Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

шпура,, нельзя исключать и дополнительных кавитационных разрушений стенок усталостных трещин. Если динамические удары жидкости в щелях при прямом (сжатии) и отраженном (растяжении) полуциклах действуют главным образом в пла­ не повышения. суммарной интенсивности напряжений в тупике

зев щели (рис. 62в). Это в свою очередь прямо способствует увеличению гидродинамических воздействий, т. к, щель спо­ собна поместить большие жидкости.

Непосредственно процесс разрастания трещин в микроско­ пическом ,устье можно объяснить с позиций современной ли­ нейной механики разрушения и энергетической дислокационной теории. C e этой целью рассмотрим обобщенную графическую модель роста трещин в упруго-пластической постановке (рис. 63). На представленном графике по оси абсцисс отклады­ ваются значения растущей трещины, по оси ординат значения интенсивности напряжений. Если дефект на поверхности буро­ вого става лежит в спектре от О до Hy и имеет, например, значение Но, то, очевидно, роста усталостной трещины в дан­ ном элементе бурового става в практическом смысле не будет, т. к. интенсивность у вершины такого дефекта (субтрещины) лежит ниже порогового значения интенсивности напряжений Му, обусловленного пределом усталости данного материала. Рост трещины вместе с тем из дефекта величиной Но в прин­ ципе возможен, если в силу каких-либо факторов, например, длительное коррозионное воздействие, повышение температу-, ры, адсорбция .и т. п., у данной трещины возникает остроко­ нечная вершина, способная двигаться даже при малой интен­ сивности напряжений. В любом случае растущий и нерасту­ щий очаг Но находится в инкубационном режиме роста, когда речь идет о достаточно большой долговечности.

Когда дефект или микротрещина достигает в элементе буро­ вой штанги величины Ну, он попадает в спектр макротрещин. В этом случае интенсивность напряжений на контуре трещины достигнет Му, что говорит о росте магистральной трещины в докритическом режиме, и речь уже может идти только о живу­ чести материала, т. е. ограниченной долговечности. В точке Hy циклическое движение берегов под действием внешних сил деформирует некоторый объем (ядро) зерна металла впереди трещины. Поскольку деформация вызывает быстрое накопление повреждаемости и дислокационных скоплений в вершине тре­ щины, константа Kc вязкости разрушения буровой стали, характеризующая сопротивление росту трещин в микрообъемах

147

Значение важнейших величин в формулах

Ah Мера сближения берегов, трещины. M— Изгибающий момент.

148

зерна при некотором числе циклов падает и достигает в точке 2 величины M для данного размера трещины. Так как при этом достигается критическое состояние материала, то происходит хрупкое подрастание трещины до размера, когда конец её упрется в ювенильный (нетронутый деформацией) материал зерна, т. е. в точку 3. В данной точке трещина находится в состоянии пассивного роста, а возможно и стоит, пока значение вязкости материала Kc снова не достигнет критического значе­ ния в точке 4 и не произойдет очередной акт хрупкого подраста­ ния трещины. Далее процесс циклического роста аналогичен с той лишь разницей, что все последующие параметры роста ма­ гистральной трещины нарастают в повышенном темпе.

В точке А, обусловленной длиной трещины Нф живучесть материала штанги или другого элемента бурового става исчер­ пывается и происходит поломка. Описанные выше гидродинами­ ческие эффекты в щелях существенно снижают фазу живучести материала и, очевидно, главным образом они начинают дейст­ вовать в докритическом режиме роста с момента образования трещины величиной Ну, когда ее полость вполне сформирова­ лась. Если трещина развивается в «сухом» режиме без доступа воды, рост трещины осуществляется значительно медленнее особенно в инкубационной фазе, что и подтверждается экспери­ ментально приведенными выше данными, которые показывают, что в «сухих» условиях долговечность штанг в два-три раза выше. В «сухом» режиме рост трещины возможен только в полуцикле растяжения, когда возрастает интенсивность разрыв­ ных напряжений в вершине. В отличие от гидравлического (коррозионного), рост «сухой» трещины в полцикле сжатия от­ сутствует, так как берега трещины сближены. Следовательно, за весь период нагружения трещина в «сухих» условиях испыты­ вает значительно меньше циклов нагружения, чем коррозионная.

Таким образом, процесс коррозионно-усталостного разруше­

части, а также частичного химического воздействия воды, и соз­ даются условия адсорбирования значительных объемов жидко­ сти.

2. Докритический (досатоточно интенсивный) рост трещины усталости, происходящий в процессе гидродинамического воздействия воды, как при прямом так и отраженном импуль­ сах, и основных растягивающих напряжений при ударе и изгибе штанг.

3. Критический (заключительный) этап хрупкого разрушения, когда за счет гидродинамического давления, обусловленного сжатием воды в полости трещины, суммарных напряжений от внешних сил, кавитационных сил на ее стенках, а также резко

149

соединительных элементах, если они имеются, протекает в целом по аналогичному механизму, однако со значительно большей скоростью. Объясняется это тем, что, во-первых, внешняя по­ верхность данных элементов больше нагружена [95], во-вто­ рых, больше поражена различными концентраторами напряже­ ний за счет предварительной обработки (обточка, фрезировка, высадка и т. п.)

Представленный механизм коррозионно-усталостного разру­ шения штанг целиком определяет обоснование защитных мер против развития усталостных трещин в промывочном канале. Как было показано (рис. 51,. 52), в канале буровой стали в

150

процессе производства могут появляться сплошные ферритные зоны обезуглероженного металла. Промывочное отверстие, ста­ новится как бы облицовано мягкой ферритной оболочкой, к тому же пораженной различными технологическими поверхностными дефектами [196]. Целиком устранить такую оболочку невозможно, однако, как указывалось выше, технологически возможно' осу­ ществить удаление с её поверхности основной массы мелких очагов усталости, а оставшиеся дефекты и неровности с умень­ шенной глубиной и меньшим углом надреза закрыть прочной антикоррозионной водоотталкивающей пленкой. Так как нагруз­ ки на поверхности промывочного канала меньше,, чем на внеш­ ней поверхности, нанесенная здесь эластичная пленка не разру­ шается, а является как бы водопроводящей трубкой, связанной с поверхностью канала молекулярной связью через специальный промежуточный грунт. Как показали исследования, в качестве такого грунта может успешно применяться фосфатированная оболочка, нанесенная на предварительно очищенную поверх­ ность канала. В указанной технологии металлоструйная очистка является наиболее ответственной операцией, позволяющей мак­ симально удалить с поверхности канала штанг дефекты и окалину. Достоинством указанной обработки является то, что процесс очистки можно регулировать. Так, например, при увели­ чении давления пульпы и соответствующем подборе абразива практически можно полностью удалить дефекты и довести по­ верхность канала до состояния шлифованной (рис. 64). Абразив­ ная обработка, кроме того, значительно упрочняет поверхность металла за счет создания сжимающих остаточных напряжений,

величина которых, как установлено, может достигать 40 к;/мм2.

V

§ 5. Технологический процесс упрочнения поверхности буровых штанг

До настоящего времени основная масса бурового инструмен­ та (более 80%) производится непосредственно на рудниках и рудоремонтных мастерских. При изготовлении у штанг с целью предотвращения расклепывания термически обрабатывается только хвостовик и конус. Тело штанги никакой упрочняющей обработке не подвергается. Долговечность буровых штанг из стали 55С2, обработанных таким способом, составляет в среднем 60 шпурометров, а штанг из стали У7 и У8 еще меньше (около 20 шпурометров). Учитывая результаты проведенных исследований, можно сделать вывод о том, что существующая технология концевой закалки штанг не может обеспечить их до­ статочно высокой ударно-циклической прочности. При местной сквозной закалке хвостовика и особенно конуса в месте обрыва закаленного участка штанги, как указывалось ранее, неизбежно возникают переходные зоны, являющиеся дополнительным кон­ центратором напряжений. _ . .

151