Analiza defecțiunilor sculelor de foraj și cele mai bune practici pentru o durată de viață mai lungă

Uneltele de foraj pentru rocă funcționează într-unul dintre cele mai dificile medii mecanice din minerit, săparea de tuneluri, cariere și construcții. Burghiele, tijele de foraj, adaptoarele de coadă și cuplajele trebuie să transfere energie de impact repetată în timp ce se rotesc sub sarcină și funcționează în rocă abrazivă, praf, apă și vibrații.

Deoarece aceste scule sunt componente consumabile, uzura este așteptată. Cu toate acestea, defectarea prematură este diferită de uzura normală. Pierderea butonului din carbură, corpurile burghielor rupte, deteriorarea filetului, fracturarea tijei și fisurarea timpurie la oboseală pot opri găurirea cu mult înainte ca sculele să își atingă durata de viață așteptată.

O strategie practică privind sculele de găurire ar trebui să se concentreze pe două obiective: identificarea cauzei reale a defecțiunii și îmbunătățirea completă a sistemului de găurire. Durata de viață a sculei depinde de design, calitatea materialului, procesul de fabricație, selecția sculei, parametrii de funcționare, întreținere și practica operatorului.

Moduri comune de defectare a burghiului

Defecțiunile burghiului sunt adesea împărțite în uzură normală și deteriorare anormală. Uzura normală apare treptat pe măsură ce burghiul intră în contact cu roca și deșeurile de foraj. Deteriorările anormale includ inserții de carbură rupte, butoane pierdute, corpuri de burghiu fracturate, lame crăpate și conexiuni deteriorate.

În cazul frezelor de tip lamă, aripioarele subțiri de tăiere se pot uza rapid și își pot pierde stabilitatea geometrică. Pe măsură ce uzura radială crește, gaura se poate ocluza, rezistența la rotație se poate modifica, iar eficiența de tăiere poate scădea. Dacă corpul de oțel nu oferă suficient suport pentru plăcuțele din carbură, pot apărea și pierderi ale plăcuțelor.

Bucățile de nasturi au diferite modele de defectare. Exemplele comune includ pierderea marginii nasturilor, nasturii rupți, nasturii crăpați, fisurarea corpului, „pierderea de sarcină” și fracturarea în jurul zonelor cu solicitări mari. Nasturii cu solicitări mari sunt deosebit de vulnerabili deoarece sunt adesea supuși unor încărcări neuniforme și unor solicitări laterale mari.

Pe măsură ce impacturile repetate continuă, materialul din jurul orificiului butonului se poate deforma plastic. Gaura se poate mări sau evaza treptat, reducând forța de fixare a butonului din carbură. Dacă potrivirea cu interferență a orificiului butonului este prea mică, duritatea corpului bitului este prea scăzută sau procesul de instalare a butonului este inconsistent, retenția butonului poate scădea și, în cele din urmă, poate cauza pierderea acestuia.

Brazarea, calitatea aliajului de lipire, pregătirea suprafeței, controlul încălzirii și metoda de operare pot influența, de asemenea, retenția carburii. O plăcuță din carbură nu este fixată de un singur factor. Aceasta depinde de interacțiunea dintre geometria plăcuței, designul locașului, suportul corpului de oțel, metoda de îmbinare și condițiile de găurire.

Fractura și oboseala corpului bitului

Fractura corpului bitului este adesea o problemă de oboseală. Impactul și rotația repetate produc solicitări ciclice, în special în apropierea modificărilor geometrice. Zonele tipice cu risc ridicat includ tranziția dintre capătul tijei și fustă, partea inferioară a butonierelor și locațiile cu colțuri ascuțite sau schimbări bruște de secțiune.

Fisurile de oboseală încep de obicei la un punct slab. Aceasta poate fi o urmă de prelucrare, un colț intern ascuțit, o variație locală a tratamentului termic, o groapă de coroziune, o incluziune de material sau o deteriorare prin impact cauzată de manipularea incorectă. Odată ce apare o fisură, ciclurile repetate de găurire o pot face să crească până când corpul burghiului se fracturează.

O bună proiectare a burghiului reduce concentrarea stresului. Tranzițiile line, grosimea adecvată a peretelui, razele de racordare corespunzătoare și amplasarea echilibrată a butonului ajută la distribuirea mai uniformă a forței. De asemenea, procesul de fabricație trebuie să evite defectele de suprafață rugoasă, tratamentul termic necorespunzător și protecția insuficientă împotriva coroziunii.

Operațiunile pe teren contează la fel de mult. Găurirea excentrică, contactul slab dintre tijă și burghiu, forța de avans excesivă și lovirea sculelor cu ciocane pot introduce deteriorări care accelerează defectarea prin oboseală.

Moduri de defectare a tijei de foraj

O tijă de foraj este expusă la solicitări combinate de impact, solicitări de încovoiere, solicitări de torsiune și solicitări legate de coroziune. Prin urmare, trebuie să ofere o rezistență ridicată la oboseală, tenacitate la impact, rezistență la uzură și rezistență la apariția fisurilor.

Cea mai frecventă defecțiune a prăjinilor de foraj este fracturarea. Fracturile de oboseală se dezvoltă în cicluri repetate și adesea încep la un defect local. Printre punctele potențiale de inițiere se numără incluziunile nemetalice, porozitatea, petele albe, deteriorarea suprafeței, decarburarea, gropile de coroziune, uzura filetului și tratamentul termic deficitar.

O fractură fragilă poate apărea mai brusc. Poate apărea ca o suprafață de fractură cristalină strălucitoare, cu puține semne de creștere anterioară la oboseală. Ruperea fragilă este adesea asociată cu un defect local sever, duritate excesivă, tensiune reziduală nefavorabilă, modificări bruște ale secțiunii, defecte de forjare sau condiții de tratament termic neadecvate.

Uzura filetului este o altă problemă majoră. Filetele slăbite sau deteriorate reduc transferul de energie și creează mișcare la nivelul conexiunii. Acest lucru poate crește sarcina la impact, poate favoriza fisurile de oboseală și poate îngreuna cuplarea sau decuplarea. Inspecția regulată a filetului și lubrifierea corectă sunt esențiale.

Ruperea capătului tijei poate rezulta și din duritatea incorectă. Un capăt al tijei prea moale se poate deforma sau umfla. O secțiune prea dură se poate crăpa sau rupe la impact. Profilul de tratament termic trebuie proiectat pentru sistemul specific de găurire și sarcina de funcționare.

Îmbunătățiți durata de viață a sculelor printr-un design mai bun

O durată de viață mai lungă a sculei începe cu o proiectare structurală corectă. Pentru burghiele de foraj cu butoni, dimensiunea, forma, înălțimea de proiecție și amplasarea butonilor din carbură ar trebui să corespundă cu starea rocii și aplicația de foraj. Butonii de tăiere au nevoie de un suport suficient deoarece sunt supuși unor sarcini laterale și excentrice severe.

Reducerea înclinării excesive a marginii butonului poate îmbunătăți distribuția sarcinii și rezistența la impact. O potrivire corectă cu interferență, o calitate adecvată a butonierei și un suport mai puternic al corpului bitului pot îmbunătăți retenția butonului.

Designul de spălare este la fel de important. Spălarea eficientă îndepărtează așchiile de pe fundul găurii și reduce reascuțirea. Un sistem de spălare bun ajută la reducerea consumului de energie, la reducerea temperaturii burghiului și la încetinirea uzurii abrazive. Atunci când așchiile nu sunt îndepărtate eficient, burghiul trebuie să zdrobească în mod repetat materialul deja spart, crescând uzura atât a corpului de oțel, cât și a plăcuțelor din carbură.

Proiectarea tijei de foraj ar trebui să asigure, de asemenea, o durată lungă de viață. Filetele precise, geometria adecvată a filetului, călirea controlată a suprafeței și o liniaritate bună contribuie la reducerea deteriorării conexiunilor și a riscului de oboseală. Laminarea sau alte metode de formare controlată pot îmbunătăți starea suprafeței în anumite zone, dar procesul final trebuie validat pentru produsul specific.

Calitatea materialelor și a fabricației

Alegerea materialelor trebuie să echilibreze tenacitatea, rezistența la uzură, rezistența la oboseală, rezistența la coroziune și capacitatea de susținere a carburilor. Oțelul pentru burghiu și oțelul pentru corpul burghiului trebuie selectate în funcție de tratamentul termic și de condițiile de foraj preconizate.

Articolul sursă enumeră mai multe clase istorice de oțel și referințe de performanță. Aceste cifre nu ar trebui tratate ca specificații universale. Selecția materialelor moderne ar trebui să se bazeze pe date inginerești calificate, capacitatea furnizorului, geometria necesară a sculelor, condițiile de găurire și standardele aplicabile.

Calitatea fabricației este la fel de importantă. Tratamentul termic trebuie controlat pentru a evita decarburarea excesivă, duritatea neuniformă, fisurarea prin răcire sau tensiunea reziduală nefavorabilă. Pentru burghiele lipite, echipamentul de încălzire trebuie să permită un control constant al temperaturii și să minimizeze oxidarea. Suprafețele corpului de oțel și ale inserției de carbură trebuie curățate înainte de îmbinare.

Pentru biții de butoni, inserția la cald poate oferi o retenție stabilă a butonului în multe aplicații cu diametru mediu și mare, atunci când procesul este controlat corespunzător. Inserția la rece poate fi, de asemenea, eficientă, dar necesită o prelucrare precisă a găurilor, un finisaj bun al suprafeței, o interferență adecvată și un control fiabil al instalării.

Practici corecte de foraj

Chiar și o unealtă bine concepută poate eșua devreme dacă este utilizată incorect. Operatorii ar trebui să respecte câteva practici de bază:

• Începeți să perforați cu avans controlat și lăsați burghiul să se așeze înainte de a aplica puterea maximă de găurire.

• Mențineți tija de foraj, cuplajul și adaptorul tijei aliniate și complet angajate.

• Mențineți o clătire adecvată pentru a îndepărta butașii și a răci sapa.

• Evitați găurirea uscată atunci când unealta și aplicația necesită clătire.

• Inspectați uneltele în mod regulat pentru uzură, crăpături, nasturi slăbiți, filete deteriorate și coroziune.

• Rectificați carbura uzată înainte de apariția unor deteriorări grave.

• Nu îndepărtați bucățile lovindu-le cu un ciocan manual; folosiți unelte de îndepărtare adecvate.

• Când o unealtă se blochează, evitați impactul excesiv. Folosiți o spălare controlată și o mișcare atentă de alimentare și retragere, în conformitate cu procedura de operare în siguranță a producătorului instalației de foraj.

• Înlocuiți componentele uzate sau deteriorate ale garniturii de foraj înainte ca acestea să deterioreze alte părți ale sistemului.

Concluzie

Defectarea sculelor de foraj este de obicei rezultatul unor factori care interacționează, mai degrabă decât al unui singur defect. Fisurarea corpului sapei, pierderea carburii, fracturarea tijei de foraj și uzura filetului pot fi influențate de design, material, tratament termic, calitatea fabricației, condițiile de foraj și funcționare.

Cea mai fiabilă cale către o durată de viață mai lungă este o abordare sistemică: selectați unealta corectă pentru rocă și instalație, utilizați procese de fabricație controlate, mențineți parametrii de foraj adecvați, inspectați componentele în mod regulat și instruiți operatorii pentru a evita practicile dăunătoare. Acest lucru îmbunătățește consecvența penetrării, reduce timpii de nefuncționare și scade costul total de foraj pe metru.