USA/GLOBALNE: +1-949-461-9292
EUROPA: +39-011-3052-794
pl_PL PL
pl_PL PL en_US EN es_MX ES de_DE DE fr_FR FR it_IT IT zh_CN ZH ja JA pt_BR PT tr_TR TR ko_KR KO ar AR
KONTAKT

Tribologia skał

TRIBOLOGIA SKALNA

KORZYSTANIE Z TRYBOMETRU NANOVEA

Przygotowane przez

DUANJIE LI, PhD

WPROWADZENIE

Skały składają się z ziaren minerałów. Rodzaj i liczebność tych minerałów, a także siła wiązań chemicznych pomiędzy ziarnami minerałów decydują o właściwościach mechanicznych i tribologicznych skał. W zależności od geologicznych cykli skalnych skały mogą ulegać przemianom i zazwyczaj dzieli się je na trzy główne typy: magmowe, osadowe i metamorficzne. Skały te charakteryzują się różnym składem mineralnym i chemicznym, przepuszczalnością i wielkością cząstek, co wpływa na ich zróżnicowaną odporność na zużycie. Trybologia skał bada zużycie i tarcie skał w różnych warunkach geologicznych i środowiskowych.

ZNACZENIE TRIBOLOGII SKAŁ

Podczas wiercenia studni występują różnego rodzaju zużycie skał, w tym ścieranie i tarcie, co prowadzi do znacznych strat bezpośrednich i następczych związanych z naprawą i wymianą wierteł i narzędzi skrawających. Dlatego badanie możliwości wiercenia, drążenia, skrawania i ścieralności skał ma kluczowe znaczenie w przemyśle naftowym, gazowym i wydobywczym. Badania tribologiczne skał odgrywają kluczową rolę w wyborze najbardziej wydajnych i opłacalnych strategii wierceń, zwiększając w ten sposób ogólną wydajność i przyczyniając się do ochrony materiałów, energii i środowiska. Dodatkowo minimalizacja tarcia powierzchniowego jest bardzo korzystna, ponieważ zmniejsza interakcję pomiędzy koroną wiertniczą a skałą, co skutkuje zmniejszeniem zużycia narzędzia i poprawioną wydajnością wiercenia/cięcia.

CEL POMIARU

W tym badaniu symulowaliśmy i porównaliśmy właściwości tribologiczne dwóch rodzajów skał, aby zaprezentować możliwości NANOVEA T50 Tribometr w pomiarze współczynnika tarcia i szybkości zużycia skał w sposób kontrolowany i monitorowany.

NANOVEA

T50

DOWIEDZ SIĘ WIĘCEJ

PRÓBKI

PROCEDURA TESTOWA

Współczynnik tarcia, COF i odporność na zużycie dwóch próbek skał oceniono za pomocą trybometru NANOVEA T50 przy użyciu modułu zużycia Pin-on-Disc. Jako materiał licznika zastosowano kulkę Al2O3 (średnica 6 mm). Po badaniach sprawdzono ślad zużycia za pomocą bezkontaktowego profilometru NANOVEA. Poniżej podsumowano parametry testu. 

Szybkość zużycia K obliczono za pomocą wzoru K=V/(F×s)=A/(F×n), gdzie V to objętość zużycia, F to normalne obciążenie, s to droga poślizgu, A to pole przekroju poprzecznego bieżni, n jest liczbą obrotów. Chropowatość powierzchni i profile śladów zużycia oceniano za pomocą profilometru optycznego NANOVEA, a morfologię śladów zużycia badano za pomocą mikroskopu optycznego. 

Należy pamiętać, że w tym badaniu jako przykład wykorzystano kulkę Al2O3 jako materiał licznika. Za pomocą niestandardowego uchwytu można zastosować dowolny materiał lity o różnych kształtach, aby symulować rzeczywistą sytuację zastosowania.

PARAMETRY BADANIA

POWIERZCHNIA STALOWA

Wapień, marmur

PROMIeń PIERŚCIENIA ZUŻYWANEGO 5 mm
NORMALNA SIŁA 10 N
CZAS TRWANIA TESTU 10 minut
PRĘDKOŚĆ 100 obr./min

WYNIKI I DYSKUSJA

Twardość (H) i moduł sprężystości (E) próbek wapienia i marmuru porównano na FIGURZE 1, wykorzystując moduł mikroindentacji testera mechanicznego NANOVEA. Próbka wapienia wykazywała niższe wartości H i E, wynoszące odpowiednio 0,53 i 25,9 GPa, w przeciwieństwie do marmuru, który zanotował wartości 1,07 dla H i 49,6 GPa dla E. Stosunkowo większa zmienność wartości H i E zaobserwowana w próbkę wapienia można przypisać większej niejednorodności powierzchni, wynikającej z jej granulowanej i porowatej charakterystyki.

Ewolucję COF podczas testów zużycia dwóch próbek skał przedstawiono na FIGURZE 2. Wapień początkowo doświadcza szybkiego wzrostu COF do około 0,8 na początku testu zużycia, utrzymując tę wartość przez cały czas trwania testu. Tę nagłą zmianę COF można przypisać wnikaniu kulki Al2O3 w próbkę skały, co wynika z szybkiego procesu zużycia i chropowatości zachodzącego na powierzchni styku w ścieżce zużycia. Natomiast próbka marmuru wykazuje zauważalny wzrost współczynnika COF do wyższych wartości po przebyciu około 5 metrów drogi poślizgu, co oznacza jej lepszą odporność na zużycie w porównaniu z wapieniem.

RYSUNEK 1: Porównanie twardości i modułu Younga próbek wapienia i marmuru.

RYSUNEK 2: Ewolucja współczynnika tarcia (COF) w próbkach wapienia i marmuru podczas testów zużycia.

FIGURA 3 porównuje profile przekrojów próbek wapienia i marmuru po testach zużycia, a Tabela 1 podsumowuje wyniki analizy śladu zużycia. FIGURA 4 przedstawia ślady zużycia próbek pod mikroskopem optycznym. Ocena śladu zużycia jest zgodna z obserwacją ewolucji COF: Próbka marmuru, która utrzymuje niski współczynnik COF przez dłuższy czas, wykazuje niższą szybkość zużycia wynoszącą 0,0046 mm3/N m w porównaniu z 0,0353 mm3/N m w przypadku wapienia. Doskonałe właściwości mechaniczne marmuru przyczyniają się do jego lepszej odporności na zużycie niż wapień.

RYSUNEK 3: Profile przekrojów śladów zużycia.

OBSZAR DOLINY GŁĘBOKOŚĆ DOLINY STOPIEŃ ZUŻYCIA
WAPIEŃ 35,3 ± 5,9 × 104 um2 229±24 µm 0,0353 mm3/Nm
MARMUR 4,6 ± 1,2 × 104 um2 61±15 μm 0,0046 mm3/Nm

TABELA 1: Podsumowanie wyników analizy śladów zużycia.

RYSUNEK 4: Ślady zużycia w mikroskopie optycznym.

PODSUMOWANIE

W tym badaniu zaprezentowaliśmy możliwości trybometru NANOVEA w ocenie współczynnika tarcia i odporności na zużycie dwóch próbek skał, mianowicie marmuru i wapienia, w kontrolowany i monitorowany sposób. Doskonałe właściwości mechaniczne marmuru przyczyniają się do jego wyjątkowej odporności na zużycie. Ta właściwość utrudnia wiercenie lub cięcie w przemyśle naftowym i gazowym. I odwrotnie, znacznie wydłuża jego żywotność, gdy jest stosowany jako wysokiej jakości materiał budowlany, taki jak płytki podłogowe.

Trybometry NANOVEA oferują precyzyjne i powtarzalne możliwości testowania zużycia i tarcia, spełniając normy ISO i ASTM zarówno w trybie obrotowym, jak i liniowym. Dodatkowo zapewnia opcjonalne moduły do zastosowań związanych ze zużyciem w wysokiej temperaturze, smarowaniem i trybokorozją, a wszystko to płynnie zintegrowane w jeden system. Niezrównany asortyment NANOVEA to idealne rozwiązanie do określania pełnego zakresu właściwości tribologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, folii, podłoży i tribologii skał.

Komentarz

Prawa autorskie © 2024 Nanovea. Wszelkie prawa zastrzeżone.