Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт
Досліджено взаємозв’язок між характером розподілу твердості і концентрації вуглецю в загартованих цементованих шарах бігових доріжок опор зі сталі 14ХН3МА та контактною довговічністю. Виявлено, що оптимальне зміцнення бігових доріжок залежить від твердості поверхні HRC (60…63) та вмісту вуглецю (0...
Gespeichert in:
| Datum: | 2015 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2015
|
| Schriftenreihe: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135760 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт / Ю.Д. Петрина, І.С. Яким, Н.В. Крет, Ю.М. Никифорчин // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 3. — С. 117-120. — Бібліогр.: 9 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-135760 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1357602018-06-16T03:08:31Z Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт Петрина, Ю.Д. Яким, І.С. Крет, Н.В. Никифорчин, Ю.М. Досліджено взаємозв’язок між характером розподілу твердості і концентрації вуглецю в загартованих цементованих шарах бігових доріжок опор зі сталі 14ХН3МА та контактною довговічністю. Виявлено, що оптимальне зміцнення бігових доріжок залежить від твердості поверхні HRC (60…63) та вмісту вуглецю (0,95…1,1%), які на глибині 1,6…2,2 mm становлять відповідно 51,5 та 0,45…0,55%. Исследована взаимосвязь между характером распределения твердости и концентрации углерода в закаленных цементируемых слоях беговых дорожек опор из стали 14ХН3МА и контактной долговечностью. Выявлено, что оптимальное упрочнение беговых дорожек зависит от твердости поверхности HRC (60…63) и содержания углерода (0,95…1,1%), которые на глубине 1,6…2,2 mm становят соответственно 51,5 и 0,45…0,55%. The relationship between the character of distribution of hardness and carbon concentration in the hardened cemented layers of arm pin races of 14ХН3МА steel and contact durability is investigated. Optimal strengthening of arm pin races depends on surface hardness HRC (60…63) and carbon content (0.95…1.1%) that at a depth of 1.6…2.2 mm are 51.5 and 0.45…0.55%, respectively. 2015 Article Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт / Ю.Д. Петрина, І.С. Яким, Н.В. Крет, Ю.М. Никифорчин // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 3. — С. 117-120. — Бібліогр.: 9 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135760 621.822.6:620.178.16 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Досліджено взаємозв’язок між характером розподілу твердості і концентрації вуглецю в загартованих цементованих шарах бігових доріжок опор зі сталі 14ХН3МА та
контактною довговічністю. Виявлено, що оптимальне зміцнення бігових доріжок
залежить від твердості поверхні HRC (60…63) та вмісту вуглецю (0,95…1,1%), які
на глибині 1,6…2,2 mm становлять відповідно 51,5 та 0,45…0,55%. |
| format |
Article |
| author |
Петрина, Ю.Д. Яким, І.С. Крет, Н.В. Никифорчин, Ю.М. |
| spellingShingle |
Петрина, Ю.Д. Яким, І.С. Крет, Н.В. Никифорчин, Ю.М. Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Петрина, Ю.Д. Яким, І.С. Крет, Н.В. Никифорчин, Ю.М. |
| author_sort |
Петрина, Ю.Д. |
| title |
Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт |
| title_short |
Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт |
| title_full |
Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт |
| title_fullStr |
Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт |
| title_full_unstemmed |
Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт |
| title_sort |
контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2015 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135760 |
| citation_txt |
Контактна довговічність бігових доріжок цапф тришарошкових бурових доліт / Ю.Д. Петрина, І.С. Яким, Н.В. Крет, Ю.М. Никифорчин // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 3. — С. 117-120. — Бібліогр.: 9 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT petrinaûd kontaktnadovgovíčnístʹbígovihdorížokcapftrišaroškovihburovihdolít AT âkimís kontaktnadovgovíčnístʹbígovihdorížokcapftrišaroškovihburovihdolít AT kretnv kontaktnadovgovíčnístʹbígovihdorížokcapftrišaroškovihburovihdolít AT nikiforčinûm kontaktnadovgovíčnístʹbígovihdorížokcapftrišaroškovihburovihdolít |
| first_indexed |
2025-07-10T00:03:49Z |
| last_indexed |
2025-07-10T00:03:49Z |
| _version_ |
1837216139014307840 |
| fulltext |
117
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2015. – ¹ 3. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 621.822.6:620.178.16
КОНТАКТНА ДОВГОВІЧНІСТЬ БІГОВИХ ДОРІЖОК
ЦАПФ ТРИШАРОШКОВИХ БУРОВИХ ДОЛІТ
Ю. Д. ПЕТРИНА
1, І. С. ЯКИМ 1, Н. В. КРЕТ 2, Ю. М. НИКИФОРЧИН 1
1
Національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ;
2
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Досліджено взаємозв’язок між характером розподілу твердості і концентрації вугле-
цю в загартованих цементованих шарах бігових доріжок опор зі сталі 14ХН3МА та
контактною довговічністю. Виявлено, що оптимальне зміцнення бігових доріжок
залежить від твердості поверхні HRC (60…63) та вмісту вуглецю (0,95…1,1%), які
на глибині 1,6…2,2 mm становлять відповідно 51,5 та 0,45…0,55%.
Ключові слова: бурове долото, контактна довговічність, руйнування, корозивне
середовище, бігові доріжки, опора, цементація, твердість.
Сьогодні під час буріння широко застосовують тришарошкові долота з від-
критою опорою на основі радіальних підшипників кочення. Опори працюють в
умовах суттєвих контактних навантажень за дії корозивних середовищ та абрази-
ву, що істотно пришвидшує контактне руйнування їх елементів [1, 2], призводячи
до передчасної відмови долота на вибої. Найбільших руйнувань тут зазнають
цапфи лап доліт. Особливо значні пошкодження виникають на бігових доріжках
підшипників кочення у найбільш навантаженій нижній частині цапфи (див. рису-
нок).
Типове контактне руйнування
цапф лап та зношування опорних
елементів порожнини шарошок
бурових доліт 244,5 ОК-ПГВ.
Typical contact failure of arm pins
and wear of bearing elements
of 244.5 ОК-ПГВ rock bits
cones chamber.
Для зміцнення робочі поверхні цапф цементують та гартують за відповід-
ною технологією [3], яка забезпечує твердість HRC цементованого шару приб-
лизно 60…64, а у серцевині – 25…40 [4]. Тому провідні зарубіжні виробники ви-
користовують хромонікельмолібденові сталі зі строго регламентованими хіміч-
ним складом і фізико-механічними властивостями та здатністю до прогартову-
вання згідно зі вимогами ASTM. У вітчизняному долотобудуванні для лап засто-
совують сталі аналогічного складу [3], зокрема, 14ХН3МА, 19ХГНМА та
21ХГНМА. Однак це не завжди забезпечує експлуатаційні показники на рівні зі
світовими.
Оскільки між розподілом твердості зміцненого шару і вуглецю, а також якіс-
тю зміцнення існує кореляційний зв’язок, можна встановити оптимальні пара-
метри цементованого шару для конкретних умов технології виготовлення доліт.
Контактна особа: І. С. ЯКИМ, e-mail: jakym.r@online.ua
118
Тут розглядають ефективну глибину цементованого шару, за яку приймають су-
марну товщину заевтектоїдної, евтектоїдної і половину перехідної навуглеченої
зон. У зарубіжній практиці її визначають за відстанню від поверхні до прошарку
металу з твердістю HRC 51,5. Нижче досліджено вплив розподілу твердості і вуг-
лецю у зміцненому поверхневому шарі цапф лап на їх контактну довговічність як
характеристику роботоздатності долота.
Методики досліджень. Випробовували зразки – цапфи лап зі сталі 14ХН3МА
зі зміцненим поверхневим шаром, виготовлені за стандартною технологією [3, 5]:
цементація з подальшим гартуванням за різними параметрами і кінцевим меха-
нічним обробленням, що давало можливість змінювати глибину та твердість це-
ментованого шару. Концентрацію вуглецю визначали експрес-аналізатором мо-
делі АН-7529 за стандартною методикою.
Контактну витривалість сталі досліджували на спеціальному стенді [6], що
відтворює умови роботи цапф лап. Випробовували найнавантаженішу бігову до-
ріжку великого роликового підшипника кочення діаметром 63,87 mm, використо-
вуючи серійні тіла кочення, взяті з однієї партії. Стенд забезпечує осьове наван-
таження на секції доліт та обертовий рух шарошок. У зоні контакту між ролика-
ми та біговою доріжкою створювали напруження 5700 MPa, а тіла кочення обер-
талися навколо бігових доріжок за частоти 8,3 s–1. У зону контакту, імітуючи
вплив промивного і охолоджувального розчинів, подавали проточну технічну
воду. Критерієм довговічності був час до появи першого пітинга. Виконали два
цикли досліджень.
На першому етапі вивчали вплив глибини t зміцненого шару зразків на їхню
контактну довговічність. Твердість HRC поверхонь 59…61, а концентрація вугле-
цю на глибині 0,1…0,25 mm від поверхні становила 0,96…1,0% (табл. 1). З рос-
том глибини шару до 1,6 mm контактна довговічність суттєво підвищується,
однак, на глибині до 2,6 mm вже спостерігали протилежний ефект – витривалість
дещо падала.
Таблиця 1. Розподіл твердості HRC по глибині цементованого шару
та контактна довговічність бігових доріжок зразків
Твердість HRC по глибині загартованого шару (mm)
С
ер
ед
н
я
гл
и
б
и
н
а
t,
m
m
К
-с
ть
зр
аз
к
ів
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0 Д
о
в
го
-
в
іч
н
іс
ть
, h
0,90 5 59,1 58,1 56,1 52,6 51,2 51,1 48,2 43,8 38,1 0,53
1,10 6 59,1 58,4 57,2 55,0 53,8 51,2 49,1 44,5 39,2 0,97
1,25 4 59,5 58,1 57,2 55,2 54,1 51,5 49,6 43,8 43,0 2,10
1,30 4 59,3 58,6 56,9 55,5 54,2 52,0 49,6 43,8 42,9 2,02
1,46 9 60,0 57,2 55,5 53,5 53,0 52,5 50,5 49,5 48,5 2,95
1,65 10 61,1 60,0 58,2 57,1 56,5 55,0 53,1 52,0 49,6 3,32
1,81 9 60,1 58,8 57,4 56,7 55,5 54,2 53,2 51,3 47,1 2,86
1,91 8 59,3 58,5 57,8 57,1 56,1 55,4 54,1 52,5 44,6 2,42
2,0 8 60,2 59,1 59,0 58,5 58,0 57,0 55,1 53,2 51,5 3,26
2,6 4 60,2 59,3 59,0 58,1 58,0 55,5 55,2 54,2 53,1 3,15
На другому етапі аналізували вплив на контактну довговічність зразків роз-
поділу концентрації вуглецю в цементованому шарі (табл. 2). Максимально по-
зитивного ефекту можна досягти насиченням вуглецем до концентрації на по-
верхні 0,95…1,05%, однак за його вмісту 1,1% вже з’являється протилежна тен-
денція. Екстремум на концентраційній залежності довговічність–концентрація
вуглецю слід, очевидно, пов’язувати з агресивним проявом корозивного середо-
119
вища. Відомо [7], що з підвищенням його вмісту чутливість конструкційних ста-
лей до зародження і поширення корозійних тріщин посилюється, а отже, полег-
шується викришування металу. Таким чином, тут проявляється протиборна дія
двох чинників: позитивна охолоджувально-змащувальної рідини та негативна,
пов’язана з інтенсифікацією корозійно-механічного руйнування. Зазначимо, що
водне середовище спричиняє корозійний ріст тріщин у високоміцних сталях за
механізмом водневого окрихчування, в тому числі і в матеріалах нафтогазового
обладнання [8].
Таблиця 2. Розподіл концентрації (%) вуглецю по глибині зміцненого шару
та контактна довговічність бігових доріжок зразків
Вміст C по глибині загартованого шару (mm)
В
м
іс
т
C
н
а
п
о
-
в
ер
х
н
і
К
-с
ть
зр
аз
к
ів
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0
Довго-
вічність,
h
0,63 5 0,60 0,53 0,51 0,45 0,40 0,37 0,29 0,21 0,14 0,53
0,80 6 0,73 0,60 0,53 0,48 0,42 0,39 0,35 0,29 0,21 0,97
0,96 4 0,83 0,75 0,69 0,59 0,55 0,50 0,47 0,41 0,37 2,02
1,03 9 0,89 0,82 0,78 0,75 0,67 0,58 0,54 0,47 0,42 2,86
1,10 8 0,94 0,88 0,75 0,71 0,64 0,55 0,50 0,45 0,39 2,42
Отже, у вітчизняному долотобудуванні для проектування технологічних
процесів зміцнення деталей доліт, а також оцінки їх якості доцільний критерій,
що характеризує твердість ефективного загартованого цементованого шару. Для
підвищення контактної довговічності цапф лап відкритих опор тришарошкових
бурових доліт можна рекомендувати хіміко-термічну обробку, яка повинна забез-
печити плавний розподіл твердості та концентрації вуглецю від поверхні (HRC
60…63 та 0,95…1,1%С) до глибини 1,6…2,2 mm. При цьому на ділянці ефектив-
ного цементованого шару (на глибині 1,6…2,2 mm) ці показники повинні стано-
вить 51,5 та 0,45…0,55% відповідно.
Зазначимо, що для цапф лап, виготовлених зі сталей, що уможливлюють де-
формацію і викривлення бігових доріжок після хіміко-термічної обробки, необ-
хідна кінцева механічна обробка. Тому товщина загартованого цементованого ша-
ру повинна мати припуск на зняття верхніх шарів і перевищувати 2,2 mm. Особ-
ливо високої точності у розрахунку параметрів ефективного загартованого цемен-
тованого шару слід дотримуватись під час фінішного механічного оброблення
лезовим інструментом ще до гартування. За цих умов рекомендують застосову-
вати сталі, які менш схильні до деформацій та викривлень. Водночас, контролю-
ючи прогартовування долотних сталей, а також використовуючи зразки-свідки для
оцінювання якості бігових доріжок опор за критерієм, що визначає параметри ефек-
тивного цементованого шару за твердістю, вдалося на долотному виробництві (м.
Дрогобич) уникнути передчасної відмови опор через їхнє контактне руйнування.
Слід поглиблено вивчити роль охолоджувального середовища у контактно-
му руйнуванні, щоб зрозуміти вплив на нього характеристик зміцненого шару за
розподілом твердості та концентрації вуглецю. Для цього необхідно залучати
електрохімічні підходи, а стендові випроби на контактну довговічність [6] вико-
ристати не тільки, щоб пояснити дію певного середовища на інтенсивність зно-
шування бігових доріжок, але і для оцінювання ефективності інгібіторного захис-
ту від корозійно-механічного руйнування за контактної втоми. Тут важливо ви-
вчити деградацію фізико-механічних властивостей металу під час стендових вип-
роб, враховуючи можливу агресивну роль охолоджувального середовища, якщо
воно є джерелом наводнювання поверхні [9].
120
ВИСНОВКИ
Встановлено закономірності впливу глибини зміцненого хіміко-термічною
обробкою поверхневого шару та розподілу твердості по його глибині на контакт-
ну довговічність бігової доріжки зразків зі сталі 14ХН3МА. На цій основі про-
аналізовано критерій, що визначає параметри ефективного загартованого цемен-
тованого шару за його твердістю. Зміцнення повинно забезпечувати на поверхні
твердість HRC та концентрацію вуглецю відповідно в діапазоні 60…63 та 0,95…
1,1% та їх плавне зниження від поверхні так, щоб на глибині 1,6…2,2 mm від неї
ці характеристики відповідали значенням 51,5 та 0,45…0,55%.
РЕЗЮМЕ. Исследована взаимосвязь между характером распределения твердости и
концентрации углерода в закаленных цементируемых слоях беговых дорожек опор из
стали 14ХН3МА и контактной долговечностью. Выявлено, что оптимальное упрочнение
беговых дорожек зависит от твердости поверхности HRC (60…63) и содержания углерода
(0,95…1,1%), которые на глубине 1,6…2,2 mm становят соответственно 51,5 и 0,45…0,55%.
SUMMARY. The relationship between the character of distribution of hardness and carbon
concentration in the hardened cemented layers of arm pin races of 14ХН3МА steel and contact
durability is investigated. Optimal strengthening of arm pin races depends on surface hardness
HRC (60…63) and carbon content (0.95…1.1%) that at a depth of 1.6…2.2 mm are 51.5 and
0.45…0.55%, respectively.
1. Контактне руйнування тіл кочення відкритих опор тришарошкових бурових доліт у
водних середовищах / Є. І. Крижанівський, Р. С. Яким, Л. Є. Шмандровський, Ю. Д. Пет-
рина // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2010. – 46, № 5. – С. 37–42.
(Kryzhanivs’kyi E. I., Yakym R. S., Shmandrovs’kyi L. E., Petryna Yu. D. Contact fracture of
rolling bodies of open bearings of three-cone rock bits in aqueous environment // Materials
Science. – 2011. – 46, № 5. – P. 607–612.)
2. Яким Р. С. Контактна витривалість цементованих поверхонь опор Р-К-Р тришарош-
кових бурових доліт // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. – 2011. – № 2
(39). – С. 106–112.
3. Яким Р. С., Петрина Ю. Д. Теорія і практика забезпечення якості та експлуатаційних
показників цементованих деталей шарошкових бурових доліт. – Івано-Франківськ:
Вид. Нац. техн. ун-ту нафти і газу, 2011. – 190 с.
4. Drilling engineering workbook, a distributed learning course. – Houston: Baker Hughes
INTEQ, 1995. – 410 p.
5. Яким Р. С. Петрина Ю. Д., Яким І. С. Науково-практичні основи технології виготов-
лення тришарошкових бурових доліт та підвищення їх якості і ефективності. – Івано-
Франківськ: Вид. Нац. техн. ун-ту нафти і газу, 2011. – 384 с.
6. Патент 96644, Україна, МПК2 Е 21 В 10/10 (2011.01). Стенд для випробовувань секцій
шарошкових доліт / Є. І Крижанівський, Р. С. Яким, Л. Є. Шмандровський, Ю. Д. Пет-
рина. – Опубл. 25.11.2011; Бюл. № 22.
7. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пос. в 4-х т. / Под общ. ред.
В. В. Панасюка. Т. 4: Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных
материалов / О. Н. Романив, С. Я. Ярема, Г. Н. Никифорчин и др. – К.: Наук. думка,
1990. – 680 с.
8. Механіка руйнування та міцність матеріалів: Довідн. пос. / Під заг. ред. В. В. Панасю-
ка. Т. 10: Міцність та довговічність нафтогазового обладнання / В. І. Похмурський,
Є. І. Крижанівський, В. М. Івасів та ін.: Під ред. В. І. Похмурського і Є. І. Крижанівсь-
кого. – Львів; Івано-Франківськ: Вид. Нац. техн. ун-ту нафти і газу, 2006. – 1194 с.
9. Крижанівський Є. І., Никифорчин Г. М. Особливості корозійно-водневої деградації
сталей нафтогазопроводів і резервуарів зберігання нафти // Фіз.-хiм. механiка матерiа-
лiв. – 2011. – 47, № 2. – С. 11–20.
(Kryzhanivs’kyi E. І. and Nykyforchyn H. M. Specific features of hydrogen-induced corro-
sion degradation of steels of gas and oil pipelines and oil storage reservoirs // Materials
Science. – 2011. – 47, № 2. – P. 127–136).
Одержано 26.12.2014
|