Punte da trapano PDC per l'industria mineraria: modalità di guasto comuni e analisi delle cause principali
Attualmente, le punte PDC per l'estrazione mineraria sono costituite principalmente dal corpo della punta, dagli inserti di taglio PDC e dalla lega di protezione del calibro. Gli inserti di taglio PDC e la lega di protezione del calibro sono brasati sul corpo della punta. Durante la perforazione normale, la perforatrice trasmette coppia e pressione di avanzamento alla punta attraverso la batteria di perforazione; gli inserti di taglio PDC tagliano la roccia sul fondo del foro, mentre la lega di protezione del calibro protegge il corpo della punta circonferenzialmente per prevenirne la rapida usura. Durante il taglio della roccia, il carico sulle frese PDC sulla faccia della punta è molto complesso. Variazioni nella formazione, nel metodo di costruzione e nella selezione delle attrezzature, nelle pratiche degli operatori e nel controllo di qualità della punta possono influire sulle prestazioni e portare a diverse modalità di guasto. Sulla base di indagini sul campo presso i siti di perforazione delle miniere di carbone, sono state riassunte e analizzate le punte PDC per l'estrazione mineraria che presentavano guasti; sono state identificate le seguenti modalità di guasto tipiche e le principali cause.
1.1 Guasti degli inserti da taglio PDC Il PDC viene sinterizzato ad alta temperatura e alta pressione. Un composito PDC è in genere costituito da uno strato di diamante e da un substrato di carburo di tungsteno (WC).
Le principali modalità di guasto degli inserti da taglio PDC sono la normale usura, la perdita dell'inserto (estrazione), la scheggiatura e la delaminazione.
(1) Usura normale L'usura normale è il degrado previsto delle frese PDC durante il taglio della roccia. Si manifesta come una perdita abrasiva macroscopica dello strato di diamante e del substrato WC; la superficie usurata non mostra segni di frattura o scheggiatura distinti.
(2) Perdita dell'inserto (estrazione) La perdita dell'inserto si verifica quando un inserto PDC si stacca completamente dal corpo della punta, causandone la rottura. Il segno caratteristico è la completa separazione dell'inserto dalla punta, con la tasca di brasatura nel corpo della punta che non mostra alcun residuo di lega.
Principali cause di perdita di inserto:
Temperatura eccessiva del fondo foro: quando si utilizza la foratura a secco o i passaggi dell'acqua della punta sono ostruiti, la rotazione ad alta velocità e il taglio generano calore che non può essere rimosso, causando un brusco aumento della temperatura del fondo foro. Se la temperatura supera la temperatura critica del metallo d'apporto per brasatura, la brasatura si fonde e l'inserto fuoriesce.
Scarso controllo del processo di brasatura: una pulizia pre-saldatura inadeguata, brasature incomplete o porose, una degassificazione inadeguata o una temperatura/tempo di mantenimento post-brasatura inadeguati possono causare l'estrazione dell'inserto.
Contromisure:
I produttori devono controllare rigorosamente i processi di produzione, in particolare la brasatura, per garantire saldature complete e solide.
In loco, adottare la perforazione a umido (lavaggio sufficiente) anziché a secco, ove possibile; durante la perforazione profonda, attendere che si stabilisca il flusso di ritorno prima di aggiungere il tubo di perforazione; controllare che i passaggi dell'acqua della punta non siano ostruiti prima di far entrare la punta nel foro, per evitare il surriscaldamento localizzato.
(3) Scheggiatura (rottura del bordo) La scheggiatura si riferisce alla frattura e alla perdita dello strato di diamante PDC, spesso localmente; nei casi più gravi lo strato di diamante può rompersi insieme a parti del substrato WC.
Principali cause di scheggiatura:
Proprietà del materiale della fresa: le frese scelte potrebbero avere una bassa resistenza agli urti o una forza di adesione insufficiente tra il substrato WC e la grana diamantata, il che le rende soggette a scheggiature in caso di impatto.
Parametri operativi: una pressione di avanzamento/peso sulla punta (WOB) eccessiva sulla faccia può sovraccaricare le frese oltre i loro limiti di resistenza, causando scheggiature e sfaldamenti dello strato di diamante.
Formazione complessa: nelle formazioni fortemente rotte i carichi d'impatto possono superare la tenacità all'impatto delle frese e causare scheggiature.
Progettazione della punta: un angolo di taglio/inclinazione della fresa inadeguato (ad esempio, un angolo di taglio troppo piccolo per formazioni dure) aumenta il carico sulla fresa e favorisce la scheggiatura. La regola generale è che le formazioni più dure richiedono generalmente angoli di taglio più ampi.
Ostacoli esterni: l'incontro con elementi di rinforzo della roccia, come bulloni del tetto o bulloni dei cavi, durante i lavori sotterranei può facilmente causare scheggiature della fresa.
Contromisure:
Rispettare i parametri operativi consigliati dal produttore della punta.
Selezionare e progettare punte mirate alle condizioni di formazione: per formazioni dure aumentare l'angolo di taglio/inclinazione della fresa per ridurre l'aggressività e proteggere le frese; per formazioni dure e frammentate scegliere frese PDC con maggiore tenacità all'impatto o modificare la geometria esterna della fresa per migliorare la resistenza all'impatto (ad esempio, le facce convesse-curve hanno prestazioni di impatto migliori rispetto alle facce piatte in processi di produzione comparabili).
Pianificare le traiettorie dei fori in modo da evitare, ove possibile, ancoraggi o bulloni noti.
(4) Delaminazione La delaminazione indica la separazione tra lo strato di diamante e il substrato WC del composito PDC.
Causa principale della delaminazione: le significative tensioni residue tra lo strato di diamante e il substrato di WC, combinate con la differenza nei coefficienti di dilatazione termica, portano a una contrazione non corrispondente sotto l'alternanza di riscaldamento per attrito e raffreddamento da parte del fluido di perforazione. Gli effetti combinati del carico d'impatto e delle tensioni residue possono causare il distacco dello strato di diamante dal substrato.
Contromisure:
Durante la produzione, selezionare materiali leganti e parametri di lavorazione appropriati per ridurre al minimo lo stress residuo tra lo strato di diamante e il substrato WC.
Ottimizzare la geometria substrato-interfaccia (ad esempio, nuove forme di interfaccia) per migliorare l'interblocco meccanico e la resistenza del legame tra lo strato di diamante e il substrato.
1.2 Guasti del corpo della punta I guasti del corpo della punta si presentano principalmente come frattura delle ali della punta (lame della punta).
Le fratture delle ali si verificano soprattutto nelle punte sinterizzate/a matrice e sono rare nelle punte con corpo in acciaio.
Cause di frattura delle ali nei pezzi di matrice:
Impatto sulle alette della punta durante la preparazione o la rimozione: le corone delle punte a matrice sono spesso prodotte mediante metallurgia delle polveri e sono sinterizzate in un unico pezzo. Rispetto alle punte standard con corpo in acciaio, le punte a matrice sinterizzate presentano una maggiore resistenza all'usura ma una minore tenacità; urtare le alette della punta durante la rimozione può facilmente causarne la frattura.
Scarso controllo del processo di sinterizzazione: una sinterizzazione incompleta o inclusioni (isole di polvere non sinterizzata) indicano che la polvere non si è consolidata completamente in una matrice omogenea.
Contromisure:
Durante la preparazione e la separazione, gli operatori devono utilizzare utensili adeguati (ad esempio, pinze per tubi o chiavi inglesi) per facilitare il lavoro ed evitare di martellare le ali della punta.
I produttori devono controllare rigorosamente la qualità della sinterizzazione: controllare rigorosamente il processo di sinterizzazione ed eseguire controlli periodici sulla materia prima in polvere metallica per garantire che soddisfi le specifiche del processo.
