Rottura dell'asta di perforazione all'estremità della punta? Due cause che spiegano quasi tutti i guasti.
C'è un tipo particolare di frustrazione che si prova quando si estrae una batteria di perforazione e si scopre che l'asta si è spezzata di netto all'altezza della filettatura della punta: non era usurata, non si stava deteriorando gradualmente, era semplicemente rotta. La superficie di rottura è fresca. Il corpo dell'asta sopra la rottura sembra intatto. E il primo pensiero è sempre lo stesso: acciaio difettoso.
Quasi mai si tratta di acciaio difettoso. Nella quasi totalità dei casi, la barra si rompe perché il terreno è cambiato e l'operatore non si è adeguato, oppure perché il foro è diventato troppo profondo per le condizioni e nessuno ha modificato il piano. Ecco cosa succede effettivamente in quel raccordo filettato quando si rompe e come evitare che accada di nuovo durante il tuo prossimo turno.
La rottura improvvisa: quando il terreno tende un agguato alla tua canna da pesca
Il tipo di rottura di un'asta di perforazione più inquietante è quello senza preavviso. La punta del trapano gira senza intoppi, la penetrazione è stabile, e poi... crack. L'asta si spezza in corrispondenza della filettatura all'estremità della punta, che rimane sul fondo del foro con un moncone di filettatura ancora al suo interno.
Questo fenomeno si verifica quasi esclusivamente in terreni misti o imprevedibili. Un'asta di perforazione che attraversa una roccia uniforme è soggetta a un carico costante e prevedibile. L'energia d'impatto si propaga lungo l'asta, nella punta e nella roccia secondo uno schema uniforme. Le filettature all'estremità della punta sopportano il carico di progetto, ciclo dopo ciclo, entro i limiti di fatica per cui sono state progettate.
Poi la punta incontra qualcosa di diverso. Una dura lente di quarzite in un'arenaria altrimenti tenera. Un vuoto dove la punta improvvisamente non incontra resistenza e poi si schianta contro la parete opposta. Una zona fratturata dove la punta si incastra su uno spigolo e la rotazione si blocca momentaneamente. In quell'istante, il carico sulla connessione filettata aumenta vertiginosamente, superando di gran lunga il suo valore di regime. Le filettature, che sono già il punto di massima sollecitazione in qualsiasi asta a causa della concentrazione geometrica delle sollecitazioni alla base della filettatura, subiscono un carico che può superare la resistenza a trazione ultima del materiale.
Se l'operatore sta utilizzando una potenza d'impatto elevata e un'avanzamento rapido quando ciò accade — esattamente quello che si farebbe se il terreno fosse stato morbido e collaborativo fino a quel momento — l'asta non ha margine di sicurezza. Il chiodo colpisce, la sollecitazione alla base della filettatura supera la resistenza dell'acciaio e l'asta si spezza. Non gradualmente. Non dopo cento cicli. Con quel singolo colpo.
La soluzione sta nella consapevolezza della situazione, non nell'utilizzo di aste più robuste. Quando si perfora in un terreno di cui si conosce la variabilità – e nella maggior parte delle perforazioni minerarie e edili, la si conosce sempre, o almeno si dovrebbe – è necessario ascoltare la trivella. Quando il suono dell'impatto cambia tono, quando la coppia di rotazione fluttua improvvisamente, quando la velocità di penetrazione diminuisce senza una ragione apparente, è il terreno che segnala un cambiamento. Riducete la potenza d'impatto e la velocità di avanzamento prima che l'asta subisca un colpo che non può sopportare. Perderete qualche secondo di velocità di penetrazione, ma guadagnerete un'asta che completerà il foro.
La morte lenta: una stanchezza che sembra normale finché non smette di esserlo.
L'altra modalità di rottura comune è più difficile da diagnosticare perché non c'è un evento scatenante evidente. La barra si spezza improvvisamente un giorno e, osservando la superficie di rottura, si nota che una parte è scura e ossidata (vecchia crepa) e un'altra parte è chiara e fresca (la frattura finale). Questa superficie di rottura bicolore è il segno distintivo della fatica.
Le rotture per fatica nelle aste di perforazione si verificano quando l'asta viene utilizzata in condizioni che superano il suo limite di resistenza, ciclo dopo ciclo, fino a quando il microdanneggiamento accumulato raggiunge un punto critico. La causa più comune è un foro troppo profondo rispetto alle condizioni del terreno.
Ecco il meccanismo: con l'aumentare della profondità del foro, l'evacuazione dei detriti diventa meno efficiente. Lo spazio anulare tra l'asta e la parete del foro si allunga, l'aria o l'acqua di lavaggio perdono velocità con la distanza e i detriti più pesanti iniziano a depositarsi invece di fluire verso l'esterno. L'asta deve ora ruotare contro la resistenza dei detriti compattati, oltre al normale carico di perforazione. Questa ulteriore resistenza alla rotazione non è uniforme, ma fluttua a causa dell'accumulo e della rimozione dei detriti, e l'asta subisce un carico torsionale ciclico in aggiunta al carico d'impatto percussivo per cui è stata progettata.
Allo stesso tempo, le buche profonde in terreni accidentati raramente hanno pareti perfettamente dritte. L'asta si flette leggermente durante la rotazione, e questa flessione genera una sollecitazione di flessione ad ogni rotazione. Flessione, torsione e impatto rappresentano una triplice minaccia di fatica.
La parte filettata all'estremità della punta subisce la maggior parte delle sollecitazioni. La radice della filettatura, che già di per sé rappresenta un concentratore di stress geometrico e rende le filettature intrinsecamente più deboli del corpo dell'asta, accumula danni da fatica a ogni ciclo. Una microfrattura si innesca alla radice. Nei successivi centinaia di metri di perforazione, questa frattura cresce, micron dopo micron, finché la sezione trasversale rimanente non è più in grado di sopportare il carico e l'asta si spezza.
L'operatore vede una barra che sembrava a posto rompersi senza preavviso. In realtà si è trattato di una cricca da fatica che si era propagata per gli ultimi cinquanta fori, invisibile dall'esterno, fino a raggiungere dimensioni critiche.
Come riconoscere la stanchezza prima che ti colpisca
Non è possibile individuare una cricca da fatica sottosuperficiale senza un'ispezione specializzata, come ad esempio un controllo con particelle magnetiche o ultrasuoni, ma è possibile gestire le condizioni che la provocano.
Innanzitutto: controllate la profondità del foro. In terreni accidentati, fratturati o altamente abrasivi, un foro meno profondo con un migliore spazio per i detriti esercita una minore pressione sulla barra di perforazione rispetto a un foro più profondo con un lavaggio insufficiente. Se il flusso di ritorno del liquido di lavaggio all'altezza del collare rallenta o è sporco, significa che il foro sta diventando troppo profondo per le condizioni del terreno. Fermatevi prima che la barra di perforazione ne risenta.
Secondo: ispezionate le filettature ogni volta che la canna viene rimossa dalla lenza. Dovete cercare tre cose: grippaggio (metallo lacerato e ruvido sulle superfici laterali), deformazione (filettature che non sono più affilate e pulite sulla cresta) e vaiolatura (piccole cavità dovute a corrosione o cavitazione). Ognuno di questi è un concentratore di stress che accelera la fatica. Una canna con danni visibili alla filettatura deve essere ritirata dal servizio, non "oone more hole," non "we'll keep eye it." Pulled.
Terzo: scegliete l'asta adatta al terreno. Un'asta progettata per roccia omogenea di media durezza non avrà un margine di resistenza alla fatica sufficiente per terreni fratturati e variabili, dove il carico è imprevedibile. In condizioni difficili, è necessaria un'asta con una sezione trasversale maggiore in corrispondenza del raccordo con la punta, un raggio di raccordo della filettatura più ampio e un materiale che privilegi la resistenza alla fatica rispetto alla pura resistenza alla trazione. L'asta che costa il 20% in più e dura tre volte di più in terreni difficili non è costosa: lo è invece l'asta che si spezza a metà foro.
