Analisi dei guasti e corretto utilizzo degli strumenti di perforazione delle rocce
Analisi dei guasti degli utensili di perforazione della roccia. La Cina produce ora una gamma di utensili di perforazione della roccia (RDT) con caratteristiche distintive, come punte a colonna/inserto, punte integrali in carburo cementato, punte da roccia ultra resistenti e punte in carburo K610, la cui qualità e durata sono migliorate, ma rimangono incoerenti. I guasti precoci sono dovuti principalmente a problemi con la punta e l'asta di perforazione.
Le punte si rompono a causa di usura anomala e normale: frammentazione, rottura dei denti, perdita dei denti, scheggiature e fratture. Le punte a scalpello spesso si rompono perché le alette taglienti sono troppo sottili, si usurano rapidamente, hanno una scarsa stabilità geometrica e un serraggio insufficiente degli inserti in metallo duro, con conseguente perdita dell'inserto e usura accelerata. Le punte sferiche/a bottone in genere soffrono di scheggiature del tagliente, denti del tagliente fratturati, crepe nella gonna, perdita della cappa e fratture della vita (corpo). Uno studio sul campo condotto con un trapano pneumatico 7655 su granito duro ha rilevato per le punte con inserti ∅40–∅42: scheggiatura del tagliente del 22,7%, rottura del tagliente del 35,4% e perdita di frammenti del 26,4%, dimostrando che il danneggiamento dei denti del tagliente è una modalità di guasto dominante. Le cause includono sollecitazioni eccentriche e irregolari sui denti di taglio, pressioni radiali diverse, crescente deformazione plastica della parete del foro del dente (che porta a una forma a campana e a una forza di serraggio ridotta), accoppiamento con interferenza insufficiente tra dente e foro e bassa durezza del corpo della punta. Una maggiore durezza del corpo della punta avvantaggia i carburi molto più dei corpi di durezza medio/bassa. Anche la qualità della saldatura, le prestazioni del flusso, la pratica di saldatura e l'utilizzo influiscono sui guasti. Oltre l'80% delle fratture del corpo della punta si verifica nella giunzione tra la faccia della punta e la gonna; le fratture parziali delle punte con denti di inserimento si propagano lungo il fondo del foro del dente. Anche una selezione inadeguata dell'acciaio, una geometria inappropriata, una fabbricazione impropria o un uso scorretto aggravano le fratture.
Le aste di perforazione sono sottoposte a sollecitazioni alternate (impatto, flessione e corrosione), pertanto richiedono elevata resistenza alla fatica, tenacità all'impatto, resistenza alla corrosione e bassa sensibilità all'intaglio e bassa velocità di propagazione delle cricche. I guasti delle aste includono deformazioni all'estremità del gambo dell'asta piccola dovute a bassa durezza, rottura delle estremità ad alta durezza, usura della filettatura in corrispondenza dei giunti, rotture per fatica e fratture fragili. Le rotture per fatica si originano e si propagano a causa di difetti del materiale (inclusioni non metalliche, porosità, punti bianchi, graffi, decarburazione, cricche da corrosione) o a causa di un trattamento termico/del materiale inadeguato (nucleo troppo duro dovuto a cementazione, tempra inadeguata che causa cricche di coda, cricche da tempra). Difetti di progettazione e un accoppiamento inadeguato dei giunti possono indurre cricche; anche un uso improprio (segni di martello, scarsa lubrificazione dei giunti, corrosione) può causare cricche e rotture. Alcune fratture delle barre non presentano caratteristiche di fatica e si presentano come fratture fragili, cristalline e brillanti, solitamente dovute a difetti, gravi modifiche della sezione, sovrapposizioni di forgiatura o trattamento termico improprio che produce bassa resistenza o elevata concentrazione di stress e rapida propagazione delle crepe.
Utilizzo corretto e razionale degli utensili di perforazione 2.1 Migliorare la qualità del progetto. Determinare parametri strutturali ragionevoli e sviluppare nuove tipologie sono prerequisiti per una maggiore durata. Per le punte a inserto/colonna, le corone emisferiche offrono un'elevata velocità di perforazione e una resistenza alla compressione duratura. Il diametro dei denti deve garantire resistenza alla trazione e al serraggio. Per ridurre i danni ai denti di taglio e prolungare la durata: (1) rinforzare i denti di taglio scegliendo la forma, il diametro e l'altezza di esposizione appropriati; (2) ridurre l'angolo di spoglia dei denti di taglio per migliorare la distribuzione del carico e la resistenza agli urti; (3) selezionare i corretti spazi di saldatura e l'accoppiamento con interferenza per aumentare la forza di ritenzione; (4) utilizzare carburi più resistenti e trattati termicamente per i denti di taglio per prevenirne la frammentazione; (5) rinforzare il corpo della punta per migliorare la resistenza all'usura; (6) ottimizzare la disposizione dei denti, aumentare il numero di denti di taglio ove possibile e migliorare il lavaggio: mantenere i fori di drenaggio sulla superficie e un sistema di lavaggio a tre scanalature/due fori con un'ampia fessura per aumentare la rimozione dei detriti, ridurre la riaffilatura dei detriti, ridurre il consumo energetico e prolungare la durata della punta.
Migliorare la geometria delle barre: ad esempio, le barre a filettatura completa di Ingersoll-Rand, prodotte mediante profilatura a rulli con tempra superficiale, angolo d'elica più ampio e buon autobloccaggio, migliorano la tenacità, la resistenza all'usura e la facilità di montaggio/smontaggio. Migliorare l'aspetto e il design dell'imballaggio per proteggere gli utensili e prolungarne la durata.
2.2 Selezionare materiali di alta qualità I materiali degli utensili devono essere tenaci e resistenti all'usura, con buona rigidità, elevata resistenza alla fatica, bassa sensibilità all'intaglio, elevata ritenzione del carburo e una certa resistenza alla corrosione. Gli acciai raccomandati includono: 24SiMnNi2CrMo (simile allo svedese FF710) con eccellenti proprietà meccaniche e di frattura combinate; 40SiMnMoV per aste (penetrazione media ~1225,4 m, prossima ai livelli esteri); 55SiMnMo per aste di piccole dimensioni che si avvicina alla durata delle aste di piccole dimensioni dello svedese 95CrMo (~250 m); 35SiMnMoV che raggiunge ~300 m per asta. Questi acciai, dopo tempra-rinvenimento, formano microstrutture bainitiche con elevata tenacità a fatica. Per punte di piccole e medie dimensioni con inserto, il 40MnMoV è adatto per il corpo punta; per punte con inserto montate a caldo, è preferibile il 45NiCrMoV. La selezione del carburo deve essere in base alla meccanica della roccia e al tipo di punta.
2.3 Adottare tecnologie di produzione avanzate. L'utilizzo della lavorazione meccanica per produrre punte, in sostituzione della forgiatura tradizionale, è un'evoluzione fondamentale. Per le punte con inserti saldati, utilizzare apparecchiature di riscaldamento adeguate (forni a induzione a frequenza ultrasonica o a media frequenza) o il riscaldamento a induzione completa per prevenire l'ossidazione e la decarburazione, garantire tempi di riscaldamento brevi e controllabili, facilitare la brasatura ed evitare sollecitazioni da tempra controllando il raffreddamento. Aumentare opportunamente le dimensioni della saldatura, scegliere mole abrasive graduate e pulire accuratamente le superfici di saldatura con solventi organici per migliorare la qualità della brasatura.
Per il fissaggio dell'inserto, si consiglia il montaggio a caldo per diametri medi e grandi: influisce minimamente sulle proprietà del corpo della punta e del metallo duro, preserva la qualità superficiale, produce stati di sollecitazione compressiva biassiale in corrispondenza del giunto, fornisce una buona ritenzione e riduce la perdita di frammenti, e consente un trattamento termico ottimale dell'acciaio. Gli inserti stampati a freddo richiedono un'elevata precisione di lavorazione: utilizzare utensili ad alta precisione e catene dimensionali corte per aumentare la rigidità di contatto e la qualità della superficie del foro. La geometria dell'utensile dovrebbe consentire una maggiore deformazione di taglio e un rinforzo per estrusione, in modo che la parete del foro acquisisca una sollecitazione residua di compressione vantaggiosa e uno strato superficiale incrudito.
Per aumentare la durata delle barre, realizzare stampi di forgiatura e lavorazione di precisione per prevenire smussi, bave o cricche. Migliorare la qualità della laminazione dell'acciaio cavo per eliminare ammaccature, croste, pieghe e decarburazione.
Conclusione Questo articolo ha analizzato le modalità di guasto degli RDT e ha esaminato le strutture delle punte e le forme di danno, dimostrando le cause di guasto e proponendo misure per l'estensione della durata: parametri strutturali adeguati, selezione di materiali di qualità e tecniche di produzione avanzate. La durata dell'utensile, tuttavia, dipende dalla qualità intrinseca e dall'uso scientifico. Ulteriori punti pratici: utilizzare estrattori anziché martellare a mano durante la rimozione delle punte; riaffilare le punte per ridurre l'inizio e la crescita di cricche superficiali e per migliorare la velocità di perforazione; seguire le istruzioni operative corrette: avanzare lentamente finché la punta non è penetrata nella roccia prima di perforare a piena velocità; assicurarsi che gli accoppiamenti delle aste siano concentrici e che le filettature siano completamente innestate; se una punta si blocca, evitare di martellare: chiudere la valvola di ingresso, aprire l'acqua, avanzare lentamente e utilizzare movimenti avanti e indietro per levigare la parete del foro e liberare l'utensile, prevenendo la frammentazione del carburo, la rottura del gambo o la frattura dell'asta.
In sintesi, l'impiego di trapani abbinati, utensili dedicati e macchine appropriate in diverse condizioni consentirà agli RDT di raggiungere il loro potenziale di prestazioni.
