Connessioni per aste di perforazione: coniche, filettate e DTH - Cosa funziona, dove e perché
Ogni asta di perforazione al mondo ha due estremità, e il tipo di connessione a queste estremità è fondamentale per la sua durata. Scegliere la connessione sbagliata per l'applicazione significa passare il tempo a combattere con aste incastrate, filettature grippate e guasti prematuri. Scegliere quella giusta, invece, fa sì che le connessioni diventino la spina dorsale invisibile di un programma di perforazione: non ci si pensa nemmeno, perché funzionano e basta.
Nella perforazione delle rocce si utilizzano tre grandi famiglie di connessioni: connessioni coniche per la perforazione pneumatica manuale, connessioni filettate a spalla per le perforatrici idrauliche jumbo e di superficie e connessioni DTH per i sistemi a martello in fondo foro. Ognuna di esse ha le proprie leggi fisiche, le proprie modalità di guasto e le proprie regole per un corretto utilizzo.
Connessioni coniche: geometria semplice, adattamento preciso
Il tipo di connessione più comune nelle trapani manuali di piccolo diametro, come ad esempio le punte a bottone da 22 a 42 mm montate su trapani pneumatici a gamba singola, è la connessione conica. La punta ha un innesto conico, l'asta ha un gambo conico corrispondente e vengono avvitate insieme per puro attrito. Niente filettature, niente fermi, solo l'accoppiamento forzato tra due superfici coniche rettificate con precisione.
L'angolo di conicità è ridotto, tipicamente di 7 gradi inclusi o 12 gradi, a seconda dello standard, il che significa che il collegamento è autobloccante. La forza assiale esercitata dalla punta del trapano stringe ulteriormente il cono. La punta rimane in posizione perché la forza di attrito tra le due superfici, moltiplicata per l'effetto di incuneamento dovuto all'angolo ridotto, supera qualsiasi forza che tenti di svitarla.
Il punto di forza dell'attacco conico è la sua semplicità. Non ci sono filettature che si possono grippare, né fermi che possono rompersi, né lavorazioni complesse necessarie. Lo svantaggio è che tutto dipende dalla precisione dell'accoppiamento. Una conicità anche solo leggermente imprecisa – un gambo dell'asta sottodimensionato a causa dell'usura, un alloggiamento per la punta deformato a martello – non reggerà. La punta si sposterà durante la foratura e recuperare una punta allentata dal fondo di un foro non è certo una soluzione rapida che si addice a nessuno.
La punta conica deve essere pulita prima di ogni collegamento. Polvere di roccia, fango o ruggine su entrambe le superfici impediscono il contatto completo, mentre un contatto parziale fa sì che la punta si allenti. Basta una rapida passata con uno straccio, ma trascurare questo passaggio è la causa più comune di perdita di punte durante la foratura conica.
Quando la conicità si usura (e si usura, perché ogni colpo di martello provoca un micro-slittamento tra le due superfici), la punta inizia ad incastrarsi più in profondità nell'asta. Alla fine, la punta tocca il fondo dell'alloggiamento prima che la conicità sia completamente innestata. Questo è il segnale di fine vita. Continuare a usare una conicità usurata ovalizzerà l'alloggiamento della punta e, una volta che quest'ultimo non sarà più perfettamente rotondo, anche una nuova asta non si inserirà correttamente.
Connessioni R-Thread e T-Thread: è la spalla che fa il lavoro
Per i perforatori idraulici e pneumatici di grande diametro, come quelli utilizzati per la realizzazione di gallerie, la costruzione di piattaforme e le perforazioni di produzione, le connessioni filettate a spalla sono lo standard. I due profili più comuni sono la filettatura R (filettatura a fune) e la filettatura T, entrambi basati su un principio di progettazione che vale la pena comprendere: la filettatura posiziona e serra, ma le superfici di contatto della spalla sopportano il carico.
In un accoppiamento a spalla correttamente progettato, i fianchi della filettatura avvicinano il perno e la scatola fino a quando le superfici anulari piane – la spalla del perno e la superficie della scatola – entrano in contatto completo. Una volta che queste superfici si toccano, un ulteriore serraggio comprime le superfici della spalla l'una contro l'altra, e questo contatto metallo-metallo diventa il percorso di carico principale per le forze di compressione e di impatto. Le filettature sopportano principalmente tensione e coppia.
Questa separazione delle funzioni – filettatura per la trazione, spalla per la compressione – è il motivo per cui questi collegamenti resistono alla perforazione a percussione. Se la filettatura dovesse sopportare direttamente il carico d'impatto, la concentrazione di stress alla base della filettatura causerebbe cricche da fatica entro le prime centinaia di colpi. Trasferendo invece l'impatto attraverso le superfici di contatto della spalla, la filettatura viene in gran parte protetta dalle sollecitazioni più intense generate dalla perforazione a percussione.
Il punto critico per la manutenzione: le superfici di contatto delle spalle devono essere pulite, piane e integre. Un'ammaccatura o una scheggiatura sulla spalla impedisce il contatto completo, il che significa che parte del carico d'impatto che dovrebbe passare attraverso la spalla viene invece scaricato sulle filettature. Questa è la via più rapida per una rottura per fatica delle filettature. Ispezionare le spalle ogni volta che si collega una barra.
Anche il passo della filettatura è importante. Le filettature più grosse, con un minor numero di filetti per pollice, consentono un serraggio più rapido e sono meno soggette a filettature incrociate durante i cambi rapidi delle aste, ma offrono un vantaggio meccanico inferiore per il serraggio finale. Le filettature più fini garantiscono un serraggio più preciso e una maggiore forza di serraggio a parità di coppia, ma sono più facili da danneggiare e più lente da collegare. La scelta tra passo grosso e passo fine rappresenta un compromesso tra velocità e precisione, che dipende dalla specifica applicazione di foratura.
Connessioni DTH: dove vive il martello
I sistemi a martello in fondo foro utilizzano una filosofia di connessione completamente diversa. L'asta di perforazione non trasmette solo la rotazione e l'avanzamento, ma convoglia anche aria ad alta pressione attraverso il suo centro per alimentare il pistone del martello. E la connessione tra l'asta e il martello deve sopportare tutto ciò, oltre alla forza di reazione percussiva derivante dall'impatto del martello.
I collegamenti asta-martello DTH utilizzano in genere un design con spallamento e superficie piana, con una breve sezione filettata. Le filettature sono grosse e robuste, progettate per un rapido avvitamento e svitamento sul campo, piuttosto che per le elevate coppie di tenuta richieste dalle aste di perforazione petrolifera. La superficie dello spallamento sopporta il carico di compressione dovuto alla pressione di avanzamento, mentre le filettature gestiscono la tensione durante lo svitamento e la coppia durante la rotazione.
L'estremità con il perno, ovvero l'estremità filettata esternamente, si trova solitamente sull'asta, mentre la scatola è nella parte posteriore del martello. Questa disposizione fa sì che la filettatura esterna, più vulnerabile, si trovi sul componente più economico e più facile da sostituire. In caso di danneggiamento della filettatura, si sostituisce una sezione dell'asta, non l'intero martello.
Un rischio specifico del sistema DTH: l'aria ad alta pressione che fluisce attraverso il raccordo può trasportare particelle di roccia fini che erodono le superfici di tenuta nel tempo. Un raccordo che sigilla perfettamente da nuovo può sviluppare punti di perdita dopo un utilizzo prolungato, e le perdite d'aria attraverso il raccordo significano che meno aria raggiunge il martello, il che si traduce in minore energia d'impatto e penetrazione più lenta. Controllare periodicamente la presenza di perdite d'aria nel raccordo tra l'asta e il martello, verificando se fuoriesce aria mentre il compressore è in funzione ma il martello non è in fase di rotazione.
Cosa abbinare e perché
Il tipo di connessione deve essere compatibile con la punta del trapano, il diametro del foro e le caratteristiche del terreno. Una connessione conica è ideale per lavori manuali di piccolo diametro perché è veloce, semplice e tollerante alle condizioni del campo. Una connessione filettata a spalla è necessaria per perforazioni di produzione di diametro maggiore, dove i carichi sono più elevati e le conseguenze di una punta allentata sono più costose. Una connessione DTH è indispensabile quando è presente un martello sul fondo del foro, poiché la connessione deve consentire il passaggio sia dell'aria che della potenza meccanica.
Mescolare diversi tipi di connessione nello stesso cantiere di perforazione non è un problema, a patto che tutti sappiano quale va con quale. Il problema inizia quando qualcuno prende una punta conica e cerca di usarla su un'asta filettata perché pensa che in qualche modo ci stia. Non è così. La connessione è l'interfaccia tra la potenza e la roccia, e se quell'interfaccia non è corretta, niente a valle funziona a dovere.
