Brocas de perfuração PDC para mineração: modos de falha comuns e análise da causa raiz
Currently mining PDC bits mainly consist of the bit body, PDC cutting inserts, and gauge-protection alloy. The PDC cutting inserts and gauge-protection alloy are brazed onto the bit body. During normal drilling, the rig transmits torque and feed pressure to the bit through the drill string; the PDC cutting inserts cut the rock at the bottom of the hole, while the gauge-protection alloy shields the bit body circumferentially to prevent rapid wear. During rock cutting the loading on PDC cutters at the bit face is highly complex. Variations in the formation, construction method and equipment selection, operator practice, and bit quality control can all affect performance and lead to different failure modes. Based on field investigations at coal-mine drilling sites, failed mining PDC bits were summarized and analyzed; the following typical failure modes and main causes were identified.
1.1 PDC cutting-insert failures PDC is sintered under high temperature and high pressure. A PDC composite typically comprises a diamond layer and a tungsten‑carbide (WC) substrate.
The principal failure modes of PDC cutting inserts are normal wear, insert loss (pull-out), chipping, and delamination.
(1) Normal wear Normal wear is the expected degradation of PDC cutters during rock cutting. It appears as macroscopic abrasive loss of the diamond layer and the WC substrate; the worn surface shows no distinct fracture or chipping marks.
(2) Insert loss (pull-out) Insert loss occurs when a PDC insert detaches entirely from the bit body, causing bit failure. The characteristic sign is a complete separation of the insert from the bit, with the brazing pocket in the bit body showing no residual alloy.
Main causes of insert loss:
Excessive bottom-hole temperature: when dry drilling is used or the bit’s water passages are blocked, high-speed rotation and cutting generate heat that cannot be removed, causing the bottom-hole temperature to rise sharply. If the temperature exceeds the brazing filler metal’s critical temperature, the brazing melts and the insert falls out.
Poor control of brazing process: inadequate pre-weld cleaning, incomplete or porous brazes, poor degassing, or improper post-braze holding temperature/time can all lead to insert pull-out.
Countermeasures:
Manufacturers must strictly control production processes, especially brazing, to ensure full, sound welds.
On site, adopt wet drilling (sufficient flushing) instead of dry drilling where possible; during deep drilling wait until return flow is established before adding drill pipe; check the bit’s water passages for blockage before running the bit into the hole to avoid localized overheating.
(3) Chipping (edge breakage) Chipping refers to fracture and loss of the PDC diamond layer, often locally; in severe cases the diamond layer may break away together with portions of the WC substrate.
Main causes of chipping:
Propriedades do material da ferramenta de corte: as ferramentas de corte escolhidas podem apresentar baixa resistência ao impacto ou força de ligação insuficiente entre o substrato de WC e o grão de diamante, tornando-as propensas a lascar sob impacto.
Parâmetros operacionais: pressão/peso excessivo na broca (WOB) na face de corte pode sobrecarregar as fresas além de seus limites de resistência, causando descamação e lascamento da camada de diamante.
Formação complexa: em formações duramente fraturadas, as cargas de impacto podem exceder a resistência ao impacto das ferramentas de corte e causar lascamento.
Projeto da broca: um ângulo de corte inadequado (por exemplo, um ângulo de corte muito pequeno para formações duras) aumenta a carga na broca e promove lascamento. A regra geral é que formações mais duras geralmente exigem ângulos de corte maiores.
Obstáculos externos: o encontro com elementos de reforço de rocha, como parafusos de ancoragem de teto ou parafusos de fixação de cabos em trabalhos subterrâneos, pode facilmente causar lascamento da ferramenta de corte.
Contramedidas:
Respeite os parâmetros de operação recomendados pelo fabricante da broca.
Selecione e projete brocas adequadas às condições da formação: para formações duras, aumente o ângulo de corte para reduzir a agressividade e proteger as lâminas; para formações duras e fragmentadas, escolha brocas PDC com maior resistência ao impacto ou altere a geometria externa da broca para melhorar a resistência ao impacto (por exemplo, faces convexo-curvas têm melhor desempenho em impactos do que faces planas em processos de fabricação comparáveis).
Planeje as trajetórias dos furos para evitar, sempre que possível, ancoragens ou parafusos conhecidos.
(4) Delaminação A delaminação denota a separação entre a camada de diamante e o substrato de WC do compósito PDC.
Principal causa de delaminação: Tensões residuais significativas entre a camada de diamante e o substrato de WC, combinadas com a diferença nos coeficientes de expansão térmica, levam a uma contração desproporcional sob o aquecimento alternado por atrito e resfriamento pelo fluido de perfuração. Os efeitos combinados do impacto e da tensão residual podem causar o desprendimento da camada de diamante do substrato.
Contramedidas:
Durante a fabricação, selecione os materiais de ligação e os parâmetros de processamento adequados para minimizar a tensão residual entre a camada de diamante e o substrato de WC.
Otimizar a geometria da interface substrato-substrato (por exemplo, novos formatos de interface) para melhorar o encaixe mecânico e a resistência da ligação entre a camada de diamante e o substrato.
1.2 Falhas no corpo da broca As falhas no corpo da broca manifestam-se principalmente como fraturas das pás da broca (lâminas da broca).
Fraturas nas asas ocorrem principalmente em brocas sinterizadas/de matriz e são raras em brocas com corpo de aço.
Causas de fratura da asa em brocas de matriz:
Impacto nas aletas da broca durante a montagem ou desmontagem: as coroas das brocas de matriz são frequentemente produzidas por metalurgia do pó e sinterizadas em uma única peça. Comparadas às brocas padrão com corpo de aço, as brocas de matriz sinterizada têm maior resistência ao desgaste, mas menor tenacidade; o impacto nas aletas da broca durante a remoção pode facilmente causar sua fratura.
Controle inadequado do processo de sinterização: sinterização incompleta ou inclusões (ilhas de pó não sinterizado) significam que o pó não se consolidou completamente em uma matriz homogênea.
Contramedidas:
Durante a montagem e desmontagem da broca, os operadores devem usar ferramentas adequadas (por exemplo, tenazes de tubos ou chaves de boca) para auxiliar e evitar martelar as asas da broca.
Os fabricantes devem controlar rigorosamente a qualidade da sinterização: controlar de perto o processo de sinterização e realizar verificações periódicas na matéria-prima em pó metálico para garantir que ela atenda às especificações do processo.
