Cần khoan bị gãy ở đầu mũi khoan? Hai nguyên nhân chính gây ra hầu hết các sự cố.

Có một kiểu bực bội đặc biệt khi kéo cần khoan lên và phát hiện thanh khoan bị gãy gọn ngay tại ren đầu mũi khoan — không phải do mòn, không phải do hỏng dần, mà là bị gãy. Vết gãy còn mới. Phần thân thanh khoan phía trên chỗ gãy trông vẫn ổn. Và suy nghĩ đầu tiên của bạn luôn luôn giống nhau: thép bị lỗi.

Hầu như không bao giờ là do thép bị lỗi. Trong gần như mọi trường hợp, thanh thép bị gãy là do điều kiện địa chất thay đổi mà người vận hành không kịp điều chỉnh, hoặc do hố khoan quá sâu so với điều kiện thực tế và không ai thay đổi kế hoạch. Dưới đây là những gì thực sự xảy ra tại mối nối ren khi nó bị hỏng, và cách để ngăn chặn điều đó xảy ra trong ca làm việc tiếp theo của bạn.

Sự Phá Vỡ Bất Ngờ: Khi Mặt Đất Bất Ngờ Cần Câu Của Bạn

Kiểu hỏng cần khoan đáng lo ngại nhất là kiểu không có dấu hiệu báo trước. Máy khoan đang hoạt động trơn tru, độ xuyên thấu ổn định, rồi đột nhiên — rắc. Cần khoan gãy ở phần ren nối với mũi khoan, và mũi khoan bị mắc kẹt ở đáy lỗ với một mẩu ren vẫn còn bên trong.

Hiện tượng này hầu như chỉ xảy ra ở những địa chất hỗn hợp hoặc không thể dự đoán được. Một thanh khoan xuyên qua đá đồng nhất sẽ chịu tải trọng ổn định và có thể dự đoán được. Năng lượng va đập truyền xuống thanh khoan, vào mũi khoan và vào đá theo một mô hình nhất quán. Các ren ở đầu mũi khoan chịu được tải trọng thiết kế, chu kỳ này qua chu kỳ khác, trong giới hạn mỏi mà chúng được thiết kế.

Rồi mũi khoan va phải thứ gì đó khác. Một thấu kính thạch anh cứng trong lớp đá sa thạch mềm. Một khoảng trống nơi mũi khoan đột nhiên không còn lực cản và rồi đâm sầm vào bức tường phía xa. Một vùng bị nứt vỡ nơi mũi khoan vướng vào cạnh và chuyển động quay bị kẹt trong giây lát. Trong khoảnh khắc đó, tải trọng tại mối nối ren tăng vọt vượt xa giá trị ổn định của nó. Các ren — vốn đã là vị trí chịu ứng suất cao nhất trong bất kỳ thanh nào do sự tập trung ứng suất hình học tại chân ren — phải chịu một tải trọng có thể vượt quá giới hạn bền kéo của vật liệu.

Nếu người vận hành đang sử dụng công suất mạnh và tốc độ cấp liệu nhanh khi điều này xảy ra — điều mà bạn sẽ làm nếu mặt đất mềm và dễ gia cố trước đó — thì thanh thép sẽ không còn khả năng chịu đựng. Mũi khoan va chạm, ứng suất tại chân ren vượt quá khả năng chịu đựng của thép, và thanh thép bị gãy. Không phải gãy dần. Không phải sau hàng trăm chu kỳ. Mà chỉ với một cú đánh duy nhất.

Giải pháp nằm ở nhận thức tình huống, chứ không phải là cần khoan mạnh hơn. Khi khoan trong lòng đất mà bạn biết là có sự biến đổi – và trong hầu hết các hoạt động khoan khai thác mỏ và xây dựng, bạn luôn biết, hoặc ít nhất là nên biết – bạn cần lắng nghe máy khoan. Khi âm thanh va đập thay đổi cao độ, khi mô-men xoắn quay dao động đột ngột, khi tốc độ khoan giảm mà không có lý do rõ ràng, đó là cách mặt đất báo hiệu sự thay đổi. Giảm lực va đập và giảm tốc độ cấp liệu trước khi cần khoan chịu lực quá mạnh. Bạn sẽ mất vài giây tốc độ khoan. Nhưng bạn sẽ có được một cần khoan hoàn thành lỗ.

Cái Chết Từ Từ: Mệt mỏi thoạt nhìn có vẻ ổn cho đến khi thực sự không còn ổn nữa.

Một kiểu hỏng hóc phổ biến khác khó chẩn đoán hơn vì không có sự kiện kích hoạt rõ ràng. Thanh kim loại đột nhiên gãy một ngày nào đó, và khi bạn nhìn vào bề mặt gãy, một phần tối màu và bị oxy hóa — vết nứt cũ — và một phần sáng bóng và mới — vết gãy cuối cùng. Bề mặt gãy hai màu đó là dấu hiệu đặc trưng của sự mỏi kim loại.

Hỏng hóc do mỏi ở cần khoan xảy ra khi cần khoan hoạt động trong điều kiện vượt quá giới hạn chịu đựng của nó, hết chu kỳ này đến chu kỳ khác, cho đến khi các hư hỏng vi mô tích lũy đạt đến điểm tới hạn. Nguyên nhân phổ biến nhất gây ra hiện tượng này là do lỗ khoan quá sâu so với điều kiện địa chất.

Đây là chuỗi sự kiện: khi độ sâu lỗ khoan tăng lên, việc thoát phoi khoan trở nên kém hiệu quả hơn. Khoảng không giữa cần khoan và thành lỗ khoan dài ra, luồng khí hoặc nước thổi giảm vận tốc theo khoảng cách, và các mảnh phoi nặng hơn bắt đầu lắng đọng thay vì chảy ra ngoài. Lúc này, cần khoan phải quay chống lại lực cản của các mảnh phoi bị nén chặt, ngoài tải trọng khoan thông thường. Lực cản quay thêm này không đồng đều — nó dao động khi phoi tích tụ và được loại bỏ, tích tụ và được loại bỏ — và cần khoan phải chịu tải trọng xoắn tuần hoàn trên nền tải trọng va đập mà nó được thiết kế để chịu đựng.

Đồng thời, những hố sâu trong lòng đất bị vỡ hiếm khi có thành hố thẳng tuyệt đối. Thanh thép hơi uốn cong khi quay, và sự uốn cong đó tạo ra ứng suất uốn trong mỗi vòng quay. Uốn cong cộng với xoắn cộng với va đập tạo thành mối đe dọa kép gây mỏi vật liệu.

Mối nối ren ở đầu mũi khoan chịu tải nặng nhất. Chân ren — vốn đã là điểm tập trung ứng suất hình học khiến ren yếu hơn thân cần khoan — tích tụ hư hỏng do mỏi sau mỗi chu kỳ. Một vết nứt nhỏ bắt đầu hình thành ở chân ren. Trong vài trăm mét khoan tiếp theo, vết nứt đó phát triển từng micron một, cho đến khi tiết diện còn lại không thể chịu được tải trọng và cần khoan bị gãy.

Người vận hành thấy một thanh kim loại trông có vẻ ổn bỗng nhiên gãy đột ngột. Thực tế là một vết nứt do mỏi đã âm ỉ phát triển trong suốt 50 lỗ khoan trước đó, không thể nhìn thấy từ bên ngoài, cho đến khi nó đạt đến kích thước nguy hiểm.

Làm thế nào để nhận biết sự mệt mỏi trước khi nó đánh gục bạn

Bạn không thể nhìn thấy vết nứt mỏi ngầm dưới bề mặt nếu không có các phương pháp kiểm tra chuyên dụng — như kiểm tra bằng hạt từ tính hoặc siêu âm — nhưng bạn có thể kiểm soát các điều kiện gây ra chúng.

Đầu tiên: kiểm soát độ sâu lỗ khoan. Trong điều kiện đất bị vỡ, nứt hoặc có độ mài mòn cao, một lỗ khoan nông hơn với khả năng thoát mùn tốt hơn sẽ giảm tải trọng mỏi lên cần khoan so với một lỗ khoan sâu hơn với khả năng xả nước kém. Nếu nước xả trở lại ở đầu cần khoan bị chậm lại hoặc chảy ra bẩn, điều đó có nghĩa là lỗ khoan đang quá sâu so với điều kiện hiện tại. Hãy dừng lại trước khi cần khoan bị hư hỏng.

Thứ hai: kiểm tra ren mỗi khi tháo cần câu ra khỏi dây. Bạn cần tìm ba dấu hiệu: mài mòn (kim loại bị rách, thô ráp trên bề mặt bên), biến dạng (ren không còn sắc bén và sạch sẽ ở đỉnh), và rỗ (các lỗ nhỏ do ăn mòn hoặc xâm thực). Bất kỳ dấu hiệu nào trong số này đều là điểm tập trung ứng suất làm tăng tốc độ mỏi. Cần câu có hư hỏng ren rõ ràng cần được loại bỏ khỏi sử dụng — không phải là "thêm một lỗ nữa", không phải là "chúng ta sẽ theo dõi nó". Phải loại bỏ.

Thứ ba: chọn cần khoan phù hợp với địa chất. Cần khoan được thiết kế cho đá cứng vừa phải, đồng nhất sẽ không có đủ khả năng chịu mỏi trong điều kiện địa chất nứt nẻ, biến đổi, nơi tải trọng không thể dự đoán được. Trong điều kiện khó khăn, bạn cần một cần khoan có tiết diện lớn hơn ở đầu nối với mũi khoan, bán kính chân ren lớn hơn và thông số vật liệu ưu tiên khả năng chống mỏi hơn là độ bền kéo thô. Cần khoan có giá cao hơn 20% và sử dụng được lâu gấp ba lần trong điều kiện địa chất xấu không hề đắt – cần khoan bị gãy giữa chừng mới là thứ đắt tiền.