สว่านหินไฮดรอลิกความถี่สูง: ความเร็วในการเจาะสูง ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของโครงการอย่างมีนัยสำคัญ

ความถี่ 60 เฮิร์ตซ์ฟังดูเร็วมาก แต่ในกรณีของเครื่องเจาะหินแบบไฮดรอลิก หมายความว่าลูกสูบกระทบจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและกลับมาอย่างสมบูรณ์ 60 รอบต่อวินาที — อย่างไรก็ตาม คำถามที่แตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิงคือ ทั้ง 60 รอบนั้นจะส่งพลังงานที่มีประโยชน์ไปยังพื้นผิวหินจริงหรือไม่ ปัจจัยที่จำกัดประสิทธิภาพนี้ไม่ใช่มวลของลูกสูบหรือแรงดันไฮดรอลิก แต่เป็นความสามารถของวาล์วสปูลในการเปลี่ยนทิศทางได้เร็วพอที่จะสอดคล้องกับการเคลื่อนที่ของลูกสูบ โดยไม่ให้กลไกทั้งสองหลุดออกจากการทำงานแบบสัมพันธ์กัน

เมื่อวาล์วสปูลเปลี่ยนสถานะก่อนกำหนด—ก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนที่ครบระยะทางตามการออกแบบอย่างสมบูรณ์—ลูกสูบจะเกิดการกระแทกซ้ำครั้งที่สองกับด้านหลังของช่องกระบอกสูบ แทนที่จะกระทบกับส่วนเชือก (shank) อย่างสะอาดและตรงเป้าหมาย ปรากฏการณ์น้ำมันที่ถูกกักไว้ภายในนี้ทำให้พลังงานสูญเสียไปในรูปของความร้อนและการสั่นสะเทือน แทนที่จะถูกแปลงเป็นงานกระทบ (percussion work) ที่มีประโยชน์ หัวเจาะทำงานที่ความถี่ 60 เฮิร์ตซ์ แต่กลับส่งมอบพลังงานกระทบที่เทียบเคียงได้กับความถี่ประมาณ 45 เฮิร์ตซ์ ดังนั้น การออกแบบแบบความถี่สูงจึงไม่ใช่เพียงแค่การขับเคลื่อนลูกสูบให้หมุนเร็วขึ้นเท่านั้น แต่ยังหมายถึงการรักษาความสัมพันธ์แบบสมมาตร (in-phase) ระหว่างลูกสูบกับวาล์วสปูล แม้ที่ความถี่สูง เพื่อให้ทุกไซเคิลสามารถแปลงพลังงานได้เป็นงานเจาะที่แท้จริง

การจับคู่ระหว่างลูกสูบกับวาล์วสปูล: ปัจจัยที่กำหนดเพดานความถี่

ระบบการตีด้วยแรงดันไฮดรอลิกทุกระบบมีข้อจำกัดพื้นฐานร่วมกันคือ ห้องด้านหน้าและห้องด้านหลังของลูกสูบกระทบจะสลับกันระหว่างความดันสูงกับความดันของท่อคืน (return line pressure) ด้วยความถี่ที่ควบคุมโดยวาล์วสปูล (spool valve) ซึ่งตัววาล์วสปูลเองจะเคลื่อนที่ด้วยแรงดันไฮดรอลิก—ช่องนำสัญญาณ (pilot channel) ที่ได้รับความดันจากตำแหน่งของลูกสูบจะกระตุ้นให้เกิดการกลับทิศทาง หากช่องนำสัญญาณได้รับความดันเร็วเกินไป (ค่า advance มากเกินไป) ลูกสูบจะกลับทิศก่อนที่จะถึงจุดกระทบที่ออกแบบไว้ หากช้าเกินไป ลูกสูบจะเลยจุดดังกล่าวไป ทำให้น้ำมันในห้องด้านหน้าถูกอัดแน่น และก่อให้เกิดการกระทบครั้งที่สองซึ่งสูญเสียพลังงาน

การวิจัยที่ใช้การวัดความเร็วของลูกสูบด้วยเลเซอร์ที่ความถี่ 60 เฮิร์ตซ์ ยืนยันว่า ปริมาณการนำหน้า—กล่าวคือ ระยะเวลาที่ห้องสัญญาณตอบกลับเริ่มสร้างแรงดันก่อนที่ลูกสูบจะถึงจุดสิ้นสุดของการเคลื่อนที่—และแรงดันก๊าซเริ่มต้นของแอคคิวมูเลเตอร์แรงดันสูง มีบทบาทร่วมกันในการกำหนดว่า ระบบกระทบจะคงอยู่ในโหมดการเคลื่อนที่แบบคาบเดียว (period-one motion) อย่างเสถียร หรือจะเปลี่ยนผ่านเข้าสู่ภาวะวุ่นวายแบบคาบสอง (period-two chaos) แรงดันก๊าซเริ่มต้นที่เหมาะสมสำหรับแอคคิวมูเลเตอร์แรงดันสูงในแบบที่ใช้วาล์วแบบปลอก (sleeve-valve) ที่ออกแบบสำหรับความถี่สูง อยู่ในช่วง 80–90 บาร์ ถ้าต่ำกว่าช่วงนี้ แอคคิวมูเลเตอร์จะไม่สามารถรองรับความต้องการการไหลทันทีได้ แต่ถ้าสูงกว่าช่วงนี้ ไดอะแฟรมจะเกิดความล้าอย่างเร่งด่วนจากวงจรการชาร์จเกิน

ลูกสูบสั้นเทียบกับลูกสูบยาวที่ความถี่สูง

รูปทรงลูกสูบสองแบบเป็นที่นิยมใช้ในงานออกแบบที่ทำงานที่ความถี่สูง โดยแต่ละแบบมีข้อแลกเปลี่ยนที่แตกต่างกัน ลูกสูบที่สั้นจะให้พลังงานการกระแทกสูงสุดต่อครั้งมากกว่า — โดยวัดค่าเฉลี่ยได้ 346 จูล ในการทดสอบคลื่นแรงดันภายใต้สภาวะควบคุมที่ความดันการทำงานเท่ากัน — และมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงขึ้น (เข้าใกล้ 57% ของพลังงานไฮดรอลิกที่ป้อนเข้า) ส่วนลูกสูบที่ยาวจะทำงานที่ความถี่สูงกว่า (ค่าเฉลี่ยสูงสุด 62 เฮิร์ตซ์ ในการทดสอบชุดเดียวกัน) แต่ให้พลังงานสูงสุดต่อครั้งน้อยกว่า โดยรูปคลื่นพัลส์ที่ได้มีลักษณะเหมาะสมกว่าสำหรับการสัมผัสหินอย่างต่อเนื่องในหลุมลึก ซึ่งการลดทอนพลังงานจากสายแท่ง (rod string damping) จะทำให้พลังงานที่ส่งถึงหัวเจาะมีประสิทธิภาพลดลง

ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติ: แบบที่ใช้ลูกสูบสั้นและทำงานที่ความถี่สูงเหมาะสำหรับการเจาะบนแท่นผิวดินและการเจาะหน้าอุโมงค์ ซึ่งความลึกของรูเจาะมีค่าไม่มากนัก และพลังงานต่อการตีหนึ่งครั้งเป็นตัวกำหนดอัตราการเจาะทะลุ ขณะที่แบบที่ใช้ลูกสูบยาว แม้จะให้พลังงานต่อการตีหนึ่งครั้งต่ำกว่า แต่สามารถส่งมอบพลังงานได้อย่างสม่ำเสมอมากขึ้นตลอดความยาวชุดแท่งเจาะ 30 เมตร โดยในกรณีนี้ การลดทอนของคลื่นความเครียด (stress wave attenuation) มีความสำคัญมากกว่าแรงสูงสุดที่เกิดขึ้น ดังนั้น การเลือกรูปทรงลูกสูบที่เหมาะสมกับการใช้งานจึงเป็นขั้นตอนสำคัญในการคัดเลือกอุปกรณ์ ซึ่งทีมจัดซื้อมักละเลยไป

ความถี่สูง เทียบกับ ความถี่มาตรฐาน: การเปรียบเทียบการใช้งาน

อัตราการเจาะทะลุที่ได้เปรียบมีอยู่จริง แต่มีขอบเขตจำกัด ที่ความดันต่ำกว่า 60 MPa เครื่องเจาะความถี่มาตรฐานสามารถเจาะได้เร็วเพียงพอแล้ว ทำให้ข้อได้เปรียบจากความถี่สูงหายไปเนื่องจากถึงขีดจำกัดสูงสุด (ceiling effects) — ปัจจัยที่จำกัดประสิทธิภาพจึงเปลี่ยนไปเป็นการกำจัดเศษหินที่เกิดจากการเจาะ แทนที่จะเป็นพลังงานกระแทก ที่ความดันสูงกว่า 250 MPa ทั้งสองแบบการออกแบบไม่สามารถเจาะได้อย่างมีประสิทธิภาพ; อายุการใช้งานของคาร์ไบด์ที่ปลายดอกสว่านกลายเป็นข้อจำกัดหลัก ช่วงความดัน 80–180 MPa คือบริเวณที่อุปกรณ์ความถี่สูงแสดงศักยภาพในการคืนทุนค่าใช้จ่ายที่สูงกว่า

ระบบลดแรงสั่นสะเทือนแบบคู่: รักษาการสัมผัสระหว่างปลายดอกสว่านกับหินไว้ตลอดช่วงเวลาที่ไม่ได้กระแทก

การออกแบบที่ทำงานที่ความถี่สูงซึ่งใช้งานที่ 60 เฮิร์ตซ์ จะมีช่วงเวลา 16.7 มิลลิวินาทีระหว่างการกระแทกแต่ละครั้ง ในช่วงเวลานั้น หัวเจาะต้องคงการสัมผัสกับพื้นผิวหินอย่างต่อเนื่อง — หากหัวเจาะยกตัวขึ้นระหว่างการกระแทก การกระแทกครั้งถัดไปจะกระทบกับอากาศแทนที่จะเป็นหิน และพลังงานจากการกระแทกจะสะท้อนกลับเข้าสู่ตัวเครื่องเจาะแบบดริฟเตอร์ ระบบลดแรงสั่นสะเทือนแบบคู่นี้ถูกออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหานี้โดยตรง โดยใช้ลูกสูบลดแรงสั่นสะเทือนและแอคคิวมูเลเตอร์เพื่อยึดเครื่องมือเจาะไว้กับหน้าหินในระหว่างจังหวะย้อนกลับ ทำให้รักษากำลังกดที่จำเป็นไว้ระหว่างการกระแทกแต่ละครั้ง ผลการวิจัยเกี่ยวกับการผสมผสานระหว่างอัตราการไหลของระบบลดแรงสั่นสะเทือนและแรงป้อนพบว่า พลังงานการกระแทกสูงสุดที่มากกว่า 400 จูล สามารถบรรลุได้เมื่ออัตราการไหลของระบบลดแรงสั่นสะเทือนอยู่ในช่วง 8–9 ลิตร/นาที และแรงป้อนอยู่ที่ 15–20 กิโลนิวตัน สำหรับค่าที่อยู่นอกช่วงดังกล่าว พลังงานการกระแทกจะลดลงต่ำกว่า 250 จูล สำหรับบางค่าผสม

Sandvik RD930 ระบุความดันสะสมของตัวยึดคงที่ (stabilizer accumulator) ที่ 40 บาร์ และความดันของตัวยึดคงที่ที่ปรับได้ในช่วง 60 ถึง 110 บาร์ — ช่วงดังกล่าวไม่ใช่ค่าที่กำหนดขึ้นแบบสุ่ม แต่เป็นขอบเขตการปฏิบัติงานที่ทำให้ตัวยึดปลายเจาะ (shank adapter) อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดเทียบกับลูกสูบตลอดวงจรความถี่ทั้งหมด การเจาะนอกขอบเขตเหล่านี้ไม่เพียงแต่ลดประสิทธิภาพลงเท่านั้น แต่ยังทำให้การสึกหรอเกิดขึ้นบริเวณปลอกนำทาง (guide sleeve) และผิวหน้าของตัวยึดปลายเจาะ (shank face) แทนที่จะกระจายการสึกหรออย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นผิวสัมผัส

การคำนวณใหม่สำหรับช่วงเวลาการบำรุงรักษาซีลในหน่วยที่ทำงานความถี่สูง

เครื่องเจาะแบบดริฟเตอร์ที่ทำงานที่ความถี่ 60 เฮิร์ตซ์ จะสะสมจำนวนรอบการเคลื่อนที่ของลูกสูบได้ 216,000 รอบต่อชั่วโมงของการใช้งาน — ซึ่งมากกว่าเครื่องที่ทำงานที่ความถี่ 45 เฮิร์ตซ์ ประมาณหนึ่งในสาม เมื่อพิจารณาในระยะเวลาการกระแทกเท่ากัน ช่วงเวลาการตรวจสอบซีลมาตรฐานที่กำหนดไว้ที่ 500 ชั่วโมง ซึ่งใช้กับอุปกรณ์ความถี่ปานกลางนั้น ได้รับการพัฒนาขึ้นสำหรับอัตราการหมุนเวียน (cycle rate) ที่ต่ำกว่า การใช้งานเครื่องดริฟเตอร์ความถี่สูงจนครบ 500 ชั่วโมงก่อนการตรวจสอบซีลกระแทกครั้งแรก จะทำให้เกิดจำนวนรอบการเคลื่อนที่ของลูกสูบเพิ่มขึ้นถึง 108 ล้านรอบ เมื่อเปรียบเทียบกับช่วงเวลาการตรวจสอบเดียวกันบนเครื่องที่ทำงานที่ความถี่ 45 เฮิร์ตซ์ ในสภาพแวดล้อมที่มีหินกัดกร่อนหรืออุณหภูมิน้ำมันสูงกว่าปกติ ช่วงเวลา 350–400 ชั่วโมงจึงถือเป็นเกณฑ์ที่สมเหตุสมผลและสามารถให้เหตุผลสนับสนุนได้ดีกว่าสำหรับการตรวจสอบครั้งแรก

HOVOO จัดจำหน่ายชุดซีลสำหรับเครื่องดริฟเตอร์ความถี่สูง รวมถึงซีรีส์ Sandvik RD, รุ่นความถี่สูง Epiroc COP และเครื่องดริฟเตอร์ความถี่สูงที่ผลิตในประเทศจีน — โดยใช้วัสดุชนิด HNBR สำหรับการใช้งานในเหมืองที่มีอุณหภูมิสูง โดยเฉพาะเมื่ออุณหภูมิของน้ำมันที่ไหลกลับสูงกว่า 80°C รายละเอียดรุ่นสินค้าสามารถดูได้ที่ hovooseal.com