A PDC fúrófejek gyakori meghibásodási módjai és okelemzése
Overview A mining PDC (polycrystalline diamond compact) drill bit consists of the bit body, PDC cutting cutters, and gauge-protecting carbide. Both the PDC cutters and the gauge-protecting carbide are brazed to the bit body. During drilling, torque and downforce are transmitted from the rig through the drill string to the bit; rock fragmentation is performed by the PDC cutters while the gauge-protecting carbide shields the bit body around its circumference to slow wear. Because the stress state at the bit face is highly complex, multiple factors — formation conditions, drilling procedure and equipment selection, operator skill, and quality control of the bit itself — can affect performance and produce various failure modes. Based on field surveys and systematic analysis of failed bits, the following summarizes the main failure types and their causes.
I. Failures of PDC Cutters PDC cutters are the core rock-fragmenting elements of the bit and can fail in several ways:
Normal wear Normal wear is the expected material loss from prolonged rock cutting. It appears as gradual abrasive wear of the diamond table and the cemented-carbide substrate. The worn surface is smooth without obvious fracturing or spalling and is considered acceptable end-of-life wear.
Cutter loss (full detachment) Cutter loss refers to a cutter completely separating from the bit body, leaving the brazing pocket empty and causing bit failure.
Main causes
Thermal damage at the bit face (burning): Dry drilling or blocked bit water passages prevent adequate cooling during high-speed cutting, rapidly raising temperatures at the bit face. If the temperature exceeds the brazing filler’s melting or degradation threshold, the braze joint fails and the cutter falls out.
Inadequate brazing process control: Poor pre-cleaning, cold or porous braze joints, improper degassing, or insufficient post-braze heat treatment/soak time can all reduce joint strength and lead to cutter detachment.
Countermeasures
Production side: enforce strict process control for brazing — ensure clean surfaces, proper braze fillets, and consistent post-braze heat treatment to produce robust joints.
Field side: adopt wet drilling with clean water and avoid dry drilling; before running long holes or adding drill pipe, confirm return flow at the collar and verify bit water passages are unobstructed to prevent cooling loss.
Chipping / fracture of the diamond table Chipping is a high-frequency failure in which the diamond table flakes or fractures; in severe cases the diamond table and carbide substrate break away together, causing immediate loss of cutting ability.
Main causes
Insufficient cutter toughness or bonding: cutters with low impact resistance or weak bonding between the diamond table and carbide substrate are prone to chipping under shock loads.
Improper drilling parameters: excessive feed/downforce causes cutters to experience loads beyond their strength limits.
Kemény formációs körülmények: a nagyon kemény, erősen töredezett formációk nagy ütőterhelést fejtenek ki, amely meghaladja a marószerszám ütőmunkájának szívósságát.
Nem megfelelő fúrófej-kialakítás: a „keményebb formáció → nagyobb vágási/homlokszög” elv be nem tartása túl agresszív geometriájú marókat eredményezhet a kemény formációkhoz, ami növeli a feszültséget és elősegíti a lepattogzást.
Külső akadályok: a horgonyok, kőzetcsavarok vagy a furatban lévő betonacélok hirtelen lökéseket okozhatnak, amelyek kitörhetik a vágókat.
Ellenintézkedések
Kövesse a gyártó üzemi paraméterekre vonatkozó ajánlásait, és állítsa be az előtolást és a forgást a formáció keménységének megfelelően.
Válassza ki a formációhoz illő marószerszámokat és fúrófej-geometriát: növelje a vágási/homlokszöget keményebb formációkban az agresszív támadás és az ütőerő csökkentése érdekében.
Használjon nagyobb ütésállóságú marókat, vagy módosítsa a gyémántasztal külső alakját (pl. a konvex/ívelt profilok gyakran jobb ütésállóságot biztosítanak, mint a síkasztalok hasonló gyártási körülmények között).
Tervezd meg a furatnyomvonalakat úgy, hogy elkerüld az ismert akadályokat, például a kőzetcsavarokat vagy a horgonyokat.
Delamináció a gyémántasztal és az alapanyag között A delamináció a gyémántasztal leválását jelenti a keményfém alapanyagról, ami a vágószerszám épségének elvesztéséhez vezet.
Fő okok
Nagy maradék feszültségek és eltérés a gyémántasztal és a keményfém hordozó hőtágulási együtthatóiban. A forgácsolás során keletkező hő és az öblítőfolyadék gyors lehűlése hőfeszültségeket okoz; ezek a gyártásból és az alkalmazott ütőterhelésekből származó maradék feszültségekkel kombinálva a gyémántasztal leválását okozhatják.
Ellenintézkedések
A gyártás során kompatibilis kötő-/forrasztóanyagokat és folyamatparamétereket kell választani a maradék feszültségek minimalizálása érdekében. Optimalizálni kell a szinterelési/forrasztási eljárásokat a határfelületi feszültségek enyhítése vagy kompenzálása érdekében.
A mechanikai összekapcsolódás javítása az aljzat határfelületének geometriájának újratervezésével (pl. lépcsős vagy kulcsos határfelületek) a kötés szilárdságának és a szerkezeti stabilitás fokozása érdekében.
II. Fúrótest-törések A fúrótest-törések jellemzően penge (kaliberszárny) töréseként jelentkeznek. Ezek a hibák főként mátrix (szinterelt) fúrótestekben fordulnak elő; az acéltestű fúrók a nagyobb anyagszívósság miatt kevésbé hajlamosak a pengetörésre.
Fő okok
Nem megfelelő előkészítési/kibontási gyakorlatok: a mátrix koronafúrófejeket gyakran porkohászati eljárással alakítják ki egyetlen szinterezési lépésben. Bár kopásállóak, a mátrixanyagok kevésbé képlékenyek. A fúrófej előkészítése vagy eltávolítása során a pengék ütődése (például a pengék kalapálása) könnyen eltörheti a szárnyakat.
Rossz szinterelési szabályozás: a hiányos szinterelődés vagy a „hideg” foltok, ahol a fémpor nem szilárdult meg teljesen, gyenge zónákat vagy zárványokat hoznak létre a mátrixban, csökkentve a szerkezeti szilárdságot és növelve a penge törésének valószínűségét használat közben.
Ellenintézkedések
Működési: szabványosítsa az előkészítési és eltávolítási eljárásokat. Használjon megfelelő eszközöket (villáskulcs, emelőfogó vagy elszívóeszköz) a bitek kezeléséhez, és kerülje a pengék közvetlen ütését.
Termelési minőség: szigorú szinterelési folyamatellenőrzést kell alkalmazni, és rendszeresen ellenőrizni kell a fémpor alapanyagát a por minőségének és a teljes konszolidációnak a biztosítása érdekében, megakadályozva a szinterezetlen zárványokat és a gyenge zónákat.
Záró megjegyzés A PDC fúrófejek meghibásodásainak hatékony megelőzése és mérséklése összehangolt ellenőrzést igényel a tervezés, a gyártás, a fúrási paraméterek és a helyszíni műveletek során. A fúrófej kialakításának és a vágóeszköz kiválasztásának a formációs körülményekhez való igazítása, a szigorú forrasztási és szinterelési minőségellenőrzés fenntartása, a megfelelő hűtés és öblítés biztosítása fúrás közben, valamint a szabványosított kezelési eljárások betartása jelentősen csökkenti a meghibásodási arányt és meghosszabbítja a fúrófej élettartamát.
