Анализ отказов и правильное использование инструментов для бурения горных пород
Анализ отказов бурового инструмента. В настоящее время Китай производит ряд бурового инструмента (БИ) с различными характеристиками, такими как коронки с колонковыми зубьями, твердосплавные коронки, сверхпрочные буровые коронки и коронки из твердого сплава K610. Качество и срок службы инструмента улучшились, но остаются нестабильными. Первоначальные отказы в основном связаны с проблемами коронок и буровых штанг.
Долота выходят из строя из-за ненормального и нормального износа: фрагментации, поломки зубьев, потери зубьев, сколов и трещин. Долотчатые долота часто выходят из строя из-за того, что режущие лопасти слишком тонкие, быстро изнашиваются, имеют плохую геометрическую стабильность и недостаточное зажатие твердосплавных пластин, что приводит к потере пластины и ускоренному износу. Сферические/штыревые долота обычно страдают от сколов кромок, сломанных зубьев кромок, трещин в юбке, потери колпачка и переломов талии (корпуса). Полевое исследование с использованием пневматической дрели 7655 на твердом граните показало для отечественных долот со вставками ∅40–∅42: сколы кромок зубьев 22,7%, поломка кромок зубьев 35,4% и потеря фрагментов 26,4% — показывая, что повреждение кромок зубьев является доминирующим видом отказа. Причинами являются эксцентричное и неравномерное напряжение на кромках зубьев, разное радиальное давление, повышенная пластическая деформация стенки отверстия под зуб (что приводит к образованию раструба и снижению силы зажима), недостаточное натяг между зубом и отверстием и низкая твёрдость корпуса долота. Более высокая твёрдость корпуса долота гораздо больше подходит для твёрдых сплавов, чем для корпусов средней/низкой твёрдости. Качество сварки, характеристики флюса, технология сварки и условия эксплуатации также влияют на отказы. Более 80% поломок корпуса долота происходят на стыке торца долота и юбки; частичные поломки долот со вставными зубьями распространяются вдоль дна отверстия под зуб. Неправильный выбор стали, неправильная геометрия, неправильное изготовление или неправильное использование также усугубляют поломки.
Буровые штанги выдерживают знакопеременные нагрузки — удары, изгиб и коррозию — поэтому они должны обладать высокой усталостной прочностью, ударной вязкостью, коррозионной стойкостью, а также низкой чувствительностью к надрезам и скоростью распространения трещин. К поломкам штанг относятся деформации на конце хвостовика штанги из-за низкой твердости, разрыв концов с высокой твердостью, износ резьбы на муфтах, усталостные изломы и хрупкие разрушения. Усталостные изломы возникают и распространяются из-за дефектов материала (неметаллические включения, пористость, белые пятна, царапины, обезуглероживание, коррозионные трещины) или из-за некачественной обработки материала/термообработки (сверхтвердый сердечник из-за цементации, плохая закалка, вызывающая трещины хвостовика, закалочные трещины). Конструктивные недостатки и плохое прилегание муфты могут вызывать трещины; неправильное использование (следы от молотка, плохая смазка соединений, коррозия) также вызывает трещины и поломки. Некоторые изломы прутков не имеют признаков усталости и представляют собой яркие кристаллические хрупкие изломы — обычно из-за дефектов, серьезных изменений сечения, штамповочных нахлестов или неправильной термообработки, приводящей к низкой прочности или высокой концентрации напряжений и быстрому распространению трещин.
Правильное и рациональное использование бурового инструмента 2.1 Повышение качества проектирования Определение разумных структурных параметров и разработка новых типов являются предпосылками для увеличения срока службы. Для коронок со вставками/колонными зубьями полусферические коронки обеспечивают высокую скорость бурения и длительное сопротивление сжатию. Диаметр зубьев должен обеспечивать прочность на растяжение и прочность зажима. Для уменьшения повреждения кромок и продления срока службы: (1) укрепите кромки зубьев, выбрав правильную форму зубьев, диаметр и высоту обнажения; (2) уменьшите передний угол кромок для улучшения распределения нагрузки и ударной стойкости; (3) выберите правильные сварные зазоры и посадку с натягом для увеличения удерживающей силы; (4) используйте более прочные, термообработанные карбиды для кромок зубьев для предотвращения фрагментации; (5) укрепите корпус коронки для повышения износостойкости; (6) оптимизируйте расположение зубьев, увеличьте количество кромок зубьев, где это возможно, и улучшите промывку — сохраните отверстия для воды на забое и систему промывки с тремя канавками/двумя отверстиями с большим зазором для улучшения удаления шлама, уменьшения повторной шлифовки шлама, снижения энергопотребления и продления срока службы коронки.
Улучшение геометрии стержней: например, стержни Ingersoll-Rand с полной резьбой, изготовленные методом прокатки с поверхностной закалкой, увеличенным углом наклона спирали и хорошей самоблокировкой, повышают прочность, износостойкость и упрощают сборку/разборку. Улучшение внешнего вида и дизайна упаковки для защиты инструментов и продления срока службы.
2.2 Выбор высококачественных материалов Инструментальные материалы должны быть прочными и износостойкими, с хорошей жесткостью, высокой усталостной прочностью, низкой чувствительностью к надрезу, сильным удержанием карбида и некоторой коррозионной стойкостью. Рекомендуемые стали включают: 24SiMnNi2CrMo (аналог шведской FF710) с превосходным сочетанием механических и свойств разрушения; 40SiMnMoV для стержней (средняя глубина проникновения ~1225,4 мкм, близко к зарубежным уровням); 55SiMnMo для небольших стержней, приближающихся к шведской 95CrMo по стойкости небольших стержней (~250 мкм); 35SiMnMoV, достигающая ~300 мкм на стержень. Эти стали после закалки-отпуска образуют бейнитные микроструктуры с высокой усталостной вязкостью. Для малых и средних долот со вставками для корпуса долота подходит 40MnMoV; для долот с горячим креплением вставок предпочтительнее 45NiCrMoV. Выбор карбида должен соответствовать механике горных пород и типу сверла.
2.3 Внедрение передовых технологий производства. Использование механической обработки для производства долот вместо традиционной ковки является ключевым достижением. Для сварных долот используйте соответствующее нагревательное оборудование (индукционные печи ультразвуковой или средней частоты) или полностью индукционный нагрев для предотвращения окисления и обезуглероживания, обеспечения контролируемого короткого времени нагрева, облегчения пайки и предотвращения закалочных напряжений за счет контроля охлаждения. Увеличьте размер сварного шва, выбирайте шлифовальные круги с градуировкой и тщательно очищайте свариваемые поверхности органическими растворителями для повышения качества пайки.
Для фиксации режущих пластин среднего и большого диаметров рекомендуется горячая запрессовка: она минимально влияет на свойства корпуса и твердого сплава, сохраняет качество поверхности, создает двухосное напряженное состояние сжатия в соединении, обеспечивает надежное удержание и снижает потери осколков, а также позволяет проводить оптимальную термообработку стали. Холодноштампованные режущие пластины требуют высокой точности обработки — использования высокоточного инструмента, коротких размерных цепей для повышения контактной жесткости и качества поверхности отверстия под зуб. Геометрия инструмента должна обеспечивать большую деформацию резания и упрочнение выдавливанием, что позволяет стенке отверстия приобретать полезные остаточные напряжения сжатия и упрочненный поверхностный слой.
Для увеличения срока службы прутков изготавливайте прецизионные штампы для ковки и механической обработки, чтобы предотвратить образование утолщений, облоя и трещин. Улучшайте качество проката полых стальных заготовок, чтобы исключить вмятины, коррозию, складки и обезуглероживание.
Заключение В этой статье проанализированы виды отказов RDT, рассмотрены структуры долот и формы повреждений, продемонстрированы причины отказов и предложены меры по продлению срока службы: правильные структурные параметры, выбор качественного материала и передовые технологии производства. Однако срок службы инструмента зависит от изначального качества и научного применения. Дополнительные практические моменты: при снятии долот используйте съемники, а не ручные удары молотком; перетачивайте долота, чтобы уменьшить зарождение и рост поверхностных трещин и повысить скорость бурения; следуйте правильной эксплуатации — продвигайтесь медленно, пока долото не войдет в породу перед бурением на полной скорости; убедитесь, что соединения штанг концентричны, а резьба полностью зацеплена; если долото застревает, избегайте ударов — закройте впускной клапан, откройте воду, продвигайтесь медленно и используйте возвратно-поступательные движения, чтобы сгладить стенку ствола скважины и освободить инструмент, предотвращая фрагментацию карбида, поломку хвостовика или перелом штанги.
Подводя итог, можно сказать, что использование соответствующих сверл, специализированных инструментов и соответствующих машин в различных условиях позволит RDT достичь своей потенциальной производительности.
