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

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АБРАЗИВНОСТИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

В ряде районов Советского Союза при бурении глубоких скважин в результате осложнений, затрудняющих нормальную проводку скважин, требуется применять утяжеленные промы­ вочные жидкости с плотностью до 2 г/см3 и более.

При применении утяжеленных растворов резко ухудшаются условия работы оборудования. Так, в работе [18] показано, что сроки службы деталей буровых насосов находятся в зависимо­

твора из-за введения в него значительного количества утяже­ лителя.

Учитывая абразивное действие утяжеленных глинистых растворов, к качеству применяемых утяжелителей и очистке рас­ твора от выбуренной породы предъявляют повышенные требо­ вания.

В настоящее время в Советском Союзе применяют главным образом железистые (гематитовые, магнетитовые) и в меньшем количестве баритовые утяжелители.

Проведенными исследованиями [34, 89] установлено, что ба­ рит при отсутствии примесей твердых минералов обладает наименьшей абразивностью по сравнению с другими утяжели­ телями. Кроме того, существует мнение, что абразивная спо­ собность барита даже при укрупненном помоле значительно ниже абразивности гематита при очень тонком помоле.

Содержание твердых частиц в утяжеленных растворах до­ стигает 45% и более [47]. Утяжеление глинистого раствора сопровождается значительным возрастанием плотности, струк­

71

тит и колошниковая пыль. Этим и объясняет автор вышеуказан­ ное несоответствие между увеличением твердости утяжелителя

иабразивной способностью раствора.

Каналогичным выводам пришли позднее также В. Н. Вино­ градов и А. А. Антонов при испытаниях воздушно-абразивной струей [2, 14].

Исследуя зависимость абразивной способности глинистого раствора от концентрации в нем утяжелителя (гематита), А. В. Кольченко пришел к выводу, что абразивная способность утяжеленного раствора пропорциональна содержанию в нем утяжелителя. Полученная зависимость позднее нашла подтверж­ дение в работе [68].

В табл. 16 приведены данные об относительной абразивности барита и гематита, полученные Л. А. Шрейнером [89].

Таблица 16

(I Из табл. 16 видно, что между абразивностями барита и ге­

матита имеется большое различие.

Для выяснения роли примесей были проведены опыты [68] с добавлением к бариту от 5 до 20% кварца (по объему). Ока­ залось, что при содержании 20% кварца абразивность барита возрастает в 16 раз. Установлено, что для всех утяжелителей износ стали возрастает с увеличением размера зерен и что от­ ношение износа стали У8 при фракции 105—250 мк к износу этой же стали при фракции 105 мк для барита оказалось рав­ ным 2, а для гематита и колошниковой пыли — равным 3 (при отсутствии примесей).

В работе А. В. Кольченко [34] указывается, что при увеличе­ нии содержания частиц утяжелителей больших 88 мк в 2 раза (22% против 11%) абразивная способность также возрастает

в2 раза.

В.Н. Виноградовым и А. А. Антоновым [14] изнашивающая способность раздробленных пород и минералов определялась для двух значений углов атаки —15° и 90°. В табл. 17 приве­ дены полученные авторами данные по изнашивающей способ­ ности барита и гематита.

73

Врезультате проведенных исследований [14] авторы пришли

квыводу, что при углах атаки, близких к 90°, происходит в ос­ новном ударное воздействие абразивных частиц на поверхность металла. При малых же углах атаки, близких к 0°, износ ме­ талла является результатом динамического микрорезания и микроцарапания проскальзывающими по изнашиваемой поверх­ ности частицами. Абразивность материалов и горных пород в этих случаях зависит от формы, микрошероховатости и твердо­ сти частиц.

Несмотря на то что в рассмотренных исследованиях были использованы однотипные установки, в принятых методиках имеются расхождения, которые привели к некоторой противоре­ чивости полученных данных. Так, при наиболее близких усло­ виях испытаний, которые имелись в опытах А. В. Кольчеико и Л. А. Шрейнера, дана различная оценка абразивности утяжели­ телей: первым установлено превышение абразивности гематита в 4,3 раза, вторым — в 19,8 раза по сравнению с абразивностью барита.

Недостатком проведенных исследований является также раз­ личный подход к выбору параметров рабочей жидкости. Так, в опытах А. В. Кольчеико к «нормальному» раствору добавлялось 2,5% песка, в опытах Я. А. Каминского и В. Н. Спекторского — 0,5% песка. В других же случаях песок в рабочей жидкости от­ сутствовал. Кроме того, оценка абразивной способности утяже­ лителей произведена без определенной увязки с твердостью и структурой металла образцов.

Наименее изучено гидроабразивное изнашивание при боль­ ших скоростях течения промывочных жидкостей. Этому вопросу посвящена лишь работа А. Н. Халилова [78], в которой рассмат­ ривается размыв насадок долот, изготовленных из различных материалов.

И, наконец, необходимо отметить работы [41, 87 и другие], по­ священные исследованию относительной износостойкости мате­ риалов в среде глинистых растворов.

74

Таким образом, вопросы, связанные с изнашиванием в среде промывочных жидкостей, мало изучены. Недостаточно исследо­ вано изнашивание материалов под действием утяжеленных растворов, в особенности при одновременном действии песка, остающегося в растворе после очистки, а также совсем мало изучено в лабораторных условиях гидроабразивное изнашивание материалов, лимитирующее срок службы деталей буровых на­ сосов.

Наряду с перечисленными видами изнашивания необходимо детально исследовать механизм изнашивания и определить природу абразивного изнашивания металлов под действием про­ мывочных растворов.

ИССЛЕДОВАНИЕ АБРАЗИВНОСТИ УТЯЖЕЛИТЕЛЕЙ

В области изучения явлений абразивного изнашивания опу­ бликовано - большое число работ, среди которых особенно не­ обходимо отметить монографии М. М. Хрущова и М. А. Бабиче­ ва [80, 81], И. В. Крагельского [39], Б. РІ. Костецкого [37], М. М. Тененбаума [71], В. Н. Кащеева (30].

Анализ результатов проведенных исследований показывает^ что в оценке влияния отдельных факторов на характер и интен-; сивность абразивного изнашивания имеются в некоторых слу­ чаях существенные расхождения, что объясняется прежде всего различиями в методиках постановки экспериментов.

Недостаточно изучены вопросы, связанные с исследованием износостойкости деталей, работающих в специфических усло­ виях и средах. В частности, этим и объясняются расхождения в оценке абразивности используемых в настоящее время утяже­ лителей.

Для изучения механизма гидроабразивного изнашивания в зависимости от таких факторов, как вид применяемого утяжели­ теля (барит, гематит, магнетит), концентрация его в растворе, наличие в нем остатков выбуренной породы (кварцевого песка), а также с целью установления относительной износостойкости металлов автором были проведены лабораторные исследования на установке1, изображенной на рис. 32.

Особенность установки заключается в том, что струя жид­ кости, содержащей абразивные частицы, подводится с относи­ тельно невысокой скоростью к поверхности образцов, вращаю­ щихся с большой скоростью. В результате воздействия струи на образцы и воспроизводится характер изнашивания, наблюдае­ мого на рабочих поверхностях деталей, подверженных действию потока промывочной жидкости.

75

Установка состоит из следующих основных узлов: бункера для гидроабразивной среды, напорной емкости, испытательной

емкость расположена на кронштейне, который обеспечивает вер­ тикальное перемещение, необходимое для установки определен­ ного зазора между соплом и испытываемыми образцами.

В испытательной камере установлены два высокоскоростных электродвигателя, на валу которых крепятся образцы (один из них является эталонным), имеющие диаметр 50 мм и ширину рабочей поверхности 10 мм.

Электродвигатели, на валу которых крепятся испытываемые образцы, установлены на специальном приспособлении, имею­ щем два суппорта.

Такое размещение электродвигателей позволяет осуществить необходимое относительное расположение и совместное пере­ мещение образцов для ориентировки их по отношению к соплу. Зазор между образцами устанавливается по индикатору или с помощью щупа.

Испытательная камера закрывается колпаком во избежание разбрызгивания жидкости. В нижней части камеры имеется

76

сборная воронка; нз нее промывочная жидкость возвращается в бункер.

Регистрация режимов испытаний производится приборами, размещенными на пульте управления. Число оборотов электро­ двигателей устанавливается плавной регулировкой в пределах от 0 до 8000 об/мин с помощью автотрансформаторов ЛАТР-1 и регистрируется электротахометрами ТЭ-15М, датчики которых связаны с электродвигателями. Суммарное число оборотов элект­ родвигателей фиксируется быстродействующими импульсными счетчиками БИС-62, темп отсчета которых равен 1000 импульсов

в минуту. Время испытания регистрируется электросекундоме­ ром П-30.

Импульсы, соответствующие оборотам электродвигателей, вы­ рабатываются электронными датчиками, работающими по прин­ ципу срыва генерации. Так как число оборотов электродвигате­ лей превышает 1000 об/мин, для снижения частоты импульсов перед подачей их на счетчики были Применены две одинаковые

суммарных оборотов электродвигателя с точностью до единицы. В проведенных исследованиях были приняты следующие ре-

-Жі-імы испытаний:

контрольные взвешивания (с точностью до 0,0001 г) для опреде-

.леиия нарастания износа. После завершения каждого цикла ис­ пытаний изучался характер разрушения рабочих поверхностей опытных и эталонных образцов.

Оценка точности результатов испытаний производилась на основании анализа величины случайной погрешности. Поскольку

.заранее не была известна генеральная дисперсия значений из­ носа образцов, то для определения необходимого числа опытов предварительно производилось некоторое количество опытов и оценивалась точность и надежность полученных результатов (доверительная вероятность была принята равной 0,95). Мето­ дика оценки точности опытов и определения их необходимого количества — общепринятая.

Соответствующая наладка установки и соблюдение режимов испытаний обеспечили повторяемость результатов испытаний с погрешностью, не превышающей 5%.

В опытах были использованы: баритовый утяжелитель, вы­ пускаемый Миргалимской обогатительной фабрикой (Казахская

7t

79