Введение к работе
Актуальность темы
Современное строительство глубоких нефтяных и газовых скважин характеризуется непрерывным ростом силовых и скоростных режимов бурения, которые прямо зависят от надёжности основного породоразрушающего инструмента – буровых шарошечных долот. Важной задачей в их производстве является повышение конструкционной прочности материала породоразрушающих элементов, обеспечивающей надёжную и длительную работу в условиях эксплуатации.
В настоящее время испытание материалов твердосплавных зубков проводится в соответствии с отечественными и международными стандартами. К таким испытаниям относятся: оценка плотности (экспериментальным или расчетным путём), твёрдости по Виккерсу или Роквеллу, параметров коэрцитивности и др. Стабильность свойств в партиях зубков контролируется по удельной электропроводимости, а также с помощью коэффициента термического расширения. Механические и технологические свойства определяются пределом прочности при изгибе и напряжениями сжатия.
Вязкость разрушения оценивается при изгибе с использованием образцов с надрезом, а прочность при сжатии и модуль упругости определяются в соответствии с требованиями действующих стандартов. Эффективным методом оценки качества является также ультразвуковое тестирование.
Целью проведения стандартизованных испытаний является определение зависимости прочности твердосплавных материалов от металлургических дефектов, основными из которых являются: скопление b-фазы, наличие крупных зёрен a- фазы, двойного карбида (h-фазы), загрязнение (наличие во фракции карбида вольфрама частиц других металлов, сплавов и неметаллов), сегрегация (неравномерное распределение фазы) и др., выявленные путём исследования микроструктуры на шлифах.
Перечисленные стандартизованные лабораторные методы испытания твёрдых сплавов позволяют выявить характеристики, которые не могут в полной мере характеризовать конструкционную прочность зубков, поскольку испытания проводятся не на зубках, а на образцах-свидетелях и не воспроизводят режимы нагружения и условия внешней среды.
Здесь наибольшее значение имеет физическое моделирование ударных процессов, характерных для работы зубков на забое при контактировании с разрушаемой породой в условиях очень высокого нагружения, воздействия абразивной и агрессивной среды.
Существующие установки для испытания циклической прочности различных материалов, в первую очередь стальных, плохо подходят для определения циклической долговечности твердосплавных зубков. Кроме того, время испытания высокопрочных зубков получается слишком большим и не позволяет своевременно выдавать заключения о годности новых партий зубков. В связи с этим, для оценки долговечности изготавливаемых зубков на ударную стойкость необходима разработка ускоренных методов испытаний с помощью специализированных стендов, включающих технические средства и программное обеспечение, позволяющих без задержки производственного цикла выдавать заключения о годности новых партий зубков для поставки их на сборку.
Создание методики испытаний твердосплавных зубков на стойкость к ударным циклическим нагрузкам, обеспечивающей надёжную и длительную работу в условиях эксплуатации, стенда для таких испытаний, выбор ускоренных режимов испытаний обеспечивают возможность оперативно оценивать эффективность материаловедческих, технологических и конструктивных мероприятий по повышению прочностных свойств зубков, минуя длительные и дорогостоящие полевые испытания буровых долот с твердосплавными зубками.
Отмеченные проблемы указывают на необходимость их решения и на актуальность темы диссертационной работы, что также подтверждается получением гранта Самарской региональной научно-технической программы № 01.2.00610804 от 03.02.2007 г.
Объекты исследования – методология и система, методика и средства испытания породоразрушающих зубков буровых шарошечных долот из твердых сплавов различных марок на конструкционную прочность (циклическую долговечность).
Предметы исследования и разработки – кинетика и механизмы усталостной повреждаемости зубков при циклических ударных нагрузках; критерии оценки ударной стойкости; методики производственных испытаний твердосплавных зубков на стойкость при циклическом ударном нагружении.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка научных и методических основ, а также технических средств реализации ускоренных испытаний твердосплавных зубков шарошечных буровых долот на
стойкость к ударным циклическим нагрузкам, что позволяет установить нижний предел прочности для пропуска зубков на сборку, оперативно принимать решения по выбору и оптимизации материалов зубков и технологии их производства, минуя длительные и дорогостоящие полевые испытания долот, а также внедрить разработанные методики и стенды для контрольного испытания в серийном производстве зубков в ОАО «Волгабурмаш».
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Исследовать основные механизмы накопления повреждаемости и разрушения зубков буровых долот с учетом совместного действия основных эксплуатационных факторов бурения – характера нагрузки, температуры, среды и т.п. На основе обобщения полученных результатов разработать физическую и расчетные модели для исследования разрушения и прогнозирования ресурса твердосплавных зубков буровых долот.
2. С учетом характера повреждаемости и разрушения разработать и внедрить в научно-исследовательской лаборатории ОАО «Волгабурмаш» методики и технические средства для ускоренных испытаний твердосплавных зубков буровых долот на циклическую ударную стойкость.
3. На базе обобщения экспериментальных результатов при испытаниях твердосплавных зубков буровых долот и физического моделирования разрушения выбрать и обосновать режимы испытаний для каждого типа выпускаемых твердосплавных зубков, а также критерии для оценки их минимальной стойкости при испытаниях. Установить нижние пределы ударной стойкости для всех типоразмеров зубков. Обеспечить поступление на сборку шарошек зубков со стойкостью не ниже установленного нижнего предела.
4. Проанализировать влияние дефектов структуры, возникающих при изготовлении твердосплавных зубков на показатели их циклической стойкости.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований.
Анализ характера повреждаемости материала зубков на основании фрактографии поврежденных поверхностей и сколов производился на стандартных оптических микроскопах с увеличением до х1000.
Энергетические параметры повреждаемости - энергия активации пластической деформации U0, накопленных повреждений Uc, значение структурно-чувствительного коэффициента g и микротвёрдости Hm проводились при помощи склерометрирования на созданном приборе и на микротвердомере ПМТ-3.
Оценка ударной стойкости проводилась на разработанном стенде по предложенной автором методике. Обработка экспериментальных данных выполнялась с использованием методов теории вероятности и математической статистики. Погрешность всех экспериментальных данных не превышает 5% при доверительной вероятности 0,95. Прогнозирование ударной стойкости зубков выполнялось при помощи аппроксимации экспериментальной зависимости роста энергии активации пластической деформации от наработки зубков на стенде методом наименьших квадратов.
Оценка деформации зубков в процессе ударных испытаний выполнялась микрометром с ценой деления 10 мкм. Исследование напряженно-деформированного состояния зубков при ударе выполняли на конечно-элементных моделях, построенных с помощью программного пакета ANSYS. Эпюра ударного нагружения фиксировалась тензометрическим методом в режиме реального времени при помощи быстродействующей микроконтроллерной системы сбора данных.
Конечная оценка эффективности полученных результатов выполнялась при проведении промысловых испытаний буровых шарошечных долот, вооруженных твердосплавными зубками.
Достоверность и объективность полученных результатов стендовых и промысловых испытаний, лабораторных и производственных измерений подтверждена совпадением теоретических и экспериментальных данных, а также корректностью использованного математического аппарата; внедрением компьютерной системы сбора данных при ударных испытаниях зубков, исключающей погрешности, связанные с «человеческим» фактором.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Методика ускоренных испытаний твердосплавных зубков на ударную стойкость при циклическом нагружении.
-
Компьютеризированный стенд для производственных испытаний твердосплавных зубков буровых долот на стойкость к циклическим ударным нагрузкам.
-
Кинетическая модель накопления повреждаемости в материале твердосплавных зубков, деформируемых циклическим ударным нагружением и результаты оценки активационных параметров деформации и разрушения твердых сплавов.
-
Результаты исследования кинетики усталостной повреждаемости зубков при ударных испытаниях.
-
Конечно-элементная модель напряженно-деформированного состояния зубков при ударном нагружении.
-
Критерии выбора режимов испытаний.
-
Критерии оценки качества испытанных партий зубков.
-
Влияние дефектов структуры зубков на снижение их циклической стойкости.
Научная новизна заключается в следующих разработках.
-
Разработана кинетическая расчетная модель усталостной повреждаемости и разрушения твердосплавных зубков при циклических ударных воздействиях.
-
Определены значения активационных характеристик деформации и разрушения твердых сплавов.
-
Исследована кинетика усталостной повреждаемости зубков при циклических ударных испытаниях.
-
Разработана и исследована конечно-элементная модель контактного взаимодействия твердосплавного зубка с плитой при ударных нагрузках.
-
Разработана методика ускоренных испытаний зубков на ударную стойкость.
-
Разработаны критерии усталостной прочности зубков при циклических ударных нагрузках.
Практическая ценность представлена следующими результатами.
-
Разработаны испытательный стенд и методика для оценки ударной стойкости зубков буровых долот.
-
Разработана методика выбора режимов испытаний.
-
Решена важная научно-техническая задача повышения работоспособности твердосплавного вооружения буровых долот за счет применения ускоренных испытаний на стойкость к ударным циклическим нагрузкам самих зубков, а не образцов-свидетелей, что позволило оценивать эффективность мероприятий по повышению долговечности твердосплавного вооружения буровых долот, минуя длительные и дорогостоящие полевые испытания.
-
Впервые разработанные методика динамического испытания твердосплавных зубков и стенд с компьютерным управлением позволили экспериментальным путём установить нижний предел длительности испытаний для допуска зубков на сборку.
-
На базе созданных методик и устройства стенда получена возможность оперативно принимать решения по выбору и оптимизации материалов зубков, параметров смесей, величины зёрен, отклонений твёрдости и других показателей, что способствовало повышению долговечности выпускаемых твердосплавных зубков в 25раз в период с 2004 по 2006 г.г.
-
Созданные методика и кинетические модели повреждаемости твердосплавных зубков позволили оперативно прогнозировать необходимую длительность испытания зубков на промежуточном этапе, что снизило время испытаний до 1,5 раз и ускорило выдачу заключений о возможности поставки новых партий испытуемых зубков на сборку.
-
Разработано программное обеспечение для формирования базы данных по результатам испытаний и прогнозирования долговечности зубков при стендовых испытаниях.
-
Усовершенствовано испытательное устройство для оценки статической прочности твердосплавных зубков на сжатие.
-
Разработан склерометрический комплекс для оценки энергии активации пластической деформации твердосплавных зубков.
Реализация работы на практике. Стенд для испытания зубков буровых долот на ударную стойкость, разработанные методики испытаний, программное обеспечение для обработки результатов экспериментов и прогнозирования долговечности зубков буровых долот, склерометр для неразрушающего контроля качества твердосплавных зубков внедрены в виде стандарта предприятия ОАО «Волгабурмаш», г. Самара.
Апробация работы. Результаты диссертации доложены, обсуждены и одобрены на следующих международных научно-технических конференциях: XVII Международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2005» (ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, Москва, 2005г.); Международной научно-практической школы-конференции «Славянтрибо-7а» Теоретические и прикладные новшества и инновации обеспечения качества и конкурентоспособности инфраструктуры сквозной логистической поддержки трибообъектов и их производства (РГАТА, Рыбинск, 2006г.); Международной научно-технической конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (СамГТУ, Самара, 2006г.); Международной научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России» ( СГАУ, Самара, 2006 г.); XVIII Международной интернет-конференции по проблемам машиноведения «МИКМУС-2006» (ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, Москва, 2006г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (СамГТУ, Самара, 2007г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК, 13 тезисов и докладов, получено 4 патента на технических решения, разработанные в процессе исследований и признанные изобретениями.
Личное участие автора. Автору принадлежит выбор методов и методик исследования, математическая разработка и привязка кинетической модели усталостной повреждаемости к циклическим ударным испытаниям твердосплавных зубков; принятие основных технических решений при разработке лабораторного стенда и создание методики для проведения ударных испытаний твердосплавных зубков, выбор режимов испытаний; идентификация критериев ударной стойкости зубков; исследование кинетики изменения физико-механических свойств твердых сплавов в процессе ударных испытаний; разработка конечно-элементной модели напряженно-деформированного состояния зубков при ударном воздействии. Вклад диссертанта в работы, выполненные в соавторстве, состоял в непосредственном его участии во всех стадиях работы, начиная от постановки задач, выполнения теоретических и экспериментальных исследований и внедрения полученных результатов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и общих выводов по работе. Она изложена на 173 страницах, включает 76 рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 135 наименований.
