Абразивность горных пород. Методы и схемы изучения изнашивания металлов при взаимодействии с горной породой

Лекция 10

Детали буровых машин и механизмов, бурильные и породообразующие инструменты в процессе работы изнашиваются. При достижении предельного износа эти детали и инструменты становятся непригодными для дальнейшей эксплуатации и требуют их восстановления или замены.

Под изнашиванием понимается постепенное изменение формы и размеров детали и инструмента в процессе работы. Результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения частиц твердого тела или остаточной деформации его поверхности, называется износом.

Абразивность (от лат. abrasion – соскобление) определяет способность горных пород изнашивать поверхность контакта другого, более твердого тела (алмаз, твердый сплав) в процессе трения при его движении. Абразивные свойства увеличивают интенсивность изнашивания породоразрушающего инструмента и снижают механическую скорость бурения.

Износ рабочих органов породоразрушающего инструмента осуществляется в процессе контакта с горной породой при внедрении в нее инструмента и частицами разрушенной породы.

Особую важность в алмазном бурении имеет износ, связанный с действием на алмаз и матрицу частиц разрушенной породы. При достижении породоразрушающим инструментом предельного износа он должен быть извлечен из скважины и заменен новым инструментом (возможен вариант восстановления изношенного инструмента). Для определения предельной величины износа применяют различные критерии, которые будут рассмотрены ниже.

Абразивность горной породы, как и любой другой показатель механических свойств, определяется условиями, в которых осуществляется бурение, и режимами, при которых происходит отработка инструмента. Изменение этих условий может повлечь настолько существенные изменения процесса изнашивания, что полученные в других условиях показатели не будут ни качественно, ни количественно характеризовать этот процесс. Оценка абразивности при бурении скважин необходима для конструирования новых типоразмеров породоразрушающих инструментов, определения областей их применения и выбора рациональных режимов бурения.

На абразивность горных пород влияет целый ряд факторов:

1. Структура пород: чем больше зерно, тем выше абразивность.

2. Текстура пород и особенно пористость и трещиноватость, усугубляющие абразивность.

Мономинеральная порода, как правило, менее абразивна, чем полиминеральная (при равной твердости). Например, граниты при равной твердости с сильно окремненными известняками более абразивны, так как в них менее твердые минералы (слюды, полевые шпаты), разрушаясь, образуют шероховатую поверхность трения, обнажают зерна кварца и концентрируют напряжения на малых площадках контакта кварцевых зерен с породоразрушающим инструментом.

3. Твердость горных пород и их зерен не имеет однозначного влияния на абразивность. Существующие методы количественной оценки абразивности имеют разное назначение и различную сложность определения.

В технике используются в основном следующие показатели изнашивания.

Интенсивность изнашивания – износ, происходящийся на единицу работы трения.

ω=W/A_тр

где W-износ в любых единицах, мг, мм, мм³ и т.д.

A_тр=fPL – работа трения, здесь f-коэффициент трения, P – нормальная нагрузка, L-путь трения.

Скорость изнашивания – износ в единицу времени.

а_тр=W/t₀

где t₀ – время опыта.

Показатели изнашивания зависят от большого числа одно­временно действующих факторов, к основным из которых отно­сятся: вид, и свойства трущихся поверхностей, режим трения, вид и свойства среды, в которой работают детали или инстру­менты. Вид и свойства поверхностей могут быть охарактеризо­ваны шероховатостью, кривизной, твердостью материалов и др.

Режим трения зависит от удельного давления, скорости относительного перемещения, характера приложения нагрузки, ча­стоты взаимодействия и т. п.

Режим трения при изучении абразивности пород может быть задан обобщенным показателем — удельной мощностью трения:

N_уд = fpv_c,

где р — удельное давление на поверхностях трения; v_c — ско­рость относительного перемещения.

Высокая энергоемкость разрушения горных пород об­условливает очень тяжелый режим трения породоразрушающих инструментов, высокую скорость их изнашивания и низкую дол­говечность.

Для условий непрерывного взаимодействия элементов вооруже­ния шарошечных долот режим работы может быть охарактеризо­ван средней удельной мощностью N_уд, определяемой по формуле

N_уд =А₁v/F,

где A₁ — работа, совершаемая элементом вооружения долота за одно взаимодействие с породой; v — частота взаимодействия: F — рабочая поверхность элемента вооружения долота.

Основные сведения о режиме работы породоразрушающих ин­струментов на примере долот типа Т диаметром 190,5 мм приве­дены ниже:

Частота взаимодействия v, с-1.............................. ……..1,5—30

Удельная мощность N, Вт/мм⁵........................... …….0,4—8,0

Охлаждение q, м/с.................................................. ………….<12

Скорость, м/с:

Удара V_y..................................................................... …..0,12—2,4

скольжения v_{c....................................................................................... ………………….} 1,6

Время контакта 1_К, мс.............................................. …….0,2—50

Величины v, N_уд, q, t_K определяют тепловой режим в области контакта металл — горная порода.

Среда характеризуется главным образом смазывающей и ох­лаждающей способностью. Детали горного оборудования и ин­струмента чаще всего работают в воздушной среде, в среде угле­водородных жидкостей (масла, промывочные жидкости на нефтя­ной основе), в воде и водных растворах, а также в различных эмульсиях.

Пластическое деформирование, резание или царапание метал­ла абразивной средой возможно только в том случае, если части­цы среды более твердые и образуют весьма шероховатую поверх­ность. Если исходить из этих представлений о сущности абразив­ного изнашивания применительно к горному делу, при трении закаленных сталей об осадочные горные породы абразивными будут только кварцевые песчаники и алевролиты. По отношению же к твердым сплавам ни одна из осадочных пород не будет абразивной.

Дата добавления: 2014-01-07