Начинается...

Исследование циклической прочности центробежно-объемно-армированного вооружения шарошечного бурового инструмента

Исследование циклической прочности центробежно-объемно-армированного вооружения шарошечного бурового инструмента

Д. Ю. СЕРИКОВ – к.т.н., доцент РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина
Р. Ф. ГАФФАНОВ – к.т.н., ЗАО «ЭНЕРГОПОТОК»

В статье проведено исследование циклической прочности центробежно-объемно-армированного вооружения шарошечного бурового инструмента. Определены временные интервалы зарождения и развития процесса трещинообразования, как в стальной основе зубьев вооружения, так и в центробежно-объемно-армированном композиционном материале, для двух основных форм армированной зоны.

При бурении нефтяных и газовых скважин шарошечным буровым инструментом зубья его вооружения подвергаются значительным циклическим знакопеременным динамическим нагрузкам. Нагружения такого рода, наряду с абразивным изнашиванием, в большей или меньшей степени, являются превалирующими, как при бурении твердых и средних, так и мягких пород.

В этих условиях эксплуатация поверхносто-армированного зубчатого вооружения, ударноусталостная стойкость твердосплавной наплавки которого незначительна, из-за наличия внутренних напряжений, вызванных неоднородностью металлосвязки и концентрации твердого сплава в армированной зоне, нередко сопровождается отслоением и скалыванием армированного слоя (рис. 1.1), что приводит к преждевременному износу вооружения. Это объясняется тем, что в процессе армирования в расплавленный металл поверхности зуба вносится большое количество газов, что приводит к образованию пузырей и твердых соединений (окислов, нитридов), снижающих качество армирования. Кроме того, при химико-термической обработке, зерна твердого сплава, находящиеся на поверхности, окисляются и сгорают.

В процессе работы зуб вооружения испытывает сжимающие и изгибающие динамические нагрузки, которые приводят к образованию единичных и сетчатых трещин в армированном слое. Стальная основа зуба значительно пластичнее армированного твердым сплавом поверхностного слоя, поэтому, попеременно претерпевая сжатие и изгиб, армированный слой трескается и скалывается. Разрушение его, как правило, начинается от вершины зуба и развивается в направлении основания.

При бурении постепенно скалывающийся армированный слой обнажает мягкую сердцевину зуба, после чего происходит интенсивное абразивное изнашивание металла. Зуб вооружения принимает округлую форму и притупляется, что приводит к резкому снижению удельного давления на забой, и как следствие, падению механической скорости бурения.

Стадии износа зубчатого вооружения бурового инструмента

Рис. 1. Стадии износа зубчатого вооружения бурового инструмента: 1 – частичные сколы поверхностных слоев зубьев, 2 – слом зубьев вооружения

Нередки случаи и другого сценария разрушения вооружения, когда зарождающиеся в поверхностном слое микротрещины при длительных циклических нагрузках проникают глубоко в стальную основу зуба и приводят к его полному одномоментному разрушению (рис. 1.2).

Как показывает практика исследований, нагрузки, циклически изменяющиеся во времени по величине или по величине и по знаку, могут привести к разрушению зубчатого вооружения при напряжениях, существенно меньших, чем предел прочности материалов, из которых оно изготовлено. Такое разрушение принято называть «усталостным». Материал зуба как бы «устает» под действием многократных периодических нагрузок и происходит усталостное разрушение вооружения.

Физические причины усталостного разрушения материалов достаточно сложны и еще не до конца изучены. Одной из основных причин усталостного разрушения принято считать образование и развитие микротрещин.

Механизм усталостного разрушения во многом связан с неоднородностью реальной структуры материалов (различие размеров, очертаний, ориентации соседних зерен металла; наличие различных включений-шлаков, примесей; дефекты кристаллической решетки, дефекты поверхности материала и т.д.).

В связи с указанной неоднородностью при переменных напряжениях на границах отдельных включений и вблизи микроскопических пустот и различных дефектов возникает концентрация напряжений, которая приводит к микропластическим деформациям сдвига некоторых зерен металла (при этом на поверхности зерен могут появляться полосы скольжения) и накоплению сдвигов (которое на некоторых материалах проявляется в виде микроскопических бугорков и впадинок-экструзий и интрузий).

Затем происходит развитие сдвигов в микротрещинах, их рост и слияние. На последнем этапе появляется одна или несколько макротрещин, которая достаточно интенсивно развивается. Края трещины под действием переменной нагрузки притираются друг об друга, и поэтому зона роста трещины отличается гладкой поверхностью. По мере роста трещины поперечное сечение зуба все больше ослабляется, и в конечном итоге происходит его внезапное разрушение, при этом зона хрупкого долома имеет грубозернистую кристаллическую структуру (как при хрупком разрушении).

Усталостная прочность материалов при повторно-переменном нагружении во многом зависит от характера изменения напряжений во времени, то есть от периодичности нагружения.

Периодическая нагрузка – переменная нагрузка с установившимся во времени характером изменения, значения которой повторяются через определенный промежуток времени. Она характеризуется циклом напряжений, то есть совокупностью всех значений переменных напряжений за время одного периода изменения нагрузки.

Цикл напряжений может описываться любым периодическим законом, но чаще всего – синусоидальным (рис. 2). Однако прочность материала при циклическом нагружении зависит не только от закона изменения напряжений во времени, а в основном от значений максимального и минимального напряжений в цикле.

Синусоидальный закон изменения напряжений во времени

Рис. 2. Синусоидальный закон изменения напряжений во времени

Обычно цикл напряжений характеризуется несколькими независимыми основными характеристиками:

Работа шарошечного бурового инструмента сопровождается восприятием зубьями его вооружения асимметричного цикла напряжений, то есть когда максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине (σmax ≠ –σmin). При этом асимметричный цикл может быть знакопеременным, то есть – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и противоположны по знаку (R<0; R≠–1).

Технология центробежного объемного армирования позволяет создавать буровой инструмент с самой сложной геометрией вооружения, при этом армированного как по всему, так и необходимому для конкретных условий бурения, объему рабочей части вооружения (рис. 3).

   

Рис. 3. Варианты геометрия армированной зоны

При этом, центробежно-обьемно-армированное зубчатое вооружение обладает большой стойкостью к знакопеременным динамическим нагрузкам, в сравнении с поверхностно-армированным, особенно при бурении высоко-абразивных пород [2].

Важным этапом при проектировании бурового инструмента с центробежно-обьемно-армированным вооружением является расчет его геометрических параметров с точки зрения различных прочностных показателей.

Одним из них является анализ циклической прочности центробежно-обьемно-армированного вооружения, с учетом физико-механических характеристик, как стальной основы, так и цетробежно-обьемно-армированного композиционного материала (ЦОАКМ). Как правило, анализ циклической прочности основан на определении допускаемого числа циклов по заданным амплитудам напряжений или допускаемых амплитуд напряжений для заданного числа циклов и проводятся:

  1. по расчетным кривым усталости, характеризующим в пределах их изменения зависимость между допускаемыми амплитудами условных напряжений и допускаемыми числами циклов;
  2. по формулам, связывающим допускаемые амплитуды условных напряжений и допускаемые числа циклов, в случаях уточненного расчета допускаемых числа циклов или амплитуды напряжений или, когда расчетные кривые не могут быть применены.

Амплитуда эксплуатационного напряжения не должна превышать допускаемую амплитуду напряжений aF] получаемую для заданного числа циклов N.

Если задана амплитуда напряжения, то эксплуатационное число циклов не должно превышать допускаемое число циклов . Если процесс состоит из ряда циклов, характеризуемыми амплитудами напряжений и соответствующими числами циклов (σaF)i, то должно выполняться условие прочности по накопленному усталостному повреждению.

Для углеродистых и легированных сталей в интервале температур от 20°С до 350°С при значениях [3]: 

расчетная кривая усталости приведена на (рис. 4).

Данная зависимость получена с учетом максимальных коэффициентов запаса и допускается к использованию при коэффициентах асимметрии цикла напряжений r≤0.

Допускаемую амплитуду условного упругого напряжения для заданных температур, можно определять умножением значения [σaF] по расчетной кривой (рис. 4) на отношение модуля упругости при заданной температуре к модулю упругости при максимальной температуре применения соответствующей расчетной кривой.

Допускаемая амплитуда условного упругого напряжения или допускаемое число циклов для сталей с соотношением

Характеристики ET, ZT, RTm принимаются равными минимальными значениями в интервале рабочих температур с учетом старения [3].

Таким образом, для осуществления расчетов необходимо знать диапазон и цикличность напряжений возникающих в зубьях вооружения в процесс работы бурового инструмента. В работе [2] было исследовано напряженно-деформируемо состояние ценробежно-обьемно-армированного зубчатого вооружения, и в особенности распределение напряжений, возникающих в армированной зоне, так как именно она определяет долговечность вооружения, как с точки зрения его износостойкости, так и способности воспринимать знакопеременные динамические нагрузки. На (рис. 5) представлены зависимости распределения напряжений в армированной зоне по высоте зуба для двух форм армированной зоны.

Рассмотрим случай работы вооружения одного из ведомых венцов зубчатого вооружения в режиме пробуксовки. Тогда набегающая грань воспринимает основную нагрузку, связанную с разрушением породы забоя, как под воздействием осевой нагрузки на долото, так и от крутящего момента. Однако, согласно результатом расчетов, максимальные напряжения в зубьях возникают не на набегающей грани, а на сбегающей (рис. 5). При этом цикл напряжений, возникающих в армированной зоне – пульсирующий (отнулевой), то есть, минимальное напряжение равно нулю.

Рис. 5. Зависимости распределения напряжений в армированной зоне по высоте зуба: 1 – первый вариант армированной зоны со стороны, набегающей грани, 2 – первый вариант армированной зоны со стороны, сбегающей грани, 3 – второй вариант армированной зоны со стороны, набегающей грани, 4 – второй вариант армированной зоны со стороны, сбегающей грани

Согласно (рис. 5) напряжения, возникающие в армированной зоне со стороны набегающей грани, практически одинаковы, как по величине, так и характеру распределения, для обоих форм армированной зоны. Напряжения в армированной зоне со стороны сбегающей грани имеют различия. Если в при вершинной зоне они одинаковы, то по мере приближения к основанию зуба, напряжения в зубьях со вторым вариантом армированной зоны выше, чем для первого варианта. Это объясняется тем, что по мере удаления от вершины зуба, армированная зона по первому варианту со стороны сбегающей грани, заканчивается быстрее, чем по второму.

В связи с этим расчеты на циклическую прочность вооружения можно проводить для двух граней зуба с первой формой армированной зоны и для сбегающей грани зуба со второй формой. Данные расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

C целью экспериментального определения циклической прочности вооружения бурового инструмента были проведены сравнительные испытания ударно-абразивной стойкости различных его типов: поверхностно-армированного и центробежно-объемно-армированного с различными формами армированной зоны. Данный вид нагружения наиболее точно моделирует условия эксплуатации вооружения. Испытываемое вооружение было изготовлено из стали 18ХН2МФЛ и армировано зерновым твердым сплавом «релит» с размером зерна 1,2–0,9 мм.

Испытания проводились на установке и по методике ОАО НПО «Буровая техника» – ВНИИБТ. Схема установки показана на (рис. 6). Сущность методики заключается в следующем. Изготавливаются образцы породоразрушающих элементов по форме элементов вооружения бурового инструмента в виде зубков диаметром 20 мм. Образец вооружения 4 закрепляется в специальной зажимной обойме 3, находящейся в нижней части штока 9, совершающего возвратнопоступательное движение. Движение штока 9 вверх осуществляется при помощи кулачкового механизма 1, а движение вниз осуществляется под действием собственного веса и веса навесных грузов 2. В процессе работы установки, образец вооружения 4 совершает возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости. В нижней точке этого движения происходит соударение зубка с наклонным забоем 6, закрепленным в наковальне 7. Удар зубка о наклонный забой осуществляется в присутствии абразива 5. Регулирование энергией удара зубка о забой может осуществляться двумя способами, либо изменением количества навесных грузов, либо количества регулировочных пластин 8.

Рис. 6. Схема установки для исследования ударно-абразивного изнашивания: 1 – кулачковый механизм, 2 – грузы, 3 – зажимная обойма, 4 – образец вооружения, 5 – абразив, 6 – наклонный забой, 7 – наковальня, 8 – пластины, 9 – шток.

В процессе работы установки через каждые 2000 циклов нагружения производится визуальный осмотр состояния рабочих поверхностей зуба и замена абразива с одновременным замером износа вооружения. Испытания проводились с энергией удара до 19 Дж, что соответствует условиям работы бурового инструмента при бурении пород средней твердости. Основные параметры установки приведены в таблице 2.

Таблица 2

В качестве критериев износа были выбраны: изменение высоты рабочей части вооружения, массы и изменение площади площадки притупления образца вооружения.

Испытанию были подвергнуты три типа вооружения: поверхностно-армированное вооружение; центробежно-обьемно-армированное вооружение с первым вариантом армированной зоны; центробежно-обьемно-армированное вооружение со вторым вариантом армированной зоны. Результаты испытаний отражены на (рис. 7).

Анализ результатов проведенных сравнительных испытаний показал. Износ поверхностно-армированного вооружения сопровождается значительными сколами армированных поверхностей, уже после 2–4 тыс. циклов нагружения. Это приводит к обнажению стальной основы поверхностно-армированного вооружения на расстоянии 1/3 высоты рабочей части зубчатых элементов вооружения, преимущественно со стороны сбегающей грани. При дальнейшем испытании этого вида вооружения на данной установке наблюдается постепенное уменьшение высоты рабочей части зубьев с одновременным увеличением площадки притупления.

Вследствие того, что данная установка не реализует «эффект» проскальзывание режущего элемента вооружения по забою в момент соударения, износ поверхностно-армированного вооружения после скола армированного слоя сопровождается в основном деформированием стальной основы с одновременным незначительным ее изнашиванием.

Износ центробежно-обьемно-армированного вооружения со вторым вариантом армированной зоны происходит за счет частичного выкашивания зерен твердого сплава из поверхностных слоев вооружения. Это связано, прежде всего, с тем, что при насыщении стальной матрицы ЦОАКМ зернами износостойкого материала происходит растворение зерен и, вследствие этого, охрупчивание рабочей части зубчатых элементов. Износ сопровождается постепенным увеличением площади площадки притупления и незначительным разрушением поверхностных слоев в вершиной части зуба преимущественно со стороны сбегающей грани (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость износа зубьев по высоте от числа циклов нагружения: 1 – поверхностно-армированное вооружение, 2 – центробежно-обьемно-армированное вооружение с первым вариантом армированной зоны, 3 – центробежно-обьемно-армированное вооружение со вторым вариантом армированной зоны

Износ центробежно-обьемно-армированного вооружения с первым вариантом армированной зоны сопровождается незначительным выкрашиванием армированной зоны. Это подтверждает, высказанное ранее предположение о том, что расположение износостойкого материала слоем только под поверхностью набегающей грани позволяет повысить сопротивляемость рабочей части зубчатых элементов к циклическим изгибающим нагрузкам. Это достигается за счет того, что в данном случае большая часть объема рабочей части зуба выполнена из стали не охрупченной вторичными карбидами, образующимися при растворении поверхностного слоя зерен износостойкого материала в процессе изготовления центробежно-обьемно-армированного вооружения. При этом, расположение армированной зоны, со стороны зуба, где возникают минимальные напряжения, позволяет снизить износ вооружения, связанный с выкрашиванием армирующего компонента. Образцы с данной геометрией армированной зоны прошли испытания с практически одинаковым износом как набегающей, так и сбегающей грани (рис. 7).

Таким образом, проведенные в работе теоретические исследования хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными, тем самым, доказывая возможность проектирования геометрии вооружения, включая форму зоны армирования, бурового инструмента, на основе анализа циклической прочности центробежно-обьемно-армированного вооружения.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Сериков Д. Ю. Разработка конструкции и технологии изготовления бурового инструмента для РТБ с центробежно-объемно-армированным вооружением. Кандидатская диссертация. М., 1992.
  2. Сериков Д. Ю., Гаффанов Р. Ф. Анализ напряженного состояния центробежно-обьемно-армированного косозубого вооружения при бурении пород средней твердости. «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море». №3, 2014 г.
  3. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ-Г-7-002-86. Атомэнергоиздат. М. 1989.

Скачать статью в формате pdf →

119991, Москва, 
пр. Ленинский, д. 65, корп. 1
☎ +7 (499) 507-88-88
com@gubkin.ru
www.gubkin.ru


Читайте также: