книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

ЦИКЛИЧЕСКАЯ

ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

АБАКАН—1974

ГОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

В. В. ЕРМОЛАЕВ, Б. К. САНКЕВИЧ, А. А. ЕФИМОВ,

В. В. БАЛЯКИН, И. П. БАБКО, В. А. КОВАЛЕНКО

ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ

И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Под редакцией А. Μ. Зубакина

ХАКАССКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ КРАСНОЯРСКОГО КНИЖНОГО ИЗДАТЕЛЬСТВА

АБАКАН1974

4Xz ,5,'

⅛<z'■ ` --'

В книге дан обзор и критический анализ наиболее зна­ чительных научно-исследовательских работ по повышению циклической прочности, надежности и долговечности бу­ ровых штанг и коронок, выполненных в Советском Сою­ зе и за рубежом. Основное внимание уделено техноло­ гическим аспектам прочности бурового инструмента, по­ лученным на основании исследований, проведенных в ин­ ституте ВостНИГРИ, на Кузнецком машиностроительном заводе и Абаканском железном руднике. В книге изло­ жены методика и результаты исследований, а также прак­ тические рекомендации по повышению прочности и дол­ говечности основных видов бурового перфораторного ин­ струмента (штанг и коронок), применяемого в горноруд­ ной промышленности.

Книга рассчитана на широкий круг инженерно-техни­ ческих и научных работников, связанных с изготовлени­

ем, эксплуатацией и совершенствованием бурового ин­ струмента/ а также специалистов-технологов рудоремонт­

ных заводов, бурозаправочных мастерских. Она может быть полезна преподавателям, студентам, учащимся гор­ ных вузов и техникумов.

«

183-011

M 147(03)-74 12-74

ПРЕДИСЛОВИЕ

В наши дни проблема бурения всевозможных, горных пород неразрывно и теснейшим образом связана с другой не менее важной проблемой: эксплуатационной стойкостью и циклической прочностью бурового инструмента. Как ни странно, но прихо­ дится сознавать, что на фоне наших ощутимых успехов в созда­ нии мощных и высокопроизводительных буровых машин резко вырисовываются большие недостатки и упущения в создании их исполнительного органа—бурового инструмента, который за­ частую снижает эксплуатационные качества самой машины.

По-видимому, настало время существенно пересмотреть наши позиции и взгляды, на этот, кажущийся с первого взгляда, никчёмный и «неглавный» аспект. Следует согласиться с мнени­

как о второстепенном элементе машины, удел которого неизбежно разрушаться после того, как он выполнит определенную по объ­ ему работу. Отсюда и вытекает наблюдаемое нередко на практи­ ке и сложившееся с годами формальное отношение и подход к производству буровой инструментальной оснастки, как в плане её качества, так и конструкции.

Правда, необходимо признать, что в различные периоды на ряде предприятий, где по деловому подходили к решению этого важного вопроса, тотчас положительно сказывалось на увели­ чении стойкости инструмента любое рациональное начинание в этом направлении. В качестве примера можно привести опыт работы KM3, рудников ГУ KMK, Дзержинского рудоремонтно­ го завода, Джезказганского ГОКА, Серовского металлургиче­ ского завода и других предприятий. И напротив, огромные убытки несли и несут еще очень многие горные предприятия и стройки, где не было и нет надлежащего технического прогрес­ са в производстве и совершенствовании бурового инструмента.

Сейчас, в целом, намечается благоприятная тенденция в осуществлении радикальных мероприятий по улучшению дол­

3

говечности бурового инструмента. И прежде всего заметно ощу­ щается в последние годы улучшение качества буровых коронок. Усилиями институтов и заводов-изготовителей проблема стой­ кости коронок решается весьма успешно, чего нельзя пока ска­ зать, к сожалению, относительно буровых штанг. Штанги попрежнему являются узким звеном в цепи буровая машина — буровой став.

Как метко выразился видный исследователь в области буро­ вой техники К- Дарби, успеха при производстве буровых штанг невозможно добиться, если по-прежнему отождествлять понятие бур и обычный лом.

В настоящее время работы по созданию высокопрочного бу­ рового инструмента стали особенно актуальными. Оживился интерес специалистов к этой проблеме и это не случайно. Вот что говорят и доказывают цифры простого экономического рас­ чета. В СССР ежегодно используется около 6 млн. штук буро­ вых коронок и около 200 тыс. буровых штанг со средней оптовой стоимостью соответственно 5 и 10 рублей. При эксплуатации вследствие усталостного разрушения преждевременно выходят из строя примерно 20% буровых коронок и половина буровых штанг. Нетрудно подсчитать, что убытки от этого выливаются в значительные суммы, исчисляемые миллионами рублей. .При этом следует учесть ряд других прямых и косвенных затрат, связанных с поломками бурового инструмента, таких как резкое снижение темпа бурения, травматизм рабочих, расходы на час­ тый ремонт, а также восстановление инструмента и т. п.

Одной из причин низкой долговечности буровых штанг и коронок является слабая научная разработка вопроса, которая длительное время осуществлялась не в едином целенаправлен­ ном русле, а отрывочно, порой эпизодически и главным обра­ зом, внутриведомственно. Это доказывается хотя бы тем фак­ том, что по данной проблеме написано очень мало литературы. Так за последние .15—20 лет по сути дела не издано ни одной монографии по буровому инструменту, где бы всесторонне уде­ лялось внимание различным сторонам проблемы.

Одним из малоизученных аспектов прочности и долговечно­ сти бурового инструмента, как одного из важнейших элементов буровой машины, является существенная неопределенность свойств материала бурового сортамента п его поведение при нагружении. При проектировании и изготовлении бурового ста­ ва конструкторы и технологи оперируют расчетными моделями, которые базируются па использовании характеристик прочности континуальных, бездефектных сталей, полученных при испыта­ нии гладких образцов, более приемлемых для расчета статиче­ ских конструкций. При этом отправной расчетной величиной служит лишь силовой параметр машины, например, напряже­ ние удара, изгиба, кручения и т. п. Что касается реологических

4

свойств материала, состояния его поверхности, а также возмож­ ных изменений в материале, то в существующих методах расче­ та пока не найдено надежных математических поправок, в связи с чем отсутствуют прогнозированные методы расчета, бурового инструмента на циклическую прочность и долговечность.

Многолетняя практика показывает, что почти всегда за исключением случаев хрупкого разрушения, поломки элементов бурового става происходят вследствие развития усталостных трещин. Говоря иначе, долговечность бурового инструмента, а в принципе, и любой циклически нагружаемой конструкции, есть отражение во времени роста трещины, которая начинается и растет уже на самой ранней стадии эксплуатации. Следователь­ но, долговечность бурового става и его элементов целиком оп­ ределяется тем, насколько медленно или быстро развивается трещина усталости и, очевидно, наиболее, желаемым для кон­ структора случаем является тот, когда исходная трещина или дефект в материале бурового става остается под нагрузкой пассивным или в условном смысле не растущим. Таким образом, при разработке расчетного метода оценки долговечности неиз­ бежно возникает вопрос о том, в какой степени и с какими линейными параметрами, а также геометрией допустимы де­ фекты на поверхности и внутри данного материала, которые рано или поздно могут являться очагами усталостной трещины. Из сказанного следует, что необходимо вводить в расчеты нор­ мирующие критерии для оценки дефектов в исходном материа­ ле, который выбран для изготовления бурового инструмента.

Данные характеристики дают возможность заранее нормиро­ вать состояние поверхности инструмента и предъявлять кон­ кретные условия на поставку металлов бурового сортамента металлургам, а машиностроителям на уже готовый инструмент. К сожалению, в этом плане пока еще мало сделано, так как отсутствуют какие-либо нормативы в оценке инструмента на вероятные трещины, тем более в связи с силовыми данными машины. В результате этого сейчас чаще всего инструмент (штанги, коронки) по состоянию поверхностных и внутренних дефектов работает с первых минут в-режиме, когда интенсив­ ность напряжений на контуре имеющегося дефекта сразу же превышает допустимое значение, а сам дефект развивается в трещину в режиме докритического роста. Очевидно, в этом случае не может быть и речи о достаточно высоком ресурсе долговечности, что и подтверждается практикой. В заключение необходимо отметить, что создание надежных силовых расчетов бурового инструмента в рамках современной линейной механи­ ки разрушения является новым направлением в данной проблеме. Такие расчеты выгодно отличаются от известных, поскольку позволяют в единой модели связать энергетические параметры машины, реологические свойства материала и каче­ ство его поверхности.

5

В предлагаемой читателю книге раскрыты многие ранее не освещенные, в печати металловедческие и прочностные вопросы, связанные с усталостным разрушением бурового инструмента, т. е. буровых штанг и корпусов коронок. Материалы, изложен­ ные в ней, являются результатом творческого содружества специалистов в области металловедения и горных машин, вы­ полненных за последние 10 лет в ВостНИГРИ, ГУ KMK и на Кузнецком машиностроительном заводе.

Хотя работа эта носила первоначально узковедомственный характер и выполнялась в целом по заданию МЧМ СССР, однако научные выводы, а главное, практическая реализация полученных результатов исследовании на Кузнецком машино­ строительном заводе и других предприятий вызвали благопри­ ятный резонанс во многих отраслях производства, использую­ щих буровые работы.

Понимая всю важность затронутой проблемы, авторский коллектив счел необходимым изложить опыт работы по данно­ му вопросу на уровне представленной монографии с целью, ознакомить более детально тех, кто работает в аналогичном направлении и в какой-то степени уже знаком с работами ав­ торов в области буровых штанг и коронок из более ранней периодической печати. Для тех, кто только что приступил к та­ ким работам, полезность данного материала очевидна.

Данная книга послужит руководством и для тех, кто хотел бы перенять положительный опыт Кузнецкого машиностроитель­ ного завода по внедрению упрочнения буровых штанг индук­ ционной поверхностной закалкой, поскольку запросы по данной технологии все еще поступают с горнорудных предприятий и институтов, что говорит о большом интересе специалистов к проблеме повышения циклической прочности бурового инстру­ мента методами поверхностной упрочняющей обработки.

Авторы выражают свою искреннюю признательность науч­ ным сотрудникам института ВостНИГРИ, работникам Кузнец­ кого машиностроительного завода и Абаканского рудника, ока­ завшим помощь и принимавшим участие в постановке и про­ ведении исследований, результаты которых нашли отражение в книге. Авторы также заранее благодарят тех читателей, ко­ торые найдут возможность высказать свои замечания и поже­ лания по книге.

6

ВВЕДЕНИЕ

Директивами XXlV съезда Коммунистической партии Со­ ветского Союза по пятилетнему плану развития народного хо­ зяйства СССР предусматривается в 1975 году довести произ­ водство чугуна до 95—100 млн. тонн, а производство стали — до 142—150 млн. тонн, или увеличить его по сравнению с 1970 годом соответственно на 45—50% [1]. Эти грандиозные задачи, поставленные перед металлургической промышленностью, требуют непрерывного роста и совершенствования процессов горнорудного производства на основе внедрения прогрессивной

работ служат буровые штанги, оснащенные твердосплавными коронками.

Ежегодно на рудниках СССР производится выемка миллио­ нов тонн различного рудного сырья, пробуриваются тысячи ки­ лометров шпуров и скважин. Для выполнения такого огромно­ го объема бурения большое значение приобретает долговечность

'н надежность буровых перфораторных штанг. Многолетний опыт ведения буровых работ показывает, что стойкость перфо­ раторных штанг очень низка. В результате высоких ударно­ циклических нагрузок, коррозионного влияния рудничной воды, а иногда из-за неудовлетворительной ковки и термообработки стойкость буровых штанг определяется только несколькими ча­

сами машинного времени работы. Частые поломки буровых штанг вызывают непроизводительные затраты времени у бу­ рильщиков, а затраты рудников на приобретение дорогостоя­ щей буровой стали, изготовление и ремонт штанг составляют значительную сумму.

Таким образом, вопрос повышения. долговечности буровых перфораторных штанг весьма важен и актуален.

7

Впоследние годы в этом направлении выполнен значитель­ ный объем исследований [2—4]. Однако, несмотря на достигну­ тые успехи в разрешении данной проблемы, задача повышения долговечности перфораторных штанг в общеотраслевом мас­ штабе остается пока не решенной. Многие практические вопро­ сы, связанные с внедрением высокоэффективной технологии упрочнения буровых штанг на производстве, а также целый ряд теоретических положений, касающихся механизма их ударного нагружения, природы ударно-коррозионной усталости и усовер­ шенствования металлургических процессов выплавки, прокатки, ковки, термообработки буровой стали требуют еще глубоких всесторонних исследований.

Впоследние годы на рудниках осуществляется значитель­ ный объем бурения глубоких шпуров и скважин диаметром до 75—80 мм с помощью различных видов буровых машин, а так­ же тяжелых перфораторов, установленных на каретках. Буро­ вой инструмент, применяемый в этом случае, работает в еще более тяжелых условиях, чем инструмент, используемый при бурении ручными перфораторами.

Энергия ударов и осевое усилие, создаваемое при бурении мощными буровыми установками и каретками, значительно вы­ ше. Это способствует возникновению в штангах и буровых ко­ ронках значительных по величине циклических напряжений, вызывающих быстрое усталостное разрушение. Поэтому воп­

росы, связанные с повышением долговечности буровых штанг и коронок при механизированных способах бурения глубоких шпуров и скважин, также представляют актуальную задачу и требуют детального исследования.

Производительность буровых работ на рудниках также в значительной степени зависит от работоспособности и стойкос­ ти другого очень ответственного вида бурового инструмента — буровых коронок. Если буровые штанги осуществляют только передачу ударной энергии от перфоратора к забою, то буровая коронка непосредственно производит разрушение породы, В этом смысле условия эксплуатации коронок значительно хуже, чем штанг. Помимо ударного нагружения коронки подвергают­ ся дополнительно воздействию различных видов напряжений (смятие, кручение и т. п.), а также интенсивному коррозион­ ному и абразивному износу. В практике бурения известно, что у буровых коронок очень часто преждевременно разрушаются корпуса вследствие усталостных явлений. В общем объеме эк­ сплуатируемых коронок разрушение корпусов, составляет 20— 30%, а в некоторых случаях при бурении очень твердых пород достигает 50%. В последние годы долговечность буровых коро­ нок значительно повышена путем выбора более прочных ма­ рок сталей для корпусов, изыскания более рациональной их конструкции, а также более удачного, с точки зрения конструк­

8

тивной прочности и эксплуатации, расположения твердого спла­ ва.

Исследованы и внедрены более прогрессивные способы тер­ мообработки и пайки. Вместе с тем довольно слабо остаются изученными и решенными практические вопросы повышения ци­ клической прочности коронок методами поверхностной обра­ ботки.

Исследованиями, проведенными институтами ВНИИТС, Boct- НИГРИ, ВНИИПТУГЛЕМАШ и др., а также за рубежом, по­ казано, что поверхностные методы упрочнения корпусов буровых коронок создают дополнительный резерв долговечности и спо­ собствуют их использованию до полной амортизации. Например, исследованиями ВостНИГРИ установлено, что стойкость обыч­ ных выпускаемых в массовом количестве буровых коронок в ре­ зультате поверхностного упрочнения химико-термическими, термическими и деформационными способами повышается в среднем в 1,5—2 раза. Поэтому практическая целесообразность диктует в настоящее время постановку исследований, ставя­ щих целью разработку и внедрение рационального и эффек­ тивного поверхностного упрочнения буровых коронок самой различной номенклатуры.

В изложенном материале авторы прежде всего акцентирова­ ли внимание на технологических вопросах упрочнения бурового инструмента, на разработке практических рекомендаций, а так­ же на описании внедренных в производство методов. Значительно меньше освещены данные о влиянии конструктивных параметров и некоторых других факторов (технология бурозаправочных работ, заточка инструмента, производство буровой стали и т. п.) на стойкость и циклическую прочность бурового инструмента. По мнению авторов, изложенные в книге материалы и выводы по ним не являются категоричными. Проблема повышения цик­ лической прочности и долговечности бурового инструмента сложна и многообразна. Многие теоретические положения в этих вопросах трактуются не всегда идентично и до сих пор еще являются предметом дискуссий. По-видимому, новые результа­ ты исследований, которые проводятся в настоящее время, допол­ нят имеющиеся уже сведения, внесут определенные коррективы, а возможно изменят существующую точку зрения в оценке мно­ гих явлений.

9