Brocas PDC para minería: modos de fallo comunes y análisis de causas raíz
Actualmente, las brocas PDC para minería constan principalmente del cuerpo de la broca, los insertos de corte PDC y una aleación de protección de calibre. Los insertos de corte PDC y la aleación de protección de calibre se sueldan al cuerpo de la broca. Durante la perforación normal, la perforadora transmite el torque y la presión de avance a la broca a través de la sarta de perforación; los insertos de corte PDC cortan la roca en el fondo del pozo, mientras que la aleación de protección de calibre protege circunferencialmente el cuerpo de la broca para prevenir el desgaste prematuro. Durante el corte de roca, la carga sobre los cortadores PDC en la cara de la broca es altamente compleja. Las variaciones en la formación, el método de construcción y la selección del equipo, la práctica del operador y el control de calidad de la broca pueden afectar el rendimiento y provocar diferentes modos de falla. Con base en investigaciones de campo en sitios de perforación de minas de carbón, se resumieron y analizaron las brocas PDC para minería que fallaron; se identificaron los siguientes modos de falla típicos y sus principales causas.
1.1 Fallas en las plaquitas de corte de PDC. El PDC se sinteriza a alta temperatura y alta presión. Un compuesto de PDC suele estar formado por una capa de diamante y un sustrato de carburo de tungsteno (WC).
Los principales modos de fallo de las plaquitas de corte PDC son el desgaste normal, la pérdida de la plaquita (extracción), el astillamiento y la delaminación.
(1) Desgaste normal. El desgaste normal es la degradación esperada de las fresas PDC durante el corte de roca. Se manifiesta como una pérdida abrasiva macroscópica de la capa de diamante y del sustrato de WC; la superficie desgastada no presenta fracturas ni marcas de desprendimiento visibles.
(2) Pérdida de inserto (desprendimiento) La pérdida de inserto se produce cuando un inserto PDC se desprende completamente del cuerpo de la broca, provocando su fallo. La señal característica es la separación total del inserto de la broca, sin que la zona de soldadura en el cuerpo de la broca presente restos de aleación.
Principales causas de pérdida de inserción:
Temperatura excesiva en el fondo del pozo: al perforar en seco o cuando los conductos de agua de la broca están obstruidos, la alta velocidad de rotación y el corte generan calor que no se puede disipar, lo que provoca un aumento brusco de la temperatura en el fondo del pozo. Si la temperatura supera la temperatura crítica del metal de aporte de la soldadura, esta se funde y el inserto se desprende.
Un control deficiente del proceso de soldadura fuerte: una limpieza previa a la soldadura inadecuada, soldaduras incompletas o porosas, una desgasificación deficiente o una temperatura/tiempo de mantenimiento posterior a la soldadura inadecuados pueden provocar la extracción del inserto.
Contramedidas:
Los fabricantes deben controlar estrictamente los procesos de producción, especialmente el soldeo fuerte, para garantizar soldaduras completas y de buena calidad.
En el sitio, adopte la perforación húmeda (con suficiente lavado) en lugar de la perforación seca siempre que sea posible; durante la perforación profunda, espere hasta que se establezca el flujo de retorno antes de agregar la tubería de perforación; verifique que los conductos de agua de la broca no estén obstruidos antes de introducir la broca en el agujero para evitar el sobrecalentamiento localizado.
(3) Desconchado (rotura de bordes) El desconchado se refiere a la fractura y pérdida de la capa de diamante PDC, a menudo localmente; en casos graves, la capa de diamante puede desprenderse junto con porciones del sustrato WC.
Principales causas de astillamiento:
Propiedades del material de las fresas: las fresas elegidas pueden tener baja resistencia al impacto o una fuerza de unión insuficiente entre el sustrato de WC y el grano de diamante, lo que las hace propensas a astillarse bajo impacto.
Parámetros operativos: una presión/peso excesivo sobre la broca (WOB) en la cara puede sobrecargar las cuchillas más allá de sus límites de resistencia, causando descamación y astillamiento de la capa de diamante.
Formación compleja: en formaciones duras y fracturadas, las cargas de impacto pueden superar la resistencia al impacto de las cuchillas y provocar astillamiento.
Diseño de la broca: un ángulo de corte inadecuado (por ejemplo, un ángulo de corte demasiado pequeño para formaciones duras) aumenta la carga sobre la broca y favorece el astillamiento. Como regla general, las formaciones más duras suelen requerir ángulos de corte mayores.
Obstáculos externos: encontrar elementos de refuerzo de roca, como pernos de techo o pernos de cable en trabajos subterráneos, puede provocar fácilmente el astillamiento de las cuchillas.
Contramedidas:
Respete los parámetros de funcionamiento recomendados por el fabricante de la broca.
Seleccionar y diseñar brocas adaptadas a las condiciones de la formación: para formaciones duras, aumentar el ángulo de ataque/corte de la cuchilla para reducir la agresividad y proteger las cuchillas; para formaciones duras fragmentadas, elegir cuchillas PDC con mayor tenacidad al impacto o modificar la geometría externa de la cuchilla para mejorar la resistencia al impacto (por ejemplo, las caras convexo-curvas tienen un mejor rendimiento ante impactos que las caras planas en procesos de fabricación comparables).
Planifique las trayectorias de los agujeros evitando, en la medida de lo posible, los anclajes o pernos conocidos.
(4) Delaminación La delaminación denota la separación entre la capa de diamante y el sustrato de WC del compuesto PDC.
Causa principal de la delaminación: Las importantes tensiones residuales entre la capa de diamante y el sustrato de WC, junto con la diferencia en los coeficientes de dilatación térmica, provocan una contracción desigual debido al calentamiento alterno por fricción y al enfriamiento por el fluido de perforación. Los efectos combinados de la carga de impacto y la tensión residual pueden causar que la capa de diamante se desprenda del sustrato.
Contramedidas:
Durante la fabricación, seleccione los materiales de unión y los parámetros de procesamiento adecuados para minimizar la tensión residual entre la capa de diamante y el sustrato de WC.
Optimizar la geometría de la interfaz sustrato (por ejemplo, nuevas formas de interfaz) para mejorar el entrelazado mecánico y la fuerza de unión entre la capa de diamante y el sustrato.
1.2 Fallas en el cuerpo de la broca Las fallas en el cuerpo de la broca se presentan principalmente como fractura de las alas de la broca (hojas de la broca).
Las fracturas en las alas ocurren principalmente en brocas sinterizadas/de matriz y son raras en brocas con cuerpo de acero.
Causas de fractura de alas en brocas de matriz:
Impacto en las aletas de la broca durante el montaje o desmontaje: las coronas de las brocas Matrix se fabrican a menudo mediante pulvimetalurgia y se sinterizan en una sola pieza. En comparación con las brocas estándar de acero, las brocas Matrix sinterizadas presentan mayor resistencia al desgaste, pero menor tenacidad; el impacto en las aletas durante el desmontaje puede provocar fácilmente su fractura.
Un control deficiente del proceso de sinterización: la sinterización incompleta o las inclusiones (islas de polvo sin sinterizar) significan que el polvo no se consolidó completamente en una matriz homogénea.
Contramedidas:
Durante el montaje y desmontaje, los operarios deben utilizar las herramientas adecuadas (por ejemplo, tenazas para tubos o llaves inglesas) para ayudar y evitar golpear las aletas de la broca.
Los fabricantes deben controlar estrictamente la calidad de la sinterización: controlar rigurosamente el proceso de sinterización y realizar controles periódicos de la materia prima de polvo metálico para garantizar que cumpla con las especificaciones del proceso.
