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

References

Комментарии посетителей сайта

Самойлович Ю.А.

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

Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники г. Екатеринбург

Просмотров статьи: 1167

admin@burneft.ru