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

втулкой должен быть равен 1,6 мм на диаметр н что заменять втулку необходимо только в том случае, когда зазор увеличится до 3,2 мм.

Для установления оптимальных значений зазоров в направ­ ляющих клапана (рациональных допусков) был проведен ана­ лиз II расчет размерных цепей. Установлено, что обеспечение плотного беззазорного сопряжения рабочих комических поверх­ ностей тарелки н седла может быть достигнуто путем осущест­ вления следующих мероприятий:

1)уменьшения номинального зазора в направляющих;

2)ужесточения допусков на изготовление деталей клапана- (повышения точности изготовления);

3)точного изготовления рабочих конусов тарелки и седла;

4)изменения конструкции с целью сокращения размерной: цепи, определяющей перекос осей.

Сравнение полей номиналы-юго зазора и смещения оси верх­ ней направляющей от погрешностей дает основание рекомендо­ вать несколько уменьшить номинальный зазор, что позволит снизить величину перекоса осей конусов седла и тарелки клапа­ на насосов.

Снижение величины отклонения от соосности между осями' рабочих конусов тарелки и седла клапана может быть получено также путем уменьшения зазоров в направляющих тарелки за счет изменения конструкции. При этом основное направление ко­ нуса тарелки должно быть предусмотрено в конструкции седла. В этом случае сокращается размерная цепь. Аналогичные кон­ струкции применяются и в зарубежной практике.

Из расчета размерной цепи видно, что без увеличения точно­ сти изготовления деталей клапана зазор в направляющих пріг такой конструкции может быть снижен почти вдвое, в результа­ те чего можно значительно уменьшить перекосы и смещения осей рабочих конусов седла и тарелки.

Анализ микроструктур металла в местах промыва рабочих, поверхностей тарелок и седел клапанов буровых насосов пока­ зал, что локальный характер распространения промывов обус­ ловлен преимущественным развитием разрушения по границам' зерен и около них. Особенно ярко это видно, когда в зоне про­ мыва имеется перлито-ферритная структура (рис. 25, а).

Наличие остаточного феррита в закаленном слое являетсяодной из основных причин образования вмятин, а также воз­ никновения и развития промывов, даже когда резиновое уплот­ нение не разрушается. Во многих случаях по дну очага разру­ шения отмечается наклеп (рис. 25, б), глубина которого на раз­ личных стадиях промыва изменяется в пределах 0,03—0,06 мм.. Наблюдается значительная деформация ферритной составляю­ щей (см. рис. 25, а), а также измельчение зерен в зоне промы­ ва. Наряду с этим на кромке промыва отмечены микротрещины.

60

Наклеп и измельчение зерен по кромке промыва свидетельст­ вуют о динамическом воздействии потока промывочной жидко­ сти, прорывающейся через образовавшиеся неплотности в клапа­ не с достаточно; ізысокой скоростью. Динамическое воздействие потока промывочной жидкости, содержащей твердые абразивныечастицы, обусловливает деформацию свободного феррита, ко­ торый ориентируется по профилю образовавшегося промыва (см. рис. 25, б).

Преимущественное разрушение металла по границам зерен1 и структурных составляющих, а также наличие микротрещин в- местах разрушений объясняется, очевидно, тем, что возможность, разупрочнения металла в теле зерен ниже.

Для обеспечения достаточной стойкости при динамическом воздействии потока промывочной жидкости структура металла должна иметь большое сопротивление пластической деформа­ ции. Такой структурой является мартенсит.

Тарелки и седла клапанов, изготовляемые из стали 40Х с со­ ответствующей термической обработкой, имеют обычно мартен­ ситную или троостомартенситную структуру с включениями феррита. Эти структуры, являясь метастабильнымн и неодно­ родными, значительно хуже сопротивляются образованию про­ мывов, чем мартенситные структуры.

Отмеченные при анализе микроструктур металла в местах; промыва рабочих поверхностей тарелок троостосорбитная и пер­ лито-ферритная структуры соответствуют структурам переход­ ной зоны и сердцевины, когда глубина промыва превышает глу­ бину упрочненного слоя.

6 t

Большинство авторов считают [47 и др.], что основной причи­ ной выхода из строя клапанов является образование промывов на рабочих поверхностях седла и тарелки под действием абра­ зивной струи, прорывающейся через образовавшиеся неплотно­ сти в клапане (в результате преждевременного разрушения ре­ зинового уплотнения), из-за большого перепада давлений над клапаном п под ним. Н. А. Прохоров [31] наряду с этим отмеча­ ет, что разрушение рабочих поверхностей тарелок и седел кла­ панов происходит также вследствие пластического деформиро­ вания и хрупкого выкрашивания в результате внедрения абра­ зивных частиц в момент посадки тарелки на седло.

Сказанное подтверждается и результатами проведенных ис­ следований. Необходимо лишь добавить, что очаги промывов на рабочей поверхности тарелок клапанов были отмечены и при ■отсутствии заметных повреждений резинового уплотнения. Это позволяет сделать предположение о том, что очаги промывов в ■определенных условиях возникают не только из-за повреждения уплотнения, но и при открытом клапане насоса.

Шт о к поршня . Характерные виды изнашивания и раз­ рушения штоков приведены в табл. 15.

Е,мм

Таблица 15

боты.

Из табл. 15 видно, что рабочая поверхность штока подверже­ на в основном абразивному изнашиванию с образованием про­ дольных рисок различной глубины. Из 83 обследованных штоков этот вид изнашивания был отмечен на 69 штоках. При этом ве-

.личина диаметрального износа отработанных штоков в основ­ ном находилась в пределах 1-—2 мм, а в отдельных случаях до­ ходила до 3,5—4 мм.

На графике (рис. 26) по данным замеров 40 отработанных штоков представлена кривая, характеризующая износ штоков в зависимости от срока их службы при работе на утяжеленном

«62

Однако при эксплуатации нередки случаи выхода из строя де­ талей приводной части, что вызывает длительные простои.

Установлено, что основной причиной потери работоспособно­

ла загрязняют смазку, что повышает интенсивность изнашива­ ния (рис. 29).

На участке сопряжения пальца крейцкопфа с втулкой шатуна имеется значительный износ. Кроме того, из-за недостаточной надежности крепления крейцкопфного пальца на поверхности пальца и в местах посадки его в крейцкопфе происходит заеда­ ние (рис. 30).

«64

Рис. 29. Смятие и выкрашивание металла зубьев шестерни кривошипного вала.

Рис. 30. Изнашивание при заедании по­ верхностей пальца (а) и крейцкопфа (б).

3 С. Г. Бабаев

В большинстве случаев бронзовая втулка проворачивается в. головке шатуна, что приводит к износу посадочной поверхно­ сти, а также к явлениям схватывания.

Недостаточная точность изготовления и сборки приводят к перекосу направляющих крейцкопфа, в результате чего возни­ кают задиры на рабочей поверхности нижних направляющих.

Характерным является износ шеек трансмиссионного и кри­ вошипного валов вследствие проворота внутренних колец под­ шипников. В отдельных случаях имелись слом хвостовика транс­

миссионного вала (рис. 31), ослабление болтового соединения разъемного конца кривошипа и срез шпонки, появление трещин в станине и на спицах трансмиссионного шкива, разрушение подшипников и т. д.

В процессе выявления и анализа причин отказов бурового оборудования были обследованы также и другие узлы буровых установок «Уралмаш-4Э» (кронблоков, талевых блоков, крюков и др.). Установлено, что в большинстве случаев долговечность деталей этих узлов достаточно высокая. Причиной отказов в ос­ новном являются случайные поломки.

Интерес представляет характер износа желоба канатных шкивов кронблока и талевого блока. В результате проведенных исследований [4] выявлено наличие значительной пластической деформации металла у дна желоба. В микроструктуре металла изношенных шкивов отмечена вытянутая форма феррита, ориен­ тированная по контуру желоба, что свидетельствует о наличии пластической деформации металла у дна желоба шкивов. Ана­ логичная деформация металла, но на меньшую глубину от по­ верхности, отмечена и на ребордах шкивов. Основная причина

66

наличия смятия — низкая твердостьметалла шкивов. Необходи­ мо повысить твердость желоба шкивов путем введения закалки т. в: ч., что подтверждается опытом других отраслей машино­ строения.

В результате проведенных промысловых обследований выяв­ лены 'основные причины отказов бурового оборудования и уста­ новлены виды изнашивания, лимитирующие срок службы дета­ лей и узлов. Анализ и обобщение результатов обследований поз­ воляют разработать рекомендации по повышению надежности и долговечности оборудования. Наряду с этим систематизация по­ лученных данных по видам изнашивания, характерным для деталей бурового оборудования, позволяет разработать клас­ сификацию видов изнашивания основных деталей и сопряжений, выделить первоочередные задачи по повышению надежности и долговечности.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведенные исследования изношенных деталей бурового -оборудования позволили выявить основные причины отказов их с учетом условий эксплуатации, а также установить качествен­ ные изменения поверхностей трения и характерные виды изна­ шивания и разрушения.

Обследовано большое число узлов и деталей бурового обору­ дования: роторов Р560-Ш8 и У7-520-3, вертлюгов ШВ14-160, У6-ШВ14-160М и ШВ15-300, буровых лебедок У2-5-5, буровых насосов У8-4 и других узлов. Кроме того, дополнительно обследо­ ваны тормозные шкивы буровых лебедок У2-5-5 и У2-4-8, а так­ же детали гидравлической части буровых насосов У8-4. Исследо­ вание перечисленных изношенных деталей бурового оборудо­ вания и проведенный анализ причин выхода их из строя позво­ лили определить наиболее изнашивающиеся узлы и детали, уста­ новить основные виды изнашивания и природу их возникнове­ ния.

Характер износа определенной группы деталей, таких как втулочно-роликовые цепи, стальные канаты, подшипники качения (за исключением основных опор роторов и вертлюгов) и другие, в основном аналогичен характеру износа, имеющемуся в деталях машин и механизмов, используемых в других отраслях техники. Вместе с тем установлено, что в некоторых случаях были и «не­ желательные» виды изнашивания, связанные со специфически­ ми условиями работы бурового оборудования — характером ме­ ханических воздействий на поверхности трения и средой, в кото­ рой происходит взаимодействие поверхностей.

Специфика бурения приводит, с одной стороны, к возраста­ нию нагрузок по мере увеличения глубины скважины, а с другой стороны, заключается в периодических изменениях нагрузки при

спуско-подъемных операциях. Наряду с этим возможны случаизначительного повышения нагрузок, связанные со спуском об­ садных колонн и ликвидацией прихватов бурильного инструмен­ та. Эти эпизодические перегрузки могут вызвать повреждение рабочих поверхностей деталей, которые в дальнейшем являются причиной возникновения нежелательных видов изнашивания.

В зависимости от величины и характера нагрузок на поверх­ ности металла трущихся деталей возникает и развивается с раз­ личной интенсивностью пластическая деформация, которая спо­ собствует развитию усталостного изнашивания, явлений заеда­ ния или же окислительного изнашивания. Изменением нагрузки в больших пределах и объясняется отмеченное многообразие разновидностей изнашивания и разрушения колец опор роторов и вертлюгов — начальное и прогрессирующее выкрашивание, усталостные трещины, смятие, отколы и поломки колец.

Известно, что существуют определенные границы нагрузок, в. пределах которых возникает тот или иной вид изнашивания. Ис­ следование работы подшипников качения при различных нагруз­ ках (при 1440 об/мин) показали, что, изменяя контактные нап­ ряжения от минимальных (50 кгс/мм2) до максимальных; (600 кгс/мм2), можно получить различные виды изнашивания: при малых контактных напряжениях имеется окислительное из­ нашивание, при средних напряжениях — усталостное изнашива­ ние и при больших контактных напряжениях — смятие. Таким образом, усталостное изнашивание и смятие возникают при уве­ личении контактных напряжений выше некоторых допустимых пределов.

Поэтому можно утверждать, что усталостное изнашивание деталей бурового оборудования возникает иногда вследствиенарушений технологии изготовления деталей или сборки, а также в результате грубых нарушений режимов эксплу­ атации.

Наряду с пластической деформацией металла тепловые про­ цессы вызывают резкое изменение структуры, налипание и сва­ ривание металлов. В результате тепловых вспышек при трении и значительных колебаний температуры на поверхностях трения возникают внутренние напряжения, которые приводят к появ­ лению трещин на рабочей поверхности, а также к нежелатель­ ным изменениям структуры и свойств поверхностного слоя.

Известно, что долговечность деталей определяется состоя­ нием внешнего (активного) слоя материала и зависит в основ­ ном от образования в нем концентраторов напряжений. Поэто­ му повреждения поверхности трения под действием значитель­ ных температур может в дальнейшем вызвать поломку детали при эпизодической перегрузке или под действием напряжений, меньших предела выносливости.

Структурные изменения в поверхностных слоях металла тор­ мозных .шкивов буровых лебедок, возникающие внутренние на­

68

пряжения и, как следствие, трещины и разрывы свидетельствуют о неблагоприятных температурных условиях работы фрикцион­ ной пары и о неправильном выборе параметров тормозного уст­ ройства, материала или технологии термической обработки шкивов.

Существенное и своеобразное влияние на характер и интен­ сивность изнашивания оказывает среда. Это прежде всего воз­ действие на рабочие поверхности деталей буровых насосов и вертлюгов промывочной жидкости. Изучение характерных видов изнашивания в условиях эксплуатации позволило установить, что абразивное изнашивание деталей буровых насосов и вер­ тлюгов приводит к образованию на рабочих поверхностях рисок, царапин под воздействием абразивной прослойки (цилиндровая втулка, шток буровых насосов, напорная труба вертлюгов), а также к пластическому деформированию и выкрашиванию ме­ талла (тарелка и седло клапана).

В результате воздействия на поверхность детали высокоско­ ростного потока жидкости, содержащего абразивные частицы, развитие получает гидроабразивное изнашивание, характеризу­ емое значительной скоростью развития.

Все разновидности абразивного изнашивания деталей буро­ вого оборудования имеют достаточно четкие внешние признаки.

Практика эксплуатации в некоторых отраслях техники пока­ зывает, что конструктивные методы борьбы с абразивным изна­ шиванием не всегда дают положительные результаты и являют­ ся только одним из путей увеличения срока службы. Больший эффект получается от рационального выбора материала или способа упрочнения рабочих поверхностей деталей.

Механизм изнашивания деталей гидравлической части бу­ ровых насосов (в особенности гидроабразивного изнашивания) изучен недостаточно. Большинство исследователей, как правило, описывают лишь внешние признаки основного вида изнашива­ ния, без глубокого анализа механизма развития и условий его возникновения. Поэтому основным направлением повышения из­ носостойкости деталей до настоящего времени был принят эмпи­ рический подбор материалов трущихся пар путем эксплуата­ ционных испытаний или исследований в лабораторных усло­ виях без воспроизведения основного вида изнашивания.

Этим и объясняется тот факт, что многочисленные исследо­ вания, направленные на повышение долговечности деталей гид­ равлической части буровых насосов, в большинстве случаев не привели к положительным результатам.

Таким образом, некоторые ответственные детали бурового оборудования выходят из строя в результате интенсивного из­ нашивания поверхностей трения. Поэтому требуется полностью устранить возможности появления этих видов изнашивания с помощью конструктивных, технологических и эксплуатационных средств.

69