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

Рис. 34. Состояние поверхности образцов из ста­ ли 35ХНЛ после 10 ч испытаний (Х10).

а — в струе, содержащей 10% магнетита: б — в струе, содержащей 50% барита.

пении с образцами из этой же стали, подвергнутой нормализа­ ции (НВ 229—241).

При воздействии струи, содержащей частицы барита, харак­ тер изнашивания поверхности образцов несколько изменяется.. В основном преобладает изнашивание вследствие пластическойдеформации микроучастков поверхности (рис. 34,6).

Анализ микрофотографий и микроструктур поверхностногослоя позволяет раскрыть механизм изнашивания рабочей по­ верхности образцов, изготовленных из сталей различных струк­ турных классов.

Образцы из стали 40Х (HRC 50—52) имели троостомартенситную структуру с ферритом, в местах скопления которого пре­ имущественно наблюдаются очаги изнашивания. У образцов из: стали 35ХНЛ (эталон), 40Х (НВ 229—241) и ЗОХМЛ, имеющих, перлито-ферритную структуру, очаги изнашивания прогрессиро­ вали преимущественно по ферритным составляющим. Характер­ ным является то обстоятельство, что в этих местах отмечается пластическая деформация. Зерна ориентированы по форме цара­ пин и имеют вытянутую форму.

Структура образцов из стали ШХ15СГ — мелкоигольчатыймартенсит с первичными и вторичными карбидами хрома, а об­ разцов из стали ХВГ — мартенситно-трооститная. На некоторых образцах по границам зерен отмечена карбидная сетка, по гра­ ницам которой расположены очаги изнашивания.

Таким образом, анализ микроструктур испытанных марок сталей показал, что изнашивание поверхности под воздействием струи абразивной жидкости обычно развивается по наиболееслабым структурным составляющим.

Известно, что абразивная способность минералов зависит от их твердости, формы частиц, шероховатости поверхности и т. д. Установлено, например, что при использовании песка с остро­ гранными частицами величина износа увеличивается по сравне­ нию с окатанными частицами [14, 100]. Те частицы, которыеимеют заостренные грани и выступы, при контакте с поверх­ ностью детали будут оказывать на нее большее удельное дав­ ление при равных массе и скорости, вызывать тем самым боль­ шие деформации и легче разрушать поверхность. Однако влия­ ние формы абразивных частиц уменьшается по мере возрастанияизносостойкости материалов [102]. '

Исследованиями В. Н. Кащеева [30] установлено, что при твердости абразивных частиц меньшей твердости металла износ последнего мал и что износ резко возрастает, когда твердость абразивных частиц становится близкой (или большей) твердо­ сти металла. Влияние дальнейшего увеличения твердости абра­ зивных частиц на возрастание износа оказывается незначи­ тельным.

Интересные зависимости получены П. Эслингером [96], кото­ рый установил, что при относительно высокой твердости абра-

8 1 .

занных двух групп различается больше в случае применения барита.

Оценка относительной износостойкости сталей испытанных марок (см. табл. 19) показала, что интенсивности и характеры изнашивания рабочих поверхностей образцов в случае примене­ ния барита, магнетита и гематита несколько различаются. Объясняется это следующим.

Известно [39], что микрорезание материала может наблю­ даться при внедрении абразивной частицы на достаточную глу­ бину. А при небольшой глубине внедрения при скольжении частицы по поверхности происходит пластическое или упругое оттеснение материала. Условие перехода от одного вида разру­ шения поверхностей к другому увязывается также с формой ча­ стицы (радиусом выступа). Микрорезание сухих стальных по­

верхностей возможно при— ^0,1 (где h — глубина внедрения;

R — радиус внедрившейся частицы). Упругое оттеснение,WJJriS_, iljjflпри­

водящее к передеформированию, наблюдается при

< к т -

т. е. зависит от коэффициента К, определяемого свойствами и формой частицы, от предела текучести (твердости) сгт и от модуля упругости материала Е. Пластическое оттеснение

имеется при -^-<0,1. Чем больше величина h, которая зависит

от силы прижатия частицы к поверхности, тем выше интенсив­ ность изнашивания.

Эта гипотеза подтверждается в проведенных исследованиях. Частицы магнетита и гематита, обладая острогранной формой и ребристой поверхностью, при внедрении абразивного зерна на достаточную глубину производят микрорезание металла. При

этом — ^0,1 . Частицы барита, имея «окатанную» форму, не

R

могут внедриться в поверхность образца на достаточную глуби­ ну ^ -- < 0 ,1 ^ и производят, в основном, пластическую деформа­

цию. В результате многократного воздействия частиц металл в некотором объеме упрочняется. Верхний слой поверхности вслед­ ствие перенаклепа теряет свои пластические свойства; в резуль­ тате появляются трещины. Поверхность становится шероховатой, причем хрупкие гребни неровностей легко скалываются под воздействием последующих частиц.

Рассмотренное подтверждается также тем, что число очагов разрушения на поверхности крайне мало по сравнению с общим числом контактов частиц барита с поверхностью образцов за время испытания.

Известно, что при абразивном изнашивании, даже при очень, низких удельных давлениях, на поверхности образуются пласти­ чески выдавленные царапины и наплывы металла по ее Сторо-

83-

лам, которые легко удаляются другими абразивными зернами. Такой характер разрушения поверхности был отмечен на образцах, изготовленных из стали 40Х (НВ 229—241) и из ста-

-лей 25ХГСЛ, 35ХІТЛ и ЗОХМЛ (см. рис. 33).

Таким образом, металлографический и микроскопический анализы позволили объяснить механизм изнашивания и опреде- -лить относительную износостойкость сталей различных структур­ ных классов. В результате установлено, что детали, подвержен­ ные воздействию утяжеленных растворов, целесообразно изго­ товлять из сталей, обладающих наряду с высокой твердостью поверхности однбродной структурой без включения феррита, из­ быточного количества аустенита, без наличия карбидных сеток и т. д.

Значительное влияние на величину износа оказывает концент­ рация утяжелителя в растворе.

Установлено также [34], что величина износа прямо пропор­ циональна концентрации абразивных частиц в воде. В то же время К. Ильгаз пришел к заключению, что интенсивность из­ нашивания пропорциональна концентрации в воде песка в сте­ пени 0,7. Вильям Л. Баклей считает, что прямолинейная зави­ симость между интенсивностью абразивного изнашивания и кон­ центрацией твердых частиц в жидкой фазе имеется в том слу­ чае, когда концентрация твердой фазы достаточно мала и твер­ дые частицы сохраняют свободу и подвижность.

Зависимость величины износа от концентрации твердых ча­ стиц в жидкости Б. М. Шкундии изображает в виде некоторой кривой. При этом вначале с увеличением концентрации интен­ сивность изнашивания возрастает очень быстро, а затем с неко­ торого момента концентрация твердых частиц практически пере­ стает отражаться на интенсивности изнашивания. К аналогич­ ному выводу пришли и другие авторы.

С целью изучения характера нарастания износа в зависи­ мости от концентрации утяжелителя были ’проведены испытания ■образцов из сталей 35ХНЛ, 14Х2НЗМА, 20 и 40Х (HRC 50—52) в водном растворе, содержащем 10, 30 и 50% барита и магне­ тита. Результаты исследований приведены выше в табл. 18 и на рис. 35.

Как видно из графика, величина износа образца прямо про­ порциональна .концентрации минеральных частиц в струе жид­ кости, т. е. с изменением концентрации изменяется количество частиц, контактирующих с изнашиваемой поверхностью в еди­ ницу времени.

Необходимо отметить, что, как и следовало ожидать, кривые износа сталей при воздействии частиц магнетита располагаются значительно выше кривых износа при воздействии частиц ба­ рита.

Кривые, представленные на рис. 35, аппроксимируются ли­ нейной регрессией:

•84

1100 кгс/мм2. Результаты испытаний образцов приведены на графике (рис. 36) и в табл. 21.

Как видно из табл. 21, скорость изнашивания образцов по мере увеличения процентного содержания кварцевого песка

85

86

деформацию микрообъемов металла. Частицы же песка, обла­ дая высокой микротвердостью и имея острограиную форму, производят изнашивание металла преимущественно за счет мик­ рорезания. Частицы магнетита также имеют острогранную фор­ му и производят разрушение за счет микрорезания. Однако вследствие более низкой микротвердости интенсивность изнаши­ вания частицами магнетита меньше. При совместном воздейст­ вии частиц барита и песка механизм изнашивания заключается в отделении частицами песка больших микрообъемов предразрушенного металла вследствие наклепа, производимого частица­ ми барита. При воздействии раствора, содержащего частицы магнетита и песка, изнашивание происходит преимущественно за •счет микрорезания; микрообъемы отделяемого металла при этом меньше.

Таким образом, при совместном воздействии частиц утяже­ лителя и песка интенсивность изнашивания связана в основном с изнашивающей способностью песка.

Рассмотренное согласуется с данными, приведенными в ра­ боте [80]. При исследовании износостойкости металлов при аб­ разивном изнашивании частицами с различной абразивностью было установлено, что износостойкость материала в основном определяется абразивными частицами, имеющими более высо­ кую твердость.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что при некачественной очистке растворов от частиц выбуренных пород, когда наличие их в растворе составляет 3% и выше, практиче­ ски интенсивность абразивного изнашивания определяется этими частицами, а не видом применяемого утяжелителя.

Устройства для очистки промывочной жидкости от частиц выбуренных пород должны обеспечивать качественную очистку раствора. Содержание песка в промывочной жидкости не должно превышать 0,5—1%. В противном случае замена железистых утяжелителей баритовыми может оказаться неэффективной.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Выше, при рассмотрении видов изнашивания деталей гид­ равлической части буровых насосов, было отмечено, что основ­ ной причиной выхода их из строя является повреждение рабочих поверхностей под действием струи абразивной жидкости, про­ рывающейся через образовавшиеся неплотности.

Конструктивные и эксплуатационные возможности борьбы с гидроабразивным изнашиванием весьма ограничены, и пол­ ностью избежать разрушающего действия промывочной жидко­ сти практически не представляется возможным.

Опыт борьбы с эрозионным изнашиванием деталей проточной части питательных насосов и другого оборудования показывает,

87

что рациональный выбор эрозиостойких материалов позволяетне только увеличить долговечность детален, но и повысить гид­ равлическую мощность насосов, давление и скорость движения ч рабочей жидкости.

Изучению причин и особенностей чисто эрозионного изнаши­ вания деталей, в особенности лопаток паровых турбин, посвя­ щены работы [60, 77]. Вопросы же, связанные с исследованием гпдроабразивного изнашивания деталей буровых насосов, изу­ чены недостаточно. Проведенные исследования посвящены в ос­ новном анализу механизма изнашивания и разрушения деталей, гидравлической части насосов в условиях эксплуатации.

Однако проведение исследований непосредственно на буро­ вых насосах связано со значительными трудностями, обусловленнымй большой длительностью и невозможностью сохранения постоянных условий в процессе всего периода испытаний. Крометого, при этом не удается выделить влияние отдельных факто­ ров и установить особенности механизма шдроабразивного из­ нашивания.

В настоящем разделе изложены результаты исследований,, проведенных с целью установления механизма протекания гид­ роабразивного изнашивания и выявления относительной изно­ состойкости различных сталей с соответствующей термообра­ боткой.

Для исследования гидроабразивного изнашивания под дей­ ствием промывочной жидкости и подбора износостойких сталей была использована установка, показанная на рис. 37.

Рабочая жидкость от насоса поступает в две испытательныекамеры. Перед камерами установлены электрические дистанци­ онные манометры типа МЭД с индукционными датчиками з. комплекте с электронными дифференциально-трансформаторны­ ми приборами типа ЭПИД, с помощью которых производится запись давления на выходе из камер. Для гашения колебания стрелок манометров и обеспечения их нормальной работы при­ менены разделители, размещенные между манометрами и тру­ бами, по которым поступает раствор. Промывочная жидкостьподается в камеры буровым насосом НГР 250/50. Для цели амортизации пульсации жидкости непосредственно на нагнета­ тельной линии насоса смонтирован компенсатор. Для регули­ рования расхода жидкости перед камерами установлена за­

движка.

Отличительной особенностью испытательных камер является

абразивиыіі износ». Авт. свидетельство № 182918 с приоритетом от 14 мая 1965 г. (Бюлл. изобретении № 12 от 1966 г.).

88

Нижний образец 1 жестко закрепляется на основании 3 специ­ альной гайкой 4. Верхний образец 2 крепится к штоку 9, кото- -рый, в свою очередь, соединен с эксцентриком 10. Плотность между нижним образцом и корпусом камеры обеспечивается •свинцовой прокладкой.

Рис. 37. Общий вид установки для исследования гидроабра­ зивного изнашивания.

Шток вместе с верхним образцом имеет возможность пере­ мешаться относительно эксцентрика в вертикальном направле­ нии. Эксцентрик 10 может быть зафиксирован в шестнадцати положениях на плите 5. Этим достигается относительное рас­ положение рабочих поверхностей (конусов) образцов, а также необходимое значение зазора между ними. Величина кольцевого зазора контролируется индикатором рычажного типа.

Образцы имеют конические рабочие поверхности. Угол рабо­ чего конуса 45°, такой же, как и клапанов буровых насосов. Нижний и верхний образцы после их закрепления и настройки •требуемого зазора вместе с основанием 3 и плитой 5 вставля­ ются в корпус 6 и закрепляются гайкой 7, после чего камера закрывается крышкой 8.

На рис. 38,6 представлена камера, которая предназначена для проведения испытаний образцов при постоянной (нерегули­ руемой) щели.

Опытные образцы состоят из двух дисков. Верхний образец гладкий, на поверхности же нижнего образца имеется канавка прямоугольного сечения, за счет которой образуется двусторон­ няя щель. Глубина канавки, выполненная с точностью ±0,05 мм, изменялась в опытах от 1,3 до 2,0 мм. Длина щели во всех

89