Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

нагрева. Выявленная на данных заготовках глубина обезуглеро­ женного слоя металла на поверхности и в промывочном канале остается в пределах глубины аналогичных слоев стали в состоя­ нии поставки. В указанных заготовках не было обнаружено и чрезмерного роста зерна стали. Однако у большинства участ­

Поскольку обычно при индукционном нагреве у мелкозернистых сталей не обнаруживается увеличение зерна выше 6—7 баллов даже при нагреве до высоких температур [155], по-видимому, у некоторых исследуемых плавок буровой стали оказалась по­ вышенная склонность аустенитного зерна к росту. Выборочная

плавки стали обладают повышенной склонностью, аустенитного

Средняя величина действительного аустенитного зерна в пос­ тавляемой буровой стали колеблется в пределах 6—8 баллов стандартной шкалы. Таким образом, на основании проведен­ ных исследований установлено, что поставляемая в настоящее время буровая сталь часто имеет дефекты металлургического происхождения, что значительно снижает долговечность штанг. Иногда сталь в состоянии поставки оказывается наследственно

141

случаев затрудняет упрочнение их с целью повышения цикли­ ческой прочности. Приведенные в предыдущих двух главах результаты исследований показывают, что если преждевремен­ ное усталостное разрушение буровых штанг с внешней поверх­ ности достаточно эффективно устраняется поверхностной индук­ ционной закалкой па глубину 1,2—1,5 мм, то в промывочном канале штанг продолжается разрушение в местах концентрато­ ров напряжений, какими являются обезуглероживание металла,

целью удаление дефектов и предохранение металла от попада­ ния воды, значительно повышает их стойкость. Напротив, обра­ ботка канала, преследующая только предохранение металла от попадания влаги, не оказывает повышения стойкости штанг.

В настоящее время все еще остается спорным вопрос о том, каким способом предохранять поверхность промывочного кана­ ла штанг от разрушения, поскольку достоверно не установлены причины и механизм их коррозионно-усталостного разрушения изнутри. Некоторые авторы процесс коррозионно-усталостного разрушения штанг полностью объясняют с позиции теории электрохимической коррозии [15]. Однако изложенный механизм разрушения штанг не объясняет многих важнейших явлений, наблюдаемых при коррозионно-усталостном разрушении штанг, таких, как очень высокая скорость разрушения, избиртельность разрушения, специфичность геометрии изломов и т. д. Кроме того, если бы развитие усталостных трещин в буровых штангах зависело только от анодных процессов, тогда протекторная или катодная защита явились бы достаточно надежными методами повышения их стойкости. Однако, как показали испытания [15], такая антикоррозионная обработка не оказывает. повыше­ ния стойкости штанг. Не обеспечивают прироста долговечности штанг и различные гальванические покрытия.

Весьма незначительное время работы бурового става и его элементов в воде под нагрузкой, дает основание предполагать, что важнейшим движущим фактором роста усталостных трещин в нем являются не коррозионные явления, протекающие в пла­ не химической или электрохимической'коррозии, а силовые гид­ родинамические факторы, дополнительно увеличивающие опас­

142

ную интенсивность напряжений в тупике трещины. Значитель­ ная методическая трудность, к сожалению, не позволяет оце­ нить степень указанных гидродинамических эффектов в уста­ лостных трещинах прямым экспериментом. Однако вышеуказан­ ные косвенные факторы, такие как морфологическая картина трещин и высокая степень наклепа в стенках их берегов позво­ ляет разработать математический аппарат для оценки гидро­ динамических явлений. Наиболее реальная картина гидродина­ мического процесса в щелевидных трещинах выглядит следую­ щим образом. Первоначально в каком-либо участке штанга, находящемся в зоне опасной интенсивности напряжений возни­

которыми изобилуют поверхностные и внутренние слои, реаль­ ного металла. Эти трещины появляются уже через некоторый промежуток времени с момента начала нагружения, а иногда почти сразу. Поскольку данный дефект развивается из весьма малого размера полости (щели), в первые моменты времени главным движущим фактором роста усталостной трещины дан­ ного линейного спектра может быть только концентрация нап­ ряжений у ее устья. Так как напряжения в зоне такой трещины по направлению могут не совпадать в период цикла с перво­ начальным направлением движения ее берегов, трещина долж:

кой деформации по отрывной форме или, говоря иначе, до тех пор, пока трещина не станет щелевидной. В этот период ее берега начинают двигаться синхронно с напряжениями, выз­ ванными внешними силами. Роль жидкости на данном этапе сводится, очевидно, к формированию русла трещины за счет адсорбирующих пленок, создающих дополнительное механичес­ кое расклинивание.

C формирования щелевидной трещины начинается гидро­ динамический этап ее роста, который следует отнести к докри­ тической фазе, так как по габаритам щель уже относится к спектру микротрещин, а интенсивность в устье ее берегов резко возрастает за счет гидродинамических ударов. При этом рас­ чет гидроудара в щели по Жуковскому при условии смыкания берегов от полуцикла чистого сжатия не показывает сущест­ венного повышения интенсивности напряжений в вершине тре­ щины. Этот вывод вполне закономерен, так как буровой став, практически, не работает в чистом режиме сжатие-растяжение. Кроме того, эффект гидроудара в этом случае весьма незначите­ лен из-за неизбежного выброса жидкости из щели энергией им­

143

ровых сталях под інагрузкой; в) последовательность роста усталостной трещины в канале штан­ ги.

144

Далее покажем, что в полуцикле растяжения, обусловлен­ ном отраженным импульсом также возможно дополнительное

следующим образом. Щелевидная трещина, как было показано, всегда заполняется адсорбированными пленками воды, которые, естественно, при свободном движении берегов могут вытеснять­ ся при их сближении, и наоборот втягиваться (втекать) по закону капиллярных сил при расхождении берегов. Очевидно без существенной погрешности скорость циклического движе­ ния берегов трещины в штанге под нагрузкой можно апроксимировать гармоническим колебанием по формуле 9, в ко­ торой величина В есть степень расхождения берегов при дан­ ной нагрузке. Соответственно скорость движения жидкости в полости трещины при условии полного ее заполнения можно найти из равенства изменения объема полости и жидкости по

учета ее вязкости. Однако вязкостные свойства жидкости и плот­ ность играют большую роль при ее движении в узких щеле­ видных трещинах. Поэтому, согласно закону истечения жид­ костей Торичелли, движение ее определяется разностью давле­ ний и полостью самой жидкости, т. е. формулой 11. Чтобы учесть влияние вязкости жидкости, в формуле 11 перейдем от параметра давления к силе давления и затем из нее выч­

номерно без резких перепадов, получаем уравнение 13 ско­ рости жидкости в зависимости от линейных параметров щели и внешнего давления.

Поскольку движение жидкости определяется силами внеш­ него воздействия, геометрией щели и вязкостью, объединим уравнение 9 и 13. Получаем выражение 14, связывающее все параметры, из которого можно рассчитать величину удара жидкости в тупиковую часть трещины в зависимости от внеш­ них сил, движущих берега, т. е. импульса растяжения и шири­ ны трещины. Расчет показывает, что при существующих ли­ нейных параметрах усталостной щели в буровых штангах в пределах 0,5—1,0 мм скорость втекания жидкости составляет 10—30 м/сек, что в свою очередь создает дополнительное нап­ ряжение в тупике трещины в пределах 2,5—5 кг/мм2. Большая опасность состоит в том, что данные напряжения действуют синхронно с растягивающими напряжениями отраженного импульса, отчего суммарная интенсивность напряжений значи­ тельно возрастает. Поскольку динамический характер нагру­ жения буровой штанги протекает при избыточных давлениях жидкости в полости промывочного канала, а иногда и полости

146