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天津钻井工程 钻井机的疲劳问题
发布时间:2014-12-4  

随着时间作周期性变化的应力称为交变应力,机件在交变应力长期作用下发生 的实效称为疲劳失效。据文献估计,机件的疲劳失效越占其总数的70%至90%。 钻井机的提升系统部件零件、驱动传动系统、绞车、转盘、水龙头及泵动力端 等旋转零件,泵液力端与井口装置等压力容器件,绝大多数机件都是在不稳定的 高压、重载工况下运转。机件在加载卸载或受载旋转时都承受的是交变载荷,产 生交变应力。这种应力使无损的机件裂纹、然后裂纹扩展,最后达到失稳性的( 或脆性的)猝然断裂实效。下面举出各种在钻井机中发生的典型疲劳实效现象: 天津钻井工程

一、单向拉伸应力疲劳 

1)螺钉 钻井机泵曲轴轴承座螺钉,泵阀箱盖螺钉受拉伸载荷后首先在联结 部位螺纹根部应力集中处开裂、呈多半环裂纹扩展最后导致整个螺钉横截面断裂 。 

2)吊环 在冲击性拉伸载荷和振动载荷联合作用下频频加载、卸载,造成吊 卡在杆部压裂失效、造成严重的事故。 

3)泵体 钻井机泵体承受着活塞杆推力(压缩力)的支承反力,在拉伸交变 载荷作用下泵体薄弱部产生开裂,如在介杆箱隔壁板上。在曲轴轴承座下方墙板 上。小的开裂可以补焊修复,大的开裂将使泵体及整个泵报废。

4)链板 在冲击性拉伸载荷作用下链板不仅产生塑性变形而伸长,且在应力 集中的阀空内缘产生裂纹而呈半环断裂。

二、单向剪应力疲劳 大钩弹簧,钻井机泵阀弹簧以及盘式刹车液缸弹簧等的实效都属于交变剪应力作用下的高循环疲劳失效。天津钻井工程 

三、弯曲应力疲劳 钢丝绳和V形胶带等传动件在拉伸载荷的基础上,当通过带轮时又附加上弯 曲应力(拉、压应力)的作用,在这种不对称的高幅度应变力不断作用下足致断 裂失效。失效的表现是胶带里的加强纤维断裂,带圈松脱;钢绳外表断丝严重。

四、 拉压应力疲劳 钻井机泵的活塞杆、介杆和连杆在拉压交变载荷作用下会在其根部应力集中 处开裂而疲劳失效。 

五、三向应力疲劳 钻井机泵的液缸、阀箱与空气包、防喷器与井口装置以及液压缸等都属于压 力容器件。在交变的内压作用下,其壁内产生三向应力,且内表面的切向拉应力 为最大。在内表面的应力集中处首先开裂,由于裂纹的不断扩展加深,导致铸钢 壳体外表面出现冒汗现象,这就意味着液缸壳体疲劳失效。

六、弯扭复合应力疲劳 钻井机中转轴类零件很多,为驱动系统的并车轴,绞车的传动轴、变速轴与 滚筒轴,钻井泵的输入轴和曲轴等,他们或是在规律性不稳定载荷下或是在随机 载荷下工作,在旋转轴的危险截面部位产生弯曲和扭剪同时作用的交变应力,终 会导致转轴的高循环应力疲劳失效。

七、接触疲劳

1)轴承 转盘与水龙头的主轴承是承受静、动载荷最严重的零件,在处理事 故和下套管过程中他们承受着最大钩载的静载和最大钻柱重量的冲击性动载,在 轴承球与座圈接触面上产生交变的压应力和浅层剪应力,久之表面层金属剥落形 成点蚀麻坑而使轴承实效。当轴承润滑不良时轴承会因严重磨损而实效。天津钻井工程

2)齿传动副 在大的拉力和强的冲击载荷作用下,在链轮齿面与链条滚子, 滚子与套筒,套筒与销轴之间都会产生接触疲劳失效。严重时甚至于产生粘着焊 接失效。

八、热疲劳 钻井绞车的刹车鼓在频繁的下钻操作中处于剧烈温度变化的温度场中工作 ,鼓面因应变循环而疲劳开裂,这种龟裂扩展到临界深度时,刹车鼓即告失效。 

九、大变形连续弹性材料与高分子材料的疲劳 在钻井机械中有相当多的橡胶、聚氨酯和工程塑料制品,如钻井泵的活塞 与阀盘、空气包中的胶囊、万能防喷器中的南瓜芯子等都会在有限的循环后因大 应变而疲劳断裂。不过这种大变形体的力学特性和疲劳特征至今还研究得很不足。

十、腐蚀疲劳 在交变载荷(应力)和腐蚀介质同时作用下导致的实效统称为腐蚀疲劳。 这种实效或是由于阳极氧化反应出现点蚀和凹坑,在这些应力集中处产生多个裂 纹源,在交变应力下裂纹扩展。又由于腐蚀介质的作用加剧其扩展速率足致断裂 失效;或是由于腐蚀介质吸附于金属晶界上降低其结合力;或是由于阴极渗氢反 应而产生裂纹以致疲劳实效。 

钻井机零件疲劳失效的实例屡见不鲜,所以了解钻井机械的疲劳问题是很有必要的。天津钻井工程

 

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