PDC-borrkronor för gruvdrift: vanliga fellägen och rotorsaksanalys

För närvarande består PDC-borrkronor för gruvdrift huvudsakligen av borrkronans kropp, PDC-skärinsatser och tjocklekskyddslegering. PDC-skärinsatserna och tjocklekskyddslegeringen är lödda på borrkronans kropp. Under normal borrning överför riggen vridmoment och matningstryck till borrkronan genom borrsträngen; PDC-skärinsatserna skär berget i botten av hålet, medan tjocklekskyddslegeringen skyddar borrkronans kropp runtom för att förhindra snabbt slitage. Under bergborrning är belastningen på PDC-skär vid borrytan mycket komplex. Variationer i formation, konstruktionsmetod och val av utrustning, operatörspraxis och borrkronans kvalitetskontroll kan alla påverka prestandan och leda till olika fellägen. Baserat på fältundersökningar vid borrplatser för kolgruvor sammanfattades och analyserades havererade PDC-borrkronor för gruvdrift; följande typiska fellägen och huvudorsaker identifierades.

1.1 Fel vid skärinsatser vid PDC PDC sintras under hög temperatur och högt tryck. En PDC-komposit består vanligtvis av ett diamantlager och ett volframkarbidsubstrat (WC).

De huvudsakliga fellägena för PDC-skärinsatser är normalt slitage, skärförlust (utdragning), flisning och delaminering.

(1) Normalt slitage Normalt slitage är den förväntade nedbrytningen av PDC-skärare under bergbrytning. Det visar sig som makroskopisk slipförlust av diamantlagret och WC-substratet; den slitna ytan uppvisar inga tydliga brott- eller flismärken.

(2) Skärförlust (utdragning) Skärförlust uppstår när en PDC-skär lossnar helt från borrkroppen, vilket orsakar borrfel. Det karakteristiska tecknet är en fullständig separation av skäret från borrkroppen, där lödfickan i borrkroppen inte visar någon kvarvarande legering.

Huvudorsaker till förlust av insats:

• För hög temperatur i bottenhålet: vid torrborrning eller blockering av borrkronans vattenkanaler genererar höghastighetsrotation och skärning värme som inte kan avlägsnas, vilket gör att temperaturen i bottenhålet stiger kraftigt. Om temperaturen överstiger lödmetallens kritiska temperatur smälter lödningen och skäret faller ut.

• Dålig kontroll över lödningsprocessen: otillräcklig rengöring före svetsning, ofullständiga eller porösa lödningar, dålig avgasning eller felaktig hålltemperatur/tid efter lödning kan alla leda till att skäret drar ut.

Motåtgärder:

• Tillverkare måste strikt kontrollera produktionsprocesserna, särskilt lödning, för att säkerställa fullständiga och sunda svetsar.

• Använd våtborrning (tillräcklig spolning) istället för torrborrning på plats där det är möjligt; vänta vid djupborrning tills returflödet är etablerat innan borröret läggs till; kontrollera borrkronans vattenkanaler för blockeringar innan borrkronan körs ner i hålet för att undvika lokal överhettning.

(3) Flisning (kantbrott) Flisning avser brott och förlust av PDC-diamantlagret, ofta lokalt; i svåra fall kan diamantlagret brytas loss tillsammans med delar av WC-substratet.

De främsta orsakerna till flisning:

• Egenskaper för fräsmaterialet: valda fräsar kan ha låg slagtålighet eller otillräcklig bindningsstyrka mellan WC-substratet och diamantslipningen, vilket gör dem benägna att flisas av vid stötar.

• Driftsparametrar: för högt matningstryck/vikt på borrkronan (WOB) vid ytan kan överbelasta skären utöver deras hållfasthetsgränser, vilket orsakar flagning och flisning av diamantskiktet.

• Komplex formation: i hårdbrutna formationer kan slagbelastningarna överstiga skärstålets slagseghet och orsaka flisning.

• Borrkronakonstruktion: en olämplig skärvinkel (t.ex. för liten skärvinkel för hårda formationer) ökar skärbelastningen och främjar flisning. Tumregeln är att hårdare formationer i allmänhet kräver större skärvinklar.

• Externa hinder: stötar på bergförstärkningselement som takbultar eller kabelbultar i underjordiska arbeten kan lätt orsaka flisning från skärverktyget.

Motåtgärder:

• Följ borrtillverkarens rekommenderade driftsparametrar.

• Välj och designa borrkronor anpassade efter formationsförhållandena: för hårda formationer, öka skärvinkeln/skärvinkeln för att minska aggressivitet och skydda skären; för hårda, fragmenterade formationer, välj PDC-fräsar med högre slagtålighet eller ändra skärets yttre geometri för att förbättra slagtåligheten (t.ex. konvexoböjda ytor har bättre slagprestanda än plana ytor under jämförbara tillverkningsprocesser).

• Planera hålbanor för att undvika kända ankare eller bultar där det är möjligt.

(4) Delaminering Delaminering betecknar separation mellan diamantskiktet och WC-substratet i PDC-kompositen.

Huvudorsak till delaminering: Betydande kvarvarande spänningar mellan diamantskiktet och WC-substratet, i kombination med skillnaden i värmeutvidgningskoefficienter, leder till ojämn kontraktion under alternerande uppvärmning från friktion och kylning från borrvätskan. De kombinerade effekterna av stötbelastning och kvarvarande spänningar kan få diamantskiktet att lossna från substratet.

Motåtgärder:

• Under tillverkningen, välj lämpliga bindningsmaterial och bearbetningsparametrar för att minimera kvarvarande spänningar mellan diamantskiktet och WC-substratet.

• Optimera substrat-gränssnittsgeometrin (t.ex. nya gränssnittsformer) för att förbättra mekanisk sammankoppling och bindningsstyrka mellan diamantskiktet och substratet.

1.2 Kroppsbrott Kroppsbrott uppträder huvudsakligen som brott på kronvingarna (kronbladen).

Vingbrott förekommer mestadels i sintrade/matrisborrkronor och är sällsynta i stålborrkronor.

Orsaker till vingbrott i matrisborrkronor:

• Stöt mot borrvingarna under sammansättning eller utbrytning: matrisborrkronor tillverkas ofta med pulvermetallurgi och sintras i ett stycke. Jämfört med vanliga stålborrkronor har sintrade matrisborrkronor högre slitstyrka men lägre seghet; att träffa borrvingarna under borttagning kan lätt orsaka vingbrott.

• Dålig kontroll över sintringsprocessen: ofullständig sintring eller inneslutningar (osintrade pulveröar) innebär att pulvret inte helt konsoliderades till en homogen matris.

Motåtgärder:

• Under sammansättning och utbrytning bör operatörerna använda lämpliga verktyg (t.ex. rörtänger eller skiftnycklar) för att undvika att hamra på borrvingarna.

• Tillverkare måste strikt kontrollera sintringkvaliteten: noggrant kontrollera sintringsprocessen och utföra regelbundna kontroller av metallpulverråvaran för att säkerställa att den uppfyller processspecifikationerna.