Wiertło i wiertło do skał: odporność na zużycie, znaczne wydłużenie czasu użytkowania

Sam wiertło hydrauliczne do skał rzadko powoduje przekroczenie budżetu projektu. Problemem są zużywalne części. Wiertła i końcówki wiertła wymienia się znacznie częściej niż wiertło, do którego są zamocowane, a w wierceniu produkcyjnym — gdzie pojedynczy wiertnik długogłowy może wymienić kilkadziesiąt zestawów wiertła miesięcznie — błędny wybór materiału skutkuje znacznym wzrostem kosztów na metr przed tym, jak ktoś to zauważy.

Zmęczenie materiału gwintu, zużycie guzików oraz wyginanie wiertła spowodowane nieodpowiednią prędkością obrotową to trzy typowe przyczyny awarii, które powtarzają się na placach budowy, gdzie zużywalne części zamówiane są wyłącznie na podstawie ceny. W niniejszym artykule omówiono czynniki rzeczywiście wpływające na czas użytkowania oraz sposób doboru specyfikacji wiertła i końcówki wiertła do konkretnego wiertła i rodzaju skały, w której będą one stosowane.

Dlaczego wiertła do skał ulegają awarii wcześniej niż powinny

Wiertnice przenoszą jednocześnie dwa typy obciążeń: falę uderzeniową rozprzestrzeniającą się od trzonu do wiertła oraz moment obrotowy skręcający wiertnicę podczas przesuwania się wiertła po powierzchni. Te obciążenia nie są zgodne ze sobą. Obciążenia uderzeniowe są ściskające i występują z wysoką częstotliwością, natomiast moment obrotowy ma charakter skręcający i jest ciągły. Wiertnica musi wytrzymać oba te obciążenia bez zmęczenia materiału w strefie połączeń gwintowanych, które są miejscem, w którym najczęściej powstają uszkodzenia.

Asymetryczne konstrukcje gwintów — w których powierzchnia nośna i powierzchnia wpasowująca mają różne geometrie — zwiększają sztywność połączenia pod wpływem obciążeń uderzeniowych, umożliwiając przy tym czyste dokręcanie i odkręcanie. Producenti wysokiej klasy wiertnic projektują profil gwintu specjalnie z myślą o tym warunku podwójnego obciążenia. Zastosowanie stali stopowej typu 23CrNiMo lub podobnej zapewnia wystarczającą odporność udarową do pochłaniania cyklicznych obciążeń uderzeniowych oraz odporność na zmęczenie powierzchniowe, które rozpoczyna się jako zacieranie na stykających się powierzchniach gwintów.

Nieodpowiednie ciśnienie napędu jest ukrytym przyspieszaczem uszkodzenia drążków. Jeśli siła docisku jest zbyt niska, zestaw wiertniczy traci kontakt z skałą pomiędzy uderzeniami — wynikające z tego drgania drążka w zakresie 40–60 Hz powodują naprężenia zginające, których nie da się skompensować wyłącznie poprzez obróbkę cieplną. Zbyt wysokie ciśnienie powoduje zakleszczenie wiertła, pełny moment blokujący działa na drążek, a szybko następuje zatarcie gwintów.

Wiertła kulkowe z węglików spiekanych: wybór odpowiedniej klasy zależy od twardości skały

Trzy kształty kulek obejmują większość zastosowań wiertarek górniczych typu top hammer: kulisty, półbalistyczny i stożkowy. Kuliste kulki są standardowym rozwiązaniem dla skał średnio twardych i twardych — zapewniają dobrą odporność na zużycie oraz przewidywalny interwał szlifowania ponownego. Kulki półbalistyczne zapewniają szybsze wnikanie w skały miększe lub pęknięte. Geometria stożkowa skupia naprężenia w najtwardszych i najbardziej ścierających skałach, gdzie maksymalna siła rozbijająca skałę przy każdym uderzeniu ma większe znaczenie niż trwałość kulki.

Gatunek węglikowy jest inną zmienną. Gradientowe gatunki węglików (takie jak GC81 firmy Sandvik) wykorzystują skład, który przechodzi od bardziej odpornego rdzenia do twardszej warstwy powierzchniowej — dzięki czemu guzik odpornościowy wykazuje odporność zarówno na pęknięcia spowodowane uderzeniem z wnętrza, jak i na ścieranie powierzchniowe z zewnątrz. Gatunki samozatwardzające idą o krok dalej: węglik stopniowo zatwardza się pod wpływem obciążenia uderzeniowego, co znacznie wydłuża pierwszy interwał szlifowania w twardej granicie lub kwarcycie.

W praktyce wiertła ciężkie z wysokiej klasy węglików zapewniają nawet dwukrotnie dłuższą żywotność niż standardowe wiertła w odpowiednich warunkach skalnych. Ten współczynnik dotyczy jednak wyłącznie sytuacji, gdy średnica wiertła jest dobrana do prędkości obrotowej wiertarki — węglik wirujący szybciej niż wymagane jest to kątowe przywrócenie po każdym uderzeniu, uderza ponownie w ten sam ślad zużycia zamiast w świeżą skałę.

Dobór drążków i wiertła w zależności od zastosowania

Podane powyżej dane dotyczące trwałości to odniesienia polowe dla kompetentnych warunków skalnych przy zastosowaniu prawidłowych parametrów wiercenia. Skały pęknięte lub zawierające domieszki gliny mogą zmniejszyć te zakresy o 30–50% ze względu na nieregularny kontakt wiertła ze skałą oraz wnikanie cząstek ściernych na powierzchnię czołową wiertła.

Adaptery trzpieniowe: punkt przekazu, który nikt nie wymienia wystarczająco wcześnie

Adapter trzpieniowy znajduje się pomiędzy tłokiem a pierwszym prętem wiertniczym. Pochłania bezpośredni uderzeniowy wpływ tłoka na powierzchnię styku, przekazując jednocześnie moment obrotowy do zestawu prętów poprzez zęby klinowe. Zużycie zębów klinowych adaptera trzpieniowego nie daje wyraźnych objawów — adapter nadal pasuje, wiertło nadal działa — jednak zużycie zębów klinowych zwiększa luzy boczne, co powoduje ugięcie prętów i przyspiesza zmęczenie materiału w miejscu pierwszego połączenia.

W przypadku wiertnic podziemnych przeznaczonych do intensywnego użytkowania sprawdzanie adapterów trzpieni powinno odbywać się co 500 godzin pracy uderzeniowej, a ich wymiana – przed upływem 1000 godzin, niezależnie od widocznych uszkodzeń. Eksploatacja zużytego trzpienia w wiertnicy COP 2238+ lub Sandvik HL1560T skutkuje faktycznym ponoszeniem kosztów konserwacji na poziomie premium dla wiertnicy, jednocześnie niszcząc żywotność prętów po drugiej stronie zestawu.

Straty energii w zestawie wiertarskim oraz ich koszt na metr

Każde połączenie w zestawie wiertarskim stanowi potencjalny punkt straty energii. Poprawnie dobrana i czysta połączenie gwintowe przekazuje falę naprężeń uderzeniowych z minimalnym odbiciem. Zużyte lub niedopasowane połączenie odbija część fali naprężeń z powrotem do wiertnicy — co zmniejsza głębokość wnikania przy każdym uderzeniu oraz zwiększa cykliczne obciążenia termiczne uszczelek obudowy wiertnicy.

HOVOO dostarcza zestawów uszczelek do wiertnic skalnych zaprojektowanych zgodnie z tolerancjami producenta oryginalnego (OEM) dla głównych marek wiertnic drifter działających z zestawami prętów uderzeniowych — w tym modele Epiroc COP, Sandvik HL/RD oraz Furukawa. Gdy planowana jest konserwacja zestawu prętów uderzeniowych, warto przeprowadzić kontrolę uszczelek wiertnicy drifter w tym samym cyklu; to samo odbicie energii, które skraca żywotność prętów, zwiększa również naprężenia cykliczne działające na uszczelki komory uderzeniowej. Pełne odniesienia do modeli dostępne na stronie hovooseal.com.