Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

изделии, которые работают в особых условиях нагружения (контактно-циклическое, центробежными силами, ударно-цик­ лическое, вибрационное и др).

Одной из .мало изученной разновидностью усталостного разрушения металлов является коррозионно-ударпо-циклическое разрушение. К категории изделий, которые разрушаются вслед­ ствие усталости при одновременном действии интенсивных ударно-циклических нагрузок и агрессивной жидкости, относятся и буровые перфораторные штанги.

Механизм коррозионного влияния промывочной рудничной (пластовой) воды на процесс усталостного разрушения буровых штанг пока ещё не до конца ясен, однако некоторыми исследо­ ваниями [82] установлено, что вода способствует снижению стойкости штанг в 1,5—2 раза.

C целью установления влияния воды на интенсивность уста­ лостного разрушения буровых штанг и механизма роста уста­ лостных трещин, а также разработки дальнейших мероприятий по устранению этого влияния, нами.проведены специальные на­ турные, ударно-усталостные испытания [146]. Испытывали две партии буровых штанг, упрочненных индукционной поверх­ ностной закалкой на глубину 1,2-1,5 мм. Упрочнение штанг осуществлялось с целью предотвращения возможного усталост­ ного разрушения штанг с развитием трещин от внешней поверх­ ности. Испытание проводилось по ранее разработанной методике за исключением того, что удаление бурового шламма у штанг одной партии производилось водой, в то время как штанги другой партии продувались сжатым воздухом, т. е. для них был исключен фактор, обуславливающий коррозионное влияние.

Результаты испытаний данных партий штанг приведены в таблице 5. Из таблицы видно, что буровые штанги, которые испытывались с продувкой сжатым воздухом, показали стой- 'кость в целом на 70—75% выше по сравнению со штангами, испытанными с удалением буровой мелочи водой. Особенно заметно снизилась под влиянием воды (почти в 2 раза) стой­ кость конусов штанг.

Если сопоставить аналогичные усталостные изломы, проис­ шедшие на одинаковых по длине участках буровых штанг, испытанных в коррозионных и «сухих» условиях, то можно об­ наружить принципиальные различия в характере их усталост­ ного разрушения.

Разрушение штанг по стержню произошло в обоих случаях на расстоянии 150—400 мм от торца хвостовика и развивалось с промывочного отверстия, однако структура и геометрия уста­ лостных зон значительно отличаются. На рис. 43 показан типич­ ный усталостный излом буровой штанги, испытанной в «сухих» условиях и разрушившейся по стержню. Структура усталостного излома стержня штанги, разрушившейся без доступа ьоды в

119

P ɪɪ с. 43. Внешний вид усталостного излома стержня буровой штанги, разрушившейся без доступа воды.

отличии от аналогичного коррозионно-усталостного излома, обнаруживает значительно замедленный темп разрушения без резких дополнительных перегрузок. Видно, что трещина устало­ сти проникла значительно глубже и распростанилась шире, чем

участками. Видно, что усталостный процесс развивался одно­ временно от двух и более независимых друг от друга очагов усталости. На поверхности усталостного излома можно разли­ чить несколько зон и участков: очаги усталости, участки избира­ тельного роста трещины, область ускоренного усталостного про­ цесса, зона вторичного зарождения трещин и зона долома. B'изломе отмечаются ступеньки, пасынковые трещины, вторич­ ные рубцы (уступы) и участки хрупкого проскальзывания. На участке избирательного развития деформации микрослоев металла, занимающем самую большую площадь излома, видны усталостные волнообразные следы локальных макросдвигов. Если в изломах штанг, разрушенных с доступом воды (в кор­ розионных условиях), линии усталости идут от очага усталости прямолинейно и радиально пересекают глазок усталости, то на изломе штанги, разрушенной в «сухих» условиях, линии уста­ лости имеют случайное направление. Иногда они пересекаются пасынковыми трещинами, зарождающимися в других местах. На изломе штанги, разрушенной без доступа воды, отчетливо раз­

линии первого типа без присутствия воды образовались, по-ви­ димому, вследствие изменения направления развития усталост­ ной трещины, связанной с макроизбирательностью процесса пластического сдвига. Усталостные линии второго типа связаны

121

с действием различных по величине и количеству кратковремен­ ных циклических перегрузок. Линия фронта усталостной трещи­ ны асимметрична и имеет волнистое строение на периферии. На некоторых участках она переходит в ломаную линию. Зона статического разрушения (зона долома) по площади невелика и составляет примерно 15—20% от площади сечения. Указанный вид усталостного излома, возникшего при отсутствии влияния воды, можно отнести к разрушению при умеренном номиналь­ ном напряжении, вызывающем небольшую величину коэффи­ циента усталостной перегрузки [137].

P і! с. 44. Изломы конусов буровых штанг, разрушившихся в коррозионных условиях (а) и «сухих» (без доступа воды) условиях (б).

На рис. 44 представлены изломы конусов штанг, разрушив­ шихся в коррозионных условиях и без доступа воды. У штанг, разрушившихся в присутствии воды, отчетливо проявляются два

скорость деформации в близко лежащих к поверхности слоях металла превышала деформацию в центре, где контактные напряжения действовали значительно слабее. Края линии фрон­ та усталости также неровные, в ряде случаев они сталкиваются с зонами усталости, идущими от других переферийных, незави­ симо развивающихся очагов усталости. Поверхность усталостной зоны имеет слоевую структуру, свойственную микроизбиратель­ ному принципу разрушения. Суммарная площадь усталостных зон занимает примерно 20% сечения, что значительно больше, чем у аналогичных изломов штанг, разрушившихся при наличии

122

воды. Это свидетельствует ó том, что у.штанг, разрушившихся в «сухих» условиях, усталостное разрушение, очевидно, протекало при умеренных номинальных напряжениях и без резких цикли­ ческих перегрузок, вызванных дополнительным усилием. Для того, чтобы установить, как влияет подача воды через промы­ вочный капал штанги на поверхность металла, осуществляли разрезку их вдоль продольной оси. Причем для1 сравнения исследовали исходную поверхность промывочного канала штанг до работы. Было установлено, что исходная поверхность канала штанг весьма неровная (рис. 45) и имеет различные микро- и макродефекты. На вырезанных по длине участках штанг после работы с водяной промывкой было обнаружено в канале боль­ шое количество усталостных микро- и макротрещин на базе поверхностных дефектов, имеющихся там до нагружения.

(X 1,2)

промывочного канала в буровой стали после про­ катки.

(X 40)

Характер их, расположение и распределение по длине полно­ стью соответствуют аналогичным трещинам, показанным на рис. 37. У штанг, испытанных без доступа воды, трещин в кана­ ле почти не обнаружено, за исключением единичных не различи­ мых невооруженным глазом микротрещин, выявленных на максимально нагруженной длине штанги, т. е. на расстоянии 200—400 мм от торца хвостовика.

Таким образом, на основании этих экспериментальных дан­ ных можно заключить, что вода, поступающая по каналу штанги с целью очистки шпура от буровой мелочи и пыли (шламма), существенно понижает сопротивление металла усталостному разрушению, так как в присутствии воды значительно облегчает­ ся развитие тех многочисленных дефектов прокатки, которые сохраняются в буровой стали.

123

Следовательно, при решении вопроса повышения долговеч­ ности штанг неизбежно возникает задача обработки промывоч­ ного канала. Эта обработка должна преследовать две цели. Во-первых, обеспечить максимально возможное удалениеі механических дефектов с поверхности канала буровых штанг, полученных в процессе производства буровой стали, а, во-вто­

При обосновании технологии обработки промывочного кана­ ла буровых штанг можно было бы рекомендовать большое ко­ личество уже известных в промышленности способов, однако специфические особенности нагружения штанг, их конструкция в большинстве случаев делают эти способы непригодными или весьма трудоемкими при осуществлении в основном по причине большой длины штанг, достигающих 3—4 м и более, малого диаметра отверстия, искаженности его профиля и неровности поверхности.

В связи с этим, с целью экспериментальной проверки воз­ можного повышения долговечности буровых штанг обработкой промывочного канала были выбраны следующие простые и достаточно экономичные способы:

1. Покрытие промывочного канала штанг высокоадгезийной эмалью после предварительного обезжиривания поверхности.

2. Гидроабразивная очистка поверхности промывочного ка­ нала штанг с последующим фосфатированием и высокОадгезийным эмалевым покрытием.

3. Упрочнение поверхности канала путем взрыва. Предварительно штанги всех трех партий, предназначенных

для обработки указанным способом, подвергались упрочнению поверхностной индукционной закалкой по всей длине па глуби­ ну 1,2—1,5 мм для того, чтобы предотвратить преждевременные поломки с развитием усталости с внешней поверхности.

Покрытие промывочного отверстия буровых штанг эмалью производилось с целью предохранения его поверхности от по­ падания влаги к макро- и микродефѳктам. Буровые штанги подвергались обезжириванию в горячем водном растворе кау­ стической соды при температуре +90oC. После сушки в промы­ вочный канал путем пульверизации наносилась алкидностироль­ ная эмаль MC-17, которая согласно ТУ-УХГІ-105-59 обладает влагоустойчивостью, стойкостью против воздействия масел, бензина, слабых кислот и широко используется для защиты металлов от коррозии. Эмаль эластична и обладает хорошей адгезией. Сушка штанг после покрытия осуществлялась при комнатной температуре в течение двух часов.

Фосфатирование, как способ антикоррозионной обработки, применительно к буровым штангам обладает рядом ценных преимуществ перед другими химическими способами [147—150].

124