Підвищення працездатності елементів бурильної колони удосконаленим методом імпульсного вакуумного газотермоциклічного іонно-плазмового азотування та встановлення закономірностей впливу його параметрів на їх втомну міцність, зносостійкість та корозійну стійкість. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі: 1. Удосконалити технологічний процес ІВГТЦІПА і встановити закономірності впливу його параметрів на механічні властивості елементів 2. Провести експериментальні дослідження щодо визначення впливу механічних властивостей модифікованих поверхонь елементів BK на їх експлуатаційні характеристики. 3. Розробити математичні моделі та провести оптимізацію удосконаленого технологічного процесу ІВГТЦІПА, і на цій основі розробити науковий принцип управління ним за критеріями межі витривалості, корозійної стійкості та зносостійкості. 4. Розробити технологічні рекомендації щодо підвищення працездатності елементів BK удосконаленим методом ІВГТЦІПА. ЗМІСТ ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ 6 ВСТУП 7 РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ ФАКТОРІВ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА ПРАЦЕЗДАТНІСТЬ БУРОВИХ КОЛОН 14 1Л. Аналіз впливу експлуатаційних факторів на працездатність бурових колон 15 1.2. Основні технологічні процеси підвищення працездатності замкових різьбових з'єднань бурильної колони 28 1.3. Підвищення працездатності замкових різьбових з'єднань бурильної колони імпульсним вакуумним газотермоциклічним іонно- плазмовим азотуванням 38 Висновки до розділу 1 та постановка задач дослідження 41 РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ЩОДО ПІДВИЩЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ЕЛЕМЕНТІВ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ 43 2.1. Основні принципи системного підходу до вирішення проблеми підвищення працездатності замкових різьбових з'єднань бурильної колони 44 2.2. Експериментальний комплекс для випробування конструктивних елементів бурильної колони за критерієм циклічної міцності границі витривалості 52 2.2.1. Магнітострикційна установка для високочастотних випробувань на втому 52 2.2.2. Методика високочастотних випробувань на втому 53 2.3. Методика триботехнічних випробувань зміцнених поверхневих шарів конструктивних елементів бурильної колони 58 2.4. Методика дослідження корозійної стійкості конструктивних елементів бурильної колони 60 2.5 Методика втомних випробувань замкових різьбових з'єднань бурильної колони при циклічному згині 61 2.6. Методики дослідження властивостей зміцнених поверхонь конструктивних елементів бурильної колони 63 2.6.1. Дослідження мікротвердості зміцненого поверхневого шару 63 2.6.2. Мікрорентгеноспектральний, мікроструктурний та рентгенофазовий аналіз зміцненого поверхневого шару 63 2.6.3. Дослідження залишкових напружень в зміцненому поверхневому шарі 64 2.7. Методика оцінки напружено-деформованого стану зміцнених поверхонь конструктивних елементів з використанням кінцево- елементного аналізу 65 Висновки до розділу 2 68 РОЗДІЛ 3. ПЛАНУВАННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ TA УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ІМПУЛЬСНОГО ВАКУУМНОГО ГАЗОТЕРМОЦИКЛІЧНОГО ІОННО- ПЛАЗМОВОГО АЗОТУВАННЯ 70 3.1. Вибір критеріїв оптимізації, керованих факторів та побудова плану експерименту 70 3.2. Удосконалення технологічного процесу формування зміцнених поверхонь замкових різьбових з'єднань бурильної колони 75 3.2.1. Технологічна база вакуумного іонно-плазмового азотування 75 3.2.2. Удосконалення технологічного процесу зміцнення поверхонь замкових різьбових з'єднань бурильної колони імпульсним вакуумним газотермоциклічним іонно-плазмовим азотуванням 78 3.3. Удосконалення моделі процесу формування зміцнених поверхонь замкових різьбових з'єднань бурильної колони 84 3.4. Визначення закономірностей впливу параметрів удосконаленого технологічного процесу на властивості зміцненого поверхневого шару конструктивних елементів бурильної колони 86 3.4.1. Результати дослідження мікротвердості та товщини зміцненого поверхневого шару 86 3.4.2. Визначення механізму зміцнення поверхневого шару. 91 3.4.3. Результати дослідження залишкових напружень в зміцненому поверхневому шарі 97 Висновки до розділу 3 99 РОЗДІЛ 4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗМІЦНЕНИХ ПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ ЗАМКОВИХ РІЗЬБОВИХ З'ЄДНАНЬ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ 100 4.1. Триботехнічні випробування зміцнених поверхневих шарів конструктивних елементів бурильної колони 101 4.1.1. Результати триботехнічних досліджень 101 4.1.2.Побудова математичних моделей за результатами триботехнічних досліджень 110 4.2. Дослідження зміцнених поверхневих шарів конструктивних елементів бурильної колони на корозійну стійкість 117 4.2.1. Результати випробувань на корозійну стійкість 117 4.2.2.Побудова математичних моделей за результатами випробувань на корозійну стійкість 119 4.3. Дослідження зміцнених поверхневих шарів конструктивних елементів бурильної колони на втому 125 4.3.1. Результати випробувань на втому 125 4.3.2.Побудова математичних моделей за результатами випробувань на втому 129 4.3.3. Фрактографічний аналіз руйнування зміцнених поверхонь конструктивних елементів бурильної колони 135 4.3.4. Аналіз напружено-деформованого стану зміцнених поверхонь конструктивних елементів бурильної колони за допомогою методу кінцево-елементного аналізу 140 4.4. Результати втомних випробувань замкових різьбових з'єднань бурильної колони при циклічному згині 146 Висновки до розділу 4 147 РОЗДІЛ 5. РОЗРОБКА ПРАКТИЧНИХ РЕКОМЕНДАЦІЙ ЩОДО ПІДВИЩЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ЗАМКОВИХ РІЗЬБОВИХ З'ЄДНАНЬ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ 148 5.1. Визначення оптимальних параметрів удосконаленого технологічного процесу імпульсного вакуумного газотермоциклічного іонно-плазмового азотування 148 5.2. Розробка алгоритму підвищення працездатності замкових різьбових з'єднань бурильної колони імпульсним вакуумним газотермоциклічним іонно-плазмовим азотуванням 151 5.3. Техніко-економічне обґрунтування впровадження удосконаленого технологічного процесу імпульсного вакуумного газотермоциклічного іонно-плазмового азотування 155 5.3.1. Кількісна оцінка працездатності зміцнених замкових різьбових з'єднань бурильної колони 155 5.3.2. Економічна ефективність технологічного процесу зміцнення замкових різьбових з'єднань імпульсним вакуумним газотермоциклічним іонно-плазмовим азотуванням 157 Висновки до розділу 5 163 ВИСНОВКИ 165 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 167 ДОДАТОК А. Акт реалізації ДОДАТОК Б. Розрахунок економічного ефекту