Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

ГЛАВА IU

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ОБРАБОТКИ ПРОМЫВОЧНОГО КАНАЛА НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ШТАНГ

§ 1. Влияние коррозионно-ударно-циклического нагружения на изменение свойств буровой стали

При бурении ударная энергия поршня перфоратора пере­ дается, как указывалось выше, к породе через штангу в форме импульсов напряжений. Однако энергия удара практически никогда не затрачивается целиком на разрушение породы. Зна­ чительная ее часть трансформируется в штанге в виде напря­ жений растяжения-сжатия, которые перемещаются вдоль ее в процессе бурения и могут усиливаться вследствие интерферен­ ции. Таким образом, на некоторых участках штанги в отдель­ ные периоды времени возникают локальные концентрации нап­ ряжений, которые ускоряют усталостное разрушение буровой стали.

C целью определения участков штанги, где возникает нало­ жение напряжений, осуществляли покрытие штанг оболочками из хрупких материалов, которые в местах штанги с более вы­ соким напряжением разрушались при бурении. Из трех видов хрупких покрытий, применяемых при выявлении максимально нагруженных участков в штангах, более наглядную картину удалось получить на штангах, покрытых по всей длине стержняпастой CT-T. Как видно, из рис. 20, отслоение и растрескива­ ние покрытия произошло на штангах в процессе бурения на уча­ стке стрежня длиной 120—250 мм от торца хвостовика, а также у конуса иа длине 40—60 мм от торца корпуса короики. На остальной длине стержня штанги нарушений поверхностного покрытия не наблюдалось. При локальном характере нагружения буровых штанг интенсивным импульсом в них неизбежно долж­ ны происходить необратимые изменения в отдельных микрообъ­ емах структуры металла.

C целью выявления данных изменений и возможных нару-

82

шений металла, происходящих в буровых штангах при длитель­ ном и интенсивном ударно-циклическом нагружении в корро­ зионных условиях, испытывали до разрушения несколько штанг, у которых хвостовик и конус с целью предотвращения раскле­ пывания закаливались по обычной технологии (закалка с вы­ соким отпуском). После разрушения штанги кратковременно протравлялись в реактиве Кешиена. Этим достигалось удале­ ние с поверхности штанг пленки окислов, следов жира, окалины и других загрязнений, которые мешают визуальному наолюдению каких-либо нарушений в поверхностных волокнах метал­ ла. Как показали исследования, поверхность буровых штанг после испытания при ударно-циклических нагрузках в присутст­ вии воды оказалась пораженной густой сеткой коррозионно­ усталостных макро и микротрещин (рис. 21). Характерной осо-

P и с. 21. Расііюложеша и внешний вид маиротрещин иа повефхносні

IieynpoHHeiiHbtx буровых штанг, подвергнутых ударно-цикли­ ческому нагружению (X 1,5).

щин, расположенных в зоне их максимального сосредоточения («критической зоне»), составляет 5—10 мм и более. Глубина

испытания образцов, вырезанных из предварительно работав­ ших штанг.

84

Результаты статических испытаний и испытаний на ударную вязкость представлены в виде графической зависимости на ри­ сунках 22, 23.

Из приведенных данных видно, что механическая прочность буровой стали, подверженной интенсивному ударно-циклическо­ му нагружению в коррозионных условиях, заметно падает и тем более, чем выше продолжительность нагружения. Однако значение твердости осталось без видимых изменений. Особенно изменялись характеристики пластичности стали, а ударная вязкость снизилась почти в три раза. Все образцы от штанг, которые испытывались до разрушения при коррозионно-удар­ но-циклическом нагружении, имеют хрупкий излом почти без следов деформации при статическом растяжении. Если смот­ реть на поверхность отрыва данных образцов, то можно обна­ ружить, что разрушение их произошло по плоскости одной из наиболее развившейся вглубь трещины усталости, ослабившей сечение штанги в данном месте на 15—20% и явившейся кон­ центратором напряжений. Как видно из рисунка 24, трещины распространялись как от внешней поверхности стержня, так и от поверхности промывочного канала. На поверхности долома

вобразцах из стали 55С2 обнаружены следы графитных вклю­ чений, по форме близких к глобулярной. Это говорит о том, что

вперлитной стали интенсивное ударное нагружение, по-видимо­ му, может генерировать графитизацию, изменяющую существен­ но исходный фазовый состав стали, и, несомненно, снижать ее долговечность в работе.

Обнаруженное значительное изменение механических свойств буровых штанг в процессе ударно-циклического нагружения является следствием сложных необратимых явлений, протекаю­ щих в металле. Это же было обнаружено и в более ранних ис­ следованиях для некоторых металлов и сплавов при различ­ ных условиях нагружения [130]. Как показали исследования

85

гружения.

Одинга И. А. и др., наиболее существенное изменение проч­ ности и пластичности металлов наблюдается после циклических нагрузок растяжения-сжатия, т. е. в условиях нагружения, анологичных буровым штангам.

В настоящее время разработано несколько теорий, объясня­ ющих разупрочнение металлов в процессе циклического нагру­ жения, однако еще нет полной ясности в этом чрезвычайно сложном и ■ многообразном явлении. Изменение свойств метал­ лов может происходить по двум причинам. Во-первых, после накопления в нем повреждений, . связанных с образованием ультра и субмикроскопических нарушений сплошности. Во-вто­ рых, в связи с высокой концентрацией напряжений в очагах повреждений.

86

ПослеBéCbMá непродолжительного ударно-циклического на­ гружения в штангах возникают трещины усталости по всему сечению, что указывает на появление в процессе эксплуатации высоких напряжений. Очевидно, по величине данные напряже­ ния могут превосходить не только предел усталости стали, но, при весьма высоких по амплитуде импульсах удара, даже соп­ ротивление отрыву. Изменение механических характеристик материала буровых штанг связано, по-видимому, не только с механическим разрушением. В процессе нагружения штанг ве­ роятней всего протекают несколько накладывающихся друг на друга явлений. C одной стороны, это связанные с эффектом Баушингера микроскопические необратимые изменения в ме­ талле, приводящие к нарушению его сплошности в отдельных объемах, а с другой стороны, коррозионное разрушение метал­ ла.

Прежде всего образуются микроскопические трещины, а дальнейший их рост ускоряется проникновением воды согласно адсорбционного эффекта Ребиндера П. А. [85]. Образовавшая­ ся трещина нарушает сечение образца, а главное, создает зна­ чительную концентрацию напряжений, что и обуславливает разрушение их при нагрузках гораздо меньших, чем образцов, изготовленных из исходного металла.

§ 2. Исследование стойкости буровых штанг, подвергнутых объемному и поверхностному упрочнению

В лабораторных условиях натурным ударно-усталостным испытаниям подвергались пять партий штанг, упрочненных по следующим режимам.

1. Термообработка рабочих концов штанги, хвостовика на

87

5.Дифференциальная обкатка штанг роликами по техно­ логии Серовского металлургического завода. Глубина упроч­ ненного слоя 0,1—0,3 мм.

6.Поверхностная индукционная закалка по всей длине на глубину 1,2—1,4 мм. Твердость 60—62 HRC. Хвостовик зака­ ливался по режиму, аналогичному для штанг 1 и 4 партии.

Кроме указанных опытных партии штанг испытывались штанги, упрочненные химико-термической обработкой, цемен­ тацией и азотированием.

Цементации подвергались штанги, изготовленные из перлит­ ной стали ЗОХГСФА, которая по химическому составу более всего удовлетворяет этой цели, чем сталь 55С2.

заданной глубиной науглераживания и составляло 4,5 часа. За­ калка штанг производилась в масле с цементационного нагрева. Твердость упрочненной поверхности оболочки штанг составляла

58—60 HRC.

Азотированию подвергались штанги, изготовленные из стали 55С2. Насыщение поверхности штанг азотом осуществлялось в

испытаний, максимальную стойкость показали буровые штанги, подвергнутые индукционной поверхностной закалке. Стойкость

и другие партии штанг испытывались в совершенно одинаковых условиях. Минимальную стойкость показали буровые штанги с упроченными концами и необработанным стержнем, а также штанги, стержень которых подвергался дифференциальной об­ катке. Результаты стендовых испытаний буровых штанг после статистической обработки, представленные графиком (рис. 25), показывают, что распределение долговечности буровых штанг

кость штанг, располагаются вдоль теоретической прямой дол­ говечности, построенной в логарифмических координатах. Поль­ зуясь. графиком, можно наглядно представить динамику поло­ мок буровых штанг. Так, например, вероятность выхода из

88

89