Причины отказов бурильных долот и способы продления срока их службы при бурении горных пород.
Поперечные буровые долота по-прежнему широко используются в угольной промышленности, при прокладке туннелей, разработке карьеров и бурении горных пород в целом. Их простая геометрия, прочная режущая структура и практичность делают их подходящими для многих задач бурения с низкой и средней мощностью. Однако поперечное буровое долото также является расходным инструментом, работающим в условиях многократных ударов, вращения, истирания и нагрева.
Когда поперечное буровое долото выходит из строя преждевременно, затраты не ограничиваются заменой долота. Преждевременный выход из строя может снизить скорость проходки, прервать бурение, повредить бурильную сталь, заблокировать промывочные отверстия, привести к образованию отверстий низкого качества и увеличить время работы. В сложных случаях поломка компонента может потребовать проведения ремонтных работ или привести к прекращению бурения.
Большинство отказов бурильных долот связаны с одной или несколькими из четырех областей: конструкция долота, качество материала, производственный процесс и эксплуатация в полевых условиях. Понимание типичных причин отказов помогает операторам и покупателям бурового инструмента принимать более взвешенные решения и продлевать срок службы инструмента.
1. Расширение и растрескивание юбки бурильной валы.
Одной из распространенных причин поломки является расширение юбки бурильной колонны, часто сопровождающееся растрескиванием. Юбка — это нижняя часть поперечного бурильного долота, соединяющая долото с бурильной балкой. Она должна сохранять свои размеры, передавая энергию удара и обеспечивая надежное соединение.
При расширении юбки бурильной трубы внутренний конус или зона соединения могут ослабнуть. Бурильное долото может постепенно смещаться глубже в сторону бурильной стали, а хвостовик может образовать ступеньку или точку износа в нижней части юбки. Это может привести к ослаблению соединений, засорению промывочных отверстий, поломке фрагментов, обрыву хвостовика и преждевременному выходу долота из строя.
Расширение юбки бурильной вставки может произойти, если корпусу бурильного долота не хватает достаточной прочности для приложенной нагрузки. Если стенка юбки слишком тонкая, угол конусного отверстия неподходящий или глубина вставки недостаточна, корпус бурильного долота может не обеспечивать достаточную опору.
Свойства материала также имеют значение. Слишком твердый материал может стать хрупким и растрескаться при ударе. Слишком мягкий материал может легче деформироваться или расширяться. Правильные условия термообработки должны обеспечивать баланс между прочностью, твердостью и сопротивлением деформации.
Неправильные методы работы могут усугубить проблему. Плохое прилегание хвостовика к конусному отверстию, неправильная установка или снятие долота, чрезмерная ударная нагрузка и ненадлежащая переточка — все это может повредить зону соединения. Операторам следует регулярно осматривать сопрягаемые поверхности и избегать использования поврежденной бурильной стали с новым долотом.
2. Усталостное разрушение корпуса бурового долота
Усталостное разрушение — ещё один основной вид разрушения. Оно часто обнаруживается в «талии» корпуса долота, вблизи перехода между хвостовой частью и нижней частью юбки долота.
В этом месте поперечное сечение может быть относительно небольшим, и в результате многократных ударных циклов может наблюдаться концентрация напряжений. Каждый удар буровой установки создает цикл нагрузки. За тысячи циклов даже небольшой геометрический дефект или поверхностная трещина могут стать отправной точкой для образования усталостной трещины.
В исходной статье отмечается, что значительная часть разрушений корпуса бурового долота происходит именно в этой переходной зоне. Это подчеркивает важность продуманной конструкции и тщательного изготовления.
Риск усталостного разрушения может быть повышен несколькими факторами:
Недостаточная толщина боковых стенок
Резкие переходы между внутренними и внешними поверхностями.
Малые радиусы скругления или острые углы
Недостаточная прочность или вязкость материала
Неравномерная термообработка
Шероховатые следы механической обработки и дефекты поверхности.
Отсутствие упрочнения поверхности или защиты от коррозии.
Плохой контакт между хвостовиком и соединением бурового долота.
Эксцентрическое воздействие во время бурения
Неправильные методы удаления, например, удары по сверлу ручным молотком.
При правильной конструкции бурового долота следует избегать резких изменений толщины сечения. Плавные радиусы и сбалансированная геометрия помогают снизить концентрацию напряжений. В процессе производства необходимо контролировать следы механической обработки, а термообработка должна обеспечивать стабильные свойства во всех критических зонах.
При работе в полевых условиях операторам следует избегать попыток продолжить бурение изношенным долотом после обнаружения чрезмерной вибрации или ненормальных ударов. Небольшая трещина может быстро разрастись под воздействием многократных нагрузок.
3. Потеря материала при вставке и отделение лезвия.
В поперечных сверлах обычно используются твердосплавные вставки или твердосплавные режущие элементы. Если эти вставки ослабнут, треснут или выпадут, производительность сверления может быстро снизиться.
Потеря материала вставки обычно связана с плохим качеством пайки или соединения. Стальной корпус, твердосплавная вставка, припой и конструкция соединения должны работать согласованно. Если процесс пайки не контролируется должным образом, соединение может оказаться недостаточно прочным, чтобы выдерживать многократные удары и термические циклы.
Геометрия углубления для вставки также имеет важное значение. Углубление должно обеспечивать надлежащую поддержку твердосплавной вставки, одновременно допуская правильную толщину припоя и поток материала. Если вставка установлена неправильно, контакт может быть неравномерным, и нагрузка может концентрироваться на небольшой площади.
Возможные причины потери имплантата включают:
Неправильная температура или время пайки.
Несовместимый припой
Загрязнение поверхности перед пайкой
Неправильная геометрия вставного кармана
Неправильное позиционирование вставки
Чрезмерная ударная нагрузка
Сухое бурение и перегрев
Сильная вибрация из-за неправильной центровки бурения.
Производители должны использовать контролируемые процедуры пайки и проверять качество установки вставок. Операторы должны убедиться в эффективности промывки и прекратить сверление, если вставка ослабла или повредилась.
4. Раннее разрушение карбидов
Твердосплавные пластины чрезвычайно твердые и износостойкие, но они не застрахованы от повреждений. На ранних стадиях износа твердосплавные пластины могут проявляться в виде сколов кромки, поломки углов, трещин, разрушения пластин или их полной потери.
Причина может быть связана с конструкцией бурового долота, маркой твердосплава, качеством изготовления, условиями бурения или поведением оператора. Твердосплавная вставка должна иметь достаточную опору со стороны стального корпуса и должна соответствовать условиям породы. Марка твердосплава, подходящая для абразивных, твердых пород, может вести себя иначе, чем та, которая используется в более мягких или сильно трещиноватых породах.
Неправильные методы бурения часто являются основной причиной преждевременного выхода из строя твердосплавных инструментов. К распространенным примерам относятся сухое бурение, чрезмерный нагрев, удар по дну отверстия без эффективного проникновения, чрезмерная заточка режущей кромки и работа долотом в поврежденном или неровном отверстии.
Сухая буровая обработка особенно вредна, поскольку снижает эффективность охлаждения и удаления бурового шлама. Быстрое накопление тепла ослабляет паяное соединение и увеличивает термическое напряжение в твердосплавных деталях. Недостаточная промывка также приводит к повторному измельчению бурового шлама, что увеличивает износ и вибрацию.
Переточка — ещё один важный фактор. Изношенное крестообразное сверло следует заточить до того, как твердосплавное лезвие получит серьёзные повреждения. Однако чрезмерная заточка может привести к образованию слишком острой, но слабой кромки, которая быстро скалывается. Переточка должна восстанавливать заданную геометрию режущей кромки, а не просто удалять материал.
Профилактические меры для увеличения срока службы поперечных бит
Для обеспечения более длительного срока службы поперечного долота важен правильный выбор. Конструкция долота, марка твердосплава, стальной корпус, система конусности и система промывки должны соответствовать твердости породы, абразивности, буровому оборудованию и диаметру отверстия.
Операторам также следует соблюдать график профилактического технического обслуживания:
Перед сверлением проверьте соответствие сверла и хвостовика.
Осмотрите твердосплавные пластины на наличие трещин, ослабления креплений и чрезмерного износа.
Обеспечьте эффективную продувку воздухом или водой.
Избегайте бурения всухую в тех случаях, когда требуется промывка.
Используйте правильные настройки удара, вращения и подачи.
Перед серьезным повреждением твердосплавных режущих кромок необходимо повторно заточить изношенные режущие кромки.
Не ударяйте по сверлу во время установки или снятия.
Незамедлительно заменяйте поврежденную бурильную сталь, изношенные хвостовики и деформированные штанги.
Регистрируйте аномальные закономерности отказов и анализируйте условия бурения.
Заключение
Выход из строя поперечного сверла редко бывает вызван одним фактором. Расширение юбки, усталостное разрушение корпуса, потеря вставки и поломка твердосплава могут быть результатом сочетания конструктивных ограничений, свойств материала, производственных отклонений и неправильного использования.
Для буровых подрядчиков наиболее эффективной стратегией является выбор качественного поперечного долота, его соответствие условиям бурения и правильная эксплуатация с соблюдением процедур промывки и технического обслуживания. Такой подход позволяет повысить стабильность проходки, сократить непредвиденные простои и снизить общую стоимость бурения одного метра.
