Análise de falhas e uso adequado de ferramentas de perfuração de rocha
Análise de falhas de ferramentas de perfuração de rochas A China atualmente produz uma gama de ferramentas de perfuração de rochas (RDT) com características distintas — como brocas de coluna/dente de inserção, brocas integrais de metal duro, brocas de rocha ultrarresistentes e metal duro K610 — cuja qualidade e vida útil melhoraram, mas permanecem inconsistentes. As falhas precoces são causadas principalmente por problemas na broca e na haste de perfuração.
As brocas falham por desgaste anormal e normal: fragmentação, quebra de dentes, perda de dentes, lascamento e fraturas. As brocas do tipo cinzel frequentemente falham porque as asas de corte são muito finas, desgastam-se rapidamente, têm baixa estabilidade geométrica e fixação insuficiente das pastilhas de metal duro — levando à perda da pastilha e desgaste acelerado. As brocas esféricas/botão normalmente sofrem de lascamento da aresta, dentes da aresta fraturados, rachaduras na saia, perda da tampa e fraturas da cintura (corpo). Um estudo de campo usando uma furadeira pneumática 7655 em granito duro encontrou para brocas domésticas de dentes de pastilha ∅40–∅42: lascamento da aresta de 22,7%, quebra de dentes da aresta de 35,4% e perda de fragmentos de 26,4% — mostrando que o dano ao dente da aresta é um modo de falha dominante. As causas incluem estresse excêntrico e irregular nos dentes da aresta, pressões radiais diferentes, aumento da deformação plástica da parede do furo do dente (levando a uma boca de sino e força de fixação reduzida), ajuste de interferência insuficiente entre o dente e o furo e baixa dureza do corpo da broca. Corpos de brocas com dureza mais alta beneficiam carbonetos muito mais do que corpos com dureza média/baixa. A qualidade da soldagem, o desempenho do fluxo, a prática e o uso da soldagem também afetam as falhas. Mais de 80% das fraturas do corpo da broca ocorrem na junção da face da broca com a saia; fraturas parciais de brocas com dentes de inserto propagam-se ao longo do fundo do furo do dente. Má seleção de aço, geometria inadequada, fabricação inadequada ou uso incorreto também agravam as fraturas.
As hastes de perfuração suportam tensões alternadas — impacto, flexão e corrosão —, portanto, exigem alta resistência à fadiga, tenacidade ao impacto, resistência à corrosão e baixas taxas de sensibilidade a entalhes e propagação de trincas. Falhas na haste incluem deformações na extremidade da haste pequena devido à baixa dureza, ruptura de extremidades de alta dureza, desgaste da rosca em acoplamentos, quebras por fadiga e fraturas frágeis. As quebras por fadiga iniciam e se propagam a partir de defeitos do material (inclusões não metálicas, porosidade, manchas brancas, arranhões, descarbonetação, trincas de corrosão) ou de material/tratamento térmico inadequado (núcleo excessivamente duro devido à cementação, têmpera inadequada causando trincas na cauda, trincas na têmpera). Falhas de projeto e encaixe inadequado do acoplamento podem induzir trincas; o uso indevido (marcas de martelo, lubrificação inadequada da junta, corrosão) também causa trincas e quebras. Algumas fraturas de barras não apresentam características de fadiga e se apresentam como fraturas brilhantes, cristalinas e quebradiças, geralmente devido a defeitos, alterações severas de seção, sobreposições de forjamento ou tratamento térmico inadequado, produzindo baixa resistência ou alta concentração de tensão e rápida propagação de trincas.
Uso correto e racional de ferramentas de perfuração de rocha 2.1 Melhorar a qualidade do projeto Determinar parâmetros estruturais razoáveis e desenvolver novos tipos são pré-requisitos para uma vida útil mais longa. Para brocas de dentes de inserção/coluna, coroas hemisféricas fornecem alta velocidade de perfuração e resistência à compressão durável. O diâmetro do dente deve garantir resistência à tração e resistência à fixação. Para reduzir danos aos dentes da borda e estender a vida útil: (1) reforçar os dentes da borda escolhendo o formato, o diâmetro e a altura de exposição adequados do dente; (2) reduzir o ângulo de ataque do dente da borda para melhorar a distribuição de carga e a resistência ao impacto; (3) selecionar folgas de solda e ajuste de interferência corretos para aumentar a força de retenção; (4) usar carbonetos mais resistentes e tratados termicamente para os dentes da borda para evitar fragmentação; (5) fortalecer o corpo da broca para melhorar a resistência ao desgaste; (6) otimizar o layout do dente, aumentar o número de dentes da borda onde possível e melhorar a descarga - manter furos de água na face e um sistema de descarga de três ranhuras/dois furos de grande folga para aumentar a remoção de cortes, reduzir a reafiação de cortes, diminuir o consumo de energia e estender a vida útil da broca.
Melhora a geometria da haste: por exemplo, as hastes de rosca completa da Ingersoll-Rand, produzidas por laminação com têmpera superficial, maior ângulo de hélice e bom travamento automático, melhoram a tenacidade, a resistência ao desgaste e a facilidade de montagem/desmontagem. Aprimora a aparência e o design da embalagem para proteger as ferramentas e prolongar a vida útil.
2.2 Selecione materiais de alta qualidade Os materiais das ferramentas devem ser tenazes e resistentes ao desgaste, com boa rigidez, alta resistência à fadiga, baixa sensibilidade ao entalhe, forte retenção de carboneto e alguma resistência à corrosão. Os aços recomendados incluem: 24SiMnNi2CrMo (semelhante ao FF710 sueco) com excelentes propriedades mecânicas e de fratura combinadas; 40SiMnMoV para hastes (penetração média de ~1225,4 m, próximo aos níveis estrangeiros); 55SiMnMo para hastes pequenas que se aproximam da vida útil de hastes pequenas do 95CrMo sueco (~250 m); 35SiMnMoV atingindo ~300 m por haste. Esses aços, após têmpera-revenimento, formam microestruturas bainíticas com alta tenacidade à fadiga. Para brocas pequenas e médias com inserto ligado, 40MnMoV é adequado para o corpo da broca; para brocas de inserto montadas a quente, 45NiCrMoV é preferível. A seleção do carboneto deve corresponder à mecânica das rochas e ao tipo de broca.
2.3 Adote tecnologia de fabricação avançada. O uso da usinagem para produzir bits — substituindo o forjamento tradicional — é um desenvolvimento fundamental. Para bits de inserto soldados, utilize equipamentos de aquecimento adequados (fornos de indução de frequência ultrassônica ou de média frequência) ou aquecimento por indução total para evitar oxidação e descarbonetação, garantir tempos de aquecimento curtos e controláveis, facilitar a brasagem e evitar tensões de têmpera controlando o resfriamento. Aumente o tamanho da solda adequadamente, escolha rebolos graduados e limpe cuidadosamente as superfícies de soldagem com solventes orgânicos para melhorar a qualidade da brasagem.
Para a fixação de insertos, a montagem a quente é recomendada para diâmetros médios e grandes: afeta minimamente as propriedades do corpo da broca e do metal duro, preserva a qualidade da superfície, produz estados de tensão compressiva biaxial na junta, proporciona boa retenção e reduz a perda de fragmentos, além de permitir o tratamento térmico ideal do aço. Insertos prensados a frio exigem alta precisão de usinagem – utilize ferramentas de alta precisão e cadeias dimensionais curtas para aumentar a rigidez de contato e a qualidade da superfície do dente-furo. A geometria da ferramenta deve permitir maior deformação de corte e reforço por extrusão para que a parede do furo adquira uma tensão residual compressiva benéfica e uma camada superficial endurecida por deformação.
Para aumentar a vida útil da haste, fabricamos matrizes de forjamento e usinagem de precisão para evitar bocas de sino, rebarbas ou trincas. Melhoramos a qualidade da laminação de aço oco para eliminar amassados, crostas, dobras e descarbonetação.
Conclusão Este artigo analisou os modos de falha RDT e examinou as estruturas da broca e as formas de dano, demonstrando as causas da falha e propondo medidas de extensão de vida: parâmetros estruturais adequados, seleção de materiais de qualidade e técnicas avançadas de fabricação. A vida útil da ferramenta, no entanto, depende da qualidade inerente e do uso científico. Pontos práticos adicionais: use extratores em vez de martelar manualmente ao remover brocas; reafie as brocas para reduzir a iniciação e o crescimento de trincas superficiais e para melhorar a velocidade de perfuração; siga a operação correta - avance lentamente até que a broca tenha entrado na rocha antes da perfuração em velocidade máxima; certifique-se de que os acoplamentos da haste estejam concêntricos e as roscas totalmente engatadas; se uma broca grudar, evite martelar - feche a válvula de entrada, abra a água, avance lentamente e use movimentos de vaivém para alisar a parede do furo e liberar a ferramenta, evitando fragmentação do carboneto, quebra da haste ou fratura da haste.
Em resumo, o uso de brocas combinadas, ferramentas dedicadas e máquinas apropriadas sob diversas condições permitirá que o RDT atinja seu desempenho potencial.
