Modalități de a îmbunătăți durata de viață a uneltelor de foraj pentru roci
Analiza defecțiunilor sculelor de foraj:
În ultimii ani, uneltele de foraj din țara mea s-au dezvoltat rapid, formându-se o serie de produse cu caracteristici proprii, cum ar fi burghiele cu dinți de coloană, burghiele integrale din carbură, burghiele de foraj extrem de rezistente, carbura K610, oțelul de foraj cu rezistență ultra-înaltă Ni-Cr-Mo, tijele de foraj ondulate și trapezoidale ∅38 etc., cu o calitate și o durată de viață semnificativ îmbunătățite. Cu toate acestea, calitatea producției de masă este încă instabilă, iar uneltele de foraj se defectează devreme. Motivele sunt analizate după cum urmează:
1. Burghiu
Formele de deteriorare ale burghiului includ în principal uzura anormală și uzura normală, cum ar fi fragmente, dinți rupți, extracția internă a dinților, umflarea corpului burghiului și fracturarea. Țara mea folosește burghie drepte de tip vechi de mult timp. După casare, lama reziduală medie în mijlocul piesei de aliaj este mai mare de 12 mm, iar rata normală este mai mică de 5%. Umflarea, uzura conică inversată, talia ruptă, fisurarea și căderea fragmentelor în roci dure reprezintă adesea mai mult de 80% din utilizarea burghiului. Motivul principal este că aripa lamei burghiului este prea subțire, iar grosimea relativă a aripii este de doar 1,16. Nu este rezistent la uzură, are o uzură radială rapidă și o stabilitate geometrică slabă a formei. Corpul de oțel al lamei are o forță de prindere insuficientă pe tabla de aliaj, ceea ce face ca tabla să se desprindă, gaura de explozie nu este rotundă, rezistența la rotație este mare și uzura lamei burghiului este agravată. Capul de burghiu vechi de formă dreaptă are o adâncime a găurii conice de 32 mm, iar adâncimea de inserție a vârfului burghiului este mai mică de 24 mm. Gaura conică este superficială. Sub acțiunea sarcinii de înaltă frecvență și impact mare, presiunea pozitivă pe unitatea de suprafață a peretelui pantalonilor va depăși cu ușurință rezistența maximă a corpului de oțel al capului de burghiu și va provoca dilatarea sau fisurarea pantalonilor. În primul rând, pornind de la peretele interior al deschiderii pantalonilor, se generează o deformare reziduală tangențială la tracțiune, provocând dilatarea peretelui pantalonilor, formând o formă de trompetă, o conexiune slăbită și desprinderea pantalonilor. Când duritatea oțelului corpului pantalonilor este prea mare pentru a provoca fisurarea pantalonilor, sistemul de descărcare a pulberii este slab și se produc striviri repetate, ceea ce crește uzura capului de burghiu.
Principalele forme de deteriorare a capului de burghiu cu dinți sferici sunt căderea dinților pe muchie, ruperea dinților, crăparea pantalonilor, îndepărtarea capacului și ruperea taliei. Conform statisticilor de defectare a burghielor suedeze cu dinți sferici de ∅48 mm găurite cu burghiele hidraulice COP1038HD la Universitatea de Geoștiințe din China, s-au pierdut 37% dintre dinți, s-au rupt 28,3% dintre dinți și s-au rupt 13,2%. La forarea găurilor în granit dur cu burghiele pneumatice 7655, s-au pierdut 22,7% dintre dinți, s-au rupt 35,4% dintre dinți și s-au rupt 26,4%. Testele pe teren arată că dinții sunt pierduți și rupți. Acest lucru se datorează faptului că dinții sunt supuși unor solicitări excentrice, care sunt distribuite extrem de neuniform, iar dinții sunt supuși unor presiuni radiale circumferențiale diferite, ceea ce face ca dinții să suporte solicitări slabe și să provoace ruperea dinților. Datorită durității ridicate a bazei burghiului, potrivirea prin interferență dintre dinți și găuri rămâne neschimbată. La fixare, din cauza durității ridicate a găurii dintelui, deformarea elasto-plastică este slabă. Când dinții sunt fixați sub presiune, se generează ușor microfisuri. Pe măsură ce roca este forată cu o viteză mai mare, acestea se extind în direcții diferite, rezultând o zdrobire neregulată a dinților din aliaj. Pe măsură ce numărul de impacturi pe burghiul dinților de coloană crește, deformarea plastică a peretelui găurii dintelui continuă să crească, provocând apariția unei guri de clopot la gura găurii dintelui, rezultând o scădere a forței de fixare a dinților și provocând ușor decojirea dinților. În plus, din cauza interferenței mici dintre găurile dintelui, duritatea scăzută a corpului burghiului agravează, de asemenea, decojirea dinților. Deoarece carbura cimentată este un material fragil, porii, incluziunile și alte surse inevitabile de microfisuri din interiorul său vor continua să se extindă și să se rupă în timpul procesului a milioane de impacturi pe măsură ce roca este forată. Influența corpului burghiului cu duritate ridicată asupra dinților din carbură cimentată este mult mai mare decât cea a corpurilor burghielor cu duritate medie și scăzută. Cu cât duritatea corpului burghiului este mai mică, cu atât influența forței de presiune asupra performanței carburii cimentate este mai mică. Cu toate acestea, reducerea durității corpului burghiului va duce la o forță insuficientă de fixare a dinților și la dezlipirea acestora. În plus, aceasta este legată de factori precum materialul, performanța fluxului, operațiunea de sudare și metoda de utilizare.
Peste 80% din fracturile corpului de oțel al burghiului apar la limita dintre fața frontală a vârfului burghiului și partea inferioară a pantalonilor de burghiu, iar fractura burghiului din dinte coloană are loc de-a lungul interfeței inferioare a găurii dintelui. Din legea de transmisie a undelor de stres, se poate observa că zona dintre fața frontală a vârfului burghiului și partea inferioară a pantalonilor este zona în care rezistența undei se modifică brusc. Fractura la oboseală cauzată de reflexia undei de stres și mutația secțiunii transversale este adesea agravată de factori precum selecția necorespunzătoare a oțelului, proiectarea nerezonabilă a parametrilor geometrici ai structurii, selecția necorespunzătoare a procesului de fabricație și metodele de utilizare necorespunzătoare.
2. Tija de foraj
Tijele de foraj sunt supuse unor solicitări alternative complexe, compuse în principal din solicitări la impact, solicitări la încovoiere și solicitări la coroziune în timpul funcționării. Prin urmare, tija de foraj trebuie să aibă o rezistență ridicată la oboseală, rezistență la impact, rezistență la coroziune, o sensibilitate scăzută la crestături și o rată de creștere a fisurilor scăzute. Printre formele de deteriorare ale tijelor de foraj se numără duritatea insuficientă a capătului mânerului tijei de foraj mici, care provoacă aglomerarea în partea superioară; duritatea excesivă, care provoacă explozia în partea superioară; uzura filetului bielei; și fractura prin oboseală și fractura fragilă.
Fractura tijei de foraj este principala formă de cedare. Fractura prin oboseală este fisura cauzată de acumularea de deteriorări sub solicitări repetate. De obicei, aceasta provine din părțile slabe ale materialului, cum ar fi incluziuni nemetalice, bule, pete albe, cicatrici, decarburare, fisuri de coroziune în interiorul materialului; materialul și tratamentul termic deficitar, cum ar fi miezul tijei de foraj carburat prea dur, călirea deficitară produce fisuri și fisuri la capătul mânerului posterior; din motive de proiectare, cum ar fi forma necorespunzătoare a filetului tijei de foraj, potrivirea necorespunzătoare a manșonului și filetului, potrivirea necorespunzătoare a conului și a mânerului posterior, fisuri și ruperea; utilizare necorespunzătoare, cum ar fi urmele de ciocan, lubrifierea deficitară a îmbinărilor și coroziunea oțelului de foraj etc., care provoacă fisuri și ruperea. Pe lângă extinderea acestor fisuri, fractura prin oboseală a tijei de foraj apare după un proces lung de dezvoltare. Tratamentul fracturii prin oboseală a tijei de foraj poate fi împărțit în trei etape: sub acțiunea solicitării ciclice, unele părți ale tijei de foraj produc deformare plastică sub formă de alunecare și apar microfisuri, care se dezvoltă treptat în macrofisuri sub acțiunea repetată a solicitării ciclice; În a doua etapă, aria efectivă a tijei de foraj se reduce odată cu dezvoltarea de macro-fisuri; în a treia etapă, când secțiunea transversală a tijei de foraj este redusă la o solicitare echivalentă cu rezistența la tracțiune, aceasta se rupe. Fractura de oboseală a tijei de foraj a bielei de conectare apare în principal la rădăcina filetului, iar fisura se dezvoltă de la suprafața exterioară spre interior; în fractura de oboseală a tijei mici de foraj, fisura internă de oboseală este generată pe suprafața găurii de apă a tijei de foraj și se dezvoltă treptat spre exterior, iar fisura externă de oboseală este generată pe suprafața tijei de foraj și se dezvoltă treptat spre interior. Fractura de oboseală a tijei mici cu ac apare în principal la 300~400 mm înainte de guler.
În procesul de foraj în mine, un număr mic de tije de foraj rupte nu prezintă urme de oboseală pe suprafața fracturii, prezentând în general o stare de suprafață cristalină strălucitoare, adesea numită fractură fragilă. Aceasta se datorează în principal defectelor tijei de foraj, cum ar fi incluziuni, indentații, urme de ciocan sau modificări excesive ale secțiunii transversale, precum și clopotului produs în timpul forjării, tratamentului termic necorespunzător și altor factori, ceea ce duce la o rezistență scăzută a tijei de foraj, o plasticitate slabă sau o concentrație mare de stres, ceea ce face ca fisura să se dezvolte extrem de rapid și să provoace cu ușurință fractura fragilă timpurie a tijei de foraj.
Modalități de a îmbunătăți durata de viață a sculei de găurit
1. Îmbunătățiți calitatea designului
Determinarea unor parametri structurali rezonabili și dezvoltarea continuă de noi varietăți sunt premise pentru îmbunătățirea duratei de viață a sculei de găurit. Timp de mulți ani, s-a folosit burghiul drept de tip vechi. Principalul motiv pentru durata sa de viață scurtă este designul nerezonabil al produsului, care se manifestă prin grosimea relativ mică a aripii, gaura conică superficială, efectul slab de descărcare a pulberii, forma geometrică instabilă, deformarea cilindrică timpurie ușor de produs și parametrii geometrici nerezonabili ai tablei metalice dure. Prin urmare, este dificil să se îmbunătățească designul original, iar burghiul drept de tip vechi ar trebui eliminat cât mai curând posibil.
Burghiele cu lamă utilizează pe scară largă burghie drepte, cu trei lame, în formă de cruce și în formă de X, dispuse radial. Cu cât burghiul are mai multe lame, cu atât este mai mare rezistența la uzură. Burghiul în formă de cruce are o suprafață de șlefuire cu 30~50% mai mare decât burghiul în formă de cruce, dar fabricația și șlefuirea sunt complicate și costisitoare. Grosimea relativă a aripii este de preferință de 1,6~2,2, iar secțiunea transversală a canelurii de drenaj al pulberii și aria totală a secțiunii transversale a găurii de apă trebuie să fie egale sau mai mari decât secțiunea transversală a găurii centrale a tijei de foraj. Se utilizează adesea un aranjament cu 3 găuri, iar diametrul găurii centrale este puțin mai mare. Structura rezonabilă a corpului este ca la capăt să aibă un unghi de degajare de 2°~3° și o tranziție în arc circular sau con cu o rază de curbură de R=30~80 mm între suprafața conică și suprafața cilindrică posterioară a corpului pantalonilor extinși. Burghiul mic cu un diametru mai mic de 45 mm este conectat la tija de burghiu printr-o conexiune conică, iar burghiul cu un diametru mai mare de 45 mm este conectat printr-un filet trapezoidal ondulat sau compozit. Viteza de găurire este invers proporțională cu pătratul diametrului burghiului. Cu toate acestea, pentru a utiliza tehnologia în mod rezonabil și a îmbunătăți calitatea și durata de viață a burghiului, frecvența de șlefuire a burghiului poate fi crescută de până la 15 ori. Pentru a reduce uzura radială a burghiului, suprafața de contact dintre lama burghiului și peretele găurii poate fi crescută pentru a face descărcarea pulberii lină, unghiul de deschidere al foii de aliaj poate fi determinat în mod rezonabil, iar grosimea foii de aliaj poate fi crescută în mod corespunzător.
Forma coroanei dintelui de coloană al burghiului cu dinte de coloană este în mare parte emisferică. Viteza de găurire în rocă este mare. La presarea în rocă, suprafața dintelui este relativ rezistentă și durabilă sub tensiune de compresiune. Dimensiunea diametrului dintelui trebuie să ia în considerare o tensiune de tracțiune suficientă, fermitatea dinților ficși și posibilitatea aranjării dinților. Numărul de dinți trebuie să ia în considerare spargerea eficientă a rocii, posibilitatea aranjării dinților, rezistența suficientă și rectificarea convenabilă. Din analiza defecțiunilor, se știe că starea de solicitare a dinților laterali este slabă, iar dinții laterali sunt rupți și rupți. Următoarele măsuri pot fi luate pentru a reduce deteriorarea dinților laterali și a prelungi durata de viață a burghiului cu dinte de coloană.
(1) Consolidați dinții laterali și selectați corect forma, diametrul și înălțimea dintelui. Diametrul dinților mediani și laterali este în prezent de 9,65~9,95 mm. Diametrul dinților laterali poate fi mărit la 10,65~10,95 mm pentru a spori rezistența la impact și rezistența la uzură, iar diametrul dinților mediani poate fi redus la 8,65~8,95 mm pentru a facilita aranjarea dinților laterali și a reduce costurile.
(2) Reducerea corespunzătoare a unghiului de înclinare a dinților laterali contribuie la îmbunătățirea condițiilor de solicitare și la creșterea rezistenței la impact a dinților laterali. Țările străine utilizează adesea unghiuri de înclinare de 30°~35°, care pot fi reduse la 20°~25°, crescând suprafața de contact dintre suprafața exterioară a dinților laterali și rocă și, de asemenea, favorizează auto-ascuțirea dinților laterali și îmbunătățirea rezistenței la uzură radială a burghiului. Dinții din mijloc sunt puțin mai înalți decât dinții laterali pentru a facilita centrarea și a deschide suprafețe laterale libere pentru dinții laterali, îmbunătățind eficiența de spargere a rocilor. Pentru rocile moi cu abrazivitate radială redusă, unghiul de înclinare trebuie să fie mic.
(3) Selectați corect spațiul dintre sudură și interferența dinților ficși pentru a crește forța de fixare a dinților coloanei. Când interferența este mică, forța de strângere este redusă. Când interferența este puțin mai mare, vor apărea zgârieturi în gaura dintelui. Dacă dintele este mărit în continuare, acesta nu va fi presat. Când este prea mare, dintele se rupe ușor, iar uneori corpul burghiului se va umfla și se va rupe. Dacă rugozitatea suprafeței găurii dintelui este crescută, coeficientul de frecare este crescut pentru a crește forța de strângere, ceea ce este o măsură fezabilă. Folosind un suport din plastic (material de cupru H62Y utilizat în mod obișnuit) ca intermediar, suportul și gaura sunt potrivite tranzitoriu, iar dinții sunt potriviți prin interferență. Când dinții sunt presați la rece, suportul este comprimat unul împotriva celuilalt sub acțiunea forței de fixare a dintelui, iar suportul suferă o deformare plastică, iar suprafața rugoasă a dinților găurii este încastrată una în cealaltă, crescând astfel forța de legătură (frecare statică) dintre dinții găurii și obținând un dinte fix ferm.
(4) Dinții laterali sunt selectați din carbură cimentată de înaltă tenacitate și sunt supuși unui tratament izostatic la cald pentru a preveni eficient ruperea dinților. Consolidarea corpului de oțel al burghiului crește rezistența la abraziune a corpului de oțel.
(5) Aranjament rezonabil al dinților, creșterea numărului de dinți laterali cât mai mult posibil, îmbunătățirea sistemului de descărcare a pulberii, păstrarea orificiului de apă frontal și a sistemului de descărcare a pulberii cu trei caneluri și două găuri cu gol mare, eficiență ridicată a descărcării pulberii, reducerea concasării repetate a pulberii de rocă, reducerea consumului de energie și prelungirea duratei de viață a burghiului.
Tijele de foraj pentru rocă de mică adâncime utilizează oțel tubular hexagonal B19, B22, B25, care reprezintă aproximativ 80~85% din utilizarea oțelului tubular; tijele de foraj pentru rocă de adâncime utilizează oțel tubular rotund sau hexagonal D32, D38, B25, B32, reprezentând 15~20%. Tijele de foraj hexagonale au o rigiditate bună, un spațiu mare de descărcare a pulberii și sunt ușor de laminat.
Îmbunătățiți structura tijei de foraj, cum ar fi tija de foraj cu filet complet propusă de compania Ingersoll Rand din Statele Unite, care este prelucrată prin metoda de laminare, tratament de călire a suprafeței, îmbunătățește tenacitatea și rezistența la uzură, unghi mare al elicei, autoblocare bună și demontare și asamblare ușoară. Când capătul de conectare este uzat, acesta poate fi tăiat, teșit și reutilizat, ceea ce crește durata de viață de 3~4 ori. Tija de foraj SPEEDROD a companiei Samdvik din Suedia adoptă o tijă de conectare filetată, anulează manșonul tijei de conectare, elimină jocul suprafeței îmbinării, îmbunătățește considerabil alinierea și rigiditatea conexiunii, menține liniaritatea găurii de foraj și economisește energie.
Îmbunătățirea calității aspectului și a ambalajului sculei de găurit, proiectarea corectă a formei aspectului și a structurii ambalajului, poate proteja eficient scula de găurit, o poate înfrumuseța și poate prelungi durata de viață a acesteia.
2. Selectați materiale de înaltă calitate
Selecția materialelor pentru sculele de găurit trebuie să ia în considerare tenacitatea și rezistența la uzură, rigiditatea și rezistența la uzură bune, rezistența la oboseală suficient de ridicată, sensibilitatea scăzută la crestături la oboseală, capacitatea ridicată de a prinde table din aliaj și o anumită rezistență la coroziune. Performanță bună a procesului, tăiere ușoară, călibilitate și călibilitate bună, sudabilitate bună. Sunt în conformitate cu condițiile naționale, preț scăzut și se încearcă utilizarea a mai puține cantități de Ni și Cr. Rezultatele metodei de selecție a oțelului pentru scule de găurit bazată pe matematică fuzzy sunt recomandate după cum urmează:
(1) Oțelul 24SiMnNi²CrMo este un nou tip de oțel care imită oțelul suedez FF710 și are cele mai bune proprietăți mecanice convenționale, proprietăți de fractură și o evaluare completă. Durata medie de viață a burghiului cu coloană ∅50 cu nouă dinți, produs pe plan intern, în cadrul Proiectului Drumuri este de 715,2 m/bucată, iar durata maximă de viață este de 901,4 m/bucată, ceea ce este apropiat de durata de viață a burghiului cu coloană ∅48 suedez din cadrul proiectului, de 760 m/bucată. De asemenea, este un bun material pentru tije de foraj. Durata medie de viață a căruciorului hidraulic al forezei hidraulice Mercury 300 din Mina de Fier este de 152,4 m/bucată, iar durata de viață a cozii de foraj este de 609 m/bucată, ceea ce este cu 76% mai mare decât durata de viață a cozii de foraj 23CrNi³Mo din Franța, de 345 m/bucată;
(2) Lungimea medie cumulată a prăjinii de foraj din oțel 40SiMnMoV este de 1225,4 m, ceea ce este aproape de nivelul standard pentru străini;
(3) Durata de viață a prăjinii de foraj mici fabricate din 55SiMnMo este apropiată de nivelul de 250 m al prăjinii de foraj mici suedeze 95CrMo;
(4) Durata medie de viață a prăjinii de foraj din oțel 35SiMnMoV poate ajunge la 300 m/bucată. Oțelul menționat mai sus este tratat termic prin călire, revenire, recoacere, normalizare etc. pentru a forma oțel bainitic cu rezistență ridicată la oboseală și tenacitate.
Pentru lipirea prin inducție a pieselor fixe și a burghielor cu dinți ficși de dimensiuni mici și medii, se utilizează oțelul 40MnMoV ca material al corpului burghiului. Durata de viață a burghielor cu filet ondulat cu dinți în cruce și coloană de ∅50 produse este apropiată de cea a burghielor suedeze. Pentru burghiele cu dinți coloană cu dinți încorporați la cald, se preferă oțelul 45NiCrMoV.
Selecția materialelor din carbură cimentată trebuie adaptată proprietăților mecanice ale rocii și tipului de foraj. De obicei, carburile cimentate cu conținut ridicat de cobalt, cum ar fi YJo și YG13C, sunt utilizate pentru roci extrem de dure și foraje cu putere de impact mare; YJ¹, YK25 și YG11C sunt utilizate în principal pentru roci dure; YG8C și YJ² sunt utilizate pentru roci minereuri de duritate medie; iar YJ³ și YG6 sunt utilizate pentru roci moi. Coeficientul de dilatare liniară al fazei de cobalt din carbura cimentată este de aproximativ 3 ori mai mare decât cel al carburii de tungsten. Tensiunea internă generată în timpul încălzirii și răcirii rapide va provoca fisurarea aceleiași interfețe. Prin urmare, indiferent de procesul de fabricație, sudare și șlefuire, trebuie evitată încălzirea și răcirea bruscă a carburii cimentate.
Aliajul de lipit pe bază de argint este utilizat pe scară largă în lipirea vârfurilor de burghiu la nivel extern. Are un punct de topire scăzut, un efect redus asupra performanței corpului de oțel și a carburii cimentate, o rezistență ridicată la sudare și o solicitare redusă la sudare. Țara mea ar trebui să desfășoare activități de cercetare și dezvoltare pentru a satisface nevoile de deschidere a piețelor comerciale externe. În prezent, aliajele de lipit pe bază de cupru, cum ar fi 105, 801 și SB-1, sunt utilizate în principal în funcție de eficiența forajului în rocă și de durata de viață.
