Bányászati PDC fúrófejek: gyakori meghibásodási módok és a kiváltó okok elemzése
A jelenleg bányászati PDC fúrófejek főként a fúrótestből, a PDC vágólapkákból és a mérőeszköz-védő ötvözetből állnak. A PDC vágólapkákat és a mérőeszköz-védő ötvözetet forrasztással rögzítik a fúrótesthez. Normál fúrás során a fúróberendezés a fúrószálon keresztül továbbítja a nyomatékot és az előtolási nyomást a fúrófejhez; a PDC vágólapkák a furat alján lévő kőzetet vágják, míg a mérőeszköz-védő ötvözet kerületileg védi a fúrótestet a gyors kopás megakadályozása érdekében. Kőzetvágás során a PDC vágók terhelése a fúrófelületen rendkívül összetett. A kialakítás, a gyártási módszer és a berendezésválasztás, a kezelői gyakorlat és a fúró minőségellenőrzése mind befolyásolhatja a teljesítményt, és különböző meghibásodási módokhoz vezethet. A szénbányászati fúróhelyeken végzett terepi vizsgálatok alapján összefoglalták és elemezték a meghibásodott bányászati PDC fúrófejeket; a következő tipikus meghibásodási módokat és fő okokat azonosították.
1.1 PDC forgácsolólapka-meghibásodások A PDC-t magas hőmérsékleten és nagy nyomáson szinterelik. A PDC kompozit jellemzően egy gyémántrétegből és egy volfrám-karbid (WC) hordozóból áll.
A PDC vágólapkák főbb meghibásodási módjai a normál kopás, a lapkaveszteség (kihúzódás), a lepattogzás és a delamináció.
(1) Normál kopás A normál kopás a PDC-vágók kőzetvágás során várható kopása. Ez a gyémántréteg és a WC-hordozó makroszkopikus abrazív veszteségeként jelentkezik; a kopott felületen nem mutatkoznak különálló törési vagy lepattogzási nyomok.
(2) Lapkaveszteség (kihúzódás) Lapkaveszteség akkor következik be, amikor egy PDC-lapka teljesen leválik a fúrótestről, ami a fúró meghibásodását okozza. A jellemző jel a lapka teljes leválása a fúrótestről, és a fúrótest forrasztófészkében nem látható maradék ötvözet.
A lapkaveszteség fő okai:
Túlzott furattalpi hőmérséklet: száraz fúrás esetén, vagy ha a fúrófej vízjáratai el vannak záródva, a nagy sebességű forgás és vágás hőt termel, amelyet nem lehet eltávolítani, ami a furattalpi hőmérséklet hirtelen emelkedését okozza. Ha a hőmérséklet meghaladja a forrasztóanyag kritikus hőmérsékletét, a forrasztóanyag megolvad, és a betét kiesik.
A forrasztási folyamat nem megfelelő szabályozása: a hegesztés előtti nem megfelelő tisztítás, a hiányos vagy porózus forrasztások, a rossz gáztalanítás vagy a nem megfelelő forrasztás utáni tartási hőmérséklet/idő mind a betét kihúzódásához vezethet.
Ellenintézkedések:
A gyártóknak szigorúan ellenőrizniük kell a gyártási folyamatokat, különösen a forrasztást, a teljes, ép hegesztések biztosítása érdekében.
A helyszínen, ahol lehetséges, nedves fúrást (elegendő öblítéssel) alkalmazzon a száraz fúrás helyett; mélyfúrás esetén várja meg, amíg a visszaáramlás létrejön, mielőtt fúrócsövet helyezne be; ellenőrizze a fúrófej vízjáratait, hogy nincsenek-e elzáródva, mielőtt a fúrófejet a furatba helyezné, hogy elkerülje a helyi túlmelegedést.
(3) Letöredezés (éltörés) A letöredezés a PDC gyémántréteg törését és elvesztését jelenti, gyakran lokálisan; súlyos esetekben a gyémántréteg a WC-hordozó egyes részeivel együtt leválhat.
A repedés fő okai:
A vágóanyag tulajdonságai: a kiválasztott vágóanyagok ütésállósága alacsony lehet, vagy a WC-hordozó és a gyémántszemcse közötti kötési szilárdság nem elegendő, ami miatt ütés hatására hajlamosak a lepattogzásra.
Működési paraméterek: a fúrófejre nehezedő túlzott előtolási nyomás/súly (WOB) a homlokfelületen túlterhelheti a marókat a szilárdsági határaikon túl, ami a gyémántréteg lepattogzását és kitöredezését okozhatja.
Komplex formáció: keményen tört formációkban az ütőterhelések meghaladhatják a vágógépek ütőmunka-szilárdságát, és lepattogzást okozhatnak.
Fúrófej kialakítása: a nem megfelelő vágóél-/vágószög (pl. túl kicsi vágószög kemény formációkhoz) növeli a vágóél terhelését és elősegíti a lepattogzást. Az ökölszabály az, hogy a keményebb formációk általában nagyobb vágószöget igényelnek.
Külső akadályok: a kőzeterősítő elemek, például tetőcsavarok vagy kábelcsavarok a földalatti munkálatokban könnyen a vágóél lepattogzását okozhatják.
Ellenintézkedések:
Tartsa be a fúró gyártója által ajánlott működési paramétereket.
Válasszon és tervezzen a formációs körülményekhez igazított fúrófejeket: kemény formációk esetén növelje a maró homlok-/forgácsolási szögét az agresszivitás csökkentése és a marók védelme érdekében; kemény, töredezett formációk esetén válasszon nagyobb ütésállóságú PDC marókat, vagy módosítsa a maró külső geometriáját az ütésállóság javítása érdekében (pl. a konvex ívelt felületek jobb ütési teljesítményt nyújtanak, mint a sík felületek hasonló gyártási folyamatok mellett).
A furatnyomvonalakat úgy tervezze meg, hogy lehetőség szerint kerülje az ismert dübeleket vagy csavarokat.
(4) Delamináció A delamináció a gyémántréteg és a PDC kompozit WC-hordozójának elválását jelenti.
A delamináció fő oka: A gyémántréteg és a WC-hordozó közötti jelentős maradékfeszültségek, kombinálva a hőtágulási együtthatók eltérésével, eltérő összehúzódást eredményeznek a súrlódásból eredő fűtés és a fúrófolyadék hűtése miatti váltakozó fűtés hatására. Az ütőterhelés és a maradékfeszültség együttes hatása a gyémántréteg leválását okozhatja az aljzatról.
Ellenintézkedések:
A gyártás során megfelelő kötőanyagokat és feldolgozási paramétereket kell választani a gyémántréteg és a WC-hordozó közötti maradékfeszültség minimalizálása érdekében.
Optimalizálja az aljzat és a határfelület geometriáját (pl. új határfelületi formák) a gyémántréteg és az aljzat közötti mechanikai összekapcsolódás és kötésszilárdság javítása érdekében.
1.2 Fúrótest-törések A fúrótest-törések főként a fúrószárnyak (fúrólapátok) töréseként jelentkeznek.
A szárnytörések többnyire szinterezett/mátrix fúrófejeknél fordulnak elő, és ritkák az acéltestű fúrófejeknél.
A mátrix bitek szárnytörésének okai:
Ütés a fúrószárakra előkészítés vagy kitörés során: a mátrixfúrókoronákat gyakran porkohászati eljárással állítják elő, és egy darabban szinterelik. A szabványos acéltestű fúrókkal összehasonlítva a szinterezett mátrixfúrók nagyobb kopásállósággal, de alacsonyabb szívóssággal rendelkeznek; a fúrószárak ütése eltávolítás közben könnyen szárnytörést okozhat.
A szinterelési folyamat nem megfelelő szabályozása: a hiányos szinterelődés vagy zárványok (nem szinterelt porszigetek) azt jelentik, hogy a por nem szilárdult meg teljesen homogén mátrixsá.
Ellenintézkedések:
Kiegészítés és kibontás során a kezelőknek megfelelő szerszámokat (pl. csőfogót vagy villáskulcsot) kell használniuk a fúrószárak kalapálásának elkerülésére.
A gyártóknak szigorúan ellenőrizniük kell a szinterelési minőséget: szigorúan ellenőrizniük kell a szinterelési folyamatot, és időszakosan ellenőrizniük kell a fémpor alapanyagot annak biztosítása érdekében, hogy az megfeleljen a folyamatspecifikációknak.
