CC BY
15
УДК 622.243.272
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДРОБЕУДАРНОЙ ОБРАБОТКИ НА ГЛУБИНУ ДЕФОРМИРОВАННОГО СЛОЯ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ
12 3
П.С. Гриб , Н.А. Буглов , А.В. Карпиков
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермотова,83.
Приведено теоретическое обоснование влияния скорости полёта дроби и её диаметра на глубину наклёпанного слоя, образующегося при обработке дробью бурильных труб. Представлена схема формирования сил в зоне контакта дроби с поверхностью трубы при различных углах атаки. Показано, что обработка дробью бурильных труб является перспективным направлением в плане совершенствования технологического режима работы бурильного вала. Ил. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: бурильная труба; дробь; упрочнение; осложнённые условия.
RESEARCH OF INFLUENCE OF THE BASIC TECHNOLOGICAL PROCESSES PROCESSING ON DEPTH OF THE DEFORMED LAYER. P.S. Grib, N.A.Buglov, A.V. Karpikov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St, Irkutsk, 664074.
In article the theoretical substantiation of influence of speed of flight of fraction and on depth of the riveted layer arising at дробеударной to processing of boring pipes is resulted its diameter. Also the scheme of formation of forces in a zone of contact of fraction with a pipe surface is presented at various angles of attack. It is shown that дробедарная processing of boring pipes is a perspective direction in respect of perfection of a technological operating mode of a boring shaft. 2 figures. 4 sources.
Key words: Boring pipe; fraction; the hardening; the complicated conditions.
При работе бурильного вала в осложнённых условиях, особенно в искривлённых интервалах скважин и агрессивных коррозионных средах поверхностные слои металла оказываются в наиболее напряжённом состоянии [3]. Вместе с тем они ослаблены, так как на их поверхности сосредоточено максимальное количество концентраторов напряжений [2]. Влияние конструктивных, технологических и эксплуатаци-
онных концентраторов напряжений увеличивается с повышением статической прочности и твёрдости материала бурильного инструмента. Даже в идеально обработанном металле из-за действия любого минимального сконцентрированного нарушения на поверхность выходят дислокационные ступеньки, которые при определённых условиях могут стать причинами образования усталостных трещин.
:Гриб Петр Сергеевич - старший преподаватель, тел.: (3952) 405090, e-mail: burenie@istu.edu Grib Petr - Senior Lecturer, tel.: 405090, e-mail: burenie@istu.edu
2Буглов Николай Александрович - кандидат технических наук, проректор по учебной работе, тел.: (3952) 405090, e-mail: burenie@istu.edu
Buglov Nikolai - Candidate of technical sciences, Vice Rector for Academic Affairs, tel.: (3952) 405653, email: dis@istu.edu
3Карпиков Александр Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405090, e-mail: burenie@istu.edu
Karpikov Alexander - Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405090, e-mail: burenie@istu.edu
Технологические процессы, связанные с механическим упрочнением рабочей поверхности бурильных труб и обеспечивающие увеличение их изгиб-ной жёсткости, являются перспективным направлением снижения стоимости строительства скважин. Одним из путей повышения эффективности работы бурильного инструмента является метод поверхностного деформационного упрочнения - наклёп дробью. Многочисленные производственные эксперименты и заводская практика показали его положительное воздействие на эксплуатационные характеристики деталей, изготовленных из чёрных и цветных металлов. Особенно эффективно применение деформационного упрочнения дробью сказывается на деталях с поверхностными концентраторами напряжений, работающими при циклических нагрузках [1].
Рассматривая воздействие дроби на поверхность обрабатываемых бурильных труб, можно отметить, что оно носит упруго-пластический характер. При этом процесс упруго-пластического нагружения их материала при ударе можно записать в виде формулы (при о> о)т:
а = а1 + а2,
где а - глубина местного упруго-пластического смятия, мм; а1 - глубина смятия в области упругих деформаций, мм; а2 - глубина смятия в области пластических деформаций, мм; а - интенсивность напряжений, вызываемых ударом, МПа; ат - предел текучести материала в зоне силового контакта, МПа.
При исследовании процесса деформационного упрочнения данным методом величина максимальной динамической силы, вызывающей пластическую деформацию в зоне силового контакта, определяется из выражения
Р = Ш1йс,
где Р - величина приложенной динамической нагрузки, Н; ё1 - диаметр отпе-
чатка, мм; пс - коэффициент, характеризующий свойства материала (для закалённых сталей пс = 2); К- количество циклов нагрузки ((2-5) *106).
Явления, происходящие в диффузионных слоях при деформационном упрочнении дробью [1], обусловливаются напряжениями, вызываемыми ударными импульсами дроби. В тех случаях, когда величина этих напряжений превосходит сопротивление пластической деформации упрочняемого металла, в его поверхностном слое происходят интенсивные фазовые превращения и могут появляться участки всестороннего сжатия. В тех случаях, когда величина приложенных напряжений будет выше прочности материала и резервы его пластичности в процессе наклёпа будут исчерпаны, наклёп дробью может приводить к сильному повышению хрупкости поверхностного слоя труб.
Таким образом, в каждом конкретном случае при применении этого метода необходимо соблюдать следующие условия:
СТ ^ Спр < Св,
(1)
где с г - предел текучести материала поверхностного слоя обрабатываемой детали в зоне силового контакта, МПа;
с в - предел прочности материала диффузионного слоя обрабатываемой детали в зоне силового контакта, МПа; спр
- приведённые напряжения, создаваемые ударным импульсом дроби, МПа.
Критические напряжения, при которых происходит пластическая деформация в микрообъёмах металла, связаны с размерами блоков мозаики зависимостью, которая в первом приближении имеет вид
_ (-< а т
т
где О - модуль сдвига, Н; ам - межатомное расстояние в направлении сдвига, нм; - размер блоков мозаики, нм.
Как показали исследования, при наклёпе дробью величина межатомного расстояния остаётся на прежнем уровне, изменяется в основном величина Бм, так как происходит дробление блоков. Уменьшение их размеров увеличивает сопротивление пластической деформации. В силу этого выражение (1) можно также представить исходя из условия пластической деформации слоя
g ,
> g.
и из условия его прочности
g < g
пр в ■
Степень покрытия детали дробе-ударной обработкой можно определить из выражения
S = Ъш^ шо %
Езаг
где Ботн - суммарная площадь отпечатков, мм2; Бзаг - обрабатываемая поверхность заготовки, мм2.
Глубина наклёпанного слоя вычисляется по формуле
S = K d ÓP v ÓP SÍn a
4HM '
где К - коэффициент пропорциональности; удр - скорость дроби, м/с; ёдр - диаметр дроби, мм; sin a - угол атаки; Нм -динамическая твёрдость по Майеру, Н/мм2.
В свою очередь Нм равно
H ,, =
4 P
7гd 02
где Р - динамическая нагрузка при внедрении шарика, Н; ё0 - диаметр отпечатка дробинки, мм.
При динамических процессах, в которых экспериментальное определение силы Р и динамического предела
текучести СТ0 связано с определёнными трудностями, для вычисления глубины наклёпанного слоя рекомендуется эмпирическая формула
К hd о
^ пл ор
d,
где Кпл - коэффициент интенсивности напряжений, равный К = 5,8; И - глубина внедрения шарика в поверхность материала, мм.
Скорость удара дроби по обрабатываемой поверхности определяется из зависимости
v др = u^ дрn др
где Бдр - диаметр колеса дробемётной установки, мм; Кдр - частота вращения колеса дробемёта, мин-1.
Рассматривая напряжённое состояние в зоне силового контакта дроби с поверхностью детали, нужно учитывать, что кроме нормальной нагрузки в процессе удара возникает и касательная. Изменение нормальных и тангенциальных импульсов Рп и Т в зоне силового взаимодействия зависит от выбранного угла атаки и от предельной величины динамического коэффициента трения £9. Поскольку при ударе коэффициенты трения не могут быть определены точно, то их расчёт основывается на соответствующих значениях для процессов при отсутствии соударения, т.е. £ « £9. Величина коэффициента трения при пластической деформации стали в зависимости от свойств материала и состояния поверхности соприкасающихся тел может изменяться от 0,1 до 0,45. На рис. 1 представлены схемы соударения дроби с поверхностью детали в зависимости от угла атаки её потока. Анализ приводимых на рис. 1 схем позволяет выявить условия формирования нагрузок в зоне контакта.
При угле атаки Р = 0 (рис. 1,а) Т =
0 и | = 0; при р = (90о - а), где (tg а) < f
P=Pn
a)
/ T=Psin a
б)
Pn=P Sin в
в
T=Psin a
¡
в)
Рис. 1. Схема формирования сил в зоне контакта дроби с поверхностью детали при различных углах атаки
(рис. 1,б) T = P (sin a) и В случае удара при угле атаки Р<(90° - а) (рис. 1,в) значения Т и ^ не изменяются и остаются такими же, как и при Р=(90° -а). Из приведённых данных видно, что оптимальный угол атаки будет иметь место при максимальном значении, когда выполняются следующие условия:
М = P < / Р = 9°° - « , (2)
где д - коэффициент, характеризующий отношение касательной нагрузки Т к нормальной Рп; Рп - нормальная нагрузка, Н; Т - касательная нагрузка, Н.
Соотношение касательной и нормальной составляющих динамической нагрузки влияет на величину и распределение приведённых напряжений в зоне силового контакта. С ростом этого отношения до д = 0,2 + 0,4 значение приведённых напряжений увеличиваются в 1,25 - 2 раза, а зона максимальных приведённых напряжений приближается к поверхности. Учитывая изменение величины приведённых напряжений при наклёпе дробью с углом атаки, не равным 900, условия (2) можно записать в следующем виде:
где Км - коэффициент, учитывающий изменение величины приведённых напряжений в зависимости от соотношения нормальной и касательной составляющей динамической нагрузки.
В случае наклёпа дробью, при Р = 900 К = 1. При наклёпе дробью с Р = 900 - а, когда а < Г, К -1,25 при Г = 0,2; К -1,85 при { = 0,4.
Рациональная скорость потока дроби, учитывающая угол его атаки находится из следующего условия:
N2
9G
Dm
V
^ V <
Удр
3
9,1а-
v к» ;
N2 i—
к
, (3)
где Хцр.- скорость потока дроби, м/сек; К - количество циклов нагрузки, (2-5*106); св - предел прочности материала диффузионного слоя, МПа.
Pn= Pcos a
P
Рис. 2. Изменение глубины залегания максимальных приведённых напряжений в зависимости от диаметра дроби при различных скоростях полёта дроби (м/сек): 1 - 160; 2 - 120; 3 - 80; 4 - 40
Анализ зависимостей (3), показывает, что необходимая скорость потока дроби определяется свойствами материала соударяемых тел в зоне силового контакта и не зависит от размера дроби. Однако, хотя величина дроби и не оказывает влияния на выбор скорости её потока и на величину напряжений в зоне силового контакта, она существенно влияет на эпюру распределения приведённых напряжений. Аналитические расчёты показывают (рис. 2), что с увеличением диаметра дроби зона максимальных приведённых напряжений перемещается в глубину от поверхности.
Представленный в статье теоретический анализ процесса упрочнения дробью подтверждается нашими экспериментальными исследованиями [1], а также позволяет объяснить результаты, полученные другими авторами [4]. В результате полученные теоретические рассчеты позволяют более правильно подходить к выбору оптимальных режимов поверхностно-пластического де-
формирования материала бурильных труб.
Библиографический список
1. Буглов Н.А., Карпиков А.В., Моск-витин М.А., Гриб П.С. Основные требования к дробеударной поверхностно-пластической деформации материала бурильных труб // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований: сборник избранных трудов НТК / Иркутский государственный технический университет. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. Вып. 3. С. 205-207.
2. Веремейкин Б.Я. Влияние внутреннего трения и замковых соединений на затухание крутильных и продольных колебаний колонны бурильных труб. М.: Недра, 1968. 205 с.
3. Никитин Е.В., Селезнёв А.П. Исследование затрат мощности при бурении комбинированными колоннами.
// Новые технические средства для бурения геологоразведочных скважин. Л.: ВИТР, 1989. С. 53-57.
4. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.
Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, доцент Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета Г.В.Зверев
