Rottura delle aste di perforazione: cause principali e misure pratiche di prevenzione
La rottura dell'asta di perforazione è uno dei guasti più costosi nella perforazione di roccia. Un'asta rotta comporta uno spreco di materiali di consumo, interrompe la produzione, può lasciare gli utensili bloccati nel foro e danneggiare giunti, adattatori del gambo o la perforatrice stessa. Inoltre, impedisce al sistema di perforazione di raggiungere la piena durata utile della punta.
La maggior parte dei guasti alle aste di perforazione non è casuale. Sono causati da fatica, corrosione, problemi di trattamento termico, difetti dei materiali, connessioni scadenti o procedure operative errate. Comprendere questi meccanismi di guasto aiuta i team di perforazione a prevenire i guasti e a ridurre il costo per metro perforato.
La fatica è la principale causa di rottura delle aste di perforazione.
Le aste di perforazione sono esposte a ripetuti impatti, rotazioni, forze di avanzamento, flessioni e vibrazioni. Sebbene la sollecitazione massima durante ogni ciclo possa essere inferiore alla resistenza a trazione statica dell'acciaio, migliaia di cicli ripetuti possono innescare e propagare una cricca da fatica.
Le crepe da fatica di solito iniziano nei punti deboli come:
Graffi superficiali o segni di lavorazione.
Radici e spalle dei fili.
Fosse di corrosione.
Difetti interni o superficiali nell'acciaio.
Cambiamenti geometrici improvvisi.
Zone con bassa durezza o scarsa transizione al trattamento termico.
Inizialmente, queste crepe possono essere troppo piccole per essere viste. Con la continuazione della perforazione, si ingrandiscono fino a quando la sezione trasversale rimanente intatta non è più in grado di sopportare il carico applicato. La barra si rompe quindi improvvisamente.
Una frattura da fatica presenta spesso due regioni distinte. Una sezione può apparire liscia, lucida o finemente strutturata perché si è sviluppata gradualmente sotto carico ripetuto. La zona di frattura finale è solitamente più ruvida e recente, e mostra il punto in cui il metallo rimanente si è rotto per sovraccarico.
La fatica da corrosione accelera il danneggiamento
Il lavaggio con acqua, le acque sotterranee, gli additivi di perforazione e le acque di miniera contaminate possono aggravare i danni da fatica. La corrosione può attaccare la superficie dell'acciaio e formare delle cavità, che agiscono come concentratori di stress. Una volta che una cricca inizia in un'area corrosa, gli impatti ripetuti possono accelerarne la propagazione.
Per questo motivo, le aste di perforazione devono essere protette durante lo stoccaggio e ispezionate dopo l'uso in ambienti umidi o corrosivi. Una corretta pulizia aiuta a rimuovere le particelle abrasive, ma gli operatori devono anche evitare di lasciare le aste esposte a umidità, fango o residui chimici per lunghi periodi.
La fatica da corrosione è particolarmente importante in prossimità delle filettature e dei fori di lavaggio interni, dove umidità e detriti possono rimanere dopo la foratura.
Il trattamento termico può creare zone di debolezza
Il trattamento termico è necessario per ottenere durezza, resistenza e tenacità adeguate. Tuttavia, un riscaldamento o un raffreddamento non controllati possono creare variazioni locali delle proprietà. Le zone di transizione tra le aree riscaldate e quelle non riscaldate possono presentare una durezza inferiore o una minore resistenza alla fatica.
Un'asta di perforazione necessita di proprietà bilanciate. Una durezza eccessiva può aumentarne la fragilità, mentre una durezza insufficiente può ridurne la resistenza all'usura e la robustezza. L'obiettivo non è semplicemente raggiungere la massima durezza possibile, bensì ottenere un profilo di durezza controllato che supporti la resistenza agli urti, la durata a fatica e la resistenza della filettatura.
I produttori devono controllare la temperatura di forgiatura, la durata del riscaldamento, la tempra e il rinvenimento. Questi processi dovrebbero produrre transizioni graduali delle proprietà, anziché zone di debolezza improvvise in prossimità del gambo, della filettatura o delle regioni termicamente alterate.
La qualità dell'acciaio e le condizioni della superficie sono importanti.
La qualità dell'acciaio di perforazione originale influisce direttamente sulla durata di servizio. Inclusioni, strati decarburati, difetti di laminazione, giunzioni superficiali e discontinuità interne possono tutti diventare punti di innesco di cricche.
Un buon acciaio per trapano dovrebbe avere:
Composizione della lega idonea all'applicazione.
Proprietà meccaniche costanti.
Acciaio pulito con inclusioni controllate.
Microstruttura uniforme dopo laminazione e trattamento termico.
Posizione precisa del foro cavo e spessore della parete.
Superfici esterne lisce e prive di difetti.
Nella produzione di aste di perforazione è fondamentale controllare anche la rettilineità, la precisione della filettatura e la finitura superficiale. Un piccolo difetto superficiale in un'area sottoposta a forti sollecitazioni può avere un impatto sulla durata a fatica molto maggiore di quanto le sue dimensioni lascino intendere.
Le condizioni operative possono ridurre la durata della barra
Anche l'acciaio per punte da trapano di alta qualità può deteriorarsi prematuramente se utilizzato in condizioni sfavorevoli. Il disallineamento tra la punta, la barra di alimentazione e il foro crea sollecitazioni di flessione. Una forza di avanzamento eccessiva può sovraccaricare la punta e l'asta. Un avanzamento insufficiente può causare rimbalzi e uno scarso trasferimento dell'impatto.
Le filettature devono essere pulite, lubrificate secondo le specifiche e completamente avvitate. I raccordi usurati o le filettature danneggiate devono essere sostituiti prima che danneggino una nuova asta. L'utilizzo di sistemi di filettatura incompatibili o la forzatura di connessioni non allineate può causare la rottura della base della filettatura.
Il lavaggio dovrebbe rimuovere efficacemente i detriti. Un lavaggio inadeguato può aumentare l'attrito, causare il bloccaggio della punta ed esporre l'asta a torsioni e flessioni eccessive.
Misure pratiche di prevenzione
Un programma efficace di manutenzione delle aste di perforazione combina la selezione dei materiali, il controllo della produzione e le corrette procedure sul campo.
Selezionare l'acciaio di perforazione e la geometria dell'asta che meglio si adattano alla potenza di perforazione, al diametro del foro e alle condizioni della roccia.
Utilizzare aste, giunti e adattatori per gambo con filettature e dimensioni compatibili.
Controllare regolarmente le aste per verificare la presenza di crepe, corrosione, rettilineità, usura della filettatura e danni superficiali.
Rimuovere i componenti danneggiati o eccessivamente usurati prima che si guastino.
Mantenere il corretto allineamento della punta, la pressione di avanzamento, la rotazione e il lavaggio.
Conservare le punte da trapano in acciaio in un luogo pulito e asciutto e proteggerle dalla corrosione.
Conservare la documentazione relativa ai guasti, indicando luogo, tipo di asta, formazione rocciosa e condizioni operative.
I registri dei guasti sono particolarmente utili. Se le barre si rompono ripetutamente alla stessa distanza da una filettatura, una spalla o un gambo, l'operazione può concentrare la propria indagine su quella specifica geometria, area di trattamento termico o pratica di foratura.
Concentrati sul costo al metro, non sul prezzo di acquisto.
L'asta di perforazione più economica non è sempre la scelta più conveniente. Un'asta che si rompe prematuramente può causare perdite di tempo di perforazione, blocco degli utensili, abbandono del foro e costosi interventi di recupero. Un sistema di aste affidabile migliora la uniformità della penetrazione, protegge gli altri componenti e riduce il costo totale della perforazione.
Controllando la qualità dell'acciaio, il trattamento termico, l'esposizione alla corrosione, le condizioni della filettatura e la tecnica operativa, le miniere e le imprese appaltatrici possono ridurre significativamente la rottura delle aste di perforazione e migliorare l'affidabilità complessiva della perforazione delle rocce.
