Formas de mejorar la vida útil de las herramientas de perforación de rocas
Análisis de fallas en herramientas de perforación de roca:
En los últimos años, las herramientas de perforación de roca en mi país se han desarrollado rápidamente, y se han creado una serie de productos con características propias, como brocas de dientes de columna, brocas integrales de carburo, brocas de roca extremadamente tenaces, carburo K610, acero para herramientas de perforación de ultraalta resistencia Ni-Cr-Mo, varillas de perforación corrugadas y trapezoidales de ∅38, etc., con una calidad y una vida útil significativamente mejoradas. Sin embargo, la calidad de la producción en masa aún es inestable, y las herramientas de perforación fallan prematuramente. Las razones se analizan a continuación:
1. Broca
Las formas de daño de la broca incluyen principalmente desgaste anormal y desgaste normal, como fragmentos, dientes rotos, extracción interna de dientes, abultamiento del cuerpo de la broca y fractura. Mi país ha utilizado brocas rectas de estilo antiguo durante mucho tiempo. Después del desguace, la cuchilla residual promedio en el medio de la pieza de aleación es de más de 12 mm, y la tasa normal es inferior al 5%. El abultamiento, el desgaste del cono invertido, la cintura rota, el agrietamiento y la caída de fragmentos en rocas duras a menudo representan más del 80% del uso de la broca. La razón principal es que el ala de la cuchilla de la broca es demasiado delgada y el espesor relativo del ala es de solo 1,16. No es resistente al desgaste, tiene un desgaste radial rápido y tiene poca estabilidad de forma geométrica. El cuerpo de acero de la cuchilla tiene una fuerza de sujeción insuficiente sobre la lámina de aleación, lo que provoca que la lámina se caiga, el barreno no es redondo, la resistencia a la rotación es grande y el desgaste de la cuchilla de perforación se agrava. El antiguo cabezal de perforación recto tiene una profundidad de orificio cónico de 32 mm y la profundidad de inserción de la punta es inferior a 24 mm. El orificio cónico es poco profundo. Bajo la acción de cargas de alta frecuencia e impacto, la presión positiva por unidad de área de la pared del flexómetro superará fácilmente la resistencia última del cuerpo de acero del cabezal, provocando su expansión o agrietamiento. En primer lugar, a partir de la pared interior de la abertura del flexómetro, se genera una deformación residual por tracción tangencial, que provoca la expansión de la pared del flexómetro, adquiriendo una forma de trompeta, aflojando la conexión y provocando el desprendimiento del flexómetro. Cuando la dureza del acero del cuerpo del flexómetro es demasiado alta como para provocar su agrietamiento, el sistema de descarga de polvo es deficiente y se produce un aplastamiento repetido, lo que aumenta el desgaste del cabezal de perforación.
Los principales daños en la cabeza de perforación con dientes esféricos son la caída de los dientes del borde, la caída de dientes rotos, el agrietamiento de los pantalones, el desprendimiento de la tapa y la rotura de la cintura. Según las estadísticas de fallas de brocas suecas con dientes esféricos de ∅48 mm perforadas con perforadoras hidráulicas COP1038HD en la Universidad de Geociencias de China, se perdió el 37% de los dientes, se rompió el 28,3% y se rompió el 13,2%. Al perforar agujeros en granito duro con perforadoras neumáticas 7655, se perdió el 22,7% de los dientes, se rompió el 35,4% y se rompió el 26,4%. Las pruebas de campo muestran que los dientes se pierden y se rompen. Esto se debe a que los dientes están sometidos a una tensión excéntrica, distribuida de forma extremadamente desigual, y a diferentes presiones circunferenciales radiales, lo que provoca una mala resistencia a la tensión y la rotura de los dientes. Debido a la alta dureza de la base de la broca, el ajuste por interferencia entre los dientes y los orificios permanece inalterado. Al fijar, debido a la alta dureza del orificio del diente, la deformación elastoplástica es deficiente. Cuando los dientes se fijan bajo presión, se generan fácilmente microfisuras. A medida que la roca se perfora a mayor velocidad, estas se expanden en diferentes direcciones, lo que provoca un aplastamiento irregular de los dientes de aleación. A medida que aumenta el número de impactos en la broca de la columna, la deformación plástica de la pared del orificio del diente continúa aumentando, provocando la aparición de una boca de campana en la boca del orificio del diente, lo que resulta en una disminución de la fuerza de fijación de los dientes y facilita el desgaste de los dientes. Además, debido a la pequeña interferencia entre los agujeros de los dientes, la baja dureza del cuerpo de la broca también agrava el desgaste de los dientes. Dado que el carburo cementado es un material frágil, los inevitables poros, inclusiones y otras fuentes de microfisuras en su interior continuarán expandiéndose y rompiéndose durante el proceso de millones de impactos a medida que se perfora la roca. La influencia del cuerpo de la broca de alta dureza en los dientes de carburo cementado es mucho mayor que la de los cuerpos de broca de dureza media y baja. Cuanto menor sea la dureza del cuerpo de la broca, menor será la influencia de la fuerza de presión en el rendimiento del carburo cementado. Sin embargo, la reducción de la dureza del cuerpo de la broca provocará una fuerza insuficiente de fijación de los dientes y el desgaste de los dientes. Además, está relacionado con factores como el material, el rendimiento del fundente, la operación de soldadura y el método de uso.
Más del 80% de las fracturas del cuerpo de acero de las brocas se producen en la unión entre la cara final de la punta y la base de la camisa de perforación, y la fractura de la broca de dientes de columna se produce a lo largo de la interfaz inferior del orificio del diente. De la ley de transmisión de las ondas de tensión, se desprende que el área entre la cara final de la punta y la base de la camisa es donde la resistencia a las ondas cambia bruscamente. La fractura por fatiga causada por la reflexión de las ondas de tensión y la mutación de la sección transversal suele verse agravada por factores como la selección inadecuada del acero, un diseño de parámetros de estructura geométrica poco razonable, un proceso de fabricación inadecuado y métodos de uso inadecuados.
2. Varilla de perforación
Las barras de perforación están sometidas a tensiones alternas integrales, principalmente de impacto, flexión y corrosión, durante su funcionamiento. Por lo tanto, se requiere que la barra de perforación tenga alta resistencia a la fatiga, al impacto y a la corrosión, así como baja sensibilidad a las entalladuras y baja tasa de crecimiento de grietas. Entre los daños que pueden sufrir las barras de perforación se incluyen la dureza insuficiente del extremo del mango, que causa amontonamiento superior; la dureza excesiva, que causa explosión superior; el desgaste de la rosca de la biela; y la fractura por fatiga y fractura frágil.
La fractura de la varilla de perforación es la principal forma de falla. La fractura por fatiga son las grietas causadas por la acumulación de daño bajo tensión repetida. Por lo general, se origina en las partes débiles del material, como inclusiones no metálicas, burbujas, manchas blancas, cicatrices, descarburación, grietas por corrosión dentro del material; material deficiente y tratamiento térmico, como el núcleo de la varilla de perforación carburada es demasiado duro, el temple deficiente produce grietas y grietas en el extremo del mango de cola; debido a razones de diseño como la forma incorrecta de la rosca de la varilla de perforación, el mal ajuste de la manga y la rosca, el mal ajuste del cono y el mango de cola, grietas y roturas; uso inadecuado como marcas de martillo, mala lubricación de las juntas y corrosión del acero de perforación, etc., que causan grietas y roturas. Además de la expansión de estas grietas, la fractura por fatiga de la varilla de perforación se produce después de un largo proceso de desarrollo. El tratamiento de la fractura por fatiga de la varilla de perforación se puede dividir en tres etapas: bajo la acción del estrés cíclico, algunas partes de la varilla de perforación producen deformación plástica en forma de deslizamiento y aparecen microgrietas, que gradualmente se convierten en macrogrietas bajo la acción repetida del estrés cíclico; en la segunda etapa, el área efectiva de la varilla de perforación se reduce con el desarrollo de macrogrietas; en la tercera etapa, cuando la sección transversal de la varilla de perforación se reduce a un estrés equivalente a la resistencia a la tracción, se rompe. La fractura por fatiga de la varilla de perforación de la biela se produce principalmente en la raíz de la rosca, y la grieta se desarrolla desde la superficie exterior hacia el interior; la fractura por fatiga de la varilla de perforación pequeña, la grieta por fatiga interna se genera en la superficie del orificio de agua de la varilla de perforación y se desarrolla gradualmente hacia afuera, y la grieta por fatiga externa se genera en la superficie de la varilla de perforación y se desarrolla gradualmente hacia adentro. La fractura por fatiga de la varilla de aguja pequeña se produce principalmente entre 300 y 400 mm antes del collar.
Durante la perforación de rocas en minas, un pequeño número de varillas de perforación rotas no presentan marcas de fatiga en la superficie de la fractura, mostrando generalmente una superficie cristalina brillante, conocida como fractura frágil. Esto se debe principalmente a defectos en la varilla, como inclusiones, hendiduras, marcas de martillo o cambios excesivos en la sección transversal, así como a la boca de campana producida durante el forjado, un tratamiento térmico inadecuado y otros factores. Esto resulta en una baja resistencia de la varilla, baja plasticidad o una alta concentración de tensiones, lo que facilita la aparición de grietas con extrema rapidez y la fácil aparición de fractura frágil prematura.
Formas de mejorar la vida útil de la herramienta de perforación
1. Mejorar la calidad del diseño
La determinación de parámetros estructurales razonables y el desarrollo continuo de nuevas variedades son requisitos previos para prolongar la vida útil de la herramienta de perforación. Durante muchos años, se ha utilizado la broca recta tradicional. La principal razón de su corta vida útil es el diseño poco razonable del producto, que se manifiesta en el pequeño espesor relativo de las alas, el orificio cónico poco profundo, la deficiente descarga de polvo, la forma geométrica inestable, la facilidad para producir deformaciones cilíndricas prematuras y los parámetros geométricos poco razonables de la chapa metálica dura. Por lo tanto, es difícil mejorar el diseño original, por lo que la broca recta tradicional debe eliminarse lo antes posible.
Las brocas de cuchillas se utilizan ampliamente en piezas enteras, rectas, de tres cuchillas, en cruz y en forma de X, con disposición radial. Cuantas más cuchillas tenga la broca, mayor será su resistencia al desgaste. La broca en cruz tiene un metraje de rectificado entre un 30 % y un 50 % mayor que la broca recta, pero su fabricación y rectificado son complejos y costosos. El espesor relativo de las aletas es preferiblemente de 1,6 a 2,2 mm, y la sección transversal de la ranura de drenaje de polvo y el área total de la sección transversal del orificio de agua deben ser iguales o mayores que la sección transversal del orificio central de la varilla de perforación. Se suele utilizar una disposición de tres orificios, con un diámetro ligeramente mayor. La estructura del cuerpo es razonablemente adecuada para tener un ángulo de incidencia de 2° a 3° en la cabeza y una transición de arco circular o cono con un radio de curvatura de R = 30 a 80 mm entre la superficie cónica y la superficie cilíndrica de la cola del cuerpo extendido de los pantalones. La broca pequeña con un diámetro inferior a 45 mm se conecta a la varilla de perforación mediante una conexión cónica, mientras que la broca con un diámetro superior a 45 mm se conecta mediante una rosca trapezoidal corrugada o compuesta. La velocidad de perforación es inversamente proporcional al cuadrado del diámetro de la broca. Sin embargo, para optimizar el uso de la tecnología y mejorar la calidad y la vida útil de la broca, se puede aumentar la frecuencia de afilado hasta 15 veces. Para reducir el desgaste radial de la broca, se puede aumentar el área de contacto entre la hoja de la broca y la pared del orificio para una descarga de polvo uniforme, determinar razonablemente el ángulo de separación de la lámina de aleación y aumentar adecuadamente su espesor.
La forma de la corona del diente de la broca es mayormente hemisférica. La velocidad de perforación es alta. Al presionar la roca, la superficie del diente es relativamente fuerte y duradera bajo tensión de compresión. El diámetro del diente debe considerar la tensión de tracción, la firmeza de los dientes fijos y la posibilidad de alineación. El número de dientes debe considerar la eficacia de la fractura, la posibilidad de alineación, la resistencia suficiente y un reafilado conveniente. El análisis de fallas revela que la tensión de los dientes laterales es deficiente y presentan roturas. Se pueden tomar las siguientes medidas para reducir el daño a los dientes laterales y prolongar la vida útil de la broca.
(1) Refuerce los dientes laterales y seleccione correctamente la forma, el diámetro y la altura de los dientes. El diámetro actual de los dientes centrales y laterales es de 9,65 a 9,95 mm. El diámetro de los dientes laterales se puede aumentar a 10,65 a 10,95 mm para mejorar la resistencia al impacto y al desgaste, y el diámetro de los dientes centrales se puede reducir a 8,65 a 8,95 mm para facilitar la colocación de los dientes laterales y reducir los costos.
(2) Reducir adecuadamente el ángulo de inclinación de los dientes laterales mejora la tensión y la resistencia al impacto. En el extranjero, se suelen utilizar ángulos de inclinación de 30° a 35°, que pueden reducirse a 20° a 25°, lo que aumenta el área de contacto entre la superficie exterior de los dientes laterales y la roca, además de favorecer su autoafilado y mejorar la resistencia al desgaste radial de la broca. Los dientes centrales son ligeramente más altos que los laterales para facilitar el centrado y liberar superficies laterales libres, mejorando así la eficiencia de trituración. Para rocas blandas con baja abrasividad radial, el ángulo de inclinación debe ser pequeño.
(3) Seleccione correctamente la separación de soldadura y la interferencia de los dientes fijos para aumentar la fuerza de fijación de los dientes de la columna. Cuando la interferencia es pequeña, la fuerza de apriete se reduce. Cuando la interferencia es ligeramente mayor, se producirán arañazos en el orificio del diente. Si el diente se agranda aún más, no se presionará. Si es demasiado grande, el diente se rompe con facilidad y, en ocasiones, el cuerpo de la broca se hincha y se rompe. Si se aumenta la rugosidad superficial del orificio del diente, se incrementa el coeficiente de fricción para aumentar la fuerza de apriete, lo cual es una medida viable. Utilizando un anidamiento plástico (material de cobre H62Y, comúnmente utilizado) como intermediario, el anidamiento y el orificio se acoplan de forma transitoria, y los dientes se acoplan por interferencia. Al prensar en frío los dientes, el anidamiento se aprieta entre sí bajo la acción de la fuerza de fijación del diente, y el anidamiento sufre una deformación plástica y la superficie rugosa de los dientes del orificio se encaja entre sí, aumentando así la fuerza de unión (fricción estática) entre los dientes del orificio y logrando un diente firmemente fijado.
(4) Los dientes laterales se seleccionan de carburo cementado de alta tenacidad y se someten a un tratamiento isostático en caliente para prevenir eficazmente la rotura de los dientes. El refuerzo del cuerpo de acero de la broca aumenta su resistencia a la abrasión.
(5) Disposición razonable de los dientes, aumentar la cantidad de dientes laterales tanto como sea posible, mejorar el sistema de descarga de polvo, conservar el orificio de agua frontal y el sistema de descarga de polvo de tres ranuras y dos orificios con gran espacio, alta eficiencia de descarga de polvo, reducir el aplastamiento repetido de polvo de roca, reducir el consumo de energía y extender la vida útil de la broca.
Las varillas de perforación para pozos poco profundos utilizan aceros huecos hexagonales B19, B22 y B25, que representan entre el 80 y el 85 % del uso de acero hueco; las varillas de perforación para pozos profundos utilizan aceros huecos redondos o hexagonales D32, D38, B25 y B32, que representan entre el 15 y el 20 %. Las varillas de perforación hexagonales ofrecen buena rigidez, una amplia abertura de descarga de polvo y son fáciles de laminar.
Mejore la estructura de la varilla de perforación, como la varilla de rosca completa propuesta por Ingersoll Rand Company en Estados Unidos, que se procesa mediante el método de laminado y endurecimiento superficial, lo que mejora la tenacidad y la resistencia al desgaste, ofrece un gran ángulo de hélice, buen autobloqueo y es fácil de desmontar y montar. Cuando el extremo de conexión se desgasta, se puede cortar, biselar y reutilizar, lo que aumenta su vida útil de 3 a 4 veces. La varilla de perforación SPEEDROD de Samdvik Company en Suecia utiliza una biela roscada, elimina el manguito de biela, elimina la holgura de la superficie de unión, mejora considerablemente la alineación y la rigidez de la conexión, mantiene la linealidad del orificio de perforación y ahorra energía.
Mejorar la calidad de la apariencia y la calidad del empaque de la herramienta de perforación, diseñar bien la forma de la apariencia y la estructura del empaque, puede proteger eficazmente la herramienta de perforación, embellecerla y extender su vida útil.
2. Seleccione materiales de alta calidad
La selección de materiales para herramientas de perforación debe considerar la tenacidad y la resistencia al desgaste, una buena rigidez y resistencia al desgaste, una resistencia a la fatiga suficientemente alta, baja sensibilidad a la entalla por fatiga, alta capacidad de sujeción de láminas de aleación y cierta resistencia a la corrosión. Además, debe tener un buen rendimiento del proceso, facilidad de corte, buena templabilidad y soldabilidad. Se ajusta a las condiciones nacionales, es económico y se busca reducir el uso de Ni y Cr. Los resultados del método de selección de acero para herramientas de perforación basado en matemáticas difusas se recomiendan a continuación:
(1) El acero 24SiMnNi²CrMo es un nuevo tipo de acero que imita al acero sueco FF710 y tiene las mejores propiedades mecánicas convencionales, propiedades de fractura y evaluación integral. La vida útil promedio de la broca de columna de nueve dientes ∅50 de producción nacional en el Proyecto de Carreteras es de 715,2 m/pieza, y la vida útil máxima es de 901,4 m/pieza, que está cerca de la vida útil de la broca de columna ∅48 sueca en el proyecto de 760 m/pieza. También es un buen material para varillas de perforación. La vida útil promedio del carro hidráulico de la perforadora de roca hidráulica Mercury 300 en la Mina de Hierro es de 152,4 m/pieza, y la vida útil de la cola de perforación es de 609 m/pieza, que es un 76% más alta que la vida útil de la cola de perforación 23CrNi³Mo francesa de 345 m/pieza;
(2) El metraje acumulado promedio de la barra de perforación hecha de acero 40SiMnMoV es de 1225,4 m, que está cerca del nivel extranjero;
(3) La vida útil de la varilla de perforación pequeña hecha de 55SiMnMo es cercana al nivel de 250 m de la varilla de perforación pequeña sueca 95CrMo;
(4) La vida útil promedio de la varilla de perforación de 35SiMnMoV puede alcanzar los 300 m/pieza. Este acero se somete a un tratamiento térmico mediante temple, revenido, recocido y normalizado, entre otros, para formar un acero bainítico con alta resistencia a la fatiga y tenacidad.
Para la soldadura por inducción de piezas fijas y brocas de dientes fijos de tamaño pequeño y mediano, se utiliza acero 40MnMoV como material del cuerpo de la broca. La vida útil de las brocas de rosca corrugada con dientes transversales y de columna de ∅50 producidas es similar a la de las brocas suecas. Para las brocas con dientes de columna y dientes incrustados en caliente, se prefiere el acero 45NiCrMoV.
La selección de materiales de carburo cementado debe adaptarse a las propiedades mecánicas de la roca y al tipo de perforadora. Por lo general, los carburos cementados con alto contenido de cobalto, como YJo y YG13C, se utilizan para rocas extremadamente tenaces y perforadoras con gran potencia de impacto; YJ¹, YK25 y YG11C se utilizan principalmente para rocas duras; YG8C e YJ² se utilizan para rocas minerales de dureza media; y YJ³ e YG6 se utilizan para rocas blandas. El coeficiente de expansión lineal de la fase de cobalto en el carburo cementado es aproximadamente tres veces mayor que el del carburo de tungsteno. La tensión interna generada durante el calentamiento y enfriamiento rápidos provocará el agrietamiento de la misma interfaz. Por lo tanto, independientemente del proceso de fabricación, soldadura y rectificado, se debe evitar el calentamiento y enfriamiento repentinos del carburo cementado.
La soldadura a base de plata se utiliza ampliamente en la soldadura fuerte de puntas de perforación. Presenta un punto de fusión bajo, afecta poco el rendimiento del cuerpo de acero y el carburo cementado, además de alta resistencia y baja tensión de soldadura. Mi país debe realizar investigación y desarrollo para satisfacer las necesidades de apertura de los mercados internacionales. Actualmente, las soldaduras a base de cobre, como 105, 801 y SB-1, se utilizan principalmente por su eficiencia y vida útil en la perforación de rocas.
