http://www.upg-ploiesti.ro/col/curs_tfrup/rofd/Capitolul1_3_6.htm
Capitolele lucrarii
1. Mecanisme specifice de cedare a utilajului petrolier si criterii de garantare a sigurantei in exploatare 2. Tehnologia de fabricatie a imbinarilor cu umar pentru garnitura de foraj 3. Tehnologia de fabricatie a prajinilor grele pentru foraj 4. Tehnologia de fabricatie a prajinilor de foraj 5. Tehnologia de fabricatie a prajinilor de antrenare 6. Tehnologia de fabricatie a sapelor si coroanelor cu diamante 7. Tehnologia fabricarii sapelor cu trei conuri 8. Tehnologia de fabricatie a pompelor de adancime 9. Tehnologia de fabricatie a prajinilor de pompare 10. Disponibilitatea utilajului petrolier 1.3.6. Ruperea la oboseala Sub actiunea solicitarilor variabile materialele sufera degradari ireversibile constand din initierea si propagarea fisurilor, al caror efect final il reprezinta ruperea la oboseala. Dintre elementele utilajului petrolier care fac obiectul acestui curs sunt supuse solicitarilor variabile in principal componentele garniturii de foraj, prajinile pentru pompare si cuplul con-butonul falcii sapelor cu trei conuri. Ruperea la oboseala a imbinarilor filetate si a prajinilor de foraj reprezinta forma cea mai frecventa a avariilor elementelor garniturii de foraj. De asemenea, prajinile de pompare sunt avariate exclusiv prin rupere la oboseala in medii corosive, localizata in imbinarea filetata, in zona capetelor refulate si in corp. Fenomenul de oboseala la sapele de foraj se manifesta in principal prin fisurarea si spargerea conurilor si prin oboseala superficiala a lagarelor de rostogolire. Fenomenul ruperii la oboseala se desfasoara in trei etape: a) nucleatia fisurilor, determinata de modificarile locale ale caracteristicilor fizico-mecanice ale materialului; b) propagarea fisurilor, prin cresterea lor succesiva pana la atingerea unei valori critice; c) ruperea sectiunii transversale remanente a piesei. Initierea fisurilor in materialele policristaline are loc ca urmare a solicitarii repetate ce conduce la o ecruisare ciclica localizata initial in cristalele orientate favorabil in raport cu directia solicitarii.
Ca mecanism, ecruisarea se datoreste cresterii densitatii dislocatiior, a caror miscare este impiedicata datorita interactiunii cu obstacole din reteaua cristalina sau cu configuratiile de dislocatii generate anterior. Dupa un numar relativ redus de cicluri de solicitare in cristalele orientate favorabil, miscarea dislocatiilor se concentreaza in anumite plane formand benzi de alunecare in care au loc "eruptii" de material in folii subtiri denumite extruziuni, concomitent cu formarea in aceeasi banda a unor adancituri - intruziuni, prezentate in figura 1.8. Aparitia benzilor de alunecare si a intruziunilor reprezinta stadiul de nucleatie a fisurilor. Cu cresterea numarului de cicluri de solicitare, intruziunile se propaga intai in directia tensiunilor taietoare maxime (sub unghiul de 45 o fata de tensiunile normale ) in benzile de alunecare, reprezentand stadiul I de propagare, care corespunde la 1...5% din durtata de viata. In stadiul II de propagare, fig. 1.8, frontul fisurii se orienteaza perpendicular pe directia tensiunii normale, fisura propagandu-se transcristalin (la unele materiale ca fonta cu grafit lamelar, otelul turnat, aliajele de aluminiu de inalta rezistenta, fisura se propaga si intercristalin). Caracteristica principala a acestui stadiu o reprezinta propagarea intermitenta a fisurii prin deschiderea si inchiderea fisurilor la fiecare ciclu de solicitare, fenomen ce se materializeaza si pe suprafata de rupere a piesei prin prezenta unor striuri caracteristice.
Fig. 1.8
Viteza de propagare a fisurilor in stadiul II, da/dN (a - lungimea fisurii si N - numarul de cicluri), bazat pe conceptele mecanicii ruperii materialelor linear - elastice se exprima in functie de valoarea ciclica a factorului de intensitate a tensiunilor sub forma:
( 1.10 )
In figura 1.9 este reprezentata grafic acesta dependenta. In domeniile A si C se manifesta preponderent influenta microstructurii, iar in domeniul B (partial si in domeniul A), se manifesta influenta mediilor de lucru. Integrarea relatiei (1.10) permite determinarea numarului de cicluri pana la atingerea unei valori critice a lungimii fisurii care conduce la ruperea piesei si, prin aceasta, la calculul durabilitatii pieselor.
Fig. 1.9
La atingerea unei anumite valori a lungimii fisurii survine ruperea finala prin propagarea brusca a fisurii, atunci cand tensiunile de solicitare pe sectiunea remanenta a piesei depasesc rezistenta materialului. Astfel, sectiunea de rupere la oboseala a piesei va prezenta doua zone distincte (fig. 1.10): zona propagarii fisurii in stadiul II, relativ neteda si zona ruperii finale sau bruste, cu un aspect rugos. In figurile 1.11 si 1.12 se prezinta aspectele tipice ale suprafetelor de rupere la oboseala ale imbinarilor filetate ale garniturii de foraj. In fig. 1.12 fisurile de oboseala au initiat in zonele marcate cu 1, s-au propagat spre interiorul piesei, iar ruperea finala, brusca s-a produs in zonele marcate cu 2.
Fig. 1.10
Analiza macroscopica a suprafetei de rupere (macrofactografia) da indicatii asupra cauzelor ruperii, iar prin raportul ariilor zonei de propagare a fisurilor si cea a ruperii finale se obtin indicatii privind intensitatea solicitarii, conform tabelului 1.4.
Fig. 1.11
Fig. 1.12
Tabelul 1.4 Aspectul suprafetelor de rupere
Criteriul de baza pentru caracterizarea comportarii la solicitari variabile a materialelor il
constituie rezistenta la oboseala, definita ca tensiunea maxima a ciclului de solicitare, in valoare absoluta, care poate fi suportata cu o durabilitate nelimitata fara a surveni ruperea. De asemenea, comportarea materialului la solicitari variabile se poate caracteriza prin durabilitatea la oboseala, care reprezinta numarul de cicluri N la care se produce ruperea in conditii de solicitare date. Determinarea caracteristicilor de rezistenta ale materialelor la solicitari variabile se face prin incercari la oboseala pe epruvete sau piese reale. Incercarile se pot efectua cu amplitudinea tensiunii constanta (Wöhler), cu trepte multiple de efort si cu solicitari variabile programate. In figura 1.13 se prezinta curba Wöhler determinata pentru prajinile de foraj experimentate in aer (curba 1) si in fluid de foraj (curba 2). Se remarca imprastierea mare a rezultatelor, specifica incercarii la oboseala a pieselor reale si faptul ca mediul corosiv reduce valoarea rezistentei la oboseala, ajungand pana la anularea acesteia.
Fig. 1.13
Comportarea la oboseala este influentata de un mare numar de factori, care pot fi grupati in factori metalurgici, tehnologici, constructivi si de exploatare. Cunosterea influentei acestora este importanta pentru evidentierea cailor de crestere a rezistentei la oboseala, optimizarea tehnologiei de fabricatie si stabilirea conditiilor optime de exploatare. Influenta factorilor metalurgici. Procedeul de elaborare a otelului, gradul de dezoxidare, prelucrarea ulterioara in vid sau prin retopire in baie de zgura etc. influenteaza esential caracteristicile mecanice ale otelului, prin cantitatea, dimensiunea si distributia incluziunilor nemetalice, granulatia otelului si incluziunile gazoase. Cresterea gradului de puritate a otelului si finisarea granulatiei (prin dezoxidare cu Si si Al si tratarea in vid) conduc la cresterea rezistentei la oboseala, evidentiata prin cresterea raportului . Influenta incluziunilor nemetalice asupra rezistentei la oboseala este insa mai mica decat cea exercitata de prelucrarile mecanice. Influenta factorilor tehnologici. Obtinerea semifabricatelor prin deformare plastica la rece conduce la cresterea limitei de curgere si a rezistentei la rupere, iar in mai mica masura a rezistentei la oboseala. Directia fibrajului obtinut in urma deformarii plastice la cald conduce la o anizotropie pronuntata a proprietatilor, rezistenta la oboseala fiind mai mare cand epruvetele sunt prelevate in lungul fibrelor fata de cele prelevate transversal. Starea structurala a otelului influenteaza rezistenta la oboseala, aceasta modificandu-se prin tratament termic, in general similar cu modificarea rezistentei la rupere. Caracteristicile mecanice si de oboseala ale diferitelor structuri sunt sintetizate in figura 1.14. Se observa ca structura martensitica conduce la o crestere maxima a rezistentei la rupere, dar datorita lipsei de tenacitate, rezistenta la oboseala este mica. Cel mai bun raport
prezinta structurile de imbunatatire.
Fig. 1.14
Oxidarea sau decarburarea suprafetei in cursul operatiilor de incalzire pentru tratament termic si pentru deformare plastica (crusta de laminare), specifice prajinilor de foraj, prajinilor de pompare s. a., conduc la scaderea rezistentei la oboseala, conform fig. 1.15.
Fig. 1.15
Prelucrarea mecanica a suprafetei influenteaza caracteristicile fizico-mecanice ale acesteia, influentand rezistenta la oboseala prin modificarea rugozitatii, ecruisarii, tensiunilor reziduale, modificarilor structurale, modificarilor compozitiei chimice etc. Prelucrarile mecanice de finisare duc la cresterea rezistentei la oboseala cu pana la 30% atat prin reducerea rugozitatii, cat si prin ecruisarea suprafetei si introducerea in strat a tensiunilor de compresiune. Pentru a aprecia influenta starii suprafetei, in special a rugozitatii asupra rezistentei la oboseala se utilizeaza coeficientul de calitate a suprafetei, , definit ca raportul dintre rezistenta la oboseala a piesei cu o suprafata corespunzatoare unei anumite prelucrari ( -1 p) si cea a piesei lustruite ( -1): (1.11) Ecruisarea superficiala realizata prin rulare mareste rezistenta la oboseala datorita cresterii rezistentei la tractiune a stratului, dezvoltarii tensiunilor de compresiune in strat si reducerii rugozitatii. Procedeul este aplicat in principal pentru cresterea rezistentei la oboseala a imbinarilor filetate ale prajinilor grele si ale reductiilor, obtinandu-se cresteri de pana la 40%. Cele mai pronuntate cresteri ale rezistentei la oboseala se obtin la rularea concentratorilor de tensiuni, de exemplu a spirelor filetelor si a degajarilor pentru descarcarea tensiunilor. Calirea superficiala conduce la cresterea rezistentei la oboseala, hotaratoare fiind adancimea si forma stratului durificat. Situatia optima se obtine atunci cand stratul durificat urmareste conturul piesei, iar scaderea duritatii de la strat la miez este lenta. In figura 1.16 se prezinta valorile coeficietului de calitate a suprafetei in functie de tehnologiile de prelucrare aplicate.
Fig. 1.16
Influenta factorilor constructivi. Rezistenta la oboseala este influentata atat de concentratorii interni de tensiuni (incluziuni nemetalice, retasuri, pori, fisuri etc.), cat si de concentratorii externi: filete, treceri de diametru, canale de pana etc. sau defecte ale suprafetei: crusta de laminare, stropi de sudura etc. Pentru evidentierea efectului concentratorului de tensiuni asupra rezistentei la oboseala se introduce coeficientul efectiv de concentrare a tensiunilor, K , definit ca raportul dintre rezistenta la oboseala a piesei fara concentrator -1 si cea a piesei cu concentrator, -1K: (1.12) El este functie de forma concentratorului, de tipul solicitarii si de numarul de cicluri pana la rupere. Forma concentratorului este luata cantitativ in consideratie prin intermediul coeficientului de concentrare a tensiunilor, K (la solicitari statice), definit de relatia: (1.13) in care
max
reprezinta tensiunea maxima la baza concentratorului, iar
n
-tensiunea nominala.
Coeficientul efectiv de concentrare a tensiunilor se determina atat teoretic, pe baza cunoasterii coeficientului de concentrare a tensiunilor K, cat si experimental. In concluzie, pentru aprecierea conditiilor de producere a ruperii se utilizeaza caracteristicile de material determinate prin incercari mecanice traditionale (incercarea la tractiune, incercari la rupere prin soc, incercarea la oboseala) in aer sau in medii corosive, incercari pentru determinarea caracteristicilor necesare aplicarii criteriilor mecanicii ruperii materialelor ( K Ic , c - deplasarea la deschidere a fisurii) si incercari speciale, folosite cu precadere la produsele cu destinatie speciala ca prajinile de foraj, tevile de conducte etc. (incercarea de incovoiere prin soc pe epruvete incarcate cu sudura Pellini - Puzak, Drop Weight Tear Test s. a.). Caracteristicile mecanice astfel determinate sunt dependente de material si de tehnologia de fabricatie. In tabelul 1.5 se prezinta in sinteza criteriile de apreciere a sigurantei la rupere. Tabelul 1.5
Conceptul de rupere
Tipul solicitarii
Criteriul de apreciere In absenta concentratorilor de tensiuni
Ruperea metalelor linearelastice
Statica (fara influenta mediului) Statica (considerand influenta mediului)
Aprecierea sigurantei
In prezenta unui concentrator de tensiuni (real sau asimilat)
ech max
KI
Siguranta
ech max
Rm
KI KIc
Rupere fragila
ech max
<
SSC
(
KI
Siguranta
SSC
(
KI KI SSC(SCC)
Rupere prin propagarea
)
SCC
ech max
)
fisurii datorita coroziunii sub tensiune
SCC
Variabila
Ruperea metalelor elasticoplastice
Statica
smax
K < K0
Siguranta
smax sR
K
Rupere prin propagarea fisurii datorita oboselii
<
K0
Siguranta
c
c
Rupere fragila
In capitolele care urmeaza ale cursului se prezinta problemele alegerii materialelor si ale tehnologiilor de fabricatie care asigura - prin nivelul corespunzator al caracteristicilor de rezistenta in conditiile specifice de exploatare - siguranta la rupere.
