Rottura delle aste di perforazione nelle miniere: perché la resistenza di una colonna di perforazione è pari alla forza del suo elemento più debole.
Un mio amico gestisce un'attività di estrazione a livelli inferiori in Australia. L'anno scorso mi ha mostrato il registro del consumo di barre di armatura: 320 barre in sei mesi, circa il doppio di quelle consumate nella miniera accanto. Stessa roccia. Stesse attrezzature. La differenza era dovuta a un unico fattore: nessuno nella sua squadra aveva mai imparato a interpretare i modelli di cedimento.
"Li butti via quando smettono di funzionare," ha detto.
E questo è il problema. Le aste di perforazione per miniere, quelle che si usano in serie da dieci, quindici, a volte venti su una trivella a fronte, di solito non si rompono senza preavviso. Il problema viene segnalato. Bisogna solo sapere cosa si sta guardando.
A differenza delle perforatrici jumbo per gallerie, dove una singola asta sopporta l'intero impatto del martello, le aste delle perforatrici da miniera distribuiscono il carico lungo una lunga fila. Questo modifica il profilo di rottura. Alcune modalità di rottura che si osservano nelle perforatrici jumbo sono quasi impercettibili nelle perforatrici da miniera. Altre, come l'usura e la flessione delle filettature interne, diventano predominanti perché la fila amplifica i piccoli difetti in corrispondenza di ogni giunto.
Ecco i cinque tipi di guasto che si verificano sugli impianti di perforazione mineraria, classificati in base alla frequenza con cui si presentano effettivamente nel sottosuolo.
1. Usura delle filettature: le filettature interne si usurano per prime.
Questa è la causa principale di morte, ed ecco il dettaglio che sorprende le persone: sulle barre di perforazione,internoLa filettatura (quella interna, con la parte a bussola) si usura solitamente prima della filettatura esterna (quella con il perno).
Quattro fattori influenzano la velocità di usura delle tue filettature:
Qualità del trattamento termico.Questo è il punto cruciale. La profondità della tempra, la durezza superficiale e il gradiente tra la tempra dura e il nucleo più resistente determinano per quanto tempo le filettature mantengono il loro profilo. La microstruttura ideale – martensite ad alto tenore di carbonio in superficie, bainite a basso tenore di carbonio nel nucleo, con un'ampia zona di transizione graduale tra di esse – non è facile da ottenere. Le bielle economiche trascurano questa sottigliezza.
Finitura e accoppiamento della filettatura.La rugosità superficiale dei fianchi della filettatura agisce come carta vetrata sotto carico. Un controllo preciso delle tolleranze geometriche della filettatura significa che il carico si distribuisce su più facce della filettatura anziché concentrarsi su due o tre.
Condizioni del terreno.La roccia fratturata blocca le aste. La deviazione del foro sottopone i giunti a carichi di flessione. Ogni volta che un'asta si blocca, le filettature del giunto più vicino subiscono forti sollecitazioni.
Abitudini di manutenzione.Questo problema è legato all'operatore ed è completamente risolvibile: l'utilizzo di punte smussate aumenta la deviazione del foro, accelerando l'usura della filettatura. Mescolare aste vecchie e nuove nella stessa colonna di perforazione, dove le filettature usurate si trovano accanto a quelle nuove, concentra il carico sul giunto più stretto. E utilizzare aste di fornitori diversi, le cui tolleranze di filettatura potrebbero non corrispondere, significa sostanzialmente pagare per un'usura accelerata.
L'usura delle filettature interne è un problema più rilevante nelle aste di perforazione per miniere perché ogni giunto tra le aste ha un'estremità a scatola. Venti aste significano diciannove filettature interne nel percorso di carico. Se anche solo una si allenta, l'intera asta inizia a usurarsi.
2. Frattura della radice della filettatura esterna: il limite di fatica
La maggior parte delle bielle si usura prima di raggiungere il limite di fatica della filettatura. Tuttavia, quando una biella continua a funzionare oltre la sua vita utile senza mostrare segni di usura, il componente successivo a cedere è solitamente la base della filettatura esterna.
La base della filettatura è un concentratore di stress naturale. Ogni impatto del martello invia un'onda di stress attraverso la corda e, ad ogni accoppiamento, l'onda si riflette e si sovrappone. La base della filettatura all'estremità del perno è soggetta a picchi di stress di trazione ciclici ad ogni colpo.
Il trattamento termico determina la soglia di fatica. Una barra con la giusta transizione bainite/martensite può sopportare milioni di cicli. Una con un gradiente di durezza troppo accentuato o una decarburazione superficiale si creperà prematuramente.
I fattori operativi fanno precipitare la situazione: frequenti inceppamenti della barra, deviazioni del foro e punte smussate aggiungono stress di flessione all'impatto assiale. Quella che sarebbe stata una semplice cricca da fatica si trasforma in una rottura da stress combinato e la barra si spezza prima di quanto previsto dalla lunghezza.
3. Frattura da sottosquadro della filettatura interna
Ogni filettatura interna presenta una scanalatura di scarico, ovvero una scanalatura di alleggerimento alla base della sezione filettata. Questa scanalatura è prevista dal progetto, ma rappresenta anche la sezione trasversale più sottile dell'intero giunto.
Due fattori possono causare il cedimento del sottosquadro. Primo: la filettatura esterna della biella di accoppiamento sollecita quella zona ad ogni colpo e, essendo sottile, subisce una maggiore sollecitazione. Secondo: se la superficie esterna dell'estremità della scatola si assottiglia a causa dell'abrasione esterna, il sottosquadro si indebolisce ulteriormente.
La soluzione pratica consiste nel cercare canne con una filettatura interna più estesa. Una sezione filettata più lunga distribuisce il carico su una superficie maggiore, riducendo il picco di stress nel punto di sottosquadro. Si tratta di una semplice modifica geometrica che fa una differenza tangibile nella durata della corda.
4. Frattura del corpo dell'asta: un campanello d'allarme per il controllo qualità.
Le fratture del corpo delle barre da miniera sono rare. Quando si verificano in modo isolato, di solito sono dovute a un difetto del materiale: un'inclusione nell'acciaio, un difetto di laminazione, un graffio causato dalla manipolazione che ha innescato una cricca.
Ma se vedi unlottoLe fratture del corpo sono diverse. Si tratta di un problema di trattamento termico. O la tempra è stata irregolare, o il rinvenimento non è corretto, oppure c'è un problema sistemico con la qualità dell'acciaio. Non limitarti a sostituire le barre rotte: preleva dei campioni dal lotto e inviali per un'analisi metallografica. Un lotto di fratture del corpo ti dice qualcosa sul tuo fornitore, non sulla tua produzione.
5. Rod Bending — L'amplificatore per corde
Su una perforatrice jumbo, una barra leggermente piegata è fastidiosa. Su una piattaforma mineraria con colonne di 15 barre, è catastrofica.
Una curvatura che a malapena si noterebbe su una singola canna si moltiplica a ogni accoppiamento. Dopo aver accoppiato dieci canne, la corda si agita all'interno del foro, consumando ogni superficie della filettatura, caricando in modo non uniforme ogni accoppiamento e creando un foro non dritto. Quel foro storto, a sua volta, piega ulteriormente la corda successiva.
Ecco perché rettilineità e concentricità sono parametri di qualità imprescindibili per le barre da miniera. Un buon produttore raddrizza la barra grezza prima della lavorazione, di nuovo dopo il trattamento termico (che causa sempre una certa deformazione) e controlla ogni barra prima della spedizione. Anche lo stoccaggio e il trasporto sono importanti: le barre conservate su scaffali irregolari o spedite senza un supporto adeguato possono arrivare con una deformazione permanente prima ancora di essere utilizzate per perforare un foro.
Lo schema che fa risparmiare denaro
Ecco cosa ho notato nelle miniere che effettivamente tengono traccia dei cedimenti delle aste: quelle con il costo per metro perforato più basso non sono quelle che acquistano le aste più costose. Sono quelle che esaminano ogni asta rotta e si chiedono: "Cosa cercava di dirmi questa?"
A volte la risposta è comprare barre migliori. Più spesso è affilare le punte più spesso, smettere di mescolare fornitori nella stessa serie, oppure il tuo fornitore di trattamenti termici ha un problema di uniformità del lotto.
La canna si rompe. La canna non mente.
