Tutte le forze che una barra di perforazione subisce nel sottosuolo (e perché conoscerle cambia il modo in cui acquisti l'acciaio)
La maggior parte delle persone che acquistano aste di perforazione ci pensa in termini di quanti metri prima che si rompano. Va bene per un foglio di calcolo degli acquisti. Ma se vuoi capirePerchéLe aste si rompono — e per capire perché quelle costose a volte resistono e quelle economiche a volte no — bisogna ragionare in termini di forze.
Un'asta di perforazione sembra semplice. È una barra d'acciaio con filettatura a entrambe le estremità. Ma i trenta secondi necessari per forare un metro di foro sottopongono quella barra a un profilo di carico che pochi componenti meccanici raggiungono mai. Ecco tutte le forze in gioco, nell'ordine in cui agiscono sull'asta.
Compressione e tensione assiale: il ciclo di spinta e trazione
Questo è il caso più ovvio. Il pistone colpisce l'adattatore del gambo. Il gambo colpisce l'asta. L'asta colpisce la punta. La punta colpisce la roccia.
Ma ecco cosa molti non capiscono: la roccia contrattacca.
Quando la punta colpisce la parete rocciosa, la roccia non si limita ad assorbire il colpo. Invia un'onda di stress riflessa lungo la corda. Quest'onda è di trazione: tira la corda invece di spingerla. Quindi, in un singolo impatto, la corda passa dalla compressione alla trazione e viceversa. A 50 colpi al secondo, si verificano 50 cicli completi di spinta e trazione al secondo, ovvero 180.000 all'ora.
Ogni radice della filettatura, ogni variazione di sezione trasversale, ogni discontinuità metallurgica in quella barra viene allungata e compressa tremila volte al minuto. La barra resiste perché i livelli di stress rimangono al di sotto del limite di fatica dell'acciaio opportunamente trattato termicamente. Ma se quel limite si abbassa – a causa del surriscaldamento, di un difetto superficiale, di un punto debole nel trattamento termico – il tempo inizia a scorrere.
Sollecitazioni di flessione: il problema della snellezza
Un'asta di perforazione è una colonna sottile. Le aste R32 per la costruzione di gallerie possono essere lunghe tre metri con un diametro di 32 millimetri nella sezione filettata. Ciò corrisponde a un rapporto d'aspetto che sfiora 100:1.
Tre fattori contribuiscono alla flessione di quella colonna. La sola forza di gravità fa incurvare un'asta lunga, soprattutto se composta da dieci o più aste. La forza di avanzamento, ovvero la pressione che spinge la punta del trapano in avanti, aggiunge ulteriore flessione se non è perfettamente assiale. Infine, la forza d'impatto, se l'asta non è perfettamente dritta, introduce una componente di flessione ad ogni colpo, poiché il percorso dell'energia devia dall'asse centrale.
Lo stress da flessione è importante perché è additivo. Una barra sottoposta a pura compressione assiale potrebbe sopportare un impatto di 200 kN. Aggiungendo un momento flettente dovuto a una leggera curvatura o a un'alimentazione disallineata, il picco di stress sulla fibra esterna della curva potrebbe essere il doppio di quello prodotto dal solo carico assiale. Ecco come una barra che avrebbe dovuto essere perfetta si spezza a metà della sua lunghezza nominale.
Stress torsionale — La torsione
Il motore di rotazione di una perforatrice idraulica applica una coppia per far ruotare l'intera batteria di perforazione: gambo, aste, giunti e punta. Le aste devono trasmettere tale coppia sopportando contemporaneamente l'impatto assiale e qualsiasi carico di flessione presente.
Lo stress torsionale si aggiunge allo stato di stress combinato. Un'asta sottoposta a torsione, flessione e impatto assiale si trova in una condizione di stress triassiale. Prevedere la rottura in tali condizioni non è semplice: dipende dall'entità relativa degli stress e dalla risposta del materiale al carico multiassiale. In pratica, ciò che conta è che un'asta con elevata rigidità torsionale resista meglio al carico combinato rispetto a una che si torce facilmente, perché una minore deflessione angolare significa meno energia dissipata nel corpo dell'asta anziché trasferita alla roccia.
Usura esterna: attrito, scheggiature e acqua
Non tutte le forze provengono dal trapano. Il foro stesso costituisce un ambiente abrasivo.
L'asta sfrega contro la parete del foro, soprattutto quando quest'ultimo non è rettilineo. Frammenti di roccia turbinano attorno all'asta, trasportati dall'acqua di lavaggio, abradendone la superficie come carta vetrata bagnata. L'acqua di lavaggio stessa, spesso contenente particelle abrasive fini, erode la superficie dell'asta nel tempo. In presenza di acque sotterranee corrosive, come ad esempio l'acqua acida di miniera, l'acciaio è soggetto ad attacco chimico e al contempo a carico meccanico, una combinazione che accelera la formazione di cricche da fatica attraverso meccanismi di tensocorrosione.
Ecco perché la finitura superficiale delle aste è importante e perché aste che sembrano identiche sulla scheda tecnica possono comportarsi diversamente sottoterra. Una superficie liscia e ben rifinita resiste all'innesco di cricche. Una superficie ruvida con segni di lavorazione o incrostazioni offre un punto di partenza per la corrosione e la fatica.
Le carte jolly - Operazioni speciali
Poi ci sono le cose per cui la canna da pesca non è mai stata progettata, ma che le vengono comunque richieste.
Sollevare roccia instabile con la batteria di perforazione. Estrarre un'asta bloccata da un foro crollato. Sparare a vuoto quando la pressione di avanzamento cala e la punta perde il contatto con la parete rocciosa. Inserire l'asta in un foro perimetrale levigato con l'esplosivo, dove le pareti sono fratturate e scivolose. Ognuna di queste situazioni sottopone l'asta a combinazioni di carico che esulano dai parametri di progetto.
Un'asta che sopporta normali perforazioni per mille metri potrebbe cedere alla prima manovra con la leva. Le forze sono diverse, le concentrazioni di stress sono diverse e l'asta non sa o non le importa di essere stata progettata per durare più a lungo.
Perché questo è importante quando stai acquistando
Ecco il punto fondamentale da ricordare. Quando si confrontano due aste di perforazione con specifiche simili (stesso tipo di filettatura, stessa lunghezza, stesso tipo di acciaio) e una costa il 30% in più, la differenza risiede quasi sempre nel modo in cui l'asta gestisce questo tipo di carico multiassiale.
Una canna più economica potrebbe avere la giusta durezza superficiale, ma una transizione brusca verso l'anima, rendendola soggetta a fatica da flessione. Potrebbe avere la giusta resistenza alla trazione, ma una finitura superficiale scadente, che favorisce la corrosione. Potrebbe avere la geometria corretta, ma una rettilineità non uniforme, per cui ogni canna della serie contribuisce con la propria componente di flessione.
La barra che costa di più e dura più a lungo non è magica. È semplicemente acciaio che è stato lavorato per sopportare tutti e cinque i regimi di forza contemporaneamente, non solo quello più facile da specificare.
