Выход из строя буровых штанг в горнодобывающей промышленности: почему качество вашей буровой колонны напрямую зависит от самой слабой нити.
Мой друг руководит подэтажным шлакоблоком в Австралии. В прошлом году он показал мне свой журнал расхода штанг — 320 штанг за шесть месяцев, примерно вдвое больше, чем на соседнем руднике. Та же порода. Те же буровые установки. Разница заключалась в одном: никто из его бригады не был обучен распознавать закономерности разрушения.
«Вы просто выбрасываете их, когда они перестают работать», — сказал он.
И в этом-то и проблема. Буровые штанги в горнодобывающей промышленности — те самые, которые используются в связках по десять, пятнадцать, а иногда и двадцать штук на буровой установке — обычно не выходят из строя без предупреждения. Они сигнализируют о проблеме. Нужно просто знать, с чем вы имеете дело.
В отличие от проходческих буровых установок, где вся нагрузка от удара молота приходится на один буровой стержень, в буровых установках нагрузка распределяется по всей длинной колонне. Это меняет характер отказов. Некоторые виды отказов, наблюдаемые в буровых установках, практически не проявляются в горнодобывающей промышленности. Другие, такие как износ внутренней резьбы и изгиб, становятся доминирующими, поскольку колонна усиливает мелкие дефекты на каждом соединении.
Вот пять типов неисправностей, которые встречаются на майнинговых установках, в порядке убывания частоты их возникновения под землей.
1. Износ резьбы — В первую очередь изнашивается внутренняя резьба.
Это главная причина смертности, и вот что удивляет людей: на шахтных штангах...внутреннийРезьба (со стороны коробки) обычно изнашивается раньше, чем наружная резьба (со стороны штифта).
На скорость износа нитей влияют четыре фактора:
Качество термообработки.Это самый важный момент. Глубина закалки, твердость поверхности и градиент между твердым слоем и более прочным сердечником определяют, как долго резьба сохраняет свой профиль. Идеальная микроструктура — высокоуглеродистый мартенсит на поверхности, низкоуглеродистый бейнит в сердечнике, с широкой, плавной переходной зоной между ними — достигается нелегко. Дешевые стержни игнорируют этот нюанс.
Качество резьбы и посадка.Шероховатость поверхности на боковых поверхностях резьбы под нагрузкой действует как наждачная бумага. Жесткий контроль точности геометрии резьбы означает, что нагрузка распределяется по большему количеству граней резьбы, а не концентрируется на двух или трех.
Состояние грунта.Трещины в породе заклинивают стержни. Отклонение скважины создает изгибающие нагрузки на муфты. Каждый раз, когда стержень заклинивает, резьба в ближайшей муфте подвергается сильному воздействию.
Привычки по уходу.Эта проблема зависит от оператора и полностью устранима: использование затупившихся сверл увеличивает отклонение отверстия, что ускоряет износ резьбы. Смешивание старых и новых стержней в одной колонне — когда изношенная резьба находится рядом со свежей — концентрирует нагрузку на наиболее тугом соединении. А использование стержней от разных поставщиков, допуски резьбы которых могут не совпадать, по сути, означает оплату ускоренного износа.
Износ внутренней резьбы особенно важен в горнодобывающих колоннах, поскольку каждое соединение стержня со стержнем имеет коробчатый конец. Двадцать стержней означают девятнадцать внутренних витков резьбы в цепи нагрузки. Если хотя бы один из них выйдет из строя, вся колонна начнет изнашиваться.
2. Разрушение корня внешней резьбы — предел усталости
Большинство стержней выходят из строя из-за износа, не достигнув предела усталости резьбы. Но если стержень продолжает работать дольше установленного срока службы без видимого износа, следующей причиной поломки обычно становится корень наружной резьбы.
Корень резьбы является естественным концентратором напряжений. Каждый удар молотка посылает волну напряжения по струне, и в каждой точке соединения волна отражается и накладывается. В корне резьбы у штифтового конца при каждом ударе происходит циклическое увеличение пикового растягивающего напряжения.
Термическая обработка определяет порог усталости. Стержень с правильным переходом бейнит/мартенсит может выдерживать миллионы циклов. Стержень с резким градиентом твердости или обезуглероживанием поверхности растрескается раньше.
Эксплуатационные факторы усугубляют ситуацию: частое заедание штока, отклонение отверстия и затупившиеся сверла — все это добавляет изгибающее напряжение к осевому удару. То, что могло бы стать чистой усталостной трещиной, превращается в разрушение от комбинированного напряжения, и шток ломается раньше, чем можно было бы предположить, исходя из показаний счетчика.
3. Излом внутренней резьбы вследствие подреза
Каждая внутренняя резьба имеет подрезку — канавку для снятия напряжения у основания резьбовой части. Она предусмотрена конструкцией, но при этом является самой тонкой частью поперечного сечения муфты.
Причиной разрушения подреза являются две вещи. Во-первых: внешняя резьба ответного стержня нагружает эту зону при каждом ударе, и, будучи тонкой, она испытывает более высокое напряжение. Во-вторых: если внешняя поверхность торца коробки истончается от внешнего истирания, подрез становится еще слабее.
Практическое решение заключается в поиске стержней с удлиненной внутренней резьбой. Более длинная резьбовая часть распределяет нагрузку на большую площадь резьбы, снижая пиковое напряжение в месте подреза. Это простое изменение геометрии, которое заметно увеличивает срок службы струны.
4. Разрушение корпуса стержня — тревожный сигнал контроля качества.
Разрывы стержня при добыче полезных ископаемых встречаются редко. Если такой разрыв происходит изолированно, это обычно связано с дефектом материала — включением в стали, дефектом прокатки, царапиной от обработки, которая стала причиной образования трещины.
Но если вы увидитепартияИзломы стержней – это другое дело. Это проблема термообработки. Либо закалка была неравномерной, отпуск – неправильным, либо существует системная проблема с маркой стали. Не просто заменяйте сломанные стержни – возьмите образцы из партии и отправьте их на металлографическое исследование. Партия с изломами стержней говорит вам кое-что о вашем поставщике, а не о вашем производстве.
5. Изгибание стержня — Струнный усилитель
На туннелепроходческом буровом станке слегка погнутый шток — это неприятно. А на горнодобывающей установке с 15-штоковыми колоннами — это катастрофа.
Изгиб, который едва заметен на одном стержне, многократно усиливается при каждом соединении. К тому моменту, когда вы затянете десять стержней, струна начинает хлестать внутри отверстия, изнашивая каждую резьбовую поверхность, неравномерно нагружая каждое соединение и сверля отверстие, которое не является прямым. Это искривленное отверстие затем еще сильнее изгибает следующую струну.
Именно поэтому прямолинейность и концентричность являются обязательными показателями качества для шахтных стержней. Хороший производитель выпрямляет заготовку перед механической обработкой, затем после термообработки (которая всегда вызывает некоторую деформацию) и проверяет каждый стержень перед отправкой. Хранение и транспортировка также имеют значение — стержни, хранящиеся на неровных стеллажах или отправляемые без надлежащей опоры, могут прибыть с постоянной деформацией еще до того, как в них появится отверстие.
Схема, которая экономит деньги
Вот что я заметил на горнодобывающих предприятиях, которые отслеживают отказы буровых штанг: те, у кого самая низкая себестоимость пробуренного метра, не покупают самые дорогие штанги. Они смотрят на каждую вышедшую из строя штангу и спрашивают: «Что она пыталась мне сказать?»
Иногда ответ звучит так: купите прутки получше. Чаще же: чаще затачивайте сверла, прекратите использовать продукцию разных поставщиков в одной партии или у вашего термообработчика проблемы с однородностью партий.
Стержень сломался. Стержень не врёт.
