РАЗДЕЛ 2
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1.Методика лабораторных триботехнических исследований сплавов для замковых соединений и обсадных труб
Исследование триботехнических закономерностей материалов связано с моделированием процесса контактного взаимодействия. При моделировании необходимо сохранить ряд параметров, имеющихся в фактических условиях эксплуатации изучаемой пары: контактную нагрузку, скорость скольжения, площадь контактного взаимодействия и пр.[156, 262, 298 и др.].
В ходе изучения триботехнических закономерностей замковых соединений и обсадных труб нам не удалось выдержать все рабочие условия из-за их многообразия и плохой изученности.
По имеющимся данным [130] в стволе глубокой скважины возможно наличие интервалов, где в зоне трения бурильных и обсадных труб возникают температуры порядка 973-1173К. Удельные давления, прижимающие бурильную колонну к обсадной могут изменятся от 0 до 150МПа и более. Скорость скольжения изменяется в интервале 0-3м/с. Температура промывочной жидкости может изменятся от 278 до 473К при давлениях в скважине, достигающих 70МПа. Промывочная жидкость содержит большое количество различных абразивных частиц (компоненты жидкости, частицы выбуренной породы и т.д.). Разбуриваемые породы обладают высокой абразивностью.
Очевидно, что оценить износостойкость сталей и сплавов для труб, используемых в глубоком бурении можно только при некоторых конкретных условиях испытания. Поэтому нами предпринята попытка выбора таких условий для лабораторных триботехнических исследований. Нижеследующая методика [87, 96] предназначена для оценки относительной износостойкости и изнашивающей способности существующих и новых марок трубных сталей и сплавов.
2.1.1.Выбор схем испытаний.
Основным принципом выбора схемы испытаний является максимальное приближение к фактическим условиям работы исследуемой пары. Из большого числа существующих схем испытаний для исследования были выбраны три схемы, имитирующие работу бурильных замков в обсадной колонне и открытом стволе скважины. Кинематика этих схем больше всех остальных приближается к действительным условиям работы. На рис.2.1 показаны схемы, имитирующие работу бурильных замков в обсадной колонне. Неподвижный образец вырезается из обсадной трубы, подвижный из бурильного замка. Схема а обеспечивает постоянную площадь номинального контакта за счет предварительной приработки образцов друг к другу до начала опыта. Продолжительность этой операции в ряде случаев составляет несколько часов, а для наплавленных сплавов значительно больше. Кроме того, постоянство площади контакта не соответствует реальным условиям взаимодействия замков с обсадными трубами, в которых она изменяется по мере "врезания" замка в обсадную трубу. В связи с этим, наряду со схемой а, нами выбрана также схема б. Впервые подобная схема применялась для изучения триботехнических закономерностей материалов в среде сухого абразива [287]. Впоследствии она также использовалась в ряде других работ [70, 104, 130, 225, 286 и др.], где установлено, что непостоянство площади контакта не вносит принципиальных изменений в характер закономерностей абразивного изнашивания.
Схема в имитирует работу замковых соединений в открытом стволе скважины и представляет собой пару трения - круглый образец из сплава замка и абразивный брусок.
2.1.2. Стенд для триботехнических исследований.
Общий вид и принципиальная схема стенда представлены на рис. 2.2. В комплект оборудования входит: модернизированная машина трения СМЦ-2, система измерения и регистрации момента трения, система подачи промывочной жидкости, система измерения и регистрации линейного износа.
Машина трения СМЦ-2 предназначена для триботехнических испытаний сплавов и имеет следующие основные технические данные:
1.Число оборотов вала нижнего образца, 1/мин -300,500,1000
2.Нагрузка на образцы, H - до 2000
3.Потребляемая мощность, кв А -не более 2,2
4.Габариты, м -1,13x0,653x1,03
5.Масса машины, кг -не более 500
Частота вращения подвижного образца регулируется ступенчато с помощью шкивов различных диаметров клиноременной передачи.
Прижимающая нагрузка на пару трения задается пружинным нагружающим устройством, состоящим из винтовой пружины сжатия 11, тяги 12 и винта 13.
Наряду с этим, предусмотрена система нагружения посредством грузов, подвешиваемых на кронштейн каретки машины трения.
Cистема измерения и регистрации момента трения обеспечивает преобразование индукционным датчиком деформации муфты на валу под действием силы трения в электрический сигнал и последующую регистрацию на диаграмной бумаге самопишущего прибора КСП2-005. Благодаря тому, что запись момента трения ведется непрерывно, имеется возможность наблюдать и фиксировать изменение коэффициента трения непосредственно в процессе испытаний.
Проведение испытаний в среде промывочной жидкости обеспечивает система, включающая бак 10 емкостью 15 литров с промывочной жидкостью, подкачивающий насос 9 с приводом 8 от двигателя постоянного тока, выпрямитель переменного тока 5 типа ВСА-5, игольчатые вентели 6, 7 и поддон 4. Система работает по замкнутому циклу, в котором промывочная
жидкость из бака 10 подается непосредственно в зону трения образцов 1, 2 исследуемой пары, откуда через поддон 4 самотеком поступает обратно в бак 10. Расход жидкости регулируется вентилями 6, 7 по байпасной схеме.
Cуммарный линейный износ пары трения в процессе испытаний измеряется с помощью тензорезисторного измерителя 14, представляющего собой упругий элемент в форме балки равного сопротивления изгибу (рис. 2.3). С обеих сторон измерителя наклеены тензорезисторы типа 2ПКБ-20-200ГБ по мостовой схеме. Корневым сечением он закреплен на каретке машины СМЦ-2. Для демпфирования помех электрического сигнала от динамических явлений в зоне трения во входную диагональ измерительного моста введен электролитич