แท่งเจาะหินและหัวเจาะ: ทนต่อการสึกหรอได้ดี ช่วยยืดอายุการใช้งานได้อย่างมาก

เครื่องเจาะหินไฮดรอลิกเองนั้นแทบไม่เคยเป็นสาเหตุให้โครงการสูญเสียเงินอย่างมาก แต่สิ่งที่ทำให้เกิดการสูญเสียคือวัสดุสิ้นเปลือง แท่งเจาะและหัวเจาะจะต้องเปลี่ยนบ่อยกว่าตัวเครื่องเจาะ (drifter) ที่พวกมันติดตั้งอยู่มาก และในการเจาะเพื่อการผลิต—ซึ่งเครื่องเจาะแบบ longhole jumbo หนึ่งเครื่องอาจใช้แท่งเจาะหลายชุดต่อเดือน—การเลือกวัสดุผิดพลาดจะส่งผลให้ต้นทุนต่อเมตรเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญก่อนที่ผู้เกี่ยวข้องจะสังเกตเห็น

ความล้าของเกลียว การสึกหรอของปุ่มกด (button wear) และการโก่งตัวของแท่งเจาะอันเนื่องมาจากการหมุนด้วยความเร็วที่ไม่เหมาะสม คือ สามรูปแบบของการเสียหายที่พบได้บ่อยในสถานที่ทำงานที่สั่งซื้อวัสดุสิ้นเปลืองโดยพิจารณาจากราคาเพียงอย่างเดียว บทความนี้กล่าวถึงปัจจัยที่แท้จริงที่มีผลต่ออายุการใช้งานจริง และวิธีการจับคู่ข้อกำหนดของแท่งเจาะและหัวเจาะให้สอดคล้องกับเครื่องเจาะและชั้นหินที่จะใช้งาน

เหตุใดแท่งเจาะจึงเสียหายก่อนเวลาอันควร

แท่งเจาะรับแรงสองประเภทพร้อมกัน: คลื่นความเครียดจากการกระแทกที่เดินทางจากส่วนหัวของแท่งไปยังปลายเจาะ และโมเมนต์บิดที่ทำให้แท่งหมุนขณะปลายเจาะขูดผิวหน้าหิน แรงทั้งสองชนิดนี้ไม่สามารถรวมกันได้ในเชิงความเครียด แรงกระแทกเป็นแรงอัดและมีความถี่สูง ในขณะที่โมเมนต์บิดเป็นแรงบิดแบบต่อเนื่อง แท่งเจาะจึงต้องรับแรงทั้งสองชนิดนี้ได้โดยไม่เกิดการล้าที่บริเวณรอยต่อเกลียว ซึ่งเป็นจุดที่มักเกิดความล้มเหลวเป็นส่วนใหญ่

การออกแบบเกลียวแบบไม่สมมาตร—โดยที่ด้านรับแรงและด้านสัมผัส (stab flank) มีรูปทรงเรขาคณิตต่างกัน—ช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งของรอยต่อภายใต้แรงกระแทก ขณะเดียวกันก็ยังคงสามารถขันเกลียวเข้าและคลายเกลียวออกได้อย่างสะอาดสะอ้าน ผู้ผลิตแท่งเจาะระดับพรีเมียมออกแบบรูปทรงเกลียวอย่างเฉพาะเจาะจงเพื่อรองรับสภาวะการรับแรงทั้งสองแบบนี้ การใช้เหล็กกล้าโลหะผสม เช่น 23CrNiMo หรือชนิดที่เทียบเคียงกัน จะให้ความเหนียวเพียงพอในการดูดซับพลังงานจากการกระแทกซ้ำๆ พร้อมทั้งต้านทานการล้าที่ผิวซึ่งเริ่มต้นจากการเสียดสีกันระหว่างพื้นผิวสัมผัสของเกลียว

แรงดันขับเคลื่อนที่ไม่เหมาะสมเป็นปัจจัยเร่งที่ซ่อนอยู่ซึ่งทำให้แท่งเจาะเสียหาย หากแรงป้อนเข้ามีค่าต่ำเกินไป ชุดแท่งเจาะจะสูญเสียการสัมผัสกับหินระหว่างการตีแต่ละครั้ง — การสั่นสะเทือนของแท่งเจาะ (rod whip) ที่ความถี่ 40–60 เฮิร์ตซ์ ซึ่งเกิดขึ้นตามมา จะสร้างแรงเค้นดัดที่แม้การอบอุณหภูมิเพื่อปรับปรุงสมบัติทางกล (heat treatment) อย่างเดียวก็ไม่สามารถชดเชยได้ แต่หากแรงดันสูงเกินไป หัวเจาะจะติดขัด แท่งเจาะจะรับโหลดบิดเต็มที่ (torque lock-up load) อย่างฉับพลัน และตามมาด้วยการลอกเกลียว (thread stripping) อย่างรวดเร็ว

หัวเจาะแบบปุ่มคาร์ไบด์: ความแข็งของชั้นหินเป็นตัวกำหนดเกรดที่เหมาะสม

รูปทรงปุ่มสามแบบครอบคลุมการใช้งานส่วนใหญ่ของระบบเจาะแบบ top hammer: ทรงกลม (spherical), ทรงกึ่งบอลลิสติก (semi-ballistic) และทรงกรวย (conical) ปุ่มทรงกลมเป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับชั้นหินระดับปานกลางถึงแข็ง มีความต้านทานการสึกหรอที่ดี และช่วงเวลาในการขัดแต่งใหม่ (regrinding interval) คาดการณ์ได้แน่นอน ปุ่มทรงกึ่งบอลลิสติกสามารถเจาะทะลุได้เร็วกว่าในหินที่นุ่มกว่าหรือหินที่มีรอยแตก ขณะที่รูปทรงกรวยจะรวมศูนย์แรงเค้นไว้ที่จุดเดียว เพื่อใช้กับชั้นหินที่แข็งที่สุดและกัดกร่อนมากที่สุด โดยเน้นแรงทำลายหินต่อการตีหนึ่งครั้งให้สูงสุด มากกว่าความสำคัญของอายุการใช้งานปุ่ม

เกรดของคาร์ไบด์เป็นตัวแปรอีกประการหนึ่ง เกรดคาร์ไบด์แบบเกรเดียนต์ (เช่น GC81 ของ Sandvik) ใช้ส่วนประกอบที่เปลี่ยนผ่านจากแกนกลางที่ทนทานกว่าไปสู่ชั้นผิวที่แข็งกว่า ทำให้เม็ดปุ่มสามารถต้านทานทั้งการแตกร้าวจากแรงกระแทกภายในและแรงขัดสึกบนผิวภายนอกได้ เกรดคาร์ไบด์แบบแข็งตัวเองจะก้าวหน้าไปอีกขั้น โดยคาร์ไบด์จะแข็งตัวเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปภายใต้แรงกระแทก ซึ่งช่วยยืดระยะเวลาระหว่างการขัดถูครั้งแรกได้อย่างมากในหินแกรนิตหรือควอตไซต์ที่มีความแข็งสูง

ในทางปฏิบัติ หัวเจาะแบบหนักพิเศษที่ใช้คาร์ไบด์คุณภาพสูงสามารถให้อายุการใช้งานยาวนานได้สูงสุดถึงสองเท่าของหัวเจาะมาตรฐานในสภาพหินที่เหมาะสม ค่าตัวคูณนี้จะมีผลเฉพาะเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวเจาะสอดคล้องกับความเร็วรอบของการเจาะเท่านั้น—หากคาร์ไบด์หมุนเร็วกว่าความเร็วเชิงมุมที่จำเป็นต่อการรีเซ็ตตำแหน่งใหม่หลังแต่ละครั้งของการกระแทก จะส่งผลให้คาร์ไบด์กระทบซ้ำบริเวณรอยสึกหรอเดิมแทนที่จะเป็นหินที่ยังไม่ถูกเจาะ

การเลือกแท่งเจาะและหัวเจาะตามการใช้งาน

ตัวเลขอายุการใช้งานข้างต้นเป็นข้อมูลอ้างอิงจากภาคสนามสำหรับสภาพหินที่เหมาะสมภายใต้พารามิเตอร์การเจาะที่ถูกต้อง อย่างไรก็ตาม ชั้นหินที่มีรอยแยกหรือมีดินเหนียวแทรกซึมอาจลดช่วงอายุการใช้งานเหล่านี้ลงได้ 30–50% เนื่องจากการสัมผัสระหว่างหัวเจาะกับหินไม่สม่ำเสมอ และอนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเข้าไปสะสมบนหน้าหัวเจาะ

ตัวแปลงข้อต่อส่วนปลาย (Shank Adapters): จุดถ่ายโอนที่ไม่มีใครเปลี่ยนทดแทนเร็วพอ

ตัวแปลงข้อต่อส่วนปลายติดตั้งอยู่ระหว่างลูกสูบกับแท่งเจาะชิ้นแรก โดยทำหน้าที่รับแรงกระแทกโดยตรงจากลูกสูบที่บริเวณพื้นผิวสัมผัส ขณะเดียวกันก็ส่งถ่ายแรงบิดเพื่อหมุนไปยังชุดแท่งเจาะผ่านฟันเฟืองเกลียว (splines) ที่อยู่บนตัวแปลงข้อต่อส่วนปลาย แม้ว่าการสึกหรอของฟันเฟืองเกลียวจะไม่แสดงอาการที่ชัดเจน—ตัวแปลงข้อต่อยังคงสามารถติดตั้งได้พอดี และเครื่องเจาะยังคงทำงานได้ตามปกติ—แต่การสึกหรอของฟันเฟืองเกลียวจะทำให้เกิดการเคลื่อนไหวเชิงข้าง (lateral play) เพิ่มขึ้น ซึ่งนำไปสู่การโก่งตัวของแท่งเจาะและเร่งกระบวนการเกิดความล้าที่ข้อต่อชิ้นแรก

ในการขุดเจาะใต้ดินแบบใช้งานหนัก ตัวแปลงปลายแท่งเจาะ (shank adapters) มักจำเป็นต้องตรวจสอบทุกๆ 500 ชั่วโมงของการส่งแรงกระแทก และเปลี่ยนใหม่ก่อนถึง 1,000 ชั่วโมง ไม่ว่าสภาพภายนอกจะดูดีเพียงใดก็ตาม การใช้ปลายแท่งเจาะที่สึกหรอในเครื่องเจาะ COP 2238+ หรือ Sandvik HL1560T เท่ากับการจ่ายค่าบำรุงรักษาพิเศษสำหรับตัวเจาะ (drifter) ขณะเดียวกันก็ทำลายอายุการใช้งานของแท่งเจาะ (rod) ที่ปลายอีกด้านหนึ่งของชุดแท่งเจาะ (string)

การสูญเสียพลังงานในชุดแท่งเจาะและต้นทุนที่เกิดขึ้นต่อเมตร

แต่ละข้อต่อในชุดแท่งเจาะเป็นจุดที่อาจเกิดการสูญเสียพลังงานได้ การเชื่อมต่อเกลียวที่เหมาะสมและสะอาดจะส่งคลื่นความเครียดจากการกระแทกได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีการสะท้อนกลับน้อยที่สุด แต่หากข้อต่อเกลียวสึกหรอหรือไม่เข้ากัน จะทำให้คลื่นความเครียดบางส่วนสะท้อนกลับเข้าสู่ตัวเจาะ (drifter) ส่งผลให้ความสามารถในการเจาะลึกต่อการกระแทกแต่ละครั้งลดลง และเพิ่มการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบไซคลิก (thermal cycling) ภายในซีลของตัวเรือนตัวเจาะ

HOVOO จัดจำหน่ายชุดซีลสำหรับสว่านหินที่ผลิตตามมาตรฐานความคลาดเคลื่อนของผู้ผลิตรายใหญ่ (OEM) สำหรับแบรนด์ดริฟเตอร์หลักที่ใช้งานร่วมกับชุดแท่งเจาะแบบท็อปแฮมเมอร์ — รวมถึงรุ่น Epiroc COP, Sandvik HL/RD และ Furukawa ด้วย ทั้งนี้ เมื่อมีการวางแผนบำรุงรักษาชุดแท่งเจาะ ควรกำหนดเวลาตรวจสอบซีลของดริฟเตอร์ให้สอดคล้องกันในช่วงเวลาเดียวกัน เนื่องจากพลังงานสะท้อนกลับที่ทำให้อายุการใช้งานของแท่งเจาะลดลงนั้น ก็ยังเพิ่มแรงเครียดแบบเป็นจังหวะต่อซีลในห้องกระทบเช่นกัน รายละเอียดแบบจำลองทั้งหมดสามารถดูได้ที่ hovooseal.com