Khi đá cứng làm vỡ mũi khoan cacbua của bạn trước: Suy nghĩ lại về thiết kế mũi khoan nhỏ
Trong những loại đá cực kỳ cứng và chắc, mũi khoan có thể bị hỏng trước khi nhóm thợ bắt đầu công việc.
Những va chạm đầu tiên xảy ra. Một mảnh cacbua chịu tải trọng tập trung. Một vết nứt nhỏ hình thành. Sau đó, một góc bị vỡ ra, hoặc một mảnh vụn được gắn vào, hoặc mũi khoan bị mất lưỡi cắt trước khi quá trình mài mòn thông thường làm nó hỏng.
Đây không phải lúc nào cũng là vấn đề về chất lượng vật liệu.
Đó có thể là một bài toán hình học.
Đối với các mũi khoan đá cỡ nhỏ và trung bình hoạt động trong các tầng đá đặc biệt cứng và mài mòn, theo bản năng người ta thường thêm nhiều nút hoặc giảm lực tác động của mỗi nút. Điều đó có thể hiệu quả trong một số điều kiện. Nhưng trong đá rất cứng, một mảnh cacbua nhỏ có thể không đủ tiết diện và thể tích cần thiết để chịu được các tác động tập trung lặp đi lặp lại.
Trong những trường hợp đó, câu hỏi không phải là “Làm thế nào để phân bổ tải trọng cho nhiều bộ phận chèn hơn?” mà có thể là “Làm thế nào để mỗi bộ phận chèn có thể chịu được tải trọng lớn hơn mà không bị hỏng?”
Đó chính là ý tưởng đằng sau khả năng chịu tải của một khe cắm duy nhất.
Vì sao đá cực cứng lại dễ bị gãy mũi khoan sớm?
Đá cứng không phải lúc nào cũng đồng nghĩa với đá dai.
Địa chất có độ mài mòn cao sẽ làm mòn cacbua nhanh chóng. Địa chất cứng chắc có khả năng chống gãy vỡ và có thể truyền tải ứng suất va đập cao trở lại mũi khoan. Khi cả hai điều kiện cùng tồn tại, mũi khoan phải đối mặt với một sự kết hợp khó khăn: cacbua phải chống lại sự vỡ vụn khi va đập đồng thời vẫn giữ được độ cứng và khả năng chống mài mòn.
Khi bắt đầu mỗi lần va đập, mũi khoan không tiếp xúc hoàn toàn đều với đáy lỗ. Lần tiếp xúc đầu tiên có thể chỉ xảy ra ở một phần của mặt cắt. Sóng ứng suất sau đó truyền qua dụng cụ, làm vỡ đá cục bộ bên dưới mảnh dao hoặc cạnh cắt. Trong đá rất cứng, ứng suất tiếp xúc có thể tăng nhanh trước khi tải trọng được phân bố đều.
Đó là lý do tại sao hiện tượng gãy mảnh chèn sớm thường xảy ra ở những thiết kế mũi khoan không phù hợp. Đá không dễ dàng biến dạng để giảm ứng suất cực đại trên mảnh chèn đầu tiên tiếp xúc với đá.
Mũi khoan có thể bị sứt mẻ cacbua chỉ sau một quãng đường ngắn, ngay cả khi giàn khoan, áp suất khí và quy trình vận hành đều hợp lý.
Nguyên tắc tải chèn đơn
Cacbua cứng và có khả năng chống mài mòn, nhưng nó vẫn là một vật liệu giòn. Khả năng chống hư hỏng do va đập của nó phụ thuộc một phần vào tính chất vật liệu và một phần vào hình dạng của từng mảnh dao cắt.
Thông thường, mảnh dao cắt cacbua lớn hơn có tiết diện chịu lực lớn hơn và thể tích lớn hơn để chống lại tác động cục bộ. Nói một cách đơn giản, mảnh dao cắt dày hơn hoặc lớn hơn thường có thể hấp thụ tải trọng va đập cao hơn trước khi bị gãy.
Điều này không có nghĩa là “càng lớn càng tốt”. Một mảnh dao quá khổ có thể tạo ra những sự thỏa hiệp khác trong thiết kế. Nhưng khi hiện tượng mẻ sớm là nguyên nhân hỏng hóc chủ yếu, việc tăng kích thước hiệu quả của mỗi phần tử cacbua chịu tải có thể hữu ích hơn là chỉ đơn thuần tăng số lượng các phần tử nhỏ.
Nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho mũi khoan kiểu đục và kiểu chữ thập. Trong đá cực kỳ cứng, lưỡi dao cacbua dày hơn hoặc cạnh cắt sắc bén hơn có thể bền hơn so với lưỡi mỏng được thiết kế cho đá dễ hơn.
Mục tiêu thiết kế là đảm bảo mỗi chi tiết lắp ghép quan trọng có đủ khả năng chịu lực để đáp ứng tải trọng thực tế mà nó sẽ phải chịu.
Vì sao việc thêm nhiều nút đôi khi lại làm mọi thứ trở nên tồi tệ hơn
Các mũi khoan dạng nút hiện đại thường sử dụng nhiều nút cacbua để phân tán tải trọng và cải thiện hiệu quả cắt. Trong nhiều điều kiện khoan, điều này hoạt động cực kỳ hiệu quả.
Nhưng mỗi phần đều có diện tích bề mặt hạn chế.
Nếu thêm các nút bấm mà không thay đổi thiết kế tổng thể của bề mặt, năng lượng va đập sẽ được phân bổ cho nhiều điểm tiếp xúc hơn. Các nút bấm riêng lẻ có thể nhỏ hơn hoặc được đặt gần nhau hơn. Khoảng không để xả nước có thể giảm. Kiểu phá đá có thể thay đổi.
Trong điều kiện đất đặc biệt cứng và khó phá, một chiếc nút nhỏ vẫn có thể chịu tải trọng cục bộ mạnh trong quá trình tiếp xúc ban đầu. Nếu tiết diện của nó quá nhỏ, nó có thể bị vỡ vụn trước khi tải trọng có cơ hội lan rộng khắp bề mặt.
Đó là lý do tại sao không có một kiểu mũi khoan nào là tốt nhất cho mọi dạng địa hình đá.
Mũi khoan dạng nút với nhiều lưỡi cắt có thể là lựa chọn tốt trong một số ứng dụng. Trong khi đó, mũi khoan dạng đục, dạng chữ thập, dạng ba cánh hoặc dạng hỗn hợp chịu tải nặng có thể bền hơn trong trường hợp khác. Câu trả lời đúng phụ thuộc vào độ bền, độ dẻo dai, độ mài mòn của đá, năng lượng khoan, đường kính lỗ khoan, điều kiện xả nước và kiểu hư hỏng quan sát được trong thực tế.
Tăng cường sức mạnh cho cơ thể cũng như cho cacbua.
Các mảnh dao cắt cacbua không hoạt động độc lập. Thân thép phải chịu được trọng lượng của chúng.
Trong khoan đá cứng, các phần thân hoặc cánh thép bao quanh mũi khoan cần đủ độ dày và độ bền để giữ chặt mũi khoan cacbua. Nếu phần thân bị uốn cong quá mức, nứt gần vị trí gắn mũi khoan, hoặc bị mòn dẫn đến mất độ chắc chắn, ngay cả mũi khoan cacbua chất lượng cao cũng có thể bị hỏng sớm.
Do đó, thiết kế mũi khoan chịu tải nặng có thể bao gồm:
Các mảnh hợp kim cacbua lớn hơn hoặc dày hơn
Cánh thép chắc chắn hơn bao quanh lưỡi cắt.
Hình dạng ghế ngồi chắc chắn hơn
Các cạnh được vát mép có kiểm soát để giảm thiểu hiện tượng sứt mẻ ở các góc.
Hình dáng khuôn mặt giúp giảm tác động lệch tâm.
Xử lý nhiệt phù hợp với sự cân bằng cần thiết giữa độ bền và độ dẻo dai.
Thân thép phải đủ chắc chắn để đỡ phần chèn, nhưng không được quá giòn đến mức bị nứt dưới tác động lặp đi lặp lại. Sự cân bằng đó là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong sản xuất mũi khoan.
Việc xả nước vẫn rất quan trọng, nhưng thứ tự ưu tiên có thể thay đổi.
Loại bỏ mùn khoan hiệu quả thường rất cần thiết cho hoạt động khoan năng suất. Việc xả nước kém sẽ gây ra hiện tượng nghiền nát mùn khoan lần nữa, sinh nhiệt và mài mòn không đáng có.
Tuy nhiên, những hình dạng địa hình cực kỳ phức tạp có thể làm thay đổi thứ tự ưu tiên thiết kế.
Nếu đá tạo ra các mảnh vụn tương đối mịn và tốc độ khoan tự nhiên thấp hơn, việc xả cặn có thể ít gây hạn chế hơn so với độ bền của mũi khoan. Trong trường hợp đó, việc dành nhiều diện tích bề mặt và độ dày thân mũi khoan hơn cho việc hỗ trợ phần chèn có thể hợp lý hơn là tối đa hóa mọi đường dẫn xả cặn có thể.
Đó là sự đánh đổi, chứ không phải là quy tắc bất biến.
Mũi khoan vẫn cần được làm sạch đầy đủ. Nhưng khi hiện tượng sứt mẻ sớm làm hỏng mũi khoan trước khi độ mài mòn trở thành yếu tố hạn chế, hình dạng mạnh mẽ hơn có thể mang lại hiệu quả tốt hơn so với bề mặt được thiết kế chủ yếu để tối đa hóa luồng phoi.
Thiết kế đúng đắn xuất phát từ việc xác định chính xác nguyên nhân gây ra lỗi của linh kiện hiện tại.
Việc lựa chọn vật liệu cần sự cân bằng, không nên chọn thái cực.
Đối với các mũi dao cắt cacbua trong đá mài mòn cứng, các đặc tính mong muốn có thể cạnh tranh với nhau.
Độ dẻo dai cao hơn giúp chống lại sự nứt vỡ và sứt mẻ. Độ cứng cao hơn cải thiện khả năng chống mài mòn. Tăng hàm lượng chất kết dính trong hợp kim cacbua có thể cải thiện độ dẻo dai, nhưng có thể làm giảm độ cứng và khiến mảnh dao bị mài mòn nhanh hơn trong môi trường mài mòn cao.
Đó là lý do tại sao việc lựa chọn cacbua không nên chỉ dựa trên một con số duy nhất.
Một loại mũi khoan hữu ích cho đá cực cứng cần có sự cân bằng thích hợp giữa độ cứng, độ bền đứt ngang, độ dẻo dai, mật độ và cấu trúc vi mô. Hình dạng mũi khoan, phương pháp giữ nút và các thông số vận hành cũng ảnh hưởng đến kết quả.
Các quy trình sản xuất tiên tiến có thể cải thiện hơn nữa tính nhất quán, nhưng hiệu suất thực tế vẫn phụ thuộc vào việc thiết kế mũi khoan hoàn chỉnh phù hợp với cấu tạo địa chất.
Hãy quan sát nguyên nhân gây ra lỗi, chứ không chỉ số đo.
Khi đánh giá mũi khoan đá, không chỉ nên ghi lại tổng số mét đã khoan.
Kiểm tra lý do tại sao mũi khoan ngừng hoạt động.
Liệu nó bị loại bỏ vì đường kính mũi khoan bị mòn một cách bình thường? Các nút cacbua có bị sứt mẻ không? Lưỡi cắt có bị gãy không? Thân thép có bị nứt không? Ren có bị hỏng không? Mũi khoan có bị quá nóng vì phoi không được làm sạch không?
Những chi tiết đó sẽ cho bạn biết cần thay đổi điều gì tiếp theo.
Nếu vấn đề là do hao mòn thông thường, thiết kế cứng hơn hoặc chống mài mòn tốt hơn có thể giúp ích. Nếu vấn đề là do cacbua bị vỡ sớm, giải pháp có thể là các mảnh dao riêng lẻ cứng hơn, hình dạng giá đỡ được cải tiến, căn chỉnh tốt hơn hoặc kiểu bề mặt khác.
Một mũi khoan đạt đến giới hạn mài mòn bình thường thường đang hoạt động tốt. Một mũi khoan bị sứt mẻ hoặc gãy sớm cho thấy đường dẫn tải cần được chú ý.
Phần bên phải là phần thường bị hỏng.
Trong đá cực cứng, có thể không có mũi khoan nào hoàn hảo. Mỗi thiết kế đều có sự thỏa hiệp giữa tốc độ khoan, tuổi thọ, khả năng làm sạch, độ bền của mảnh vỡ và chi phí.
Nhưng mục tiêu rất rõ ràng: mũi khoan không được hỏng đột ngột vì các mảnh cacbua của nó không chịu được tải trọng.
Một mũi khoan đá cứng tốt là mũi khoan có độ mòn đều, giữ được độ ổn định của lỗ khoan và đạt được chu kỳ sử dụng dự kiến mà không bị hỏng sớm. Đó mới là giá trị thực sự của nó.
