Modus Kegagalan Umum pada Mata Bor PDC dan Analisis Penyebabnya
Gambaran Umum Mata bor PDC (polycrystalline diamond compact) untuk pertambangan terdiri dari badan mata bor, pemotong PDC, dan karbida pelindung pengukur. Baik pemotong PDC maupun karbida pelindung pengukur disolder ke badan mata bor. Selama pengeboran, torsi dan gaya tekan ke bawah ditransmisikan dari rig melalui rangkaian bor ke mata bor; fragmentasi batuan dilakukan oleh pemotong PDC sementara karbida pelindung pengukur melindungi badan mata bor di sekelilingnya untuk memperlambat keausan. Karena kondisi tegangan pada permukaan mata bor sangat kompleks, banyak faktor — kondisi formasi, prosedur pengeboran dan pemilihan peralatan, keterampilan operator, dan kontrol kualitas mata bor itu sendiri — dapat memengaruhi kinerja dan menghasilkan berbagai mode kegagalan. Berdasarkan survei lapangan dan analisis sistematis mata bor yang gagal, berikut ini merangkum jenis kegagalan utama dan penyebabnya.
I. Kegagalan Mata Bor PDC Mata bor PDC adalah elemen inti pemecah batuan pada mata bor dan dapat mengalami kegagalan dalam beberapa cara:
Keausan normal adalah kehilangan material yang diharapkan akibat pemotongan batuan yang berkepanjangan. Hal ini tampak sebagai keausan abrasif bertahap pada permukaan intan dan substrat karbida semen. Permukaan yang aus halus tanpa retakan atau pengelupasan yang jelas dan dianggap sebagai keausan akhir masa pakai yang dapat diterima.
Kehilangan mata pisau (pemisahan total) Kehilangan mata pisau mengacu pada kondisi di mana mata pisau terlepas sepenuhnya dari badan mata bor, meninggalkan rongga pengelasan kosong dan menyebabkan kegagalan mata bor.
Penyebab utama
Kerusakan termal pada permukaan mata bor (terbakar): Pengeboran kering atau saluran air mata bor yang tersumbat mencegah pendinginan yang memadai selama pemotongan kecepatan tinggi, sehingga suhu pada permukaan mata bor meningkat dengan cepat. Jika suhu melebihi ambang batas leleh atau degradasi bahan pengisi patri, sambungan patri akan gagal dan mata bor akan terlepas.
Pengendalian proses penyolderan yang tidak memadai: Pembersihan awal yang buruk, sambungan solder yang dingin atau berpori, penghilangan gas yang tidak tepat, atau perlakuan panas/waktu perendaman pasca-penyolderan yang tidak mencukupi dapat mengurangi kekuatan sambungan dan menyebabkan terlepasnya mata pisau.
Tindakan penanggulangan
Dari sisi produksi: terapkan kontrol proses yang ketat untuk proses penyolderan — pastikan permukaan bersih, lapisan solder yang tepat, dan perlakuan panas pasca-penyolderan yang konsisten untuk menghasilkan sambungan yang kuat.
Di lapangan: terapkan pengeboran basah dengan air bersih dan hindari pengeboran kering; sebelum membuat lubang panjang atau menambahkan pipa bor, pastikan aliran balik pada sambungan dan verifikasi saluran air mata bor tidak terhalang untuk mencegah kehilangan pendinginan.
Pengelupasan/patah pada permukaan berlian. Pengelupasan adalah kegagalan yang sering terjadi di mana permukaan berlian terkelupas atau patah; dalam kasus yang parah, permukaan berlian dan substrat karbida terlepas bersamaan, menyebabkan hilangnya kemampuan memotong secara langsung.
Penyebab utama
Ketahanan atau ikatan mata pisau yang tidak memadai: mata pisau dengan ketahanan benturan rendah atau ikatan yang lemah antara permukaan berlian dan substrat karbida rentan terhadap kerusakan akibat beban kejut.
Parameter pengeboran yang tidak tepat: laju umpan/gaya tekan yang berlebihan menyebabkan mata bor mengalami beban melebihi batas kekuatannya.
Kondisi formasi yang keras: formasi yang sangat keras dan sangat terfragmentasi menimbulkan beban benturan tinggi yang melebihi ketahanan benturan alat pemotong.
Desain mata bor yang tidak tepat: kegagalan mengikuti prinsip "formasi yang lebih keras → sudut pemotongan/garpu yang lebih besar" dapat menyebabkan mata bor memiliki geometri yang terlalu agresif untuk formasi yang keras, meningkatkan tekanan dan memicu pengelupasan.
Hambatan eksternal: menemukan jangkar, baut batuan, atau penguatan di dalam lubang dapat menghasilkan guncangan tiba-tiba yang dapat merusak mata bor.
Tindakan penanggulangan
Ikuti rekomendasi pabrikan untuk parameter pengoperasian dan atur laju umpan dan putaran agar sesuai dengan kekerasan formasi.
Pilih mata bor dan geometri mata bor yang sesuai dengan formasi batuan: tingkatkan sudut pemotongan/sudut geram pada formasi batuan yang lebih keras untuk mengurangi agresivitas serangan dan menurunkan beban benturan.
Gunakan mata pisau dengan ketahanan benturan yang lebih tinggi atau modifikasi bentuk luar meja intan (misalnya, profil cembung/melengkung seringkali menawarkan ketahanan benturan yang lebih baik daripada meja datar dalam kondisi manufaktur yang sebanding).
Rencanakan lintasan lubang untuk menghindari rintangan yang diketahui seperti baut batuan atau jangkar.
Delaminasi antara permukaan intan dan substrat. Delaminasi adalah pemisahan permukaan intan dari substrat karbida semen, yang menyebabkan hilangnya integritas mata pisau.
Penyebab utama
Tegangan antarmuka sisa yang besar dan ketidaksesuaian koefisien ekspansi termal antara permukaan intan dan substrat karbida. Panas yang dihasilkan oleh pemotongan dan pendinginan cepat dari cairan pembilas menghasilkan tegangan termal; dikombinasikan dengan tegangan sisa dari proses manufaktur dan beban benturan yang diterapkan, hal ini dapat menyebabkan permukaan intan terkelupas.
Tindakan penanggulangan
Dalam proses manufaktur, pilihlah material perekat/patri dan parameter proses yang kompatibel untuk meminimalkan tegangan sisa. Optimalkan prosedur sintering/patri untuk mengurangi atau mengkompensasi tegangan antarmuka.
Tingkatkan penguncian mekanis dengan mendesain ulang geometri antarmuka substrat (misalnya, antarmuka bertingkat atau berkunci) untuk meningkatkan kekuatan ikatan dan stabilitas struktural.
II. Kegagalan Badan Mata Bor Kegagalan badan mata bor biasanya bermanifestasi sebagai patahan bilah (sayap pengukur). Kegagalan ini terutama terjadi pada badan mata bor matriks (sinter); mata bor berbahan baja, karena ketangguhan material yang lebih tinggi, kurang rentan terhadap patahan bilah.
Penyebab utama
Praktik pemasangan/pelepasan yang tidak tepat: mata bor mahkota matriks sering dibentuk dengan metalurgi serbuk dalam satu langkah sintering. Meskipun tahan aus, material matriks kurang ulet. Memukul mata bor selama pemasangan atau pelepasan (misalnya, memukul mata bor dengan palu) dapat dengan mudah mematahkan sayapnya.
Kontrol sintering yang buruk: sintering yang tidak sempurna atau bintik-bintik "dingin" di mana bubuk logam tidak sepenuhnya memadat menghasilkan zona lemah atau inklusi dalam matriks, mengurangi kekuatan struktural dan membuat bilah lebih mungkin patah selama penggunaan.
Tindakan penanggulangan
Operasional: standarisasi prosedur pemasangan dan penghapusan. Gunakan alat yang tepat (kunci inggris, penjepit, atau alat ekstraksi) untuk menangani mata bor dan hindari mengenai mata pisau secara langsung.
Kualitas produksi: menerapkan kontrol proses sintering yang ketat dan melakukan pengujian rutin terhadap bahan baku bubuk logam untuk memastikan kualitas bubuk dan konsolidasi yang sempurna, mencegah inklusi yang tidak tersinter dan zona lemah.
Kesimpulan: Pencegahan dan mitigasi kegagalan mata bor PDC yang efektif memerlukan kontrol terkoordinasi di seluruh desain, manufaktur, parameter pengeboran, dan operasi di lokasi. Mencocokkan desain mata bor dan pemilihan pemotong dengan kondisi formasi, menjaga kontrol kualitas pengelasan dan sintering yang ketat, memastikan pendinginan dan pembilasan yang tepat selama pengeboran, dan mengikuti prosedur penanganan standar akan secara signifikan mengurangi tingkat kegagalan dan memperpanjang umur mata bor.
