Режим испытания пород на абразивность

Цель лабораторной работы

Краткая теория

В процессе бурения скважин горная порода разрушается бурильным инструментом. При этом происходит и встречный процесс – разрушение инструмента породой, так называемый износ. А для оценки интенсивности этого процесса принят соответствующий параметр – абразивность горной породы. Это есть способность горной породы изнашивать трущиеся об неё предметы и, в частности, породоразрушающий инструмент.

Абразивность проявляется за счёт истирания, в том числе, за счёт микрорезания зёрнами породы разной формы, величины и твёрдости. На абразивность большое влияние оказывают как свойства самих зёрен, так и свойства природных цементов, которыми скреплены эти зёрна.

Оценка абразивности производится различными способами, среди которых существует и данный. В нём имеется наибольшее подражание внешним признакам бурения скважин (сверление), что позволяет ощутить действительность истирания металла в бурильном процессе разрушения горных пород и исключить малейшее в этом сомнение. Поэтому данный метод используется как демонстрационная лабораторная работа для студентов, не имевших до этого зрительно-чувственного представления о контактном взаимодействии металла и горной породы.

Сущность метода испытания породы заключается в следующем: эталонный стержень с заданными свойствами, формой и размерами сверлится об испытываемую горную породу заданное время, под воздействием заданной осевой нагрузки с заданной скоростью. При этом происходит износ стержня, то есть уменьшение его массы, которое фиксируется с помощью весов. Это уменьшение массы принимается за величину абразивности.

В качестве материала для эталонного стержня используется мягкая сталь- серебрянка. Преимуществами стали-серебрянки (ГОСТ 2588-44), как эталонного материала для определения абразивности пород, является:

1)Сравнительная однородность, состава и постоянство механических свойств.

2)Невысокая твёрдость (10 кгс/мм² по Бринеллю), что обеспечило широкий диапазон среднего весового износа эталонного стержня от а = 0,36мг для известняка до а = 103 мг для корунда, т.е. крайние опытные значения абразивности относятся между собой как 1:286.

3)По сравнению с латунным стержнем в методе Шеферда эталонный стержень из стали-серебрянки имеет большую твёрдость и меньшую вязкость, что снижает «засаливание» породы на поверхности трения изношенными частицами металла.

Получить зрительно-чувственное восприятие процесса истирания металла о различные камни. Наработать навыки определения и вычисления абразивности горных пород посредством использования оборудования, таблиц и формул. Сравнить абразивность двух различных горных пород.

2.3 Установка и принцип её использования

Установка изготовлена путём некоторого изменения конструкции настольного сверлильного станка с ручной подачей. В её состав среди прочего входят следующие части (Рисунок 2.1):

1 – крышка;

2 – рычаг для поднятия патрона;

3 – тройной шкив;

4 – клиновой ремень;

5 – электродвигатель;

6 – кнопка пусковая;

7 – кнопка выключающая;

8 – груз;

9 – самоцентрирующий патрон;

10 – тиски;

11 – плаха поворачивающаяся и приподнимающаяся;

12 – рычаг для фиксации плахи.

Испытания пород на абразивность по методу Л.И. Барона и А. В. Кузнецова производят путём многоразового истирания о необработанную поверхность образца горной породы 13 торца вращающегося эталонного стержня (стержней) 14 из нержавеющей стали-серебрянки и последующего определения весового износа этого стержня (стержней) за период опыта. Показателем абразивности горной породы является средний весовой износ (потеря веса стержня (стержней) в мг) за время усреднённого единичного опыта, выполненного на установке для испытания пород на абразивность при постоянных параметрах испытания.

Рисунок 2.1 – Конструкция установки

Образец горной породы 13, заключённый между деревянными прокладками 15, зажимают в тиски 10, так; чтобы верхняя поверхность образца была приблизительно горизонтальна. Перед испытанием предварительно взвешенный эталонный стержень 14 зажимают в самоцентрирующем патроне 9, опускают на образец и включают электродвигатель 5, который с помощью клинового ремня 4 вращает шкив 3, соединённый осью с патроном 9. Зажим эталонного стержня в патроне производят рукой, вращая патрон по часовой стрелке. При этом другой рукой следует придерживать тройной шкив 3 при выдернутой вилке 16 из розетки 17. Требуемое осевое усилие создаётся грузом 8.

В процессе испытания крышка 1 должна быть на месте!

После окончания опыта стержень вынимают из патрона и определяют потерю в весе. Уменьшение веса стержня за период опыта, выраженное в миллиграммах (мг), принимается за показатель абразивности (а) горной породы.

Эталонные стержни изготовляют из незакалённой инструментальной калиброванной прутковой стали-серебрянки (ГОСТ 2588-44). Стержни диаметром 8 мм и длиной около 70 мм должны иметь торцы строго перпендикулярно оси. В одном из торцов каждого стержня высверливается по оси тупиковое отверстие диаметром 4 мм и глубиной 10-12 мм. Стержни могут использоваться повторно при условии обточки концов на токарном станке для удаления участков, получивших закругление. Применение стержней с закруглёнными торцами не допускается.

В качестве образцов горных пород для испытания на абразивность применяют керны или штуфы массой от 0,1 до 2 кг. В случае применения кернов при испытании используется как поверхность разлома на торцах, так и поверхность по образующей цилиндра. Образец породы прочно закрепляют в тиски между деревянными прокладками во избежание растрескивания породы. Верхняя поверхность образца должна занимать горизонтальное положение. Для этого, в отдельных случаях можно применять грубую обдирку образцов. Истирание эталонного стержня производят о естественную поверхность разрушения горной породы, т.е. о необработанную поверхность образца. Авторы метода отмечают нецелесообразность шлифовки и особенно полировки поверхности образца перед испытанием.

Осевая нагрузка 15 кгс, скорость вращения 400 об/мин. Испытание производят без охлаждения стержня водой и без удаления продуктов истирания. Эталонный стержень при истирании не должен нагреваться более 200 - 220 градусов. При этой температуре контрольным является соломенно-жёлтый цвет побежалости (Таблица 2.1).

Побежалостью называют оксидную плёнку, своим цветом иногда похожую на радугу, появляющуюся на зачищенной до блеска поверхности куска стали при нагревании. Каждому цвету побежалости соответствует своя температура образования. По таблице 2.1 можно довольно точно определить температуру нагрева.

Таблица 2.1 – Соотношение температуры и цвета побежалости [3]

Цвет побежалости	Температура в °С
Светло-соломенный
Светло-жёлтый
Соломенно-жёлтый
Коричнево-жёлтый
Коричнево-красный
Пурпурно-красный
Фиолетовый
Васильково-синий
Светло-синий
Серый	325 и выше