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Monatliches Archiv: September 2023

Tribologie des Gesteins

FELSEN-TRIBOLOGIE

MIT NANOVEA TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Gesteine bestehen aus Mineralkörnern. Die Art und Häufigkeit dieser Mineralien sowie die chemische Bindungsstärke zwischen den Mineralkörnern bestimmen die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Gesteine. Abhängig von den geologischen Gesteinszyklen können Gesteine Transformationen durchlaufen und werden typischerweise in drei Haupttypen eingeteilt: magmatisch, sedimentär und metamorph. Diese Gesteine weisen unterschiedliche mineralische und chemische Zusammensetzungen, Permeabilitäten und Partikelgrößen auf, und diese Eigenschaften tragen zu ihrer unterschiedlichen Verschleißfestigkeit bei. Die Gesteinstribologie untersucht das Verschleiß- und Reibungsverhalten von Gesteinen unter verschiedenen geologischen und Umweltbedingungen.

WICHTIGKEIT DER FELSEN-TRIBOLOGIE

Während des Bohrvorgangs von Bohrlöchern treten verschiedene Arten der Abnutzung des Gesteins, einschließlich Abrieb und Reibung, auf, was zu erheblichen direkten Verlusten und Folgeverlusten führt, die auf die Reparatur und den Austausch von Bohrern und Schneidwerkzeugen zurückzuführen sind. Daher ist die Untersuchung der Bohrbarkeit, Bohrbarkeit, Schneidbarkeit und Abrasivität von Gesteinen in der Öl-, Gas- und Bergbauindustrie von entscheidender Bedeutung. Die Gesteinstribologieforschung spielt eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der effizientesten und kostengünstigsten Bohrstrategien, steigert dadurch die Gesamteffizienz und trägt zur Einsparung von Materialien, Energie und Umwelt bei. Darüber hinaus ist die Minimierung der Oberflächenreibung äußerst vorteilhaft, da sie die Wechselwirkung zwischen Bohrmeißel und Gestein verringert, was zu einem geringeren Werkzeugverschleiß und einer verbesserten Bohr-/Schneideffizienz führt.

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir die tribologischen Eigenschaften zweier Gesteinsarten simuliert und verglichen, um die Leistungsfähigkeit des NANOVEA T50 zu demonstrieren Tribometer bei der kontrollierten und überwachten Messung des Reibungskoeffizienten und der Verschleißrate von Gesteinen.

NANOVEA

T50

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DIE MUSTER

TESTVORGANG

Der Reibungskoeffizient, COF und die Verschleißfestigkeit von zwei Gesteinsproben wurden mit dem NANOVEA T50 Tribometer unter Verwendung des Pin-on-Disc-Verschleißmoduls bewertet. Als Gegenmaterial wurde eine Al2O3-Kugel (6 mm Durchmesser) verwendet. Nach den Tests wurde die Verschleißspur mit dem NANOVEA Non-Contact Profilometer untersucht. Nachfolgend sind die Testparameter zusammengefasst. 

Die Verschleißrate K wurde mithilfe der Formel K=V/(F×s)=A/(F×n) bewertet, wobei V das verschlissene Volumen, F die normale Belastung, s die Gleitstrecke und A ist die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n ist die Anzahl der Umdrehungen. Oberflächenrauheit und Verschleißspurprofile wurden mit dem NANOVEA Optical Profilometer bewertet und die Verschleißspurmorphologie wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht. 

Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie als Beispiel die Al2O3-Kugel als Gegenmaterial verwendet wurde. Jedes feste Material mit unterschiedlichen Formen kann mit einer maßgeschneiderten Vorrichtung aufgetragen werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

PRÜFPARAMETER

STAHLOBERFLÄCHE

Kalkstein, Marmor

VERSCHLEISSRINGRADIUS 5 mm
NORMALE KRAFT 10 N
TESTDAUER 10 Minuten
SPEED 100 U/min

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Härte (H) und der Elastizitätsmodul (E) der Kalkstein- und Marmorproben werden in ABBILDUNG 1 unter Verwendung des Micro Indentation-Moduls des NANOVEA Mechanical Tester verglichen. Die Kalksteinprobe wies mit 0,53 bzw. 25,9 GPa niedrigere H- und E-Werte auf, im Gegensatz zu Marmor, der Werte von 1,07 für H und 49,6 GPa für E aufwies. Die relativ höhere Variabilität der H- und E-Werte, die in beobachtet wurde Die Kalksteinprobe ist auf ihre größere Oberflächeninhomogenität zurückzuführen, die auf ihre körnigen und porösen Eigenschaften zurückzuführen ist.

Die Entwicklung des COF während der Verschleißtests der beiden Gesteinsproben ist in ABBILDUNG 2 dargestellt. Der Kalkstein erfährt zu Beginn des Verschleißtests zunächst einen schnellen Anstieg des COF auf etwa 0,8 und behält diesen Wert während der gesamten Testdauer bei. Diese abrupte COF-Änderung kann auf das Eindringen der Al2O3-Kugel in die Gesteinsprobe zurückgeführt werden, was auf einen schnellen Verschleiß- und Aufrauungsprozess an der Kontaktfläche innerhalb der Verschleißspur zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu zeigt die Marmorprobe nach etwa 5 Metern Gleitstrecke einen deutlichen Anstieg des COF auf höhere Werte, was auf ihre überlegene Verschleißfestigkeit im Vergleich zum Kalkstein hinweist.

ABBILDUNG 1: Vergleich der Härte und des Elastizitätsmoduls zwischen Kalkstein- und Marmorproben.

ABBILDUNG 2: Entwicklung des Reibungskoeffizienten (COF) in Kalkstein- und Marmorproben während Verschleißtests.

ABBILDUNG 3 vergleicht die Querschnittsprofile der Kalkstein- und Marmorproben nach den Verschleißtests und Tabelle 1 fasst die Ergebnisse der Verschleißspuranalyse zusammen. ABBILDUNG 4 zeigt die Verschleißspuren der Proben unter dem Lichtmikroskop. Die Bewertung der Verschleißspur stimmt mit der Beobachtung der COF-Entwicklung überein: Die Marmorprobe, die über einen längeren Zeitraum einen niedrigen COF beibehält, weist eine geringere Verschleißrate von 0,0046 mm³/N m auf, verglichen mit 0,0353 mm³/N m beim Kalkstein. Die überlegenen mechanischen Eigenschaften von Marmor tragen zu einer besseren Verschleißfestigkeit als Kalkstein bei.

ABBILDUNG 3: Querschnittsprofile der Verschleißspuren.

TALBEREICH TAL-TIEFE VERSCHLEISSRATE
KALKSTEIN 35,3 ± 5,9 × 104 μm2 229 ± 24 μm 0,0353 mm3/Nm
MARMOR 4,6 ± 1,2 × 104 μm2 61 ± 15 μm 0,0046 mm3/Nm

TABELLE 1: Ergebniszusammenfassung der Verschleißspuranalyse.

ABBILDUNG 4: Abnutzungsspuren unter dem Lichtmikroskop.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Fähigkeit des NANOVEA Tribometers demonstriert, den Reibungskoeffizienten und die Verschleißfestigkeit von zwei Gesteinsproben, nämlich Marmor und Kalkstein, auf kontrollierte und überwachte Weise zu bewerten. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Marmor tragen zu seiner außergewöhnlichen Verschleißfestigkeit bei. Diese Eigenschaft macht das Bohren oder Schneiden in der Öl- und Gasindustrie zu einer Herausforderung. Umgekehrt verlängert es seine Lebensdauer deutlich, wenn es als hochwertiger Baustoff, beispielsweise als Bodenfliese, verwendet wird.

NANOVEA-Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstestfunktionen und entsprechen den ISO- und ASTM-Standards sowohl im Rotations- als auch im Linearmodus. Darüber hinaus bietet es optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, die alle nahtlos in ein System integriert sind. Das unübertroffene Sortiment von NANOVEA ist eine ideale Lösung zur Bestimmung des gesamten Spektrums tribologischer Eigenschaften dünner oder dicker, weicher oder harter Beschichtungen, Filme, Substrate und Gesteinstribologie.

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