Поломка бурильных штанг: первопричины и практические меры профилактики.
Поломка бурильной штанги — одна из самых дорогостоящих поломок при бурении горных пород. Сломанная штанга приводит к потере расходных материалов, прерыванию производства, может привести к застреванию инструмента в скважине и повреждению муфт, переходников хвостовика или самой буровой установки. Это также препятствует полному использованию срока службы буровой системы.
Большинство отказов бурильных штанг не случайны. Они возникают из-за усталости материала, коррозии, проблем с термообработкой, дефектов материала, некачественных соединений или неправильной техники работы. Понимание этих механизмов отказов помогает буровым бригадам предотвращать поломки и снижать себестоимость пробуренного метра.
Усталость является основной причиной выхода из строя бурильных штанг.
Буровые штанги подвергаются многократному воздействию ударных волн, вращения, силы подачи, изгиба и вибрации. Хотя максимальное напряжение в каждом цикле может быть ниже статического предела прочности стали на растяжение, тысячи повторяющихся циклов могут инициировать и способствовать развитию усталостной трещины.
Усталостные трещины обычно начинают образовываться в слабых местах, таких как:
Царапины на поверхности или следы механической обработки.
Корни и плечи волос, ушитые нитью.
Коррозионные ямки.
Внутренние или поверхностные дефекты стали.
Резкие изменения геометрии.
Участки с низкой твердостью или плохим переходом после термообработки.
Поначалу эти трещины могут быть слишком малы, чтобы их увидеть. При дальнейшем сверлении они увеличиваются, пока оставшееся неповрежденное поперечное сечение больше не может выдерживать приложенную нагрузку. Затем стержень внезапно ломается.
При усталостном разрушении часто наблюдаются две отчетливые области. Одна из них может выглядеть гладкой, отполированной или иметь мелкую текстуру, поскольку разрушение происходило постепенно под воздействием многократных нагрузок. Конечная зона разрушения обычно более шероховатая и свежая, что указывает на место разрушения оставшегося металла при перегрузке.
Коррозионная усталость ускоряет повреждения
Промывка водой, грунтовые воды, буровые добавки и загрязненные шахтные воды могут усугубить усталостные повреждения. Коррозия может разрушать поверхность стали и образовывать ямки, которые действуют как концентраторы напряжений. Как только трещина начинает образовываться в корродированном участке, повторные удары могут ускорить ее рост.
Именно поэтому буровые штанги следует защищать во время хранения и осматривать после использования во влажных или коррозионных средах. Правильная промывка помогает удалить абразивные частицы, но операторам также следует избегать длительного воздействия влаги, грязи или химических остатков на штанги.
Коррозионная усталость особенно важна вблизи резьбы и внутренних промывочных отверстий, где после сверления могут оставаться влага и обломки.
Термическая обработка может создавать слабые места.
Термическая обработка необходима для достижения требуемой твердости, прочности и ударной вязкости. Однако плохо контролируемый нагрев или охлаждение могут привести к локальным колебаниям свойств. Переходные зоны между нагретыми и ненагретыми участками могут иметь более низкую твердость или сниженную усталостную прочность.
Буровая штанга должна обладать сбалансированными свойствами. Избыточная твердость может повысить хрупкость, а недостаточная твердость может снизить износостойкость и прочность. Цель состоит не просто в достижении максимально возможной твердости. Это контролируемый профиль твердости, обеспечивающий ударопрочность, усталостную долговечность и прочность резьбы.
Производители должны контролировать температуру ковки, продолжительность нагрева, закалку и отпуск. Эти процессы должны обеспечивать плавные переходы свойств, а не резкие зоны ослабления вблизи хвостовика, резьбы или зон термического воздействия.
Качество стали и состояние поверхности имеют значение.
Качество исходной буровой стали напрямую влияет на срок службы. Включения, обезуглероживающие слои, дефекты прокатки, поверхностные швы и внутренние разрывы могут стать очагами образования трещин.
Качественная буровая сталь должна обладать следующими характеристиками:
Подходящий состав сплава для данного применения.
Стабильные механические свойства.
Чистая сталь с контролируемым количеством включений.
Однородная микроструктура после прокатки и термообработки.
Точное определение положения полого отверстия и толщины стенки.
Гладкие, без дефектов внешние поверхности.
При производстве бурильных штанг необходимо также контролировать прямолинейность, точность резьбы и качество поверхности. Небольшой дефект поверхности в зоне высоких напряжений может оказать гораздо большее влияние на усталостную долговечность, чем можно предположить, исходя из его размера.
Условия эксплуатации могут сократить срок службы штока.
Даже высококачественная буровая сталь может преждевременно выйти из строя при использовании в неблагоприятных условиях. Несоосность между сверлом, подающей балкой и отверстием создает изгибающие напряжения. Чрезмерная сила подачи может перегрузить долото и штангу. Недостаточная подача может вызвать подпрыгивание и плохую передачу удара.
Резьбовые соединения должны быть чистыми, смазанными в соответствии с требованиями и полностью затянутыми. Изношенные муфты или поврежденная резьба должны быть заменены до того, как они повредят новый стержень. Смешивание несовместимых резьбовых систем или принудительное соединение с неправильным выравниванием может привести к разрушению резьбы в корне.
Промывка должна эффективно удалять буровой шлам. Некачественная промывка может увеличить трение, вызвать заклинивание долота и подвергнуть штангу излишнему крутящему моменту и изгибающим нагрузкам.
Практические меры профилактики
Успешная программа технического обслуживания бурильных штанг сочетает в себе выбор материалов, контроль качества производства и правильную полевую практику.
Выберите геометрию бурильной стали и штанг, соответствующую мощности бурения, диаметру скважины и условиям породы.
Используйте стержни, муфты и переходники с хвостовиком, имеющие подходящую резьбу и размеры.
Регулярно осматривайте стержни на наличие трещин, коррозии, прямолинейности, износа резьбы и повреждений поверхности.
Удаляйте поврежденные или сильно изношенные компоненты до того, как они выйдут из строя в процессе эксплуатации.
Обеспечьте правильное выравнивание буровой установки, давление подачи, вращение и промывку.
Храните буровой арматуру в чистом, сухом месте и защищайте ее от коррозии.
Ведите учет отказов с указанием места, типа стержня, типа породы и условий эксплуатации.
Особенно полезны записи о поломках. Если стержни неоднократно ломаются на одном и том же расстоянии от резьбы, упора или хвостовика, то расследование может быть сосредоточено на конкретной геометрии, зоне термообработки или методе бурения.
Сосредоточьтесь на стоимости за метр, а не на цене покупки.
Самая дешевая буровая штанга не всегда является самым дешевым вариантом. Преждевременный выход штанги из строя может привести к потере времени бурения, застреванию бурового инструмента, прекращению бурения и дорогостоящим работам по извлечению материала. Надежная система буровых штанг повышает стабильность проходки, защищает другие компоненты и снижает общую стоимость бурения.
Контролируя качество стали, термообработку, коррозионную стойкость, состояние резьбы и технику работы, горнодобывающие предприятия и подрядчики могут значительно снизить количество поломок бурильных штанг и повысить общую надежность бурения горных пород.
