الزامات طراحی، ساخت و نگهداری ابزار حفاری سنگ
یک ابزار حفاری سنگ یک سیستم انتقال انرژی کامل است. مته سنگ ضربه و چرخش ایجاد می‌کند، آداپتور ساق و فولاد مته آن انرژی را منتقل می‌کنند و مته آن را به سنگ اعمال می‌کند. اگر هر بخشی از این زنجیره ضعیف شود، راندمان حفاری، دقت سوراخ، عمر ابزار و هزینه عملیاتی تحت تأثیر قرار می‌گیرد.
برای معدنکاری، تونل‌سازی، استخراج سنگ و کارهای زیربنایی، عملکرد خوب حفاری تنها از یک جزء حاصل نمی‌شود. این امر مستلزم تجهیزات سازگار، طراحی صحیح ابزار، کیفیت تولید پایدار، مواد مناسب، عملیات حرارتی مناسب و استفاده دقیق در محل است.
هدف ساده است: انتقال انرژی به طور کارآمد، شکستن مؤثر سنگ، حفظ اتصالات قابل اعتماد، کاهش زمان از کارافتادگی و دستیابی به کمترین هزینه عملی به ازای هر متر حفاری.
الزامات هسته برای ابزارهای حفاری سنگ
یک سیستم ابزار حفاری قابل اعتماد باید چندین الزام کلی را برآورده کند:
انتقال کارآمد انرژی ضربه و چرخش
قابلیت سنگ شکنی موثر
سازگاری با مته سنگ و سازند سنگ
ساختار ساده، بادوام و قابل ساخت
روش‌های عملی تعمیر و نگهداری و سنگ‌زنی مجدد
عمر مفید پایدار و عملکرد اقتصادی
مقاومت در برابر خستگی، سایش، خوردگی و فرسودگی اتصالات
هر جزء شرایط عملیاتی متفاوتی دارد. یک میله مته باید در برابر ضربه، خم شدن، پیچ خوردگی و خوردگی مقاوم باشد. بدنه مته باید از قطعات کاربیدی پشتیبانی کند و در عین حال در برابر سایش و ترک خوردگی مقاوم باشد. یک اتصال رزوه ای باید انرژی را بدون شل شدن یا ساییدگی منتقل کند. این الزامات مختلف باید در طول طراحی و ساخت در نظر گرفته شوند.
طراحی یکپارچه مته فولادی
فولاد مته یکپارچه، ساقه، بدنه میله و مته را در یک جزء ترکیب می‌کند. از آنجا که نمی‌توان آن را به قطعات قابل تعویض تقسیم کرد، طراحی آن باید با هدف ایجاد تعادل در طول عمر مفید در تمام بخش‌ها انجام شود.
اگر یک بخش خیلی زودتر از بقیه دچار نقص شود، ارزش اقتصادی کل ابزار کاهش می‌یابد. برای مثال، اگر انتهای ساقه زود خسته شود، یک مته قوی ارزش کمی دارد و یک بدنه میله بادوام، فرسایش سریع مته را جبران نمی‌کند.
عملیات حرارتی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. نواحی مختلف فولاد مته یکپارچه ممکن است به سطوح سختی و چقرمگی متفاوتی نیاز داشته باشند. ناحیه نرم‌شده‌ای که در طول ساخت ایجاد می‌شود می‌تواند عمر خستگی را به میزان قابل توجهی تحت تأثیر قرار دهد. اگر این ناحیه در منطقه‌ای با تنش بالا قرار داشته باشد که امواج ضربه با هم ترکیب می‌شوند، خطر شکستگی می‌تواند افزایش یابد.
انتهای ساقه برای مقاومت در برابر سایش به سختی سطحی خوب و چقرمگی داخلی کافی برای جذب ضربه‌های مکرر نیاز دارد. انتقال بین نواحی سخت و چقرمگی باید تدریجی باشد. تغییرات ناگهانی در سختی یا ریزساختار می‌تواند باعث ایجاد تمرکز تنش و کاهش قابلیت اطمینان شود.
صافی، وضعیت سطح و عمر خستگی
کیفیت سطح فولاد مته تأثیر مستقیمی بر عملکرد خستگی دارد. عیوب کوچک می‌توانند تحت تأثیر ضربات مکرر به نقاط شروع ترک تبدیل شوند.
نقص‌های بالقوه مضر عبارتند از:
خراش‌ها و فرورفتگی‌ها
چاله‌های خوردگی
لایه‌های سطحی دکربوره شده
رسوب اکسید
علائم شناسایی تیز
علائم ماشینکاری خشن
شعاع‌های انتقالی کوچک در شانه‌ها
عدم صاف بودن انتهای ساق پا
سطوح غیر عمود بر ساق پا
انتهای ساقه که با محور میله زاویه ندارد، می‌تواند بارگذاری ضربه‌ای خارج از مرکز ایجاد کند. این امر ممکن است خستگی میله حفاری را تسریع کند، به سطح پیستون مته سنگی آسیب برساند، سایش خاردار را افزایش دهد و لرزش و سر و صدای غیرضروری ایجاد کند.
تولیدکنندگان باید از روش‌های کنترل‌شده‌ی ماشینکاری، عملیات حرارتی، صافکاری و بازرسی استفاده کنند. پیمانکاران باید میله‌های آسیب‌دیده را قبل از اینکه عیوب سطحی به شکستگی‌های خستگی تبدیل شوند، از سرویس خارج کنند.
محافظت در برابر خوردگی و ساچمه زنی
ابزارهای حفاری سنگ اغلب در محیط‌های مرطوب و خورنده کار می‌کنند. آب معدن، سیالات حفاری و رطوبت انبار می‌توانند باعث ایجاد حفره‌های خوردگی شوند که مقاومت در برابر خستگی را کاهش می‌دهند.
محافظت در برابر خوردگی باید هم سطح میله بیرونی و هم سوراخ شستشوی داخلی را در صورت لزوم پوشش دهد. پوشش‌های پایه فسفات، روغن‌های محافظ، واکس‌ها یا سایر سیستم‌های پیشگیری از خوردگی تأیید شده را می‌توان طبق فرآیند سازنده و الزامات زیست‌محیطی محلی استفاده کرد.
ساچمه‌زنی همچنین می‌تواند عملکرد خستگی را بهبود بخشد. این روش تنش فشاری را به لایه سطحی وارد می‌کند و به مقاومت در برابر شروع ترک کمک می‌کند. اندازه دقیق ساچمه، سرعت، پوشش و کنترل فرآیند باید برای فولاد مته و هندسه خاص آن اعتبارسنجی شود. مقادیر فرآیند تاریخی مراجع مفیدی هستند، اما نباید بدون تأیید مهندسی اتخاذ شوند.
طراحی مته و انتخاب کاربید
مته باید با نوع سنگ، روش حفاری، قطر سوراخ و قدرت دکل مطابقت داشته باشد. مته‌های تیغه‌ای، مته‌های ضربدری، مته‌های دکمه‌ای و سایر طرح‌ها دارای نقاط قوت و محدودیت‌های متفاوتی هستند.
مته‌های تیغه‌ای ساده هستند و می‌توانند در حفاری‌های کم‌عمق یا کوچک مفید باشند. با این حال، لبه‌های برش آنها ممکن است به طور ناهموار ساییده شوند و در قطرهای بزرگ یا شرایط سخت سنگ، محدودیت بیشتری داشته باشند.
مته‌های دکمه‌ای طرح‌بندی‌های دکمه‌ای انعطاف‌پذیر و شکستن سنگ چند نقطه‌ای را ارائه می‌دهند. آنها می‌توانند راندمان بالاتر، ماندگاری بهتر گیج و فواصل سنگ‌زنی مجدد طولانی‌تری را در کاربردهای مناسب فراهم کنند. تعداد دکمه‌ها، قطر، برآمدگی، فاصله، شیب و طراحی شستشو باید به عنوان یک سیستم انتخاب شوند.
انتخاب کاربید نیاز به تعادل بین مقاومت در برابر سایش و چقرمگی دارد. یک گرید کاربید سخت‌تر ممکن است در برابر سایش مقاومت بهتری داشته باشد اما می‌تواند در برابر اضافه بار، شوک حرارتی و سنگ‌زنی مجدد ضعیف حساس‌تر باشد. یک گرید سخت‌تر ممکن است در برابر ضربه و سنگ‌های متغیر بهتر مقاومت کند اما در سازندهای بسیار ساینده سریع‌تر فرسوده می‌شود.
بنابراین، درجه صحیح کاربید باید از طریق آزمایش‌های میدانی، با در نظر گرفتن میزان سایندگی سنگ، سختی، شرایط شکست، انرژی حفاری، شستشو و عمر مفید مورد نظر، تأیید شود.
حفظ دکمه و استحکام بدنه مته
مته‌های دکمه‌ای ممکن است از روش درج گرم یا پرس سرد برای محکم کردن دکمه‌های کاربیدی استفاده کنند. در درج گرم، بدنه مته گرم شده منبسط می‌شود و به دکمه‌ها اجازه می‌دهد قبل از انقباض فولاد در حین خنک شدن، نصب شوند. در پرس سرد، دکمه‌ها از طریق یک تداخل کنترل‌شده به داخل سوراخ‌ها فشار داده می‌شوند.
هر دو روش به ابعاد دقیق سوراخ و تداخل مناسب نیاز دارند. تداخل بیش از حد می‌تواند کاربید را ترک دهد یا بدنه مته را به صورت پلاستیکی تغییر شکل دهد. تداخل ناکافی می‌تواند باعث حرکت یا از دست رفتن دکمه شود.
بدنه مته باید به اندازه کافی محکم باشد تا در حین حفاری، به خصوص در گیج، از دکمه‌ها پشتیبانی کند. دکمه‌های گیج تماس و سایش قابل توجهی با دیواره جانبی دارند. اگر سوراخ‌های دکمه تغییر شکل دهند، دکمه‌های گیج می‌توانند شل شوند و مته ممکن است به سرعت قطر خود را از دست بدهد.
طراحی خوب مته‌های دکمه‌ای همچنین به فضای شستشوی کافی نیاز دارد. حذف ضعیف براده‌ها باعث افزایش سنگ‌زنی مجدد، گرما، سایش و مصرف انرژی می‌شود. شیارهای سطحی و سوراخ‌های شستشوی خوب طراحی شده به دور کردن براده‌ها از کف سوراخ کمک می‌کنند.
استفاده و نگهداری صحیح از مزرعه
حتی ابزارهای حفاری درجه یک هم در صورت استفاده نادرست می‌توانند زود از کار بیفتند. یک روال عملیاتی منظم ضروری است.
در حین طوق‌بندی، ضربه کنترل‌شده و نیروی پیشروی کمتری اعمال کنید تا سوراخ ایجاد شود. پس از هدایت صحیح مته، حفاری می‌تواند در تنظیمات عملیاتی توصیه‌شده ادامه یابد. پیشروی بیش از حد می‌تواند تنش خمشی را افزایش داده و سایش مته را تسریع کند. پیشروی ناکافی می‌تواند تنش کششی مضر و حفاری ناکارآمد ایجاد کند.
از ضربه زدن به ابزارهای مته با چکش در حین نصب یا جداسازی خودداری کنید. از ابزارهای مخصوص جداسازی استفاده کنید. آسیب خارجی ناشی از چکش، سنگ یا جابجایی نامناسب می‌تواند عمر خستگی را به شدت کاهش دهد.
اتصالات رزوه‌دار را تمیز نگه دارید و با گریس رزوه مناسب روغن‌کاری کنید. داغ بودن غلاف یا ناحیه رزوه کوپلینگ می‌تواند نشان‌دهنده اصطکاک بیش از حد، نصب نامناسب، آلودگی یا سایش باشد. کوپلینگ‌ها و میله‌های آسیب‌دیده باید قبل از اینکه به سایر اجزا آسیب برسانند، تعمیر یا تعویض شوند.
هرگز اجازه ندهید که مته به مدت طولانی و بدون تکیه‌گاه سنگ، به مته برخورد کند. این کار می‌تواند تنش کششی انعکاسی شدیدی ایجاد کند و به قطعات کاربیدی، محل قرارگیری دکمه‌ها، انتهای ساقه مته و میله‌های مته آسیب برساند.
قبل از اینکه سایش بیش از حد شود، مته‌ها را دوباره سنگ‌زنی کنید. لبه‌های برشی فرسوده بدون هدر رفتن کاربید به سختی قابل بازیابی هستند و ممکن است از قبل آسیب‌هایی ایجاد کرده باشند که عملکرد ابزار را کاهش می‌دهد. در سنگ‌زنی باید از چرخ‌های مناسب، فشار متوسط و روش‌های خنک‌کننده مناسب برای جلوگیری از گرمای بیش از حد و ترک خوردن استفاده شود.
نتیجه‌گیری
عملکرد ابزار حفاری سنگ به یک سیستم کامل از طراحی، مواد، ساخت، بهره‌برداری و نگهداری بستگی دارد. فولاد مته قوی به تنهایی کافی نیست. هندسه خوب مته به تنهایی کافی نیست. کل رشته حفاری باید با دکل، سازند سنگ و هدف حفاری سازگار باشد.
با کنترل کیفیت سطح، عملیات حرارتی، محافظت در برابر خوردگی، انتخاب کاربید، حفظ دکمه، طراحی فلاشینگ و عملکرد اپراتور، پیمانکاران حفاری می‌توانند ثبات نفوذ را بهبود بخشند، زمان از کارافتادگی برنامه‌ریزی نشده را کاهش دهند و عمر مفید ابزارهای حفاری را افزایش دهند.
