Буровые штанги и буровые долота: износостойкие, значительно увеличивают срок службы

Сам гидравлический горный перфоратор редко становится причиной перерасхода средств в проекте. Проблему создают расходные материалы. Буровые штанги и долота заменяются значительно чаще, чем отбойный молоток, к которому они крепятся, а при промышленном бурении — когда один длинномерный буровой комбайн может за месяц сменить десятки комплектов штанг — неправильный выбор материала приводит к существенному увеличению себестоимости погонного метра до того, как это будет замечено.

Усталостное разрушение резьбы, износ твердосплавных зубков и изгиб штанг из-за несоответствия скорости вращения — три типичных вида отказов, которые регулярно наблюдаются на участках, где расходные материалы закупаются исключительно по цене. В этой статье рассматриваются реальные факторы, определяющие срок службы оборудования, а также способы согласования технических характеристик штанг и долот с параметрами перфоратора и геологической формацией, в которой они будут применяться.

Почему буровые штанги выходят из строя раньше положенного срока

Буровые штанги одновременно воспринимают две нагрузки: ударную волну напряжения, распространяющуюся от хвостовика к долоту, и вращающий момент, скручивающий штангу по мере того, как долото скребёт по забою. Эти виды напряжений несовместимы. Ударные нагрузки являются сжимающими и характеризуются высокой частотой; вращающий момент — это крутящий момент, действующий непрерывно. Штанга должна выдерживать обе нагрузки без усталостного разрушения в резьбовых соединениях, где на практике возникает большинство отказов.

Асимметричные резьбовые конструкции — при которых несущая (нагружаемая) и направляющая (стабилизирующая) стороны резьбы имеют различную геометрию — повышают жёсткость соединения при ударной нагрузке, обеспечивая при этом чистое и надёжное завинчивание и отвинчивание. Производители высококачественных штанг специально проектируют профиль резьбы для работы в условиях двойной нагрузки. Применение легированной стали марки 23CrNiMo или аналогичной обеспечивает достаточную вязкость для поглощения циклических ударных нагрузок и одновременно устойчивость к поверхностной усталости, которая начинается с заедания на контактирующих поверхностях резьбы.

Неправильное давление подачи является скрытым ускорителем разрушения штанг. Если сила подачи слишком мала, бурильная колонна теряет контакт с породой между ударами — возникающий при этом «хлопок» штанги на частоте 40–60 Гц создаёт изгибающие напряжения, компенсировать которые одной лишь термообработкой невозможно. Если же давление подачи слишком велико, долото заклинивается, штанга воспринимает полную нагрузку от заклинивания по крутящему моменту, и вскоре происходит срыв резьбы.

Твердосплавные кнопочные долота: выбор марки твердого сплава определяется твёрдостью породы

Три формы кнопок охватывают большинство применений в ударно-шнековых системах: сферическая, полубаллистическая и коническая. Сферические кнопки являются стандартным решением для средних и твёрдых пород — они обеспечивают хорошую износостойкость и предсказуемый интервал переточки. Полубаллистические кнопки обеспечивают более высокую скорость проникновения в мягкие или трещиноватые породы. Коническая геометрия концентрирует напряжения для самых твёрдых и абразивных пород, где максимальная сила разрушения породы за один удар важнее срока службы кнопки.

Марка карбида — это другой параметр. Градиентные марки карбида (например, GC81 от Sandvik) используют состав, который постепенно изменяется от более вязкого сердечника к более твёрдому поверхностному слою — благодаря чему напайка устойчива как к ударным разрушениям изнутри, так и к поверхностному абразивному износу снаружи. Самозакаливающиеся марки идут ещё дальше: карбид постепенно закаляется под действием ударных нагрузок, что значительно увеличивает интервал между первыми заточками при бурении твёрдого гранита или кварцитов.

На практике тяжёлые буровые коронки с использованием высококачественного карбида обеспечивают срок службы до двух раз превышающий срок службы стандартных коронок при соответствующих горно-геологических условиях. Этот коэффициент применим только тогда, когда диаметр коронки согласован со скоростью вращения бурового станка: если карбид вращается быстрее, чем требуется для углового сброса при каждом ударе, он повторно воздействует на уже изношенный участок вместо того, чтобы попадать на свежую породу.

Выбор штанг и коронок в зависимости от области применения

Приведённые выше значения срока службы относятся к полевым данным для условий прочных пород при соблюдении правильных параметров бурения. Трещиноватые или содержащие глину породы могут снизить эти показатели на 30–50 % из-за неравномерного контакта долота с породой и попадания абразивных частиц на рабочую поверхность долота.

Переходники хвостовика: узел передачи, который никто не заменяет достаточно быстро

Переходник хвостовика располагается между поршнем и первой бурильной штангой. Он поглощает прямой удар поршня на контактной поверхности и одновременно передаёт крутящий момент от вращения на штанговую колонну через шлицы. Износ шлицев переходника хвостовика не проявляется явно — переходник остаётся на месте, буровая установка продолжает работать, — однако износ шлицев увеличивает боковой люфт, что вызывает прогиб штанги и ускоряет усталостное разрушение на первом соединительном муфте.

На подземных буровых установках с высокой цикличностью эксплуатации хвостовики адаптеров, как правило, требуют осмотра каждые 500 часов ударной работы и замены до наработки 1000 часов независимо от их визуального состояния. Эксплуатация изношенного хвостовика на установке COP 2238+ или Sandvik HL1560T фактически означает оплату повышенных затрат на техническое обслуживание отбойного молотка при одновременном сокращении срока службы буровых штанг на противоположном конце бурильной колонны.

Потери энергии в бурильной колонне и их стоимость на погонный метр

Каждое соединение в бурильной колонне представляет собой потенциальную точку потери энергии. Хорошо согласованное и чистое резьбовое соединение передаёт ударные волновые напряжения с минимальным отражением. Изношенное или несогласованное соединение отражает часть волны напряжений обратно в отбойный молоток — снижая глубину проникновения на один удар и усиливая термические циклы в уплотнениях корпуса отбойного молотка.

HOVOO поставляет комплекты уплотнений для горных буровых установок, изготовленные с соблюдением допусков OEM для ведущих брендов ударных отбойных молотков с применением штанговых колонн верхнего удара — включая модели Epiroc COP, Sandvik HL/RD и Furukawa. При планировании технического обслуживания штанговой колонны рекомендуется совмещать его с проверкой уплотнений отбойного молотка: та же энергия отражения, которая снижает ресурс штанг, также повышает циклические нагрузки на уплотнения ударной камеры. Полные обозначения моделей доступны на сайте hovooseal.com.