Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих методов повышения долговечности замкового соединения бурильной колонны
1.1 Анализ факторов, влияющих на долговечность замковых соединений бурильной колонны
1.2 Современные представления о повышении работоспособности замкового соединения бурильной колонны
1.3 Условия работы конического соединения замковых бурильных труб и пути повышения их долговечности
1.4 Промысловый опыт 16
1.5 Влияние смазочных и противоизносных свойств резьбоуплотнительных составов на разрушение элементов резьбы бурильных замков
1.6 Избирательный перенос и его реализация в смазочных составах
1.7 Цели и задачи исследования 37
1.8 Выводы по первой главе 38
2 Формирование комплекса методик исследования 41
2.1 Методики исследования 41
2.1.1 Методика визуально-оптического и измерительного контроля
2.1.2 Твердометрия 43
2.1.3 Массометрия 46
2.2. Методический комплекс по изучению процессов трения 47
2.2.1 Методика планирования и обработки данных эксперимента 47
2.2.2 Методика испытаний на четырехшариковои машине трения 51
2.2.2.1 Подготовка и проведение испытаний. Показатели и режимы
испытаний
2.2 Определение основных трибологических характеристик по результатам испытаний
3 Методика испытаний на универсальном триботехническом комплексе (серийная машина трения СМТ-1)
4 Методика испытаний резьб при многократном свинчивании на полномасштабном буровом стенде-скважине ОАО НПО "Буровая техника"
Выводы по второй главе 63
Исследование изнашивания замковых резьбовых соединений при многократном свинчивании
Теоретические основы процесса исследования изнашивания замковых резьбовых соединений при многократном свинчивании
Испытание резьб при многократном свинчивании на полномасштабном буровом стенде-скважине ОАО НПО "Буровая техника"
Испытания на четырехшариковой машине трения 69
1 Выбор смазочного состава и параметров исследуемых смазок
2 Установка, образцы и аппаратура 70
3 Подготовка и проведение испытаний. Показатели и режимы испытаний
Испытания на универсальном триботехническом комплексе (серийная машина трения СМТ-1)
1 Установка, образцы и аппаратура 79
2 Режимы испытаний. Подготовка и их проведение
Выводы по третьей главе
Влияние смазочных композиций на долговечность замковых резьбовых соединений
1 Исследование эффективности смазочных композиций с наполнителями в условиях минерализованной среды
2 Исследование влияния смазочных композиций с наполнителями на работоспособность при реализации эффекта избирательного переноса
Выводы по четвертой главе 92
Влияние свойств рабочей среды на характер изнашивания резьбовых поверхностей
1 Разработка медесодержащей добавки реализующей избирательный перенос в смазке
2 Исследования влияния технологических растворов на работоспособность резьб
3 Влияние удельной нагрузки на работоспособность резьб 99
4 Влияние скорости скольжения на работоспособность резьбовых соединений
5 Оценка характера изнашивания от присутствия технологических растворов разной плотности
6 Влияние промывочных жидкостей на контактное давление разрушения смазочной пленки в резьбовых соединениях
Выводы по пятой главе 115
Основные предложения и рекомендации 116
Список литературы
- Условия работы конического соединения замковых бурильных труб и пути повышения их долговечности
- Методика визуально-оптического и измерительного контроля
- Испытание резьб при многократном свинчивании на полномасштабном буровом стенде-скважине ОАО НПО "Буровая техника"
- Влияние удельной нагрузки на работоспособность резьб
Введение к работе
Актуальность работы. В процессе строительства как вертикальных, так и наклонно-направленных скважин (обычных (ОНС), пологих (ПС), горизонтальных (ГС), наклонных скважин с большим отклонением от вертикали (НСБО)) связующим звеном наземного оборудования с инструментом, применяемым во время различных технологических операций является колонна бурильных труб.
Сам процесс проведения спускоподъемных операций при подъеме бурильного инструмента, является критическим условием эксплуатации бурильного инструмента. В зависимости от конкретных горно-геологических и технико-технологических условий бурения скважины величины нагрузок на колонну могут доходить до предельно допустимых значений прочности бурильных труб, что в свою очередь приводит к осложнениям в скважине либо возникновению аварий. В процессе спуска бурильной колонны и смонтированного на ней инструмента, геофизической аппаратуры и внутрискважинного эксплуатационного оборудования, возникают силы сопротивления, препятствующие её нормальному прохождению по стволу скважины, что также является причиной осложнений и возникновения аварий с резьбовыми соединениями.
Актуальным и значимым является вопрос увеличения ресурса замковых резьбовых соединений (ЗРС) бурильных труб на основе совершенствования методов повышения долговечности резьб при сборке-разборке колонн в процессе спуско-подъемных операций.
Большой вклад в изучение проблем трения и изнашивания подвижных сопряжений и разработку методов повышения срока службы трибосопряжений машин и оборудования внесли отечественные ученые: Буше Н.А., Гаркунов Д.Н., Горячева И.Г., Дроздов Ю.Н., Колесников В.И., Крагельский И.В., Матвеевский Р.М., Михин Н.М., Семенов А.П., Сорокин Г.М., Хрущев М.М., Чичинадзе А.В. и др.
Принципиально новым направлением в области повышения износостойкости деталей машин явились исследования открытого Д. Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским эффекта избирательного переноса.
Однако определение триботехнических характеристик смазочных материалов с наполнителями для резьбовых соединений до сих пор остается
актуальной задачей повышения долговечности резьб замковых соединений бурильных труб.
Цель работы – Совершенствование методов повышения долговечности замкового соединения бурильной колонны при многократном свинчивании.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы основные задачи исследования:
1. Анализ существующих методов повышения долговечности резьб
замковых соединений бурильных труб;
2. Формирование комплекса методов исследования;
3. Исследование изнашивания замковых резьбовых соединений при
многократном свинчивании-развинчивании;
-
Влияние смазочных композиций на долговечность замковых резьбовых соединений;
-
Влияние свойств рабочей среды на характер изнашивания резьбовых поверхностей;
-
Разработка рекомендаций по повышению износостойкости замковых резьб.
Научная новизна:
1. Определена оптимальная концентрация медесодержащей добавки
CuSO4 к графитосодержащим смазкам, равная 0,24 % масс, обеспечивающая
процесс избирательного переноса и повышения долговечности замкового
резьбового соединения.
2. Установлено, что в процессе многократного свинчивания замкового
резьбового соединения наименее долговечным является его неподвижный
элемент – муфта, резьба которой подвержена наибольшему износу.
3. Выявлено, что максимум контактной выносливости и давления
разрушения смазочной пленки достигается в нейтральной среде при
рН=6,3…6,7, стремительно снижаясь примерно в 3 раза до минимума при
рН=8…8,5.
4. Показано, что в сопоставимых условиях параметры контактной выносливости и давления разрушения смазочной пленки уменьшаются с повышением плотности рабочей среды.
5. Найдено оптимальное соотношение скоростей свинчивания замкового соединения и удельной нагрузки, распределяемой по винтовой линии резьбы, обеспечивающее оптимум долговечности при эксплуатации бурильных замков.
Основные защищаемые положения:
1. Системная оценка влияния эксплуатационных факторов на
долговечность замковых резьбовых соединений.
-
Комплекс лабораторно-испытательных и вычислительных методик для определения многофакторности параметров.
-
Оценка влияния удельной нагрузки и скорости скольжения на процесс трения и изнашивания.
-
Метод изучения влияния рН и минерализации на процесс изнашивания металла при трении.
-
Методика определения оптимальной концентрации медесодержащей добавки в смазке для повышения износостойкости резьбы бурильных замков, изготовленных из стали 40 ХН.
Практическая значимость работы состоит в создании методики определения износостойкости замковой резьбы и качества применяемой смазки в процессе плоскопараллельного контактирования витков резьбы при свинчивании-развинчивании и формировании базы данных по триботехническим характеристикам, и технологической эффективности наполнителей из цветных металлов, используемых в смазочных материалах для резьбовых соединений, а также подбором добавки в лабораторных условиях, позволяющей реализовать эффект автокомпенсациии износа. А кроме того:
1. Разработаны практические рекомендации повышения долговечности замковых резьб при сборке-разборке бурильной колонны и предложено:
осуществлять меньшую угловую скорость свинчивания ЗРС равную 40 мин-1, что соответсвует линейной скорости для ЗРС с замком З-133 v=0,18 м/с при использовании муфт резьбового соединения с твердостью в пределах 280-300 НВ;
использовать большую угловую скорость свинчивания ЗРС, равную 84 мин-1, что соответсвует линейной скорости для ЗРС с замком З-133 v=0,56 м/с, при увеличении нагрузки от массы наращиваемых труб свыше 3,0 кН. В основу рекомендаций положены результаты по методике определения аналитической зависимости и = f(p) - величины износа и от удельной нагрузки
p и и = f{v) - величины износа и от линейной скорости скольжения V для различных элементов резьбовой пары, которые позволяют предотвратить преждевременный износ одного из элементов и повысить долговечность замкового соединения в целом.
-
Разработаны рекомендации по применению смазок для резьбовых соединений при работе в минерализованных средах.
-
Разработаны рекомендации по определению оптимальной добавки противоизносного наполнителя тип которого выбирается в зависимости от конкретной технологической операции.
Методы исследования.
Трибологические испытания консистентных резьбовых смазок в режиме трения скольжения выполнены на четырехшариковой машине. Исследования процессов трения и изнашивания пары ролик–колодка в режиме трения скольжения выполнены на универсальном триботехническом комплексе СМТ-1
Измерение твердости материала образцов изучали с использованием ультразвукового твердомера «УЗИТ-2М» импедансного типа с использованием магнитостриктора с алмазом.
Изучение противоизносных свойств выполнены с применением микроскопа МБС-10 по ГОСТ 9490-75 «Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологи-ческих характеристик на четырех шариковой машине» ЧШМ-1 (ограничение по сроку действия отменено).
Изменения суммарного массового и относительного износа образцов фиксировали с помощью весов лабораторных ВЛР-200 с 4-м классом точности.
Достоверность результатов.
Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, базируются на данных, полученных с привлечением современных теоретических и экспериментальных методов исследований, математического и физического моделирования с использованием вычислительной и измерительной техники, современного исследовательского оборудования и компьютерного обеспечения.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях «Севергеоэкотех» при Ухтинском государственном техническом университете в 2007-2011 годах, научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников УГТУ в 2007-2011 годах, конференциях молодых ученых и специалистов ООО «ЛУКОЙЛ–Коми» в 2010-2011 годах, научно-технической конференции молодых специалистов ООО «РН – Северная нефть» в 2011 году и на конференциях в рамках научно-педагогической школы «Современные
проблемы нефтепромысловой и буровой механики» в 2007-2011 годах, кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности УГТУ в 2011 году.
Публикации.
Основные результаты исследований опубликованы в 10 работах, в т.ч. 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК по специальности защиты, 3-х тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, общий объем составляет 125 страниц, включая содержание, 54 рисунка, 21 таблицу, список литературы состоит из 108 наименований.
Условия работы конического соединения замковых бурильных труб и пути повышения их долговечности
Конструкции и типам резьбовых соединений бурильных и обсадных труб посвящены труды таких видных научных деятелей как Н. Д. Щербюк, Н.В: Якубовский,. А. Е. Сароян, И: Я. Якушев и Г. Б. Иосилевич. Также множество работ посвящено конструктивным и технологическим параметрам конических резьбовых соединений их надежности и долговечности. Их авторами являются Лачинян Л.А., Угаров С.А., Андрейко С.Н, Грузинов Я.А., Коган Р.Н., Малин-ский Ф.З., Шибаев В.А., Золотников М.С., Ковалев М.К., Кудрявцев М.В., Ти-мохин В.М., Барышников А.И. и др.
Так в своей работе Г. А. Давыдов отмечает, что исследования специфики работы замковой резьбы с применением основных положений теории износа показали, что явление заедания резьбы следует классифицировать как изнашивание при заедании, возникающее вследствие атермического схватывания поверхностей трения-.
Труды Л. А. Лачиняна посвящены-исследованиям работы замковых соединений, в которых обобщен анализ износа, заедания и разрушений резьбы, возникающих в результате накопления»усталостных напряжений в резьбовом соединении. Согласно приведенным им данным поломки элементов бурильной колонны приводят к обрывам и авариям, на ликвидацию которых затрачивается до 8% времени от общего баланса рабочего времени буровых станков. Средний срок службы, обычного соединения составляет около 4-6 месяцев. Преждевременный выход из строя соединении, изготовленных в соответствии с требованиями-стандарта, является, в основном, следствием нарушения норм эксплуатации. Наибольшая часть поломок происходит в резьбовых соединениях и вблизи забоя - скважины, что свидетельствует о наиболее тяжелых условиях работы нижней части колонны, находящейсяпод действием циклических нагрузок. Как им отмечено, что причинами,разрушений-в основном являются некачественное изготовление, недостаточно высокая культура эксплуатации соединений и несовершенством средств спуско-подъёма.
Так,же приводится, что прочность замковых соединений в.основном за- висит от действия циклических нагрузок, из которых наибольшую опасность представляют нагрузки знаконеремеиного изгиба. Величина этих нагрузок определяется конструкциями бурильных колонн-и скважин, а также технологическими режимами бурения. Анализ современной технологии спуско-подъёмных операций показывает; что в самой схеме лебедочного подъёма,заложены условия, вызывающие интенсивный износ изаедания резьбы.
В- работах А. И. Барышникова произведены исследования повышения прочности и долговечности замковых резьбовых соединений. Так им отмечено, что сложные условия эксплуатации бурильной колонны, а также ограничения по наружному и внутреннему диаметрам, создают значительные трудности при проектировании и обеспечении работоспособности ее элементов в скважине. Согласно произведенных им исследований из нагрузок, действующих на ЗРС бурильной колонны в скважине, можно выделить наиболее характерные, к которым относятся: осевые усилия: растяжения от собственной массы колонны; усилия растяжения. В ниппеле и сжатия в муфте от свинчивания; осевые усилия сжатия в нижней части бурильной колонны, возникающие при создании нагрузки на долото замечет массьг.УБТ; крутящий;момент, необходимый;для/вра-щения колонны и приводаї долота; растягивающие усилия? при? прокачивании бурового раствора через бурильную колонну и тангенциальные напряжения от перепада давления; раствора внутри; колонны и в затрубном пространстве;: ne-ременный изгибающий? момент, возникающий при вращении колонны на .искривленных участках скважины или потерш устойчивости;,силы.трения- и; динамические нагрузки при проведении СП; динамические; усилия (осевые, радиальные и крутящие), связанные с вибрациями; бурильной: колонны и пульсацией бурового раствора.
Трубы, переводники,Чопорно-цементирующие и другие (например, обратные клапаны) элементы бурильной/колонньікрепятся;между собой;С помощью замковых соединении (Рис. Г), состоящих из ниппеля; (а) и муфты;(б); снабженных конической замковой резьбой (в). При свинчивании ниппель замка наворачиваемой бурильной свечи входит «с навеса» в муфту колонны бурильных труб, удерживаемых на роторе,. ...с некоторой просадкой "№,..благодаря чему обеспечивается самоцентрирование замкового соединения (Рис. 2 а). Процесс свинчивания осуществляют с помощью механического ключа,.обеспечивающего силовое: вращение ниппеля замка: относительно неподвижной с муфты.: При этом контактные поверхности резьбьъ(Рис. 2 6) испытывают осевоенагружение от массы,подвешенной, бурильнош свечи, а пртразвинчивании от натяга пружины подъемного крюка. Таким образом, процесс свинчивания-развинчивания замка осложняется осевыми нагрузками, действующими дискретно в противоположных направлениях.
Н - параметр просадки Рис. 2 - Взаимное положение замковых деталей при свинчивании До настоящего времени недостаточно обоснованы количественные критерии абразивного износа бурильных труб и их элементов, в частности замков. При износе их наружной поверхности уменьшается площадь упорных торцов. При этом величина осевой силы в резьбовом соединении замка уменьшается, и это приводит к снижению плотности стыка, т.е. к недостаточной закрепленности ниппеля замка в его муфте.
Тогда под воздействием рабочих нагрузок и вибраций возникают условия для. частичного-сдвига или смещения деталей в резьбовом соединении, снижение плотности которого-интенсифицирует износ резьбы.вплоть до начала рас-крытия стыка. Далее следует промыв.резьбы (Рис. 3) wобрыв инструмента, что является сложной, аварией и требует остановки бурения для ликвидации ее последствий. Здесь следует отметить, что весь процесс развития рассмотренной аварийной ситуации в стволе скважины? протекает скрытно, визуальному контролю не поддается и является неуправляемым до момента излома. Механизм развития промыва резьбьъ объясняется тем, что внутренний канал бурильной колонны содержит внутренние кольцевые риски, образующиеся при свинчивании двух торцов труб. При течении потока в области этих рисок образуются местные завихрения, которые инициируют особое вихревое взаимодействие абразивных частиц потока с краями риски. При определенных режимах течения это взаимодействие достигает критических значений, при которых структура металла подвергается абразивному разрушению. Процесс интенсифицируется, если плотность натяга стыкового соединения снизилась ниже допустимой по каким-либо причинам (недоворот резьбы, ее дефекты, внешний износ замка, особенно односторонний и т.д.). Ослабление натяга вызывает смещение резьбы. и образование микрозазора между торцовыми поверхностями замка, что чревато в конечном итоге" промывом резьбы и разрушением замкового соединения [9].
Таким образом, сохранение и поддержание в процессе эксплуатации качества резьбы замковых соединений является необходимым условием обеспечения их нормативного натяга для предотвращения абразивной эрозии на границах замковых стыков.
Методика визуально-оптического и измерительного контроля
Одним из способов, повышающих долговечность узлов трения, который находит в последнее время все более широкое применение, является эффект избирательного переноса, открытый учеными И. В. Крагельским и Д. Н. Гаркуно-вым. Избирательный перенос это вид фрикционного взаимодействия, характеризующийся системойавтокомпенсации.износа понижения трения в результате протекания на поверхностях химических и физико-химических процессоВл[12].
Сущность этого явления заключается в образовании тонкого смазочного слоя меди на стальной» поверхности пары трения «сталь - медесодержащий материал».
Избирательный перенос представляет собой сложную совокупность механических, физических физико-химических процессов,, протекающих на трущихся поверхностях, так и в смазочной среде первоначальная трактовка природы указанного явления основывалась на атомарном механизме переноса вещества [12]. При этом предполагалось, что поверхностный слой медного сплава при трении по стали избирательно растворяется вследствие ухода части ионов легирующих элементов ..в смазку. В дальнейшем ионы-меди, осаждаясь на поверхности стали, формируют самовосстанавливающуюся- пленку меди, обеспечивающую значительный положительный градиент механических свойств.
Согласно другой выдвинутой теории [50] для возникновения избирательного переноса необходимо, чтобы на поверхности тренияшроисходили окислительно-восстановительные реакции. Эти реакции активируются при- трении, в результате происходит избирательное взаимодействие легирующих элементов медного сплава со смазочной средой. Из медного сплава избирательно растворяются в глицерине такие элементы, как цинк, олово, свинец. При этом поверхность трения детали из медного сплава обогащается медью, то есть основой такого трактования избирательного переноса служат электрохимические представления о его природе [50].
В работе [84] изучалось влияние водорода на избирательный перенос. Показано, что при трении в глицерине среда из кислой превращается в нейтральную (водородный показатель глицирина рН = 6, отработавшего глицерина рН = 7,1). При испытании образцов в масляной ванне сравнительно быстро pea 35
лизуются характерные признаки избирательного переноса, но спустя некоторое время следы переноса исчезают. Это связывается с изменением кислотности среды и увеличения её водородосодержания.
Дальнейшее изучение указанного явления привело к обнаружению ряда новых эффектов, связанных со структурными изменениями в поверхностном слое, физико-химическими превращениями в смазочной среде, в частности, образованием ПАВ, полимеризацией- на фрикционном контакте, образованием комплексных соединений с ионами легирующих элементов [12]. Так, врезуль-тате исследований поверхностного слояшедного сплава было»выдвинуто предложение о его особом квазисжиженном» состоянии; характеризующимся, нарушением в кристаллической решетке металла или сплава в результате изъятия части атомов [13].
На основании дальнейших исследований [12] было сделано предположение о возможности не только атомарного, но и коллоидного переноса вещества при трении в условиях избирательного переноса. Принтом возможной причиной переноса предполагалось .существование электрического поля в зазоре между элементами пары трения.
Исследование физико-химической картины процесса избирательного переноса и его закономерностей привело к пересмотру ранее установившихся взглядов на многие вопросы в области трения, изнашивания и смазки. Раньше смазочный, материал рассматривался как защитный чехол по» отношению к твердому телу. Теперь же считают, что он должен разрущать поверхностный слой материала, превращая его в квазижиткое тело. Если раньше считалось, что наилучшим результатом является, режим окислительного трения то в настоящее время установлено, что безокислительное трение превосходит его по многим показателям [12].
В поверхностном слое меди, создаваемом при избирательном переносе, который вследствие восстановительной среды освобожден от пленок окислов, практически, отсутствуют дислокации, то есть зародыши, могущие создавать концентраторы напряжений. Образовавшийся медный, слой не уносится из зоны контакта, а переходит с одной поверхности на другую, что и придает паре трения высокую износостойкость. Отмечено также, что после образования медной пленки площадь трения увеличивается более чем в 10 раз, снижается поверхно-
стная шероховатость за счет заполнения микронеровностей тонкодисперсными частицами меди и, как следствие, снижение контактных давлений [12]
Рядом исследователей было установлено [12, 13], что питтинг поверхности при качении связан с неровностями поверхности трения, а снижение поверхностной шероховатости, до толщины масляного слоя может привести к четырех кратному повышению несущей способности контакта.
В настоящее время избирательный перенос осуществлен при трении стали по бронзе, стали пол стали, стали по резине, по чугуну и др. [50] Это позволило замедлить развитие процесса усталостного разрушения в парах трениями повысить их износостойкость в 2,7 ... 3 раза, а величину критических удельных нагрузок в 1,7 раза.
Применительно к буровому оборудованию средой, в которой происходят физико-химические процессы на поверхности трения, являются смазки и в меньшей мере промывочные жидкости.
В настоящее время в качестве среды, в которой реализуется избирательный перенос, используются различные технологические жидкости и в частности буровые промывочные растворы. Вфезультате исследований, проведенных в РГУНГ им И. М. Губкина, было установлено, что избирательный перенос реализуется в высокоминеральзованных буровых растворах (ВМБР) и растворах на углеродной основе [12, 50].
Реализация эффекта избирательного переноса как в стендовых так и в промышленных условиях, даже при 3 %-м содержании абразива в промывочной жидкости, позволила увеличить к примеру долговечность опоры долота в 1,6 раза. Изнашиваемые элементы опоры долота были покрыты тонким (1,0 ... 1,5 мкм) слоем медной пленки [50].
Эффект повышения долговечности пары трения, был получен в высокоминерализованных буровых растворах при добавлении в них 0,01 масс. % сернокислой меди (C11SO4) по объему. Эффективное действие этой добавки исследовано в паре трения «резина-металл» на примере уплотнения штока бурового насоса. Здесь также было получено более чем двукратное увеличение долговечности [50].
Результаты последующих лабораторных исследований на машине трения СМТ-1 по схеме «ролик-колодка», позволили установить факт значительного уменьшение износа [12]. Однако больший объем применения в практике бурения имеют глинистые промывочные жидкости. Поэтому представляет значительный интерес получение избирательного переноса именно в этих жидкостях. Представленные выше результаты исследований нельзя использовать в случае применения буровых растворов, так как в отличии от вышеназванных, глинистые растворы в своем большинстве щелочные, то есть рН 7.
Попытка реализовать режим избирательного переноса для пары трения ВК6 - медьсодержащий сплав (бронза, латунь) при скорости скольжения-7,3 м/с и нагрузке 0,39 МПа не дало положительного эффекта [50]. В качестве среды использовался-101масс. % едкого натра.
Однако этот результат не дает окончательного ответа на вопрос о возможности реализации избирательного переноса в пластичных смазках.
Из приведенного анализа имеющихся литературных данных о.реализации избирательного переноса в смазочных материалах можно сделать вывод о том, что избирательный перенос реализован в жидких смазках и в настоящее время отсутствуют систематические исследования- по его реализации в пластичных смазках.
Вместе с тем исследования с целью реализации избирательного переноса в смазке с добавлением щелочных растворов представляют несомненный научный и практический интерес.
Испытание резьб при многократном свинчивании на полномасштабном буровом стенде-скважине ОАО НПО "Буровая техника"
При проведении? испытаний по щаннош схемеv за счет; геометрии образцов шпредварительноюих прйработкшобеспечивается постоянная площадь контак
Эта схема бьша.принята в работе для проведенияїлабораторных исследований трения иизнашиванияэлементовгрезьбы по схеме- «вал-втулка» или,как еще принято называть, «ролик-колодка».
Подвижный образец представляет собой роликдиаметромї39 ММ;и:шириной 12! мм»: Неподвижный образещ.представляющиш собой сегмент прямо-угольной формы; имеет площадь поперечного сечения 2.см . Эта;площадьв работе была, принята за; нормальную площадь контакта [8]: Использовались образцы,, изготовленные соответственно: ролик из стали 40 ХН твердостью? НВ340 колодка их стали;40ХИтвердостьюНВ300г
Исходя из характера? движения элементов исследуемой пары, трения и принятой5 схемы изнашивания; в качестве лабораторной установки была выбрана машина трения СМТ-1 Ивановского завода испытательных приборов:
С целью обеспечения режимных параметров, приближенных к эксплуатационным, была проведена некоторая модернизация в! кинематической цепи; вращения ПОДВИЖНОГОІобразца. Использована видоизмененная:система подачи бурового раствора,в.;зонутрения; а?так же специальная оправка для крепления неподвижного образца; обеспечивающая стабильность; взаимного; расположения испытуемых образцов.
Схема лабораторной установки СМТ-1 представлена на рисунке 22 пункта 2.2.3 состоящая из электродвигателя, клиноременнои передачи, редуктора, индуктивного датчика вращение вала. На валу крепится нижний подвижный образец (ролик). Верхний неподвижный образец (колодка) крепится в специальной оправке, закрепленной на выходном валу каретки. Для установки верхнего образца в оправу каретка откидывается относительно оси, закрепленной в бабке. Возможные схемы испытания приведены на рисунке 32.
При исследованиях была использована аппаратура для регистрации момента трения, массового износа изнашиваемой пары, продолжительности эксперимента и температуры в узле трния. Для измерения момента трения на машине СМТ-1 установлен бесконтактный индуктивный датчик. Электрические сигналы с измерительных катушек датчика подаются в электрическую систему сравнения и далее на электронный вольтметр образцовый. Запись величины момента трения производилась непрерывно в процессе испытаний.
Перед началом проведения экспериментов производилась тарировка вольтметра. Тарировка осуществлялась в режиме статического нагруженияі
Коэффициент трения/подсчитывался по формуле [84]: , , (69) dp-P где М— замеренный момент трения; Н-м; dp - диаметр ролика, м; Р - нагрузка, Н. Массовый износ измерялся на аналитических весах ВЛР-200 с ценой деления 0,2 мг и точностью отчета 0,1 мг.
Температура промывочной-жидкости в испытательной ванне контролировалась с помощью термометра с пределом измерений, от 0 до 100С. Продолжительность эксперимента фиксировалась с помощью секундомера механический (ГОСТ 8.423-81) [101].
Перед установкой- на машину трения поверхности образцов обрабатывались по общепринятой методике ГОСТ 27964-88 [96]. Шероховатость рабочих поверхностей доводилась до Ra 0,45-0,63. С целью исключения микрорезания острые кромки притуплялись до R - 0,5 ММ. Воспроизводимость результатов повысилось применив предварительную обработку образцов и контролировав сопряжение поверхностей, характеризуемого следами трения на площади не менее 90% рабочей- поверхности трения; каждого образца. После приработки образцы промывали ацетоном (ГОСТ 2768-84) [94] и сушили в течение 2-х часов при температуре 70 С.
Линейный износ на образцах пар трения определялся-методом искусственных баз (ГОСТ 23.301-78) [93]. В основе этого метода лежит определение количественной величины линейного износа по изменению размеров образцов в сравнении заранее известным. Для этого необходимо, чтобы размеры образ 83
цов предварительно были измерены микрометром со всех сторон геометрической формы. Тогда о величине износа можно судить по уменьшающимся линейным размерам испытуемых образцов. Так как площадь подвижного ролика больше чем у колодки то при износе поверхности часть ролика остается не неизменным, поэтому оно является той искусственной базой, от которой можно вести измерение размеров..Зная заранее геометрические размеры ш наблюдая за их изменением, можно определить, величину линейного износа. Уменьшение диаметра ролика может быть- получено в? результате приложения нагрузки. на:. образец; испытания изменения скорости? вращения-одного из образцов; Размер? диагонали предполагаемой" величины-износа определяется- соотношением продольного и поперечного сечений контактируемойї поверхности (плоскости) образцов. Вспучивание металла пары трения «ролик-колодка» в данной работе удалялось.предварительнойщриработкой;.
Времяшроведенйя эксперимента выбиралось эмпирическим путем, из ус-ловияшолучения достоверных данных об износе.
Также с целью?получения? достоверных данных об; износе производилось взвешивание до и после эксперимента на.весах ВЛЕ-200:
А) Скорость скольжения выбрана для і подвижного образца, исследуемой парьь были учтены типоразмеры существующих замковых; резьбовых соединений: На, основании проведенного анализа [28] был выбран диапазон.:скоростей от 0,09 до 0,81 м/с со следующими?ступенями: 0;09; 0,18; 0 41; 0;8г м/с
Б) Удельная нагрузка была выбрана исходя из величин действующих типоразмеров бурильных труб ишх количества;В Собираемойі свече. Так же.в целях сравнения с результатамифанее проведенных исследований [43] по схеме «ролик-колодка» в среде промывочной жидкости на машине ЄМТ-1; были приняты следующие удельные нагрузки: 2;0; 2,5; 3,0; 5,0 кН!
Контакт между,роликом и колодкой представляет соботконтакт. двух шероховатых поверхностей. В", силу этого контакт не будет сплошным: Это» взаимосвязано как с геометрией, такі и- физико-механическмшсвойствамтконтакти-рующих.тел, что в вою очередь определяет вид деформации в зоне их контакта. Обячно узлы машины испытывают в зоне контакта упругие, упруго-пластические и пластические, деформации [84]. Определим диапазоны контурных давлений, в зоне которых будут наблюдаться перечисленные виды деформаций, для нашего случая. Ролик - 8 кл., v - 1,6, hi - 2,0, RMaxi = 4,7-10"6 м, HBi = 300 Колодка - 7 кл, v - 1,8, b2 - 1,8, RMax2 = 9,4-10"6 м, HBj = 340 где b и v - показатели кривой опорной поверхности, определяемые путем построения кривой опорной поверхности в логарифмических координатах. Для наиболее широко распространенных видов обработки поверхностей v = 2, Ь = 2; R\iax2 - максимальная высота микронеровностей.
Учитывая,, что шероховатости поверхностей контактирующих тел сравнимы, то-расчет можно свести к случаю контактирования шероховатой поверхности с приведенными параметрами шероховатости с гладкой поверхностью [96] при этом"
Влияние удельной нагрузки на работоспособность резьб
Дляшсследования-jбьши выбраны глинистые-растворы.(рН = 6-10) плотностью: ГЦ; 1,25; 1,4;11,6; l ,8i Исходным раствором служит раствор плотно- стью 1 05-10 кг/и,; который утяжелен баритом.
Исследуемыми средами; для добавки к смазке являются реальные глинистые растворы-на1 водной4 основе: Ио« величине плотности были подобраны три типа-растворов, применяемыхв практике бурения:
Исходным раствором; служил облегченный;щ остальные утяжелялись баритом, утяжелителем,, получившим наибольшее распространение для этой цели. Выбор глины служащей материалом — основой для приготовления растворов, основывался во-первых, по степени её применимости, а, во-вторых, по её физико-химическим свойствам. Был использован бентопорошок БМ-Б изготавливаемый по техническим условиям ТУ 5751-001-78035873-2005 «Глинопорошки бентонитовые для буровых растворов», разработанным в соответствии с требованиями стандарта API-13А. Широко применяемые растворы бентонита приобретают необходимые для бурения структурно-механические свойства при значительно меньшем количестве дисперсной фазы, чем растворы, приготовленные из других глин [4].
Наряду с глиной? и водой; которая;является обязательным компонентом. глинистого бурового раствора, в его состав, как правило; входят химические; " реагенты. Их присутствие связано с поддержанием на требуемом уровне основных показателей раствора: - структурно-механических,. фильтрационных й прочих.. Из большого разнообразия?химических реагентов; для обработки растворов были применены наиболее; часто встречающиеся карбоксиметилцеллюлоза низковязкаяїКМЦ-500 (ТУ 2231-001-351937-80-96) т конденсированная; сульфит-спиртовая. барда.КССБ-2М (ТУ 2454-325-051331190):
Из реагентов? специального- назначения, служащих в качестве ПАВ для повышения смазочных. свойств растворов; был использован сульфанол (суль-фонол ТУ 2481-106-07510508-2005. Дляингибирования коррозионных процессов на поверхностях трения был применен ингибитор: коррозии; ИКБ-4 маркш ВїрУ 24154)05-00151807-2007). Благодаря?своей эффективности,.ошшироко применяется на«промыслах для за щиты; трубопроводові и оборудования при подготовке к утилизации? сточных вод девонских мёсторождениш [37]. В; качестве добавки в буровой- раствор до настоящего времени не применялся: , Величинами исследуемых растворов; колебалась в пределах от 6 до-Юто есть в тех пределах, которые имеют место в і резьбоуплотнительных составах.
Рецептуры исследуемых растворов, представленные ниже, подобраны с учетом объяснения физико-химической: сущности; влияния- величины-рН, плотности и состава на.процесс тренияш изнашивания:
В качестве своеобразного эталона была принята вода-. Необходимость проведения опытов на воде обусловлена тем, что она так же повсеместно используется в качестве промывочной жидкости, и в то же время является корро-зионно-активной средой. Это позволило оценить влияние глинистой фазы на1 изменение контактной выносливостиматериалапіаров:
Растворы, добавок, сульфанола.и ИКБ-4 приготавливали до концентрации. соответственно 1 масс. % и 1,5 масс. %. Величина добавки в суспензию проведена в расчете на сухое вещество. г) Состав и параметры исследуемых растворов Выборсостава и параметров исследуемых растворов производился с учетом исследований на четырехшариковой машине трения. Для-исследования были выбраны, глинистые-растворы (рН = 8) плотностью: 1,1; 1,25; Г,4; 1,6; 1,8. Исходным раствором служит раствор плотностью 1,05, который утяжелел баритом. Был выбран раствор следующего состава: Бентонитовая суспензия + 0,5 масс. % КМЦ-500 + 1,5 масс. % КССБ + 1,0 масс. % NaCl + 0,2 масс. % ИКБ-4.
Порядок проведения испытания, следующий. Вначале устанавливаем об-разцы соответственно их попарной нумерации. Покрывает образцы смазкой и погружаем в кювету с раствором (Рис. 40). Включаем привод установки, а так же включаем вольтметр: Тарируем числовые значения вольтметра на «0». Приводим-в соприкосновение образцы, и нагружаем до І необходимой нагрузки. Включаем секундомер одновременно с достижением необходимой нагрузки.
Предварительно проведенные методические эксперименты на четырехшариковой, машине трения с кислыми- (рН = 6) и нейтральными технологиче-скими суспензиями, плотностью р= 1,05... 1,2-10 кг/м , показали, что избирательный перенос реализуется в них при добавлении- только сульфата меди (C11S04). Оптимальная концентрация добавки колебалось от 0,18 до 0,25 масс. %. Это позволило повысить контактную выносливость шаров в 1,8...2,2 раза по сравнению с раствором без добавки.
Результаты испытаний резьбоуплотнительных составов плотностью р = 1,05-10 кг/м в режиме трения качения представлены на рисунке 46, в виде за 108 висимости числа циклов нагружения (Na) до усталостного разрушения шаров от рН среды.
Анализ полученных результатов показывает, что для всех исследованных растворов в интервале рН от 6 до 7 наблюдается повышение числа циклов нагружения. Дальнейшее повышение рН 7 ... 10,0 приводит к уменьшению Щ до его минимальных значений. Далее наблюдается некоторое повышение контактной выносливости придостижении максимальных значений рН (Рис. 46). - вода; 2 - р=1,05- 1(Я кг/м3 ; 3 - р=1,25-103 кг/м3; 4 - р=1;60-103 кг/м3; 5 - р=1,80-103 кг/м3 Рис..46 - Влияние рН иіплотности раствора на контактную выносливость
Промывочные жидкости в.области рН 9; как правило; находятся в стадии явной или скрытой коагуляции за счет избытка свободной щелочи. Это приводит к осаждению твердой фазы раствора, то есть уменьшению: частиц твердой фазы трения. В? связи с, этим, видимо., наблюдается увеличение N в. среднем на 16 ... 30 масс:.%. Следует отметить, что диапазон щелочности от 6 до 10 является диапазоном; наиболее характеризующим разницу в смазочных и противоизносных свойствах исследуемыхфастворов; Из анализа влияния химического состава растворов на контактную выносливость шаров? видно; что введение в исходнуюглинистуюсуспензию КМЦ;и;КЄСБ увеличивает число циклов нагружения. Добавление- в гэтот.раствор« сульфанола: оказывает противоиз-носное действие; Замена же сульфанола на ИКБ-4 приводит к резкому увеличению N4, особенно в интервале рН от 6 до 10,0.
