Защо волфрамовият карбид издръжва по-дълго при тежки почвени условия

Суровата действителност: защо конвенционалните свределни зъби се повреждат при Абразивна и пресечена скала

Стандартните бурови зъби често се повреждат напълно при работа в изключително твърди формации, съдържащи голямо количество кремък или циментирани скални пластове. Проблемът идва от тези миниатюрни частици кремък, които имат твърдост около 7–9 по шкалата за твърдост на минерали, известна на повечето хора като шкала на Моос. Тези малки частици действат като пясъчна хартия на микроскопично ниво и износват зъбите от високоскоростна стомана (HSS) и обикновена инструментална стомана значително по-бързо, отколкото се очаква. Според полеви доклади износването протича приблизително три пъти по-бързо в такива условия и много зъби започват да изглеждат сериозно повредени след само четиридесет часа работа. Какво всъщност предизвиква това ускорено разрушение? Оказва се, че кварцовите частици се забиват в по-меките участъци на метала и оформят постоянни бразди, които в крайна сметка ослабват цялата конструкция. Буровите оператори са наблюдавали многократно този ефект, което води до неочаквани простои и скъпи замени.

Ускорени модели на износване в кремък-съдържащи конгломерати и циментирани страти

Микроскопичният анализ разкрива три доминиращи вида повреди в тези формации:

• Повърхностно микрорязане : Осколки от кремък издълбават бразди с дълбочина 0,2–0,5 мм за цикъл на работа
• Крехко счупване : Циментираните пластове предизвикват люспене по границите на карбидните включвания
• Термична умора : Температурите от триене, превишаващи 600 °C, предизвикват фазови промени в стоманата

Тези механизми заедно намаляват живота на зъбите с 68 % спрямо пробиването на хомогенна скала, както е потвърдено чрез изпитанията за компресивна умора по ISO 13314.

Ограничения на зъбите от бързорежеща стомана (HSS) и инструментална стомана при циклично въздействие на удар и абразия

Когато ударните сили (≥15 kN) се комбинират с абразивно износване, обикновените зъби проявяват критични уязвимости:

Тази синергия води до преждевременно чупене на зъбите в точки с концентрация на напрежение, особено там, където дефицитът на кобалтов свързващ компонент надвишава 40 % в композитите от волфрамов карбид.

Волфрам Карбидни свределни зъби Дълготрайност: как микроструктурата определя производителността

Размер на зърната WC и съдържание на кобалтов свързващ компонент: балансиране на твърдост (HRA 92–94) и устойчивост на пукане (12 MPa·m)

Това, което прави зъбите от карбид на волфрам (WC) толкова издръжливи, започва още на микроскопично ниво. Когато производителите контролират размера на зърната на WC, за да остане под около 1 микрон, и го смесват с около 6–12 % кобалтово свързващо вещество, те получават материал с твърдост по скалата Рокуел А между 92 и 94. Тази финозърнеста структура предотвратява лесното разпространение на пукнатини, като при това запазва устойчивостта към чупене над 12 MPa·√m. Когато буретата работят в трудни почвени условия, тези малки зърна помагат да се предотвратят микропукнатини при многократни цикли на напрежение. Едновременно с това еластичният кобалтов компонент абсорбира ударната енергия, което предотвратява внезапно разрушаване на цялата конструкция. Изпитателните лаборатории оценяват ефективността на тези свойства чрез срязващи изпитания по ASTM B771. Най-добрите формулировки показват равномерно износване по повърхността, а не отчупване на парчета след хиляди и хиляди цикли на напрежение в реални условия на експлоатация.

Оптимизирано съотношение WC/Co 94/6 мас.% за тежки условия на работа: компресивна якост 6 GPa и устойчивост към микроплъзгане

При наистина тежки условия за бурене сместа от карбид на волфрам и кобалт в тегловно съотношение 94/6 осигурява значителни механични предимства. Прочността при натиск надхвърля 6 GPa, което има голямо значение при прохождане на твърди силитизирани конгломератни формации. Поради по-ниското съдържание на кобалт в матрицата се намалява риска от пластична деформация при удари на буровите зъби в скали, но при това материалът запазва добра цялостност. Изследвания, проведени от експерти по материали, показват, че тази конкретна смес значително намалява износването поради микроскопично плъзгане. Това е установено чрез сканираща електронна микроскопия и е показано, че дълбочината на деформацията е под 0,3 mm след непрекъснато функциониране в течение на 120 часа в кварцови почви. Освен това структурата притежава впечатляващ модул на еластичност над 500 GPa, поради което режещите ръбове запазват стабилна форма. Това означава, че инструментът продължава да реже с постоянна скорост, дори когато стандартните материали започват бързо да се разрушават при сходни условия.

Практическо потвърждение: Полеви данни за удължен срок на експлоатация

Когато става дума за демонстриране на експлоатационните характеристики на материали, нищо не надминава реалните полеви изпитания. Вземете например един отскорошен инфраструктурен проект в Обединеното кралство, при който е било необходимо да се пробиват твърди циментирани конгломератни скални формации. Високопрочните свределни коронки от карбид на волфрам издържаха около три пъти по-дълго (приблизително 3,2 пъти) в сравнение с обикновените от бързорежеща стомана по време на тези операции. Ние проверихме това и чрез стриктно спазване на стандарта ISO 513, което ни даде увереност в получените резултати. По-дълготрайните свределни коронки означават по-малко подмяна с течение на времето, което намалява простоите на оборудването при работа в сурови геоложки условия. Това прави резултатите особено ценни, тъй като свързват наблюденията, направени в лабораторни условия, с реалната ситуация на терена. Свредловците, работещи в абразивни и високоударни среди, сега разполагат с убедителни доказателства, че карбидът на волфрам по-добре издържа на износване и механични повреди в сравнение с традиционните алтернативи.

Британски инфраструктурен проект: 3,2 пъти по-дълъг експлоатационен живот спрямо високоскоростна стомана (HSS) в циментиран конгломерат (тествано според ISO 513)

През период от дванадесет месеца изследователите проследявали развитието на износването на оборудването при работа в скални формации, богати на кремък. Зъбите от твърда сплав на волфрам запазили формата си добре след повече от 420 часа експлоатация, докато зъбите от високоскоростна стомана (HSS) трябвало да бъдат заменени след само около 130 часа при сходни условия. Анализът на повърхностите чрез сканираща електронна микроскопия показал изненадващо малко повреждение от микрооране, въпреки че тези материали били изложени на кварцов съдържание над 60 %. За правилно измерване на експлоатационните характеристики екипът анализирал както загубата на тегло с течение на времето, така и режещата ефективност според индустриалните стандарти по ISO 513. Тези резултати сочат значителни разлики в продължителността на експлоатационния живот на материалите при абразивни геоложки предизвикателства.

Анализ на начините на отказ: Разграничаване на доминиращите механизми на износване в смесени геологии

Ударна умора срещу абразивно износване: доказателства от СЕМ анализ на износените повърхности на зъбите в чакъл–глинест пясък

Наблюдението на твърдосплавни свределни зъби от карбид на волфрам чрез сканираща електронна микроскопия показва ясни признаци на повреда при работа в смесени геоложки условия, като например райони с както камъни, така и глинести пясъци. При бурене през пясъчни пластове, съдържащи кварцови частици, наблюдаваме абразивно износване, проявяващо се като успоредни микроцарапини, които постепенно износват ръбовете на твърдосплава с течение на времето. От друга страна, многократните удари в камъни предизвикват микропукнатини под повърхността, които в крайна сметка водят до люспене. Тези пукнатини се виждат в SEM напречни сечения като разклонени структури, разпростиращи се от точки с концентрация на напрежение. Полевите ни тестове показват, че глинестите матрици всъщност увеличават ущърба от удар с около 40 процента, тъй като енергията се предава по различен начин през по-влажните пластове в сравнение със сухите. Междувременно кварцовите пясъци са основно отговорни за абразивния тип износване. Разбирането на тези различни режими на повреда помага на инженерите да избират подходящите материали за конкретни приложения. Използването на специално формулирани марки твърдосплав може да помогне за предотвратяване на пукнатини в зони с високо ударно натоварване, докато материали с по-финозърнести структури обикновено по-добре издържат абразивните сили. Такова подробно познание за начина, по който материалите се повреждат при различни видове напрежения, е довело до значителни подобрения в конструкцията на инструментите, които удължават техния полезен живот в трудни бурови среди.

ЧЗВ

Защо конвенционалните бурови зъби се повреждат при работа в абразивни скали? Конвенционалните бурови зъби се повреждат поради бързо износване, причинено от частици кремък, микрорязане по повърхността, крехък чупеж и топлинна умора при работа в абразивни скални формации.

Как карбидът на волфрам подобрява работата на буровите зъби? Буровите зъби от карбид на волфрам, оптимизирани с конкретен размер на зърната WC и съдържание на кобалтово свързващо вещество, осигуряват превъзходна твърдост, устойчивост срещу чупене и съпротива срещу износване, което ги прави по-дълготрайни в тежки условия.

Какви са предимствата от използването на бурови зъби от карбид на волфрам в полеви приложения? Буровите зъби от карбид на волфрам осигуряват удължен срок на експлоатация, намаляват необходимостта от замяна и простои в тежки геоложки условия, както е потвърдено чрез полеви изпитания и съответствие с ISO стандарти.

Какви режими на повреждане са характерни за буровите зъби от карбид на волфрам? Режимите на отказ включват умора от удар и абразивно износване, които могат да се анализират чрез СЕМ, което помага за разбиране и избор на подходящи материали за различни геологии.