникновению локальных участков неплотности. Иначе, вместо

уплотнения у большинства тарелок, вызванный таким защемле­ нием, указывает на то, что такие разрушения происходят до­ вольно часто.

а — а с > а т : б — а с< а т.

При зазоре в нижней части рабочего конуса под действием большого давления тарелка при определенных допустимых от­ клонениях значений угла рабочего конуса упруго деформирует­ ся, и зазор компенсируется этой деформацией, обеспечивая плот­ ное взаимное прилегание конических поверхностей седла и та­ релки по образующей и периметру.

58

Условие, обеспечивающее плотное сопряжение и нормаль­ ную работу резинового уплотнения клапана, может быть выра­ жено следующим неравенством:

значения угла конуса, обеспечивающие наиболее благоприятные условия работы клапана.

При отсутствии допуска на угол рабочих конусов действи­ тельные значения ас и ат различных тарелок и седел будут груп­

пироваться определенным образом относительно номинального значения (45°).

Установлено [69], что вероятность нахождения в заданных пределах от т до М случайной величины, равной разности двух ■случайных величин а = ас—<хт, может быть определена по форму­ ле

(9)

где сс — среднее значение случайной величины а; оа — среднее квадратическое отклонение случайной величины а,

«Гас, огат — среднее квадратическое отклонение случайной вели­

чины угла конуса соответственно седла и тарелки.

Установлены значения допуска на угол рабочих конусов та­ релки 45°(—11') и седла 45°( + 11/), удовлетворяющие условию нормальной работы резинового уплотнения клапана.

При посадке тарелки на седло под действием неравномерного распределения нагрузки на тарелку ось рабочего конуса тарелки может быть перекошена относительно оси рабочего конуса сед­ ла в пределах зазоров в направляющих. На наличие перекоса

.указывает характерный односторонний износ направляющей втулки крышки клапана. Установлено, что более 60% изношен­ ных втулок имели эллиптичность от 0,5 до 3,5 мм.

Величина вероятного отклонения от соосности зависит от ве­ личины зазоров в направляющих и точности изготовления эле­ ментов клапана. Указанные причины и определяют основные размерные цепи.

Влияние зазоров в направляющих на работоспособность кла­ пана изучено недостаточно. Лишь в работе Дж. О. Скотта при­ водятся данные о допустимых зазорах. Автор отмечает, что износ направляющей втулки клапана может быть основной причиной повреждения седла и тарелки клапана. Он считает, что минимальный зазор между верхней направляющей клапана и

59