Modalità di guasto comuni delle punte da trapano PDC e analisi delle cause
Panoramica Una punta da perforazione PDC (diamante policristallino compatto) per l'estrazione mineraria è composta dal corpo della punta, dalle frese PDC e dal carburo di protezione del calibro. Sia le frese PDC che il carburo di protezione del calibro sono brasati al corpo della punta. Durante la perforazione, la coppia e la deportanza vengono trasmesse dalla piattaforma alla punta attraverso la batteria di perforazione; la frammentazione della roccia viene eseguita dalle frese PDC, mentre il carburo di protezione del calibro protegge il corpo della punta lungo la sua circonferenza, rallentandone l'usura. Poiché lo stato di sollecitazione sulla faccia della punta è altamente complesso, molteplici fattori (condizioni di formazione, procedura di perforazione e selezione dell'attrezzatura, abilità dell'operatore e controllo qualità della punta stessa) possono influenzare le prestazioni e produrre diverse modalità di guasto. Sulla base di indagini sul campo e analisi sistematiche di punte guasti, di seguito vengono riassunte le principali tipologie di guasto e le relative cause.
I. Guasti delle frese PDC Le frese PDC sono gli elementi principali della punta che frammentano la roccia e possono rompersi in diversi modi:
Usura normale L'usura normale è la perdita di materiale prevista a seguito di un taglio prolungato della roccia. Si manifesta come un'usura abrasiva graduale della tavola diamantata e del substrato in metallo duro. La superficie usurata è liscia, senza fratture o scheggiature evidenti ed è considerata un'usura accettabile a fine vita.
Perdita della fresa (distacco completo) La perdita della fresa si riferisce alla completa separazione della fresa dal corpo della punta, lasciando vuota la tasca di brasatura e causando il guasto della punta.
Cause principali
Danni termici sulla superficie della punta (bruciature): la foratura a secco o i passaggi dell'acqua ostruiti impediscono un raffreddamento adeguato durante il taglio ad alta velocità, aumentando rapidamente la temperatura sulla superficie della punta. Se la temperatura supera la soglia di fusione o degradazione del materiale d'apporto per brasatura, il giunto brasato si rompe e la fresa fuoriesce.
Controllo inadeguato del processo di brasatura: una scarsa pulizia preliminare, giunti di brasatura freddi o porosi, una degassificazione non corretta o un trattamento termico/tempo di ammollo post-brasatura insufficiente possono ridurre la resistenza del giunto e causare il distacco della fresa.
Contromisure
Produzione: applicare un rigoroso controllo del processo di brasatura, assicurando superfici pulite, raccordi di brasatura adeguati e un trattamento termico post-brasatura uniforme per produrre giunzioni robuste.
Lato campo: adottare la perforazione a umido con acqua pulita ed evitare la perforazione a secco; prima di praticare fori lunghi o di aggiungere tubi di perforazione, verificare il flusso di ritorno al collare e verificare che i passaggi dell'acqua della punta non siano ostruiti per evitare perdite di raffreddamento.
Scheggiatura/frattura del tavolo diamantato La scheggiatura è un guasto ad alta frequenza in cui il tavolo diamantato si scheggia o si frattura; nei casi più gravi il tavolo diamantato e il substrato in carburo si staccano insieme, causando l'immediata perdita della capacità di taglio.
Cause principali
Tenacità o legame insufficiente della fresa: le frese con scarsa resistenza agli urti o con un legame debole tra la tavola diamantata e il substrato in metallo duro sono soggette a scheggiature sotto carichi d'urto.
Parametri di foratura non corretti: un avanzamento/una forza di appoggio eccessivi fanno sì che le frese siano sottoposte a carichi superiori ai loro limiti di resistenza.
Condizioni di formazione difficili: formazioni molto dure e altamente frammentate impongono carichi d'impatto elevati che superano la tenacità all'impatto della fresa.
Progettazione inappropriata della punta: non seguire il principio "formazione più dura → angolo di taglio/rastrello più ampio" può portare le frese a una geometria troppo aggressiva per le formazioni dure, aumentando lo stress e favorendo la scheggiatura.
Ostruzioni esterne: l'incontro con ancoraggi, bulloni o rinforzi nel foro può provocare scosse improvvise che possono danneggiare i tagliatori.
Contromisure
Seguire le raccomandazioni del produttore per i parametri operativi e impostare l'avanzamento e la rotazione in base alla durezza della formazione.
Selezionare frese e geometria della punta adatte alla formazione: aumentare l'angolo di taglio/inclinazione nelle formazioni più dure per ridurre l'aggressività dell'attacco e i carichi d'impatto.
Utilizzare frese con maggiore resistenza agli urti o modificare la forma esterna del tavolo diamantato (ad esempio, i profili convessi/curvi offrono spesso una migliore resistenza agli urti rispetto ai tavoli piatti in condizioni di produzione comparabili).
Pianificare le traiettorie dei fori per evitare ostacoli noti come bulloni o ancoraggi.
Delaminazione tra il tavolo diamantato e il substrato La delaminazione è la separazione del tavolo diamantato dal substrato in carburo cementato, che porta alla perdita di integrità della fresa.
Cause principali
Elevate tensioni interfacciali residue e discordanza nei coefficienti di dilatazione termica tra la tavola diamantata e il substrato in metallo duro. Il calore generato dal taglio e il rapido raffreddamento del fluido di lavaggio producono tensioni termiche; combinate con le tensioni residue derivanti dalla produzione e dai carichi d'impatto applicati, queste possono causare il distacco della tavola diamantata.
Contromisure
In fase di produzione, scegliere materiali di legatura/brasatura e parametri di processo compatibili per ridurre al minimo le tensioni residue. Ottimizzare le procedure di sinterizzazione/brasatura per alleviare o compensare le tensioni interfacciali.
Migliorare l'interblocco meccanico riprogettando la geometria dell'interfaccia del substrato (ad esempio, interfacce a gradini o a chiave) per aumentare la resistenza del legame e la stabilità strutturale.
II. Guasti del corpo della punta I guasti del corpo della punta si manifestano tipicamente come fratture della lama (aletta di calibro). Questi guasti si verificano principalmente nei corpi della punta in matrice (sinterizzata); le punte con corpo in acciaio, grazie alla maggiore tenacità del materiale, sono meno soggette a rottura della lama.
Cause principali
Pratiche di preparazione/rimozione improprie: le punte a corona di matrice sono spesso realizzate mediante metallurgia delle polveri in un'unica fase di sinterizzazione. Sebbene resistenti all'usura, i materiali della matrice sono meno duttili. Colpire le lame durante la preparazione o la rimozione della punta (ad esempio, martellandole) può facilmente fratturare le ali.
Scarso controllo della sinterizzazione: una sinterizzazione incompleta o punti "freddi" in cui la polvere metallica non si è completamente consolidata producono zone deboli o inclusioni nella matrice, riducendo la resistenza strutturale e rendendo probabile la frattura della lama durante l'uso.
Contromisure
Operativo: standardizzare le procedure di trucco e rimozione. Utilizzare strumenti adeguati (chiavi inglesi, pinze di sollevamento o dispositivi di estrazione) per maneggiare le punte ed evitare di colpire direttamente le lame.
Qualità della produzione: applicare un rigoroso controllo del processo di sinterizzazione ed eseguire test regolari sulla materia prima in polvere metallica per garantire la qualità della polvere e il consolidamento completo, evitando inclusioni non sinterizzate e zone deboli.
Osservazione conclusiva Per prevenire e mitigare efficacemente i guasti delle punte PDC è necessario un controllo coordinato tra progettazione, produzione, parametri di perforazione e operazioni in loco. Adattare la progettazione della punta e la selezione della fresa alle condizioni di formazione, mantenere rigorosi controlli di qualità durante la brasatura e la sinterizzazione, garantire un raffreddamento e un lavaggio adeguati durante la perforazione e seguire procedure di movimentazione standardizzate ridurrà significativamente i tassi di guasto e prolungherà la durata della punta.
