Износ деталей бурового и нефтегазопромыслового оборудования

Введение

При эксплуатации деталей оборудования наблюдается равномерный и неравномерный износ, а также образование рисок и надиров на рабочих поверхностях деталей.

Поскольку при работе детали оборудования подвергаются чаще всего переменным по величине и знаку нагрузкам, то наибольшее распространение имеет неравномерный износ. Так, односторонний износ зубьев шестерни и венца стола ротора является основной причиной отказов этих деталей. Риски и надиры образуются на рабочих поверхностях деталей от загрязненной смазки или при работе деталей в абразивной среде.

Быстрому изнашиванию подвергаются бурильные замки, из-за многократного свинчивания — развинчивания, усталости от циклических нагрузок изнашивания резьбы струей промывочной жидкости и наружной поверхности трением о стенки скважины.

Износ от действия промывочной жидкости служит причиной быстрого разрушения деталей буровых насосов: цилиндровых втулок, поршней, клапана, штока.

1. Классификация видов изнашивания В классификации три основных вида изнашивания — механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое.

Механическое изнашивание — изнашивание в результате механических воздействий. В свою очередь механическое изнашивание подразделяется на:

1. абразивное.

2. гидроабразивное.

3. газоабразивное.

4. эрозионное.

5. усталостное и кавитационное Абразивное изнашивание —механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Очень опасен износ поверхностей твердыми подвижными частицами, попадающими между трущимися поверхностями (например, с загрязненной смазкой).

Абразивная эрозия, гидрои газоабразивное изнашивание — основной вид изнашивания деталей насосов, трубопроводов, арматуры, дымососов, вентиляторов, эжекторов, пескоструйных аппаратов в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа.

Усталостное изнашивание — изнашивание при котором повторное деформирование микрообъемов материала приводит к возникновению трещин и отделению частиц. (При трении качения: шарик или ролик, перемещаясь по поверхности кольца подшипника, гонит перед собой волну сжатия материала, а сзади создает зону растяжения.).

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации. При неправильно выбранном режиме работы гидравлической машины в потоке жидкости могут образоваться пузырьки пара или газа, ликвидация которых происходит бурно с гидравлическими ударами. Кавитационное изнашивание во много раз активнее других видов изнашивания. В результате сочетания кавитационно-эрозионного и гидроабразивного видов изнашивания под действием потока промывочной жидкости, как правило, выходят из строя отводы вертлюгов.

Молекулярно-механическое изнашивание. Молекулярное взаимодействие между поверхностями, находящимися друг от друга на расстоянии действия атомных сил равном 3—5 А⁰ (3—5•10^-7 мм), возможно, если между этими поверхностями полностью отсутствуют смазка, адсорбированные пленки окислов и загрязнений и имеются значительные местные напряжения сжатия. Это характерно для трения со значительными пластическими деформациями и обнажениями чистого материала. Молекулярно-механическое изнашивание весьма активно (более 6 мкм/ч) — коэффициент трения при схватывании возрастает до 4 — 6 единиц, образуются глубокие задиры поверхностей и может быть заклинивание.

Коррозионно-механическое изнашивание. Среда, окружающая трущиеся поверхности, вступает с их материалом: в химическое взаимодействие, а в результате перемещения поверхностей удаляются продукты коррозии и обнажаются чистые поверхности деталей. Этот процесс многократно повторяется. Если поверхности неподвижны, продукты коррозии не удаляются, иногда образуя антикоррозионный защитный слой. Например, защитным слоем от окислительного действия атмосферного воздуха обладают поверхности алюминиевых деталей.

2. Факторы, влияющие на изнашивание деталей На процесс изнашивания рабочих поверхностей деталей машин оказывают влияние различные факторы, которые можно разделить на две группы:

1) факторы, влияющие на износостойкость деталей;

2) факторы, влияющие на изнашиваемость деталей.

Изнашиваемость — свойство материала детали поддаваться изнашиванию. Изнашиваемость — свойство, противоположное износостойкости.

Факторы, влияющие на износостойкость деталей: качество материала детали и качество рабочей поверхности детали.

К факторам, влияющим на изнашиваемость деталей, относятся: вид трения сопряженных деталей; характер и величина удельных нагрузок на поверхностях трения; относительные скорости перемещения трущихся поверхностей; форма и размер зазора между сопряженными поверхностями; условия смазки трущихся поверхностей; наличие, размер и форма абразива, участвующего в процессе трения, и физико-механические свойства абразива.

Качество материала детали характеризуется его физико-механическими свойствами (прочностью, твердостью, вязкостью), которые в свою очередь определяются химическим составом и структурой.

Из физико-механических свойств твердость оказывает наибольшее влияние на износостойкость материала. Более твердые металлы и сплавы изнашиваются медленнее. Твердые металлы по сравнению с мягкими менее пластичны и оказывают большее сопротивление внедрению абразивных частиц. Исследования показали, что с увеличением твердости стали ее износостойкость повышается.

При выборе материала для деталей, работающих при ударной нагрузке, кроме твердости, следует учитывать еще их вязкость во избежание повышения хрупкости. Детали, изготовленные из малоуглеродистых конструкционных или легированных сталей и подвергнутые поверхностной химико-термической обработке, имеют высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей, а также высокую вязкость сердцевины.

При изготовлении деталей оборудования, работающего в сложных условиях, широко применяются высокопрочные хромистые, хромо-никелевые и другие легированные стали со значительной вязкостью.

На износостойкость металлов и сплавов большое влияние оказывает их химический состав и структура.

Наиболее износостойкий сплав — сталь, имеющая мелкозернистую структуру. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше ее износостойкость.

Связи износостойкости с твердостью металлов:

1) при одной и той же термической обработке возрастание твердости углеродистой стали, вызванное увеличением содержания в пей углерода, повышает износостойкость;

2) износ стали различной структуры и различных режимов термической обработки тем больше, чем меньше ее твердость;

3) стали одинаковой твердости имеют тем большую износостойкость, чем выше в них содержание углерода.

3. Особенности условий работы бурового инструмента Инструменты при бурении и ремонте скважин работают в очень сложных условиях: высокие статические и динамические нагрузки; повышенное давление, температура; абразивная и коррозионная активность окружающей среды; отсутствие контроля за текущим состоянием, а зачастую и за параметрами взаимодействия инструмента с объектом; реализация высоких удельных мощностей; перегрев и катастрофический износ рабочих поверхностей режущих (рабочих) элементов и др.

При работе фрезеров образуются большие объемы металлической стружки, склонной к локальным скоплениям, осаждению, образованию сгустков (комков) с последующими возможными авариями и осложнениями.

В ряде случаев буровые инструменты работают при отсутствии забоя (фрезерование торца трубы, сплошное вырезание участков обсадных колонн), что еще в большей мере усугубляет проблемы выноса шлама и стружки. Часто инструменты (долота, фрезеры, райберы) зависают на центре, что резко уменьшает эффективность их работы. Поэтому при выборе состава и свойств промывочной жидкости, режима ее течения, конструкции системы промывки и схемы размещения резцов у инструментов необходимо учитывать интенсивность охлаждения резцов, вынос шлама и стружки, предупреждающие зависание инструмента. Представляет большой интерес система промывки инструмента с закрученными струями. При фрезерных работах по металлу в систему очистки на поверхности включается магнитная ловушка для сбора металлической стружки.

Необходимо отметить, что повышение смазывающих свойств промывочной жидкости благоприятно скажется на работе всех элементов инструментов. В то же время необходимо учитывать, что при этом разрушение породы и фрезерование металла не должны носить поверхностный характер, тогда смазочная добавка может оказать отрицательный воздействие.

Как правило, режущие элементы инструментов выходят из строя неравномерно по рабочей поверхности инструментов. Выход из строя режущих элементов связан с их износом и разрушением. Неравномерность выхода из строя резцов резко уменьшает коэффициент полезного использования запаса вооружения и технико-экономических показателей работы инструментов (в отдельных случаях инструмент выходит из строя в связи с износом или разрушением резцов — около 10…15%). Причин неравномерного выхода из строя резцов много, в том числе такие, как материал и свойства резцов, их форма, схема размещения по рабочей поверхности, распределение силовых и энергетических параметров взаимодействия, температура нагрева и др.

На сегодняшний день резцы (рабочие элементы) рассматриваемых инструментов изготавливаются из твердых сплавов (зерновые или литые), алмазов (природных и синтетических) и композиционных материалов, отличающихся как по составу и свойствам, так и по стоимости. Основные эксплуатационные свойства материалов для резцов характеризуются их твердостью, теплопроводностью, теплостойкостью, износостойкостью, прочностью на сжатие и изгиб, стойкостью к ударным нагрузкам. Композиционные материалы реализуют эксплуатационные свойства не одного, а двух или более материалов, например твердого сплава и алмаза в том или ином сочетании (композиции).

Алмаз, особенно природный, обладает самой высокой твердостью, теплопроводностью, теплостойкостью и износостойкостью, но плохо сопротивляется ударным нагрузкам. В последние годы применение алмаза в чистом виде для оснащения инструментов уменьшается.

Из известных твердых сплавов для оснащения инструментов чаще всего применяются вольфрамокобальтовые (ВК) в виде резцов с заданной геометрией, дробленой или литой крошки, вставок (например, полусфера или клин и др.). По твердости, теплопроводности, теплостойкости, износостойкости твердые сплавы уступают алмазу, но они лучше работают при ударных нагрузках и значительно дешевле.

Твердые сплавы группы ВК состоят из зерен карбида вольфрама (твердая, износостойкая составляющая), скрепленных между собой кобальтом (связка) в разных соотношениях. Например, твердый сплав ВК8 на 92% состоит из карбидов вольфрама и на 8% из кобальта, а сплав ВК15 — на 85% из карбидов вольфрама и на 15% из кобальта. Повышение содержания карбидов вольфрама приводит не только к повышению твердости и износостойкости резцов, но и снижению их сопротивления ударным нагрузкам. Существенное влияние на эксплуатационные свойства сплавов оказывают также состав и зернистость карбидной составляющей. Сказанное учитывается при выборе твердого сплава для армирования инструмента в соответствии с требованиями по условиям работы (повышенная износостойкость или ударная стойкость).

В последнее время ведутся работы по созданию для армирования инструментов новых твердых сплавов: твердые сплавы с векторным изменением свойств, безвольфрамовые и вольфра-моникелевые (ВН) твердые сплавы. В сплавах ВН дорогой и дефицитный кобальт заменяют никелем, а в безвольфрамовых сплавах (КТС и ТН) в качестве основы используют карбид титана, в качестве связующего — никель и молибден.

Из композиционных материалов наиболее широко для оснащения инструментов применяются «Славутич» и АТП (алмазно-твердосплавные пластины). «Славутич» состоит из синтетических или природных монокристаллов алмаза мелких фракций, которые равномерно распределены в твердосплавной основе (резце, вставке) из ВК, совместно спрессованных и изготовленных методом порошковой металлургии. Для оснащения рассматриваемых инструментов применяются цилиндрические вставки диаметром 8… 12 мм с плоским основанием для оснащения калибрующих поверхностей или сферической формы (редко клиновой) для оснащения рабочих поверхностей инструментов. Активными элементами являются алмазные зерна на поверхности вставки. В процессе работы по мере износа вставки в работу вступают новые обнаженные зерна алмазов. Материал «Славутич» используется для армирования как рабочих, так и калибрующих поверхностей инструментов. Инструменты, вооружение которых изготовлено из «Славутича», долговечны, но при их использовании низка механическая скорость. Поэтому в последнее время материал «Славутич» чаще используется для армирования калибрующих поверхностей инструментов.

Алмазно-твердосплавная пластина (АТП) — это также композиционный материал из алмаза и твердого сплава ВК. АТП состоит из поликристаллической алмазной пластины толщиной до 3 мм и диаметром 8…50 мм, прочно соединенной с пластиной-подложкой из твердого сплава ВК толщиной до 24 мм.

Пластина АТП припаивается к державке, и полученный резец закрепляется в корпусе инструмента либо непосредственно крепится в корпусе без подложки. Активным элементом резца является алмазная поликристаллическая пластина.

На основе условий работы буровых долот разработаны требования к материалам для данного инструмента:

1. повышенная твердость (не ниже 90HRC).

2. высокая изгибная прочность дизг (не ниже 1200МПа);

3. теплостойкость не ниже 700? C;

4. высокая коррозионная стойкость.

Среди износостойких выделяют следующие классы материалов:

1. Металлы и сплавы цветных металлов (кроме вольфрамовых, молибденовых,.

2. хромистых);

3. Стали и чугуны;

4. Спеченные твердые сплавы;

5. Керамические бескислородные материалы.

изнашивание деталь буровой колонна.

4. Особенности условий работы колонны бурильных труб 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 вовремя 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 буренияскважины 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 методовповышения долговечности резьб при сборке-разборке колонн в процессе спуско — подъемных операций.

Основные принципы эксплуатации колонны бурильных труб:

1. оптимальная концентрация медесодержащей добавки Си304 к графитосодержащим смазкам, равная 0,24 масс. %, обеспечивает процесс избирательного переноса и повышения долговечности замкового резьбового соединения.

2. 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.

3. в сопоставимых условиях параметры контактной выносливости и давления разрушения смазочной пленки уменьшаются с повышением плотности рабочей среды.

4. работа в режиме оптимального соотношения скоростей свинчивания замкового соединениями удельной нагрузки распределяемой по винтовой линии резьбы, обеспечивающего оптимум долговечности при эксплуатации бурильных замков.

Материалами для изготовления элементов колонны бурильного инструмента являются конструкционные среднеуглеродистые и легированные стали. При изготовлении все элементы бурильной колонны должны подвергаться термической обработке для улучшения свойств материалов. В последние годы стали широко применяться облегченные бурильные трубы из специальных сплавов. Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ), предназначенные для турбинного и роторного бурения, изготовляют из алюминиевого сплава с внутрь высаженными концами. На ЛБТ навинчиваются замки облегченной конструкции.

Методы повышения износостойкости бурильных труб:

1. для повышения износостойкости наружной поверхности замков для бурильных" труб к бурильным замкам приваривают кольца, армированные твердым сплавом. Срок службы бурильных замков с такими кольцами увеличивается в 2—3 раза.

2. Обоснован принцип повышения износостойкости резинового уплотнителя и контртела за счет обеспечения благоприятного сочетания физикомеханических и триботехнических свойств пар трения. Показано, что для условий суммарного минимального износа резинометаллической пары трения резиновый элемент изготавливается на основе каучуков СКН-40, СКМС-30 РП с введением антиоксидантов включающих ацетонанил, диафен ФП, амид тиафосфоновой кислоты.

3. Чтобы трубы, используемые при возведении трубопроводов, имели значительный срок эксплуатации, и применяется метод цинковой термодиффузии. Термодиффузия представляет собой напыление специальных покрытий, изготовленных из порошковых диффузионных смесей на основе цинка. Отличительной особенностью этого метода, благодаря которому он и получил самое широкое распространение в производстве трубного металлопроката, является то, что атомы цинка при этом проникают, встраиваются в металлическую решетку металлической основы, иначе говоря — происходит диффузия атомов цинка в материал-основу. Благодаря этому и обеспечивается очень прочная связь наносимого покрытия и основы — черного металла. Трубы, обработанные методом цинковой термодиффузии, приобретают особые полезные свойства, отличающие обработанный подобным образом металлопрокат от обычного черного металлопроката. Прежде всего, в обработанном таким образом металлопрокате отмечается высокая антикоррозийная стойкость, причем она гораздо выше, чем у труб, обработанных методом горячего цинкования. Также эти трубы отличает высокая технологичность при проведении сварочных и механических операций, прочная связь с защищаемым металлом-основой и усиленная твердость данного покрытия. Стоит также отметить ещё одно полезное качество, которое приобретают трубы, обработанные методом термодиффузного цинкования — при окрашивании труб они не требуют дополнительной химической подготовки окрашиваемой оцинкованной поверхности.

4. Также известна и достаточно широко применяется методика обработки труб с целью защиты от коррозии методом горячего цинкования. Такая оболочка из цинка, образующаяся при горячем цинковании, выполняет роль защитного барьера, снижающего вредное разрушительное воздействие окружающей среды на материал, из которого изготовлена труба. Кроме того, она устойчива и к механическим воздействиям. Также такая оболочка повышает уровень электрохимической защиты трубы, что является важным в деле обеспечения защиты трубы от коррозии и разрушения.

5. Проволока для твердосплавной наплавки специально разработана для уменьшения износа обсадных труб и увеличения срока службы бурильных замков. Существует широкий диапазон наплавочных проволок на основе железа, позволяющие делать наплавку без образования трещин. Большинство проволок предназначено для Открытой Дуги (не требуется дополнительного защитного газа или присадки) и некоторые проволоки могут наноситься на себя. Проволоки для твердосплавной наплавки для бурения методом открытых скважин / без обсадных труб: лучшими порошковыми проволоками для противостояния коррозионному и интенсивному абразивному износу, существующими на рынке, являются проволоки основанные на карбиде вольфрама. Они обеспечивают лучшую защиту от износа и коррозии для инструментов и деталей, работающих при открытых скважинах. Очень твердый и износостойкий карбид вольфрама в сочетании с очень мелкими распределёнными специальными карбидами предоставляют самый высокий уровень защиты от износа, существующий в отрасли. Проволока для бурения методом открытых скважин / без обсадных труб отвечает следующим критериям:

· Самый высокий уровень защиты бурильных замков.

· Визуальное отсутствие трещин.

· Не растрескивается.

· Сплав может наплавляться на самого себя.

· Стойкая к коррозии Вывод Износ деталей — основной дефект, приводящий к выходу машин из строя. Другие виды повреждений деталей менее распространены в эксплуатации бурового и нефтегазопромыслового оборудования. Поэтому всестороннее изучение явлений изнашивания и их причин чрезвычайно важно.