岩石钻进过程刀具温度变化特性及其热失效机理

摘要

岩石钻进刀具的使用寿命直接影响到煤矿及油气田的生产效率和施工成本。岩石钻进过程中刀具失效机理的深入研究为提高刀具寿命和岩石钻进效率提供重要的理论基础,对保障煤炭安全生产以及油气能源稳定供应等重大工程问题有着重要的学术意义和工程应用价值。然而目前国内外对岩石钻进过程刀具的失效机理的认识仍不很清楚,尚不能准确回答岩石钻进刀具温度变化的具体规律以及温度变化对刀具失效行为的具体影响机制。
　　 本文针对当前国内外研究现状,采用实验和理论相结合的方法,对岩石钻进过程刀具的温度变化特性及发热效应对刀具失效行为的影响机理进行了深入系统的研究。利用红外热像仪对岩石钻进过程的热效应进行观测,突破了制约传统岩石钻进刀具温度采集技术的发展瓶颈,有效地掌握了岩石钻进过程中红外热特征和刀具温度变化规律；对岩石钻进过程进行了系统的热力学分析,建立了刀具工作温度的解析计算模型,弥补了测试手段的不足；分析了刀具与岩石摩擦界面闪温产生的原因,给出了基于均匀分布和概率分布模型的摩擦闪温计算方法；最后通过实验和理论分析对岩石钻进过程的刀具热断裂和热磨损机理进行了深入系统研究。本文主要的研究结论如下:
　　 ①首次将红外热感应测温技术引入到岩石钻进温度研究领域,实现了对岩石钻进过程刀具温度的有效采集,红外热像测试实验的分析结果表明:岩石钻进初始阶段刀具的温升速率非常高,随着钻进活动的持续,刀具温度总体呈振荡攀升的趋势。当钻进达到稳定状态时,热量的产生和耗散会达到一种热平衡状态,这时刀具的平均温度总体上基本保持不变。另外,首次通过实验直接证实了闪温现象的存在,而且闪温的频率和极值存在很大的不确定性。
　　 ②通过对岩石钻进过程进行系统传热分析,给出了描述刀具温度变化的微分方程组,归纳了影响刀具温度变化的各种影响因素,从而建立了干切削和水冷却条件下刀具平均工作温度的解析计算模型。研究表明:在干切削情况下,刀片切削面温度变化与切削速度V的平方根成正比；水流的存在可以大幅降低刀具的平均温度,水流对刀片的换热功率ψ9与水流速度VL的平方根正比,刀片平均温度的变化与VL-1/2成正比。
　　 ③首次提出了摩擦表面接触系数的概念,指出名义接触面积和实际接触面积的不一致而造成的热量集中是摩擦闪温产生的根源,给出了基于均匀分布和概率分布模型的摩擦闪温解析计算模型并分析了水流冷却条件对闪温计算的影响。计算分析与实验结果表明:刀具与岩石的摩擦闪温严重依赖两摩擦面的接触系数和各自表面微凸体分布情况；材料摩擦过程中的闪温远远高出其摩擦平均温度,主要影响因素包括摩擦力、摩擦系数、相对滑动速度、接触系数、换热条件等因素影响。通过与红外测温实验的比较,本文给出的闪温解析计算模型不但形式简洁计算量相对较小而且与实验结果更接近,对工程应用更具现实的指导意义。
　　 ④系统建立了在岩石钻进过程中刀具的热应力计算模型,在详细给出了在岩石钻进过程中刀具的宏观热应力和微观热应力的解析计算方法基础上,建立了热力耦合条件下刀具脆性断裂的判断准则,并对刀具材料断裂过程的进行了热力学分析。通过计算得出水射流可以大幅降低刀片的宏观和微观热应力,泵压的增大有助于热应力的降低。结合试验结果,对刀具的断裂行为进行分析后发现,无论是干切削还是水冷条件下,刀具在切削岩石过程中产生的热应力大大超过了刀片所受机械应力,热应力过高是导致岩石钻进过程刀具脆性断裂的主要原因。
　　 ⑤结合实验与理论分析,得到了热效应对水射流冷却条件下刀具磨损的具体影响作用机理。利用光学和扫描电子显微镜对硬质合金刀片工作表面磨损形貌进行深入研究后认为水冷条件下硬质合金刀片的表面磨损主要是受摩擦闪温的影响所导致:刀具和岩石接触过程中产生很高的闪温使接触面上的微凸体软化(甚至熔化)进而在接触压力的作用下被碾平,同时闪温带来的热应力也会使材料表面产生微小热裂纹进而形成新的微凸体；微凸体不断生成和碾平的循环过程导致了刀片宏观磨损现象的产生。