Виды неисправностей и причины их возникновения

Эксплуатация и ремонт машин и оборудования НиГ промыслов.

Лекция 4.

Виды неисправностей и причины их возникновения.

1. Классификация видов разрушения деталей.

Большинство деталей бурового и нефтепромыслового оборудования при работе подвергаются значительным статическим и динамическим нагрузкам, а так же интенсивному изнашиванию и коррозии. Большое число деталей работают в коррозионных и абразивных средах при высоких температурах. В южных районах страны оборудование работает часто при температуре до +50⁰С, а в северных – при -50⁰С. Кроме того,  по мере углубления скважин температура на забое так же возрастает и основные детали бурового инструмента работают при температуре 200÷300⁰С.

Указанные условия эксплуатации приводят к преждевременному выходу из строя основных деталей бурового и нефтепромыслового оборудования и инструмента (поршневых втулок, клапанов, штоков буровых насосов, основных опор ротора и вертлюга, деталей цепей, долот, плунжеров и клапанов глубинных насосов и т.д.). Очевидно, что причины выхода из строя деталей бурового и нефтепромыслового оборудования, отличающихся друг от друга конструкцией и материалом и эксплуатирующихся в различных условиях, неодинаковы. Для повышения долговечности этих деталей необходимо установить и проанализировать причины, которые приведут к их повреждению.

В практике эксплуатации машин и оборудования встречаются разнообразные повреждения деталей.  Наблюдения за отказами деталей машин в эксплуатации позволяют все виды разрушений материалов деталей разделить на три основные группы: 1) деформация и изломы; 2) износ; 3) химико-тепловые повреждения.

Рекомендуемые материалы

Изломы происходят при напряжениях, превышающих предел текучести или предел прочности материала детали. Изнашивание происходит в результате взаимодействия трущихся тел. характер трущихся тел и условия их взаимодействия обуславливают особенности процесса их изнашивания. Химико-тепловые повреждения – результат комплексного воздействия на рабочие поверхности деталей факторов, среди которых факторы теплового воздействия превалируют.

2. Деформации и изломы.

Деформация материала детали происходит в результате приложения нагрузки и отражается изменением формы и размеров деталей. Эти изменения могут быть временными (упругие деформации, исчезающие после снятия нагрузки) и остаточными (пластические деформации, остающиеся после снятия нагрузки). Повреждение деталей происходит в результате пластической деформации, и выражаются в виде изгибов, вмятин и скручиваний.

При изгибах и вмятинах нарушается геометрическая форма деталей в результате приложения в основном динамических нагрузок. Скручиваниедеталей вызывается приложением крутящего момента превосходящего расчетный. Указанным повреждениям подвергаются бурильные трубы, замки, штанги, клинья, детали корпусов, детали изготовленные из листового проката. Изломматериала детали происходит также в результате приложения нагрузки и выражается в разрушении детали. В зависимости от характера нагружения рассматривают статический, динамический и усталостный изломы.

Статический излом является результатом воздействия значительных местных нагрузок. чаще всего он наблюдается в наиболее нагруженных местах в деталях корпусов в идее трещин, особенно в деталях, изготовленных из чугуна.

Динамический излом является следствием сильных поверхностных ударов и часто наблюдается в литых деталях. Установлено, что одной из причин отказов роторов является откол металла основной опоры. Аналогичное повреждение наблюдается в вертлюгах, в которых откалываются бурты основной опоры, вследствие  ударов от колебаний бурильной колонны.

В зависимости от скорости нагружения и исходного строения материала деталей бывают хрупкий и вязкий изломы.

Хрупкий излом характеризуется полным отсутствием или незначительной величиной пластических деформаций. Причинами хрупкого излома чаще всего служат хладоломкость материала детали, наличие концентраторов напряжений в опасном сечении и мгновенное приложение нагрузки. При хрупком изломе в зоне в зоне разрушения кристаллическое строение материала хорошо наблюдается. Хрупкое разрушение является причиной низкой долговечности шарошек, буровых долот, основных опор ротора и вертлюга.

Вязкий излом обусловлен наличием макропластической деформации. Разрушение детали при вязком изломе – результат резкого возрастания приложений статической нагрузки. Вязкий излом появляется в результате превышения предела текучести материала детали. На поверхности вязкого излома наблюдаются следы пластической деформации. Однако наиболее часто причиной выхода детали из строя является усталостный излом, в основе которого лежит явление усталости, т.е разрушение материала под влиянием циклических напряжений, действующих в течении определенного времени. Свойство материала детали, характеризующее её способность сопротивляться усталостному разрушению, называют выносливостью. Установлено, что усталостные изломы возникают при напряжениях ниже предела текучести. Процесс начинается с зарождения усталостной трещины, появлению которой способствует наличие концентратора напряжений в основном сечении детали. Возникнув, усталостная трещина под действием циклической нагрузки, распространяется в глубь детали, что приводит в конечном итоге к её разрушению. Практика показала, что разрушение шарошек, замков буровых труб, основных опор ротора, вертлюга, начинается с появления усталостных трещин.

3. Износ.

При эксплуатации деталей бурового, нефтепромыслового оборудования и инструмента наблюдается равномерный и неравномерный износ, а так же образование рисок и задиров на рабочих поверхностях деталей. Поскольку при работе детали оборудования подвергаются чаще всего переменным по величинам и знаку нагрузкам, то наибольшее распространение имеет неравномерный износ. Износ деталей – основной дефект, приводящий к выходу машин из строя. 

Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров тела при трении, появляющийся в отделении с поверхности трения материала и его остаточной деформации.

Износ – результат изнашивания, проявляющегося в виде отделения или остаточной деформации материала.

Трение – сопротивление, возникающее при взаимном перемещении соприкасающихся поверхностей тел. Различают в зависимости от  состояния трущихся поверхностей.

Трение без смазки – трение двух твердых тел при отсутствии на поверхности трения смазочного материала.

Граничное трение – трение двух твердых тел при наличии на поверхности трения слоя жидкости, обладающего свойствами, отличающимися от объемных.

Жидкостное трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между телами, разделенными слоем жидкости, в котором проявляются её объемные свойства.

Наименьший износ трущихся пар наблюдается при жидкостном трении. Трение поверхностей предотвращает масляный клин, который образуется например при работе подшипника скольжения. Смазка уменьшает энергетические потери на трение и охлаждает трущиеся поверхности. Механизм изнашивание при этом обуславливается механическим разрушением окисной пленки, образующейся на поверхности трения. Интенсивность изнашивания в данном случае минимальная и поэтому всегда надо стремиться к созданию условий жидкостного трения, если это позволяют конструктивные особенности механизма.

Рассмотрим общую физическую картину процессов трения и изнашивания без смазки. поверхность твердого тела шероховата и волниста. Самые чистые поверхности имеют неровности 0,05÷0,1 мкм, а наиболее грубые 100÷200 мкм. Поверхности контактируют друг с другом отдельными малыми площадками, расположенными в зонах вершин выступов поверхности. Число точек контактов зависит от чистоты поверхностей, точности изготовления, нагрузок. Под влиянием сжимающей нагрузки поверхности сближаются и число контактов увеличивается. В начале элементы контакта деформируются упруго, затем, по мере роста нагрузки, упругая деформация сменяется пластической. Формируются пятна касания – фрикционные связи, в которых участвуют не только вершины выступов, но и прилегающий к ним материал. При снятии нагрузки поверхности в основном восстанавливают свою форму и фрикционные связи разрушаются.

Процесс деформации поверхностей. Возникновения и разрушения фрикционных связей сопровождается переходом механической энергии в тепловую, изменяющей механические свойства поверхностных слоев. Поверхности изменяются так же при химическом и физическом взаимодействии с окружающей средой – адсорбционного понижения прочности материала, диффузионного его насыщения из окружающей среды и от противолежащей поверхности. Таким образом, в процессе трения участвуют материалы существенно отличающиеся от исходных.

Большое влияние на прочность оказывают дефекты в твердых телах, т.к. являются концентраторами напряжений.

Процесс разрушения материала развивается скачками. Сначала идет процесс накопления усталостных дефектов в поверхностном слое материала, который сменяется активным отделением частиц и обнажением новой поверхности. Затем процесс повторяется.

В классификации три основных вида изнашивания: механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое.

Механическое изнашивание – изнашивание в результате механических воздействий. В свою очередь механическое изнашивание подразделяется на : абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное.

Абразивное изнашивание – механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Очень опасен износ поверхностей твердыми подвижными частицами, попадающими между трущимися поверхностями. Абразивное изнашивание поверхностей деталей происходит при бурении скважин, дроблении камня, резании грунтов и т.д.

Абразивная эрозия, гидро – и газоабразивное изнашивание – основной вид изнашивания деталей насосов, трубопроводов, дымососов, вентиляторов, эжекторов, пескоструйных аппаратов в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа.

При усталостном изнашивании поверхности трения или отдельных её участков повторное деформирование микрообъемов материала приводит к возникновению трещин и отделению частиц. Это особенно проявляется при трении качения: шарик или ролик, перемещаясь по поверхности кольца  подшипника, гонит перед собой волну сжатия материала, а сзади создает зону растяжения. Многократно повторяющиеся знакопеременные нагрузки вызывают явление контактной усталости и подшипники разрушаются.

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации. При неправильно выбранном режиме работы гидравлической машины в потоке жидкости могут образоваться пузырьки пара или газа, ликвидация которых происходит бурно с гидравлическими ударами. Кавитационное изнашивание во много раз активнее других видов изнашивания.

Картина молекулярно-механического изнашивания – результат одновременного механического воздействия и молекулярных и атомных сил возможно, когда между поверхностями на расстоянии (3-5)×10^-7 мм полностью отсутствует смазка, адсорбированные пленки окислов и загрязнений и имеются значительные местные напряжения сжатия. Это характерно для трения со значительными пластическими деформациями и обнажениями чистого материала. Молекулярно-механическое изнашивание весьма активно – коэффициент трения при схватывании возрастает до 4-6 единиц, образуются глубокие задиры поверхностей и может быть  заклинивание. Особенно опасны явления схватывания при высоких температурах. Так называемое тепловое изнашивание является главной причиной низкой долговечности тормозных шкивов буровых лебедок.

При коррозионно-механическом изнашивании среда, округляющая трущиеся поверхности вступает с их материалом в химическое взаимодействие, а в результате перемещения поверхностей удаляются продукты коррозии и обнажаются чистые поверхности деталей. Этот процесс многократно повторяется. Если поверхности неподвижны, продукты коррозии не удаляются, иногда образуя антикоррозионный защитный слой. Например, защитным слоем от окислительного воздействия воздуха обладают поверхности алюминиевых деталей.

Окислительное изнашивание , протекающее при наличии на поверхности трения защитных пленок, которые образовались в результате взаимодействия материала с кислородом, является наиболее распространенным и наименее опасным видом изнашивания. Интенсивность окислительного изнашивания набольшая (менее 0,05 мкм/час). В некоторых случаях поверхности работают при небольших относительных перемещениях, вызванных вибрацией системы – посадочные поверхности шестерен, цепных колес, подшипников качения, деталей втулочно-роликовых цепей и др.

При этом возникает так называемая фреттинг-коррозия, т.е. коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при небольших колебательных перемещениях.

4. Факторы, влияющие на изнашивание деталей.

На процесс изнашивания рабочих поверхностей деталей машин оказывают влияние различные факторы, которые можно разделить на две группы:

1) факторы, влияющие на износостойкость деталей;

2) факторы, влияющие на изнашиваемость деталей.

Под изнашиваемостью подразумевается свойство материала детали поддаваться изнашиванию. Изнашиваемость есть свойство противоположное износостойкости. Факторы влияющие на износостойкость деталей: качество материала детали и качество рабочей поверхности детали. К факторам влияющим на изнашиваемость детали относятся: вид трения сопрягаемых деталей; характер и величина удельных нагрузок на поверхности трения; относительные скорости перемещения трущихся поверхностей; форма и размер зазора между сопряженными поверхностями; условия смазки трущихся поверхностей; наличие. Размер и форма абразива, участвующего в процессе трения и физико-механические свойства абразива.

Качество материала детали характеризуется его физико-механическими свойствами (прочностью, твердостью, вязкостью), которые в свою очередь определяются химическим составом и структурой. Твердость оказывает наибольшее влияние на износостойкость материала. При выборе материала для деталей, работающих при удельной нагрузке, кроме твердости, следует учитывать ещё его вязкость во избежание повышения хрупкости. При изготовлении деталей бурового и нефтепромыслового оборудования, работающего в сложных условиях, широко применяются высокопрочные хромистые, хромоникелевые и другие легированные стали со значительной вязкостью.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 4. Принятие решений в международных корпорациях.

На износостойкость металлов и сплавов большое влияние оказывает их химический состав и структура. Наиболее износостойкий сплав – сталь имеющая мелкозернистую структуру. Введение в состав стали добавок кремния, марганца, хрома, никеля, молибдена и вольфрама повышает износостойкость.

Следующим важным фактором, влияющим на износостойкость деталей машин, является качество поверхности трения после механической обработки. Качество обработанной поверхности характеризуется совокупностью геометрических параметров и физико-механических свойств поверхностного слоя материала (чистота, шероховатость поверхностей). На износостойкость поверхностей влияет способность материала детали смачиваться смазкой – способность удерживать на себе слой смазки определенной толщины.

Важнейшим фактором изнашивания является внешние механическое воздействие – вид трения (качение, скольжение) скорость относительного перемещения трущихся поверхностей, величина и характер давления при трении. Износ при трении качения меньше чем при трении скольжения. Удельные нагрузки также оказывают большое влияние на характеристики процесса в поверхностных слоях металла. С увеличением давления увеличивается площадь контакта трущихся поверхностей и интенсивность изнашивания.

Условиями, обеспечивающими минимальную интенсивность изнашивания, являются условия жидкостного трения, при котором сопряженные детали разделены масляным слоем. При соблюдении правильных геометрических форм деталей (вал-подшипник) давления внутри масляного слоя могут превышать в 2,5-3 раза передаваемые рабочие удельные нагрузки. Погрешности геометрической формы приводят к уменьшению несущей способности масляного слоя. Причинами погрешностей могут служить неточности обработки или сборки, изменения структурных параметров сопряжения в процессе работы механизма.

Литература:

Авербух и др. «Ремонт и монтаж бурового и НП оборудования».