Термонапряженное состояние корпуса буровой коронки при кратковременной криогенной обработке

Thermal stress state of the crown body during short-term cryogenic treatment

SAMOYLOVICH Yu.A.,
Research Institute
of Metallurgical Heat
Engineering,
Yekaterinburg, 620029,
Russian Federation

Обоснование рационального режима кратковременной криогенной обработки (КрКО) корпуса буровых коронок представляет собой пример разрешения одной из весьма актуальных проблем импортозамещения в отечественном машиностроении.

В настоящее время для надежного повышения эксплуатационного ресурса буровых коронок рекомендуется использовать метод криогенной обработки с применением дорогостоящего импортного оборудования при весьма длительной (24 — 36 часов) выдержке упрочняемых деталей в парах жидкого азота.

Запатентованный 45 лет назад отечественный способ КрКО позволяет резко сократить длительность обработки деталей (до 15 — 20 минут) при использовании погружения стальных деталей в ванну с жидким азотом, составляющую часть криостата упрощенной конструкции типа УКРО-02.

Производственная проверка способа КрКО на нескольких геологоразведочных экспедициях показала возможность повышения на 30 — 40 % скорости бурения и на 50 — 80 % длительности эксплуатационного ресурса буровых коронок, вооруженных алмазно-твердосплавными пластинами.

Вместе с тем в ходе промышленных испытаний обнаружено повышенное количество поломок стенки корпуса буровых коронок по сравнению с коронками, упрочнение которых достигается традиционной термической обработкой

(без применения КрКО).

С целью выявления причин возникновения поломок корпуса коронки разработана физико-математическая модель термонапряженного состояния коронки в процессе криогенной обработки, учитывающая специфику теплообмена на поверхности коронок, загружаемых в ванну жидкого азота.

Расчетный анализ показал, что момент удара холодом (при погружении коронки в жидкий азот) сопровождается возникновением в корпусе коронки растягивающих термических напряжений, превышающих по абсолютной величине предел прочности на растяжение малолегированных конструкционных сталей, рекомендуемых для изготовления корпуса буровой коронки.

Попытка использования стали повышенной прочности (типа хромансиль) для изготовления корпуса коронки не помогла устранить возникновение избыточного количества поломок корпуса при кратковременной криогенной обработке.

Для устранения неблагоприятной ситуации с недостаточной стойкостью коронок, упрочняемых способом КрКО, в настоящей работе рекомендуется изготовление корпуса коронок из экономно легированной стали 25Г2С2Н2МА, обладающей повышенным пределом прочности на растяжение и достаточно высокой ударной вязкостью по сравнению со апробированными сталями марок Сталь 30, Сталь 40 и 30XГСА.

The rationale for a rational mode of short-term cryogenic treatment (KrKO) of a crown casing is an example of the resolution of one of the most urgent problems of import substitution in domestic engineering.
At present, to reliably increase the operational life of the drill bits, it is recommended to use the method of cryogenic treatment using expensive imported equipment with very long (24 - 36 hours) exposure of hardened parts in liquid nitrogen vapor.
The Krko method, patented 45 years ago, makes it possible to drastically reduce the processing time of parts (up to 15–20 minutes) when using immersion of steel parts in a bath with liquid nitrogen, which is part of a cryostat of a simplified design of the UKRO-02 type.
A production check of the KrKO method on several geological exploration expeditions showed the possibility of increasing by 30–40% the drilling speed and by 50–80% of the service life of the drill crowns armed with diamond-hard-alloy plates.
At the same time, during industrial tests, an increased number of breakdowns of the casing wall of the crown was found compared to crowns, the hardening of which is achieved by traditional heat treatment (without using Krk).
In order to identify the causes of breakdowns of the crown case, a physico-mathematical model of the thermally stressed state of the crown in the process of cryogenic treatment has been developed, taking into account the specifics of heat transfer on the surface of the crowns loaded into a liquid nitrogen bath.
Calculation analysis showed that the moment of impact by cold (when a crown is immersed in liquid nitrogen) is accompanied by the appearance of tensile thermal stresses in the crown body that exceed the ultimate strength in absolute value tensile low-alloy structural steels recommended for the manufacture of the body of the drill bit.
Attempt to use high-strength steel (type Chromansil) for the manufacture of the crown case did not help eliminate the occurrence of an excessive amount of case breakage during short-term cryogenic treatment.
To eliminate the unfavorable situation with insufficient durability of crowns hardened by the KrKO method, in this work it is recommended to manufacture a crown case made of economically alloyed steel 25G2S2N2MA, which has an increased tensile strength and a sufficiently high toughness compared to approved steel grades Steel 30, Steel 40 and 30HGSA .

Если вас интересует полный текст статьи, Вы можете заказать ее в издательстве.

Литература

1. Baldissera P., Delprete C. Deep Cryogenic Treatment:
A Bibliographic Review // The Open Mechanical Engineering Journal. 2008. Vol. 2. Pp. 1—11.
2. Патент 485161 РФ. Способ термической обработки инструмента / Е.С. Жмудь; опубл. 1975, Бюл. № 35.
3. Власюк В.И. Влияние криогенной обработки на износостойкость алмазных коронок // Разведка и охрана недр. 1991. № 5. С. 23—24.
4. Рябчиков С.Я., Мамонтов А.П., Печугин А.В. О влиянии комплексной криогенно-радиационной обработки на износостойкость алмазных коронок // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 2000. № 5. С. 89—94.
5. Рябчиков С.Я., Мамонтов А.П., Власюк В.И. Повышение работоспособности породоразрушающего инструмента методами криогенной обработки и радиационного облучения.
М.: Геоинформ, 2001. 92 с.
6. Рябчиков С.Я. Современное состояние и перспективы развития криогенно-радиационных способов упрочнения породоразрушающего инструмента // Цветные металлы. 2006.
№ 4. С. 75—78.
7. Патент 2566523 РФ. Способ упрочнения буровых коронок, армированных алмазно-твердосплавными пластинами /
А.А. Третьяк; опубл. 27.10.2015, Бюл. № 30.
8. Третьяк А.А. Технология упрочнения буровых коронок // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016.
№ 16. С. 121—130.
9. Буровой инструмент для геологоразведочных скважин: справочник / Под ред. Н.И. Корнилова. М.: Недра, 1990. 395 с.
10. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. Изд.-во 2. М.: Л. Машгиз, 1952. 231 с.
11. Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергия, 1977. 288 с.
12. Веркин Б.И., Кириченко Ю.А., Русанов К.В. Теплообмен при кипении криогенных жидкостей. Киев: Наукова думка, 1987. 262 с.
13. Подстригач Я.С., Коляно Ю.М. Обобщенная термомеханика. Киев: Наукова думка, 1976. 310 с.
14. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлев И.Л. Перлит в углеродистых сталях. Екатеринбург: Изд.-во Уральского
отделения РАН, 2006. 311 с.
15. Kostinten D.P., Marburger R.E. A general equation prescribing the extent of austenite-martensite transformation in pure iron carbon alloys and plane carbon steel // Acta Metallurgica. 1959. Vol. 7.
Рp. 59—60.
16. Дергунов И.Д. Упругие свойства углеродистых сталей при высоких температурах // Ученые записки МГУ «Физика». 1945. Вып. 75. Книга 2. С. 114—130.
17. Дергунов И.Д. Определение периода релаксации углеродистых сталей и цветных металлов // Журнал технической физики. 1951. Том 21. Вып. 12. С. 1526—1534.
18. J. Li, X. Wu. Thermomechanical Analysis of Deep Cryogenic Treatment of Navy C-Ring Specimen // J. of Materials Enginee ring and Performance. Decem-ber 2014, vol. 23 (12). Pp. 4237—4250.
19. Майсурадзе М.В., Рыжков М.А., Сурнаева О.А. Влияние термической обработки на микроструктуру и механические свойства высокопрочной кремнистой стали // Сталь. 2016.
№ 6. С. 62—69.
20. Майсурадзе М.В., Рыжков М.А., Сурнаева О.А. Превращения переохлажденного аустенита в перспективных машиностроительных сталях высокой прокаливаемости // Металловедение и термическая обработка металлов. 2018. № 6. С. 3—11.

References

1. Baldissera P., Delprete C. Deep Cryogenic Treatment. A Bibliographic Re-view. The Open Mechanical Engineering Journal, 2008, Vol. 2, pp. 1–11. (In English).
2. Zhmud' Ye.S. Sposob termicheskoy obrabotki instrumenta [Method of heat treatment of the tool]. Patent RF no 485161, opubl. 1975, byul. no. 35. (In Russian).
3. Vlasyuk V.I. Vliyaniye kriogennoy obrabotki na iznosostoykost' almaznykh koronok [Influence of cryogenic treatment on the wear resistance of diamond crowns]. Razvedka i okhrana nedr [Exploration and protection of mineral resources], 1991, no. 5, pp. 23–24. (In Russian).
4. Ryabchikov S.Ya., Mamontov A.P., Pechugin A.V. O vliyanii kompleksnoy kriogenno-radiatsionnoy obrabotki na iznosostoykost' almaznykh koronok [On the effect of complex cryogenic-radiation processing on the wear resistance of dia-mond crowns]. Izv. VUZOV, Geologiya i razvedka [Izv. Universities, Geology and Intelligence], 2000, no. 5, pp. 89–94. (In Russian).
5. Ryabchikov S.Ya., Mamontov A.P., Vlasyuk V.I. Povysheniye rabotosposobnosti porodorazrushayushchego instrumenta metodami kriogennoy obrabotki i radiatsionnogo oblucheniya [Improving the efficiency of rock-destroying tools using cryogenic processing and radiation exposure]. Moscow, Geoinform Publ., 2001. 92 p. (In Russian).
6. Ryabchikov S.Ya. Sovremennoye sostoyaniye i perspektivy razvitiya kriogenno-radiatsionnykh sposobov uprochneniya porodorazrushayushchego instrumenta [The current state and prospects for the development of cryo-genic-radiation methods of hardening the rock-cutting tool]. Tsvetnyye metally [Non-ferrous metals], 2006, no. 4, pp. 75–78. (In Russian).
7. Tret'yak A.A. Sposob uprochneniya burovykh koronok, armirovannykh almazno-tverdosplavnymi plastinami [Method of hardening drill bits reinforced with diamond-hard-alloy plates]. Patent RF 2566523, opubl. 27.10.2015. (In Russian).
8. Tret'yak A.A. Tekhnologiya uprochneniya burovykh koronok [Technology hardening drill bits] Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' [Mining information and analytical bulletin], 2016,
no. 16, pp. 121–130. (In Russian).
9. Kornilov N.I. Burovoy instrument dlya geologorazvedochnykh skvazhin [Drilling tools for exploration wells]. Moscow, Nedra Publ., 1990. 395 p. (In Russian).
10. Kutateladze S.S. Teploperedacha pri kondensatsii i kipenii. [Heat transfer during condensation and boiling]. Moscow, Leningrad, Mashgiz Publ., issue 2, 1952. 231 p. (In Russian).
11. Grigor'yev V.A., Pavlov Yu.M., Ametistov Ye.V. Kipeniye kriogennykh zhidkostey [Boiling cryogenic liquids]. Moscow, Energiya, 1977. 288 p. (In Russian).
12. Verkin B.I., Kirichenko Yu.A., Rusanov K.V. Teploobmen pri kipenii kriogennykh zhidkostey [Heat transfer during boiling cryogenic liquids]. Kiyev, Naukova dumka Publ., 1987. 262 p.
(In Russian).
13. Podstrigach Ya.S., Kolyano Yu.M. Obobshchennaya termomekhanika [Generalized thermomechanics]. Kiyev, Naukova dumka Publ., 1976. 310 p. (In Russian).
14. Schastlivtsev V.M., Mirzayev D.A., Yakovlev I.L. Perlit v uglerodistykh stalyakh [Perlite in carbon steels]. Yekaterinburg, Ural'skoe otdeleniya RAN Publ., 2006. 311 p. (In Russian).
15. Kostinten D.P., Marburger R.E. A general equation prescribing the extent of austenite-martensite transformation in pure iron carbon alloys and plane carbon steel. Acta Metallurgica, 1959, vol. 7, p. 59–60. (In English).
16. Dergunov I.D. Uprugiye svoystva uglerodistykh staley pri vysokikh temperaturakh. Uchenyye zapiski MGU [Elastic properties of carbon steels at high temperatures. Uchenye zapiski MSU].
«Fizika» Publ., 1945, issue. 75, book 2, pp. 114–130. (In Russian).
17. Dergunov I.D. Opredeleniye perioda relaksatsii uglerodistykh staley i tsvetnykh metallov [Determination of the relaxation period of carbon steels and non-ferrous metals]. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Journal of Technical Physics], 1951, vol. 21, issue., 12,
pp. 1526–1534. (In Russian).
18. J. Li, X. Wu. Thermomechanical Analysis of Deep Cryogenic Treatment of Navy C-Ring Specimen J. of Materials Enginee ring and Performance. December 2014, vol. 23 (12), pp. 4237–4250.
(In English).
19. Maysuradze M.V., Ryzhkov M.A., Surnayeva O.A. Vliyaniye termicheskoy obrabotki na mikrostrukturu i mekhanicheskiye svoystva vysokoprochnoy kremnistoy stali [The effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of high-strength silicon steel]. Stal' [Steel], 2016, no. 6, pp. 62–69.
(in Russian).
20. Maysuradze M.V., Ryzhkov M.A., Surnayeva O.A. Prevrashcheniya pereokhlazhdennogo austenitva v perspektivnykh mashinostroitel'nykh stalyakh vysokoy prokalivayemosti [Transformations of supercooled austenitic in promising machine-building steels of high hardenability]. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov [Metallurgy and heat treatment of metals], 2018, no. 6,
pp. 3–11. (In Russian).

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Самойлович Ю.А.

    Самойлович Ю.А.

    д.т.н., профессор, старший научный сотрудник

    Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники г. Екатеринбург

    Просмотров статьи: 190

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru