Все силы, которые испытывает буровая штанга под землей (и почему знание этих сил меняет ваш подход к покупке стали)
Большинство людей, покупающих буровые штанги, думают о них в терминах «сколько метров до поломки». Это хорошо для таблицы покупок. Но если вы хотите понять...почемуЕсли стержни выходят из строя — и почему дорогие иногда не ломаются, а дешевые иногда ломаются — нужно мыслить в терминах сил.
Сверлильный стержень выглядит просто. Это стальной стержень с резьбой на обоих концах. Но за тридцать секунд, необходимых для сверления отверстия диаметром в метр, этот стержень подвергается нагрузке, которой редко подвергаются компоненты машин. Вот все действующие силы в порядке их воздействия на стержень.
Осевое сжатие и растяжение — цикл «тяни-толкай».
Это очевидный случай. Поршень ударяет по переходнику хвостовика. Хвостовик ударяет по штоку. Шток ударяет по долоту. Долото ударяет по породе.
Но вот чего многие не понимают: камень наносит ответный удар.
Когда буровое долото ударяется о скальную породу, порода не просто поглощает удар. Она посылает отраженную волну напряжения обратно вверх по буровой колонне. Эта волна является растягивающей — она тянет буровой долото, а не толкает его. Таким образом, за один удар буровой долото проходит циклы от сжатия к растяжению и обратно. При 50 ударах в секунду это 50 полных циклов «тяни-толкай» каждую секунду, 180 000 в час.
Каждый корень резьбы, каждое изменение поперечного сечения, каждый металлургический дефект в этом стержне подвергаются растяжению и сжатию три тысячи раз в минуту. Стержень выдерживает нагрузку, потому что уровень напряжений остается ниже предела усталости правильно термообработанной стали. Но если этот предел падает — из-за перегрева, дефекта поверхности, слабого места в процессе термообработки — начинается отсчет времени.
Изгибное напряжение — проблема стройности
Буровая штанга представляет собой тонкую колонну. Штанги R32 для прокладки туннелей могут иметь длину три метра и диаметр 32 миллиметра в резьбовой части. Это соотношение длины к диаметру приближается к 100:1.
Три фактора вызывают изгиб этой колонны. Одна только сила тяжести прогибает длинный стержень, особенно в колонне из десяти и более стержней. Сила подачи — давление, толкающее сверло вперед, — добавляет изгибающий момент, если она не идеально осевая. А ударная сила, если стержень не идеально прямой, вносит изгибающий элемент с каждым ударом, поскольку путь передачи энергии отклоняется от центральной линии.
Изгибное напряжение имеет значение, потому что оно суммируется. Стержень, находящийся под чистым осевым сжатием, может выдерживать ударную нагрузку в 200 кН. Добавьте изгибающий момент от небольшого изгиба или смещения подачи, и пиковое напряжение на внешней стороне изгиба может быть вдвое больше, чем при одной только осевой нагрузке. Именно поэтому стержень, который должен был быть в порядке, ломается при половине своей номинальной длины.
Крутильное напряжение — поворот
Вращательный двигатель гидравлического бурильного станка создает крутящий момент для вращения всей бурильной колонны — хвостовика, штанг, муфт и долота. Штанги должны передавать этот крутящий момент, одновременно воспринимая осевую ударную нагрузку и любую имеющуюся изгибающую нагрузку.
Крутильное напряжение усиливает комбинированное напряженное состояние. Стержень, подверженный кручению, изгибу и осевому удару, находится в трехосном напряженном состоянии. Предсказать разрушение в таком состоянии непросто — это зависит от относительной величины напряжений и реакции материала на многоосную нагрузку. На практике важно, чтобы стержень с высокой жесткостью на кручение лучше выдерживал комбинированную нагрузку, чем тот, который легко скручивается, поскольку меньшее угловое отклонение означает меньшее рассеивание энергии в теле стержня вместо передачи ее породе.
Внешний износ — трение, стружка и вода.
Не все силы возникают от сверла. Само отверстие представляет собой абразивную среду.
Шток трется о стенку скважины, особенно когда скважина отклоняется от прямой линии. Обломки породы, переносимые промывочной водой, вращаются вокруг стержня, царапая поверхность, как влажная наждачная бумага. Сама промывочная вода, часто содержащая мелкие абразивные частицы, со временем разрушает поверхность стержня. В условиях коррозионного воздействия грунтовых вод — например, кислых шахтных вод — сталь подвергается химическому воздействию, а также механической нагрузке, что ускоряет образование усталостных трещин за счет механизмов коррозии под напряжением.
Именно поэтому качество обработки поверхности штоков имеет значение, и именно поэтому штоки, которые выглядят одинаково в спецификации, могут вести себя по-разному под землей. Гладкая, хорошо обработанная поверхность препятствует образованию трещин. Шероховатая поверхность со следами механической обработки или окалиной создает благоприятные условия для коррозии и усталости.
«Уайлд Кардс» — Специальные операции
Кроме того, есть вещи, для которых удилище изначально не предназначалось, но которые всё равно приходится делать.
Поддевание рыхлой породы бурильной колонной. Вытаскивание застрявшей штанги из обрушившейся скважины. Холостой выстрел, когда давление подачи падает и долото теряет контакт с поверхностью породы. Прохождение штанги через гладкое, взорванное периметровое отверстие, стенки которого трещиноваты и склонны к зацеплению. Каждый из этих случаев создает комбинации нагрузок на штангу, выходящие за пределы расчетных параметров.
Шнек, рассчитанный на обычное бурение на тысячу метров, может выйти из строя при первом же взмахе монтировки. Силы воздействия разные, концентрация напряжений разная, и шнеку всё равно, что он должен был прослужить дольше.
Почему это важно при покупке
Вот практический вывод. Если сравнить две буровые штанги со схожими характеристиками — одинаковый тип резьбы, одинаковая длина, одинаковая марка стали — и одна из них стоит на 30% дороже, разница почти всегда заключается в том, как штанга справляется с многоосевой нагрузкой.
Более дешевый стержень может обладать нужной твердостью поверхности, но резким переходом к сердцевине, что делает его восприимчивым к усталости при изгибе. Он может обладать нужной прочностью на растяжение, но плохой обработкой поверхности, что способствует коррозии. Он может иметь нужную геометрию, но непостоянную прямолинейность, поэтому каждый стержень в колонне добавляет свой собственный компонент изгиба.
Более дорогой и долговечный стержень — это не волшебство. Это просто сталь, обработанная таким образом, чтобы выдерживать все пять режимов нагрузки одновременно, а не только тот, который проще всего подобрать по характеристикам.
