تحلیل شکست و استفاده صحیح از ابزارهای حفاری سنگ
تحلیل شکست ابزارهای حفاری سنگ چین اکنون طیف وسیعی از ابزارهای حفاری سنگ (RDT) را با ویژگی‌های متمایز - مانند مته‌های ستونی/دندانه‌دار، مته‌های انتگرالی کاربید سیمانی، مته‌های سنگی فوق سخت و کاربید K610 - تولید می‌کند که کیفیت و طول عمر آنها بهبود یافته اما همچنان ثابت است. شکست‌های اولیه عمدتاً به دلیل مشکلات مته و میله حفاری است.
مته‌ها به دلیل سایش غیرطبیعی و طبیعی دچار شکست می‌شوند: تکه‌تکه شدن، شکستن دندانه، از دست دادن دندانه، لب‌پریدگی و شکستگی. مته‌های نوع اسکنه‌ای اغلب به دلیل نازک بودن بیش از حد بال‌های برش، سایش سریع، پایداری هندسی ضعیف و عدم توانایی در بستن قطعات کاربیدی - که منجر به از دست دادن قطعه و سایش سریع می‌شود - دچار شکست می‌شوند. مته‌های کروی/دکمه‌دار معمولاً دچار پوسته‌پوسته شدن لبه، شکستگی دندانه‌های لبه، ترک خوردن در دامن، از دست دادن کلاهک و شکستگی کمر (بدنه) می‌شوند. یک مطالعه میدانی با استفاده از یک مته پنوماتیک 7655 روی گرانیت سخت نشان داد که برای مته‌های دندانه داخلی ∅40-∅42: پوسته‌پوسته شدن دندانه لبه 22.7٪، شکستگی دندانه لبه 35.4٪ و از دست دادن قطعه 26.4٪ - که نشان می‌دهد آسیب دندانه لبه یک حالت شکست غالب است. علل آن شامل تنش خارج از مرکز و ناهموار روی دندانه‌های لبه، فشارهای شعاعی متفاوت، افزایش تغییر شکل پلاستیکی دیواره سوراخ دندانه (منجر به دهان زنگوله‌ای و کاهش نیروی گیره)، عدم تطابق کافی بین دندانه و سوراخ و سختی کم بدنه مته است. سختی بالاتر بدنه مته، مزایای بسیار بیشتری برای کاربیدها نسبت به بدنه‌های با سختی متوسط/پایین دارد. کیفیت جوشکاری، عملکرد فلاکس، روش جوشکاری و نحوه استفاده نیز بر شکست‌ها تأثیر می‌گذارند. بیش از 80٪ شکستگی‌های بدنه مته در محل اتصال سطح مته و دامن آن رخ می‌دهد؛ شکستگی‌های جزئی مته‌های دندانه‌دار در امتداد کف سوراخ دندانه گسترش می‌یابند. انتخاب ضعیف فولاد، هندسه نامناسب، تولید نامناسب یا استفاده نادرست نیز شکستگی‌ها را تشدید می‌کند.
میله‌های حفاری تنش‌های متناوب - ضربه، خمش و خوردگی - را تحمل می‌کنند، بنابراین به استحکام خستگی بالا، چقرمگی ضربه، مقاومت در برابر خوردگی و حساسیت به بریدگی و نرخ انتشار ترک پایین نیاز دارند. شکست میله شامل تغییر شکل در انتهای ساقه میله کوچک به دلیل سختی کم، ترک خوردن انتهای با سختی بالا، سایش رزوه در کوپلینگ‌ها، شکستگی‌های خستگی و شکستگی‌های ترد است. شکستگی‌های خستگی از نقص‌های مواد (اجزای غیرفلزی، تخلخل، لکه‌های سفید، خراش‌ها، دکربوریزاسیون، ترک‌های خوردگی) یا از عملیات حرارتی/مواد ضعیف (هسته بیش از حد سخت شده ناشی از کربوریزاسیون، کوئنچ ضعیف که باعث ترک‌های انتهایی، ترک‌های کوئنچ می‌شود) شروع و گسترش می‌یابند. نقص‌های طراحی و اتصال ضعیف کوپلینگ می‌تواند باعث ایجاد ترک شود. استفاده نادرست (اثر چکش، روانکاری ضعیف اتصال، خوردگی) نیز باعث ترک خوردگی و شکستگی می‌شود. برخی از شکستگی‌های میله هیچ ویژگی خستگی نشان نمی‌دهند و به صورت شکستگی‌های شکننده روشن و کریستالی ظاهر می‌شوند - معمولاً از نقص‌ها، تغییرات شدید مقطع، لبه‌های آهنگری یا عملیات حرارتی نامناسب که باعث استحکام کم یا تمرکز تنش بالا و انتشار سریع ترک می‌شود.
استفاده صحیح و منطقی از ابزارهای حفاری سنگ 2.1 بهبود کیفیت طراحی تعیین پارامترهای ساختاری معقول و توسعه انواع جدید، پیش‌نیازهای طول عمر بیشتر هستند. برای مته‌های دندانه‌دار/ستونی، تاج‌های نیم‌کره‌ای سرعت حفاری بالا و مقاومت فشاری بادوامی را فراهم می‌کنند. قطر دندانه باید استحکام کششی و استحکام گیره‌بندی را تضمین کند. برای کاهش آسیب دندانه‌های لبه‌ای و افزایش طول عمر: (1) دندانه‌های لبه‌ای را با انتخاب شکل، قطر و ارتفاع مناسب دندانه تقویت کنید؛ (2) زاویه براده دندانه‌های لبه‌ای را کاهش دهید تا توزیع بار و مقاومت در برابر ضربه بهبود یابد؛ (3) شکاف‌های جوش و اتصالات تداخلی صحیح را برای افزایش نیروی نگهدارنده انتخاب کنید؛ (4) از کاربیدهای سخت‌تر و عملیات حرارتی شده برای دندانه‌های لبه‌ای برای جلوگیری از خرد شدن استفاده کنید؛ (5) بدنه مته را برای بهبود مقاومت در برابر سایش تقویت کنید؛ (6) طرح دندانه را بهینه کنید، تعداد دندانه‌های لبه‌ای را در صورت امکان افزایش دهید و شستشو را بهبود بخشید - سوراخ‌های آب روی سطح و یک سیستم شستشوی سه شیار/دو سوراخه با شکاف بزرگ را حفظ کنید تا میزان حذف قلمه‌ها را افزایش دهید، سنگ‌زنی مجدد قلمه‌ها را کاهش دهید، مصرف انرژی را کاهش دهید و طول عمر مته را افزایش دهید.
بهبود هندسه میله: به عنوان مثال، میله‌های رزوه‌دار کامل Ingersoll-Rand که با روش نورد شکل‌دهی با سخت‌کاری سطحی، زاویه مارپیچ بزرگتر و قفل‌شوندگی خودکار خوب تولید می‌شوند، چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و سهولت مونتاژ/جداسازی را بهبود می‌بخشند. بهبود ظاهر و طراحی بسته‌بندی برای محافظت از ابزارها و افزایش عمر مفید.
۲.۲ انتخاب مواد با کیفیت بالا مواد ابزار باید چقرمه و مقاوم در برابر سایش، با استحکام خوب، استحکام خستگی بالا، حساسیت کم به شیار، حفظ کاربید قوی و مقداری مقاومت در برابر خوردگی باشند. فولادهای توصیه شده عبارتند از: 24SiMnNi2CrMo (مشابه FF710 سوئدی) با خواص مکانیکی و شکست ترکیبی عالی؛ 40SiMnMoV برای میله‌ها (میانگین نفوذ ~ 1225.4 متر، نزدیک به سطوح خارجی)؛ 55SiMnMo برای میله‌های کوچک نزدیک به عمر میله کوچک 95CrMo سوئدی (~ 250 متر)؛ 35SiMnMoV با دستیابی به حدود 300 متر در هر میله. این فولادها، پس از کوئنچ-تمپر، ریزساختارهای بینیتی با چقرمگی خستگی بالا تشکیل می‌دهند. برای مته‌های کوچک و متوسط با اتصال داخلی، 40MnMoV برای بدنه مته مناسب است؛ برای مته‌های داخلی نصب شده در حالت گرم، 45NiCrMoV ترجیح داده می‌شود. انتخاب کاربید باید با مکانیک سنگ و نوع مته مطابقت داشته باشد.
۲.۳ اتخاذ فناوری پیشرفته تولید استفاده از ماشینکاری برای تولید مته‌ها - جایگزین آهنگری سنتی - یک پیشرفت کلیدی است. برای مته‌های اینسرت جوش داده شده، از تجهیزات گرمایشی مناسب (کوره‌های القایی با فرکانس اولتراسونیک یا فرکانس متوسط) یا گرمایش القایی کامل برای جلوگیری از اکسیداسیون و کربن‌زدایی استفاده کنید، زمان‌های گرمایش کوتاه و قابل کنترل را تضمین کنید، لحیم‌کاری سخت را آسان کنید و با کنترل خنک‌سازی از تنش‌های کوئنچ جلوگیری کنید. اندازه جوش را به طور مناسب افزایش دهید، چرخ‌های سنگ‌زنی درجه‌بندی شده را انتخاب کنید و سطوح جوش را با حلال‌های آلی کاملاً تمیز کنید تا کیفیت لحیم‌کاری سخت بهبود یابد.
برای تثبیت قطعه، نصب گرم برای قطرهای متوسط و بزرگ توصیه می‌شود: این روش حداقل تأثیر را بر خواص بدنه مته و کاربید می‌گذارد، کیفیت سطح را حفظ می‌کند، حالت‌های تنش فشاری دو محوره را در محل اتصال ایجاد می‌کند، ماندگاری خوبی را فراهم می‌کند و از بین رفتن قطعه را کاهش می‌دهد و امکان عملیات حرارتی بهینه فولاد را فراهم می‌کند. قطعه‌های پرس سرد نیاز به دقت ماشینکاری بالایی دارند - از ابزار دقیق، زنجیرهای با ابعاد کوتاه برای افزایش سختی تماس و کیفیت سطح سوراخ دندانه استفاده کنید. هندسه ابزار باید امکان تغییر شکل برش بزرگتر و تقویت اکستروژن را فراهم کند تا دیواره سوراخ تنش پسماند فشاری مفید و یک لایه سطحی سخت شده با کرنش را به دست آورد.
برای افزایش عمر میله، قالب‌های آهنگری و ماشینکاری دقیقی تولید کنید تا از زنگوله شدن، پلیسه یا ترک جلوگیری شود. کیفیت نورد فولاد توخالی را بهبود بخشید تا فرورفتگی، پوسته پوسته شدن، چین خوردگی و کربن‌زدایی از بین برود.
نتیجه‌گیری این مقاله حالت‌های شکست RDT را تجزیه و تحلیل کرد و ساختار مته و اشکال آسیب را بررسی کرد، علل شکست را نشان داد و اقدامات افزایش طول عمر را پیشنهاد داد: پارامترهای ساختاری مناسب، انتخاب مواد با کیفیت و تکنیک‌های پیشرفته تولید. با این حال، طول عمر ابزار به کیفیت ذاتی و کاربرد علمی آن بستگی دارد. نکات عملی اضافی: هنگام برداشتن مته‌ها از پولیشر به جای چکش دستی استفاده کنید؛ مته‌ها را دوباره سنگ بزنید تا شروع و رشد ترک‌های سطحی کاهش یابد و سرعت حفاری بهبود یابد؛ عملیات صحیح را دنبال کنید - به آرامی پیش بروید تا مته قبل از حفاری با سرعت کامل وارد سنگ شود؛ مطمئن شوید که کوپلینگ‌های میله‌ای متحدالمرکز هستند و رزوه‌ها کاملاً درگیر شده‌اند؛ اگر مته گیر کرد، از چکش زدن خودداری کنید - شیر ورودی را ببندید، آب را باز کنید، به آرامی پیش بروید و از حرکات عقب و جلو برای صاف کردن دیواره چاه و آزاد کردن ابزار استفاده کنید و از خرد شدن کاربید، شکستگی ساقه یا شکستگی میله جلوگیری کنید.
به طور خلاصه، استفاده از مته‌های منطبق، ابزارهای اختصاصی و ماشین‌های مناسب تحت شرایط مختلف، به RDT اجازه می‌دهد تا به عملکرد بالقوه خود برسد.
