3.2.2. Влияние внешней среды на абразивное изнашивание инструмента

Внешняя среда вызывает различные химические, адсорбционные и диффузные эффекты на поверхностях трения и в поверхностных слоях изнашиваемых тел [23].

• Диффузия (лат. diffusion – распространение) – проникновение молекул одного вещества в другое при их непосредственном соприкосновении, обусловленное тепловым движением молекул.

В качестве среды рассматриваются очистные и охлаждающие агенты, применяемые при механическом разрушении, и насыщаемые в процессе бурения продуктами разрушения горных пород – частицами породы различной фракции и металлом изношенных поверхностей инструмента. Поэтому агрессивность среды, определяющая изнашивание инструмента, может характеризоваться и образуемыми продуктами разрушения, как породы, так и самого инструмента.

Образуемые продукты разрушения вызывают изнашивание инструмента в зависимости от твердости минералов, находящихся в образованных осколках породы, формы и размеров этих осколков.

Основное влияние на процесс изнашивания инструмента оказывают две характеристики очистных агентов:

• смазывающая способность;

• охлаждающая способность.

В качестве показателя смазочной способности сред обычно рассматривают коэффициент трения взаимодействующей в определенной среде пары «инструмент – горная порода».

К ак показывают экспери-ментальные исследования, вели-чина коэффициента трения существенно зависит от режима взаимодействия поверхностей трения. Так, при повышении осевого усилия прижатия инструмента к породе и частоты вращения инструмента, наблю-дается характерная зависимость изменения коэффициента трения (рис. 3.10). Из зависимостей следует, что по мере увеличения подводимой к забою мощности коэффициент трения вначале возрастает, а затем снижается. Рост коэффициента трения наблюдается на участке поверхностного разрушения горных пород (участок графика I на рис. 3.10). Снижение коэффициента трения начинает происходить на этапе объемного разрушения горной породы (участок графика II на рис. 3.10), когда снимается слой породы резцами инструмента. Этот участок снижения коэффициента трения включает и последующий этап термического разупрочнения самого инструмента, и его активное изнашивание (участок III на рис. 3.10).

Анализ влияния различных сред, таких как вода, воздух, глинистый раствор и раствор на нефтяной основе [30] показал, что при реализации малой и средней мощности разрушения смазочная способность рассматриваемых сред различна. С ростом осевых нагрузок и частоты вращения инструмента на этапах снижения коэффициента трения (участки II и III на графике рис.3.10.) под влиянием нарастающего теплового воздействия смазывающая пленка на границах взаимодействующих поверхностей инструмента и породы разрушается и происходит выравнивание коэффициентов трения (рис. 3.11).

Таким образом, роль смазывающей способности очистных агентов при бурении такова, что они, в зависимости от величины коэффициента трения, могут различным образом влиять на изнашивание инструмента на этапе её поверхностного истирания и практически не оказывают какого-либо решающего влияния на этапе работы инструмента в условиях критического нагрева. На этапе эффективного объемного разрушения роль смазывающей способности очистного агента достаточно велика, но эта роль ниже, чем на этапе поверхностного истирания породы.

Охлаждающая способность среды при оценке интенсивности изнашивания инструмента проявляется в способности отводить тепло от нагреваемого инструмента и тем самым влиять на величину коэффициента трения.

Н а рис. 3.12 приведены графики из работы [30] отражающие скорость относительного изнашивания инструмента от смазывающей способности среды и удельной мощности трения на контакте «инструмент – порода». Относительная охлаждающая способность воды, глинистого раствора, раствора на нефтяной основе и воздуха в соответствии с работой [29] соотнесены таким образом: 1:0,95:0,32:0,015. Охлаждающая способ-ность воды и глинистого раствора существенно выше, чем у раствора на нефтяной основе, и еще более высокая в сравнении с воздухом. Это значит, что инструмент при бурении с применением воды и глинистого раствора будет лучше охлаждаться. При повышении температуры среды до точки кипения жидкости соотношение относительной охлаждающей способности у названных веществ снижается: 1 : 0,78 : 0,72 : 0,14.

Влияние смазочной и охлаждающей способностей сред в процессе изнашивания проявляются одновременно. Относительная скорость изнашивания стали (рис. 3.12) в различных средах а/а_в, где а – скорость изнашивания стали в определенной среде; а_в – скорость изнашивания стали в воде, при умеренном режиме изнашивания, задаваемого удельной мощностью трения N_уд ( Вт/ мм²), определяется смазочной способностью. Поэтому раствор на нефтяной основе, обеспечивающий минимальный коэффициент трения, позволяет получить наименьшую скорость изнашивания стали (область I на рис. 3.12).

При повышении удельной мощности трения скорость изнашивания при промывке раствором на нефтяной основе становится выше, чем при промывке водой. То есть в режиме высокой удельной мощности (область II на рис. 3.12), который соответствует условиям реального бурения твердых пород, скорость изнашивания определяется охлаждающей способностью среды. Например, низкая охлаждающая способность воздуха вызывает высокую скорость изнашивания во второй области.

Причины повышенного износа во второй области графиков на рис. 3.12, при использовании веществ с низкой способностью к теплоотводу, связаны с тем, что чем меньше охлаждающая способность среды, тем выше температура инструмента при прочих равных условиях, и тем раньше рабочая поверхность стали потеряет устойчивость.

В то же время судить о влиянии среды на процесс изнашивания инструмента следует с учетом скорости разрушения (изнашивания) горной породы. В этом случае необходимо оценивать относительный износ инструмента и износ горной породы – h_и/h_п. В данном случае, чем меньше износ инструмента h_и и выше износ породы h_п , тем эффективней будет процесс бурения.

Для адсорбционного понижения твердости горных применяют водные растворы с различными поверхностно-активными веществами (ПАВ). Но растворы с ПАВ обладают более низкой, чем вода, охлаждающей способностью, а значит, могут вызвать повышенный износ инструмента. В то же время применение растворов с ПАВ может приводить к понижению прочностных свойств металлов, сплавов и алмазных резцов, из которых устроен буровой инструмент, вследствие адсорбционного понижения их прочности.

Например, по данным специалистов ВИТР, бурение с применением 1% раствора эмульсии из кожпастола привело к повышению износа коронок в 1,5 раза.

В ИСМ НАН Украины проведены исследования по установлению влияния растворов с ПАВ на изнашиваемость алмазного инструмента. Установлено, что водный раствор с ОП-10, в сравнении с промывкой водой, повышает износ твердого сплава ВК6 (вольфрам + кобальт – 6%) пропитанного медью, но снижает износ вольфрама, а также твердого сплава ВК6 [2]. Наиболее значительно оказалось влияние на изнашивание матриц коронок раствора на основе смеси гудронов (СГ). Изучение механизма абразивного износа материала в растворе с СГ показало, что наблюдается размягчение или упрочнение поверхностного слоя матрицы на глубину до 1 мкм.

Бурение с применением раствора с СГ показало увеличение проходки на коронку в 3,5 раза, а механической скорости бурения на 12%, что позволяет утверждать, что работоспособность инструмента при применении растворов с СГ повышается только за счет снижения интенсивности изнашивания матрицы.

Таким образом, промывочные жидкости существенно влияют на интенсивность изнашивания инструмента.

Механизм изнашивания твердого сплава типа ВК состоит в том, что с повышением удельной мощности трения и, соответственно, температуры сплава, происходит уменьшение твердости и прочности как карбида вольфрама (основа), так и связки кобальта. Но при этом кобальт быстрее теряет свои прочностные свойства, что приводит к выкрашиванию зерен карбида вольфрама, которые внедряются в породу и попадают в промывочную жидкость. Зерна вольфрама, полученные при разрушении сплава, активно участвуют в работе изнашивания инструмента, деформируя и царапая его [30].

Скорость изнашивания твердого сплава резко возрастает с повышением удельной мощности трения, поэтому при бурении следует обеспечить его охлаждение растворами и использовать для бурения пород мягких и средней твердости.

При бурении алмазными коронками изнашиванию подвергаются как твердосплавная матрица, так и алмазные резцы. Соответственно, их износ также возрастает при повышении контактной температуры.

Влияние осколков разрушенных горных пород на изнашивание определяется двумя основными характеристиками: зернистостью и твердостью.

Большей способностью изнашивать буровые инструменты обладают более крупнозернистые горные породы, особенно при наличии в составе пород достаточно твердых минералов, например, кварца.

В зависимости от размера частиц, отделившихся от породы при разрушении, процесс их взаимодействия с инструментом разделяют на пассивный и активный [30].

При пассивном процессе взаимодействия осколки породы с размерами, меньшими, чем величина зазора между поверхностями рабочего торца инструмента и забоя, могут взаимодействовать без значительного контактного давления на поверхность инструмента, свободно проходя в зазорах и совершая лишь поверхностное шлифование или царапание (рис. 3.13, а).

При активном процессе взаимодействия кусочки породы размером большим, чем зазоры, воспринимают усилия со стороны инструмента и внедряются в материал инструмента, например, в более мягкую связку матриц коронок, перемещаются между поверхностями забоя и инструмента, царапая его (рис.3.13, б). При этом размер осколков породы, вызывающих наибольший износ поверхности инструмента, будет равен или несколько превысит зазор между поверхностями породы и торца инструмента H.

Возможен и третий вариант взаимодействия, при котором мелкий шлам, скапливаясь под инструментом, создает шламовую подложку для инструмента. В этом случае также наблюдается силовое взаимодействие кусочков породы и поверхности инструмента (рис. 3.13, в). Подобный режим работы инструмента возможен при недостаточном количестве очистного агента.

Четвертый вариант взаимодействия предполагает изнашивание резца и поверхности инструмента при скалывании породы перед передней гранью резца (рис. 3.13, г). В этом случае активно изнашивается передняя грань резца и поверхность матрицы перед резцом.

При движении инструмента с линейной скоростью v (рис. 3.13, а) осколки породы, выходя из-под торца инструмента, ударяются о боковые поверхности резцов или корпуса инструмента. В этом случае энергия силового взаимодействия пропорциональна произведению

U =0,5 v² m_к sinβ,

где m_к – масса кусочка породы; β – угол наклона поверхности или резца.

Из данного соотношения следует, что износ может повышаться при повышении частоты вращения инструмента, зернистости и формы кусочков породы, а также определяется формой изнашиваемых поверхностей – наибольшим износ будет, если угол β = 90^º. Поэтому целесообразно при изготовлении бурового инструмента учитывать направления движения шлама и направлять его в наиболее изнашиваемых местах, например, в промывочных каналах, по наклонным поверхностям.

Максимально абразивным будет шлам твердых минералов с острыми гранями и выступами.

Влияние зернистости шлама на интенсивность изнашивания инструмента для некоторых пород показано в работе [2]. Отмечено, что в данном случае максимальный износ вызывал шлам размером 100 мкм, что соответствует размеру зазора между поверхностью матрицы и породой забоя для мелкоалмазной коронки.

Для оценки оптимальной работоспособности инструмента используют условный относительный показатель:

(3.17)

где v_м – механическая скорость бурения;

И – интенсивность износа.

Рассмотрим два примера оценки работоспособности однослойных алмазных коронок, используя материалы из работы [3].

При бурении уртита однослойной алмазной коронкой диаметром 24 мм кривая интенсивности износа резко возрастает по мере роста осевого усилия и частоты вращения. Механическая скорость также резко нарастает по мере повышения осевого усилия, но до определенного предела, после которого кривая идет на снижение, повышение же частоты вращения приводит к повышению и механической скорости бурения.

Таким образом, при бурении уртита предпочтительной будет невысокая осевая нагрузка, оптимальное значение которой четко отражает максимум показателя Э.

З ависимость интенсивности износа от частоты вращения указывает на то, что износ коронки, в данном случае, практически мало зависит от частоты вращения. Причины подобных зависимостей объясняются тем, что при бурении данной породы образуется крупный шлам (зерна до 3 мм), размер которого растет при повышении осевого усилия, что и увеличивает износ инструмента.

Бурение кварцевого альбитофира сопровождается образованием мелкого шлама, и зависимость интенсивности износа по мере роста осевого усилия имеет минимум при осевом усилии 200 даН и частоте вращения 500-900

мин^-1, нарастая в дальнейшем достаточно резко.

Механическая скорость бурения увеличивается при повышении частоты вращения и осевого усилия на всем интервале их варьирования, но кривая показателя Э дает точные величины наиболее оптимальных значений осевого усилия – 200 даН и частоты вращения – 800 мин^-1.