Fiecare forță pe care o tijă de foraj o simte subterană (și de ce cunoașterea lor schimbă modul în care cumpărați oțel)

Majoritatea oamenilor care cumpără prăjini de foraj se gândesc la ele în termeni de "câți metri trebuie să treacă până se rupă. " Asta e în regulă pentru o foaie de calcul de achiziții. Dar dacă vrei să înțelegide cetijele cedează — și de ce cele scumpe uneori nu se cedează, iar cele ieftine uneori se cedează — trebuie să te gândești în termeni de forțe.

O tijă de foraj pare simplă. Este o bară de oțel cu filete la ambele capete. Dar cele treizeci de secunde necesare pentru a găuri un metru de gaură supun bara respectivă unui profil de sarcină pe care puține componente ale mașinilor îl văd vreodată. Iată fiecare forță în acțiune, în ordinea în care lovesc tija.

Compresie și tensiune axială — Ciclul de împingere-tragere

Aceasta este cea mai evidentă. Pistonul lovește adaptorul tijei. Tija lovește tija. Tija lovește burghiul. Burghiul lovește roca.

Dar iată ce mulți oameni ratează: piatra ripostează.

Când burghiul lovește fața stâncii, roca nu doar absoarbe lovitura. Ea trimite o undă de tensiune reflectată înapoi pe fir. Această undă este de tracțiune - trage tija în loc să o împingă. Așadar, în timpul unui singur impact, tija trece de la compresie la tensiune și înapoi. La 50 de lovituri pe secundă, asta înseamnă 50 de cicluri complete de împingere-tragere în fiecare secundă, 180.000 pe oră.

Fiecare rădăcină a filetului, fiecare modificare a secțiunii transversale, fiecare discontinuitate metalurgică din acea tijă este întinsă și comprimată de trei mii de ori pe minut. Tija supraviețuiește deoarece nivelurile de solicitare rămân sub limita de oboseală a oțelului tratat termic corespunzător. Dar dacă această limită scade - din cauza supraîncălzirii, a unui defect de suprafață, a unui punct slab al tratamentului termic - ceasul începe să ticăie.

Stresul la încovoiere — Problema slăbiciunii

O tijă de foraj este o coloană subțire. Tijele R32 pentru săparea de tuneluri pot avea o lungime de trei metri, cu un diametru de 32 de milimetri la secțiunea filetată. Acesta este un raport de aspect care atinge 100:1.

Trei lucruri determină îndoirea acelei coloane. Gravitația singură va lăsa o tijă lungă, mai ales într-un șir de zece sau mai multe burghie. Forța de alimentare - presiunea care împinge burghiul înainte - adaugă mai mult dacă nu este perfect axială. Iar forța de impact, dacă tija nu este perfect dreaptă, introduce o componentă de îndoire cu fiecare lovitură, deoarece traiectoria energiei deviază de la linia centrală.

Tensiunea la încovoiere contează deoarece este aditivă. O tijă aflată sub compresie axială pură ar putea suporta un impact de 200 kN. Adăugați un moment de încovoiere provenit de la o ușoară curbură sau o alimentare nealiniată, iar tensiunea maximă la fibra exterioară a îndoirii ar putea fi dublă față de ceea ce ar produce numai sarcina axială. Așa se rupe o tijă care ar fi trebuit să fie amendată se rotește la jumătatea lungimii sale nominale.

Stresul torsional — Răsucirea

Motorul de rotație al unei garnituri de foraj hidraulice aplică cuplul necesar pentru a roti întreaga garnitură de foraj - tijă, tije, cuplaje, sapă. Tijele trebuie să transmită acest cuplu, suportând simultan impactul axial și orice sarcină de încovoiere prezentă.

Stresul torsional se adaugă la starea de stres combinat. O tijă supusă la torsiune, îndoire și impact axial se află într-o condiție de stres triaxial. Prezicerea defecțiunii în această condiție nu este simplă - depinde de magnitudinile relative și de răspunsul materialului la încărcarea multiaxială. Ceea ce contează practic este că o tijă cu rigiditate torsională ridicată supraviețuiește încărcării combinate mai bine decât una care se răsucește ușor, deoarece o deviere unghiulară mai mică înseamnă mai puțină energie disipată în corpul tijei în loc să fie transmisă rocii.

Uzură externă — frecare, ciobituri și apă

Nu toate forțele provin de la burghiu. Gaura în sine este un mediu abraziv.

Tija se freacă de peretele găurii, în special atunci când gaura deviază de la linia dreaptă. Așchiile de rocă se învârt în jurul tijei, transportate de apa de spălare, frecându-se de suprafață ca șmirghelul umed. Apa de spălare în sine, care transportă adesea particule abrazive fine, erodează suprafața tijei în timp. În condiții corozive de apă subterană - de exemplu, apa acidă de mină - oțelul este supus unui atac chimic, fiind în același timp supus unei sarcini mecanice, o combinație care accelerează fisurarea prin oboseală prin mecanisme de coroziune sub tensiune.

De aceea, finisajul suprafeței tijei este important și de ce tije care arată la fel pe o fișă tehnică se pot comporta diferit în subteran. O suprafață netedă și bine finisată rezistă la inițierea fisurilor. O suprafață rugoasă cu urme de prelucrare sau crustă oferă un punct de plecare pentru coroziune și oboseală.

Cărțile sălbatice — Operațiuni speciale

Apoi, există lucrurile pentru care undița nu a fost niciodată proiectată, dar i se cere oricum să le facă.

Scoaterea rocii libere cu garnitura de foraj. Smulgerea unei tije blocate dintr-o gaură prăbușită. Tragerea cu cartuș oarbă atunci când presiunea de alimentare scade și sapa pierde contactul cu fațada rocii. Introducerea tijei într-o gaură perimetrală netezită, unde pereții sunt fracturați și agățați. Fiecare dintre acestea aplică combinații de încărcări pe tijă care se încadrează în limitele proiectării.

O prăjină care poate fora normal pe o distanță de o mie de metri s-ar putea defecta la prima manevră a pârghiei. Forțele sunt diferite, concentrațiile de stres sunt diferite, iar prăjina nu știe și nici nu-i pasă că trebuia să reziste mai mult.

De ce contează acest lucru atunci când cumperi

Iată concluzia practică. Când te uiți la două tije de foraj cu specificații similare - același tip de filet, aceeași lungime, aceeași calitate a oțelului - și una costă cu 30% mai mult, diferența constă aproape întotdeauna în modul în care tija gestionează acest mediu de încărcare multiaxială.

Bara mai ieftină ar putea avea duritatea corectă a suprafeței, dar o tranziție bruscă către miez, ceea ce o face susceptibilă la oboseală la încovoiere. Ar putea avea rezistența corectă la tracțiune, dar un finisaj slab al suprafeței, oferind coroziunii un punct de sprijin. Ar putea avea geometria corectă, dar o liniaritate inconsistentă, astfel încât fiecare bară din garnitură adaugă propria componentă de încovoiere.

Lanseta care costă mai mult și durează mai mult nu este magică. Este doar oțel care a fost procesat pentru a face față tuturor celor cinci regimuri de forță simultan, nu doar celui care este cel mai ușor de specificat.