TRIBOLOGICAL PERFORMANCE OF EPOXY COMPOSITE LININGS UNDER WET SLIDING CONDITIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MSC_THESIS_last version_Abdisalam_Mohamed.pdf Restricted to Repository staff only until 8 January 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تقدم هذه الأطروحة دراسة تجريبية للسلوك الترايبولوجي لبطانتين مركبتين قائمتين على البوليمرات، يُشار إليهما باسم البطانة (A) والبطانة (B)، والمصممتين للاستخدام في عمليات الحفر الاتجاهي. تتكون كلتا المادتين من مصفوفة إيبوكسية مدعمة بألياف زجاجية قصيرة ومضاف إليها حشوات خزفية، وقد تم تقييم أدائهما تحت ظروف الانزلاق الرطب وبالتلامس المباشر مع وصلة أنبوب الحفر كاملة الحجم (DP-TJ) باستخدام طين حفر مائي (WBM) كوسط رطب. تدرس هذه الدراسة بشكل منهجي تأثير القوة الضاغطة (1000 و1200 و1400 نيوتن) وسرعة الدوران (65 و115 و154 دورة/دقيقة) على تطور عمق التآكل، وحجم التآكل، ومعدل التآكل النوعي، وسلوك الاحتكاك أثناء الانزلاق. كما أُجري توصيف دقيق للبنية المجهرية باستخدام المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والتحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) لدراسة آليات التآكل السائدة ودور تماسك الحطام تحت ظروف طين الحفر المائي. تشير قياسات الصلادة إلى أن البطانة (B) تُظهر قيماً أعلى قليلاً لصلادة Vickers وصلادةShoreD ، وهو ما يتوافق مع مصفوفتها المقواة بالزركونيا وقدرتها المحسنة على تحمل الأحمال. وتُظهر نتائج التآكل أن كلتا البطانتين المركبتين تتسمان بحساسية عالية لتراكيب الحمل–السرعة، حيث ينخفض معدل التآكل النوعي عند السرعات المتوسطة والعالية، ويرجح أن يكون ذلك نتيجة تحسن انجراف الطين واستقرار الأجسام الثالثة المتولدة من الحطام. وتتميز البطانة (A) بتآكل تهيمن عليه أخاديد كاشطة ضحلة، وإزالة المصفوفة، وانسحاب الألياف القصيرة، وانفصال الحشوات، خاصة عند السرعات المنخفضة حيث يسود نظام التشحيم الحدّي. وعلى النقيض من ذلك، تُظهر البطانة (B) معدلات تآكل أقل في عدة نوافذ تشغيلية، مع تكوّن طبقات تآكل أكثر تماسكاً مدعمة بشظايا خزفية تسهم في إعادة توزيع الإجهادات والحد من القطع العميق. كما تُظهر قياسات الاحتكاك انخفاضاً عاماً مع زيادة السرعة لكلتا البطانتين، مما قد يعكس الانتقال نحو أنظمة تشحيم مختلطة أو هيدروديناميكية. تكشف ملاحظات SEM/EDS أن التآكل تحت ظروف طين الحفر المائي تحكمه مجموعة من الآليات تشمل القطع الكاشط الدقيق، والتشقق المجهري للمصفوفة، وانضغاط الحطام، والانفصال المتقطع لتجمعات المصفوفة–الألياف المتقوضة. ويبدو أن تكوّن واستقرار طبقة الجسم الثالث عاملان حاسمان في التحكم في إزالة المادة، لا سيما عند السرعات المرتفعة حيث تصبح التأثيرات الهيدروديناميكية أكثر وضوحاً. وبوجه عام، تُظهر الدراسة أن كلتا البطانتين المركبتين تحافظان على سلامتهما البنيوية ضمن نطاق تراكيب قوة الضغط والسرعة التي تم اختبارها، مع إبراز مزايا الجمع بين التقوية بالألياف والجسيمات في البطانات المركبة من حيث استقرار طبقات التآكل والتقليل من معدلات التآكل.

English Abstract

This thesis presents an experimental investigation into the tribological behavior of two polymer-based composite casing linings, designated as Lining-A and Lining-B, intended for use in directional drilling operations. Both lining materials, consisting of short glass fiber–reinforced epoxy matrices with ceramic fillers, were evaluated under wet sliding contact with a full-scale drill pipe tool joint (DP-TJ) using water-based mud (WBM) lubrication. The study systematically examines the influence of radial load (1000, 1200, and 1400 N) and rotational speed (65, 115, and 154 rpm) on wear depth progression, wear volume, specific wear rate, and frictional behavior over 5 hours of sliding. Detailed microstructural characterization using optical microscopy, SEM, and EDS were performed to investigate the governing wear mechanisms and the role of debris consolidation under WBM conditions. Hardness measurements indicate that Lining-B exhibits slightly higher Vickers and Shore D hardness, consistent with its zirconia-toughened matrix and improved load-bearing capability. The wear results demonstrate that both composite linings show strong sensitivity to load–speed combinations, with specific wear rates decreasing at intermediate and high speeds, probably due to improved mud entrainment and stabilization of debris-derived third bodies. Lining-A shows wear dominated by shallow abrasive grooving, matrix removal, short-fiber pull-out, and filler detachment, particularly at low speeds where boundary lubrication prevails. In contrast, Lining-B exhibits reduced wear in several operating windows, forming more cohesive tribolayers reinforced with ceramic fragments that redistribute stresses and limit deep cutting. Friction measurements show a general decrease with increasing speed for both linings, possibly reflecting transitions toward mixed or hydrodynamic lubrication regimes. SEM/EDS observations reveal that wear under WBM conditions appears to be governed by a combination of abrasive micro-cutting, matrix micro-cracking, debris compaction, and intermittent detachment of undermined matrix–fiber clusters. The formation and stability of the third-body layer appear to be critical in controlling material removal, particularly at elevated speeds where hydrodynamic effects become more pronounced. Overall, the study demonstrates that both composite linings maintain structural integrity over the range of load and speed combinations investigated, while also highlighting the advantages of combining fiber- and particle-reinforced composite linings in stabilizing tribolayers and mitigating wear.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Gasem, Zuhair Mattoug
Committee Members:	Merah, Nesar Ammar and Al-Qutub, Amro Mohammad
Depositing User:	ABDISALAM MOHAMED (g202309790)
Date Deposited:	08 Jan 2026 09:04
Last Modified:	08 Jan 2026 09:04
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144004