Mata bor PDC pertambangan: mode kegagalan umum dan analisis akar penyebabnya
Saat ini, mata bor PDC pertambangan terutama terdiri dari badan mata bor, sisipan pemotong PDC, dan paduan pelindung gauge. Sisipan pemotong PDC dan paduan pelindung gauge dibrazing ke badan mata bor. Selama pengeboran normal, rig mentransmisikan torsi dan tekanan umpan ke mata bor melalui rangkaian bor; sisipan pemotong PDC memotong batuan di dasar lubang, sementara paduan pelindung gauge melindungi badan mata bor secara melingkar untuk mencegah keausan yang cepat. Selama pemotongan batuan, pembebanan pada pemotong PDC di permukaan mata bor sangat kompleks. Variasi dalam formasi, metode konstruksi dan pemilihan peralatan, praktik operator, dan kontrol kualitas mata bor semuanya dapat memengaruhi kinerja dan menyebabkan berbagai mode kegagalan. Berdasarkan investigasi lapangan di lokasi pengeboran tambang batu bara, mata bor PDC pertambangan yang gagal dirangkum dan dianalisis; mode kegagalan umum dan penyebab utamanya berikut diidentifikasi.
1.1 Kegagalan sisipan pemotong PDC PDC disinter pada suhu dan tekanan tinggi. Komposit PDC biasanya terdiri dari lapisan intan dan substrat tungsten-karbida (WC).
Mode kegagalan utama sisipan pemotong PDC adalah keausan normal, kehilangan sisipan (penarikan), terkelupas, dan delaminasi.
(1) Keausan normal Keausan normal adalah degradasi yang diperkirakan terjadi pada pemotong PDC selama pemotongan batu. Keausan ini muncul sebagai kehilangan abrasif makroskopis pada lapisan intan dan substrat WC; permukaan yang aus tidak menunjukkan tanda-tanda retakan atau serpihan yang jelas.
(2) Kehilangan sisipan (cabut) Kehilangan sisipan terjadi ketika sisipan PDC terlepas sepenuhnya dari badan mata bor, yang menyebabkan kegagalan mata bor. Tanda khasnya adalah terlepasnya sisipan sepenuhnya dari mata bor, dengan kantong penyolderan di badan mata bor tidak menunjukkan adanya sisa paduan.
Penyebab utama hilangnya sisipan:
Suhu dasar lubang yang berlebihan: ketika pengeboran kering digunakan atau saluran air mata bor tersumbat, putaran dan pemotongan berkecepatan tinggi menghasilkan panas yang tidak dapat dihilangkan, menyebabkan suhu dasar lubang meningkat tajam. Jika suhu melebihi suhu kritis logam pengisi penyolderan, penyolderan akan meleleh dan sisipan akan terlepas.
Kontrol yang buruk terhadap proses penyolderan: pembersihan pra-pengelasan yang tidak memadai, penyolderan yang tidak sempurna atau berpori, pembuangan gas yang buruk, atau suhu/waktu penahanan pasca-penyolderan yang tidak tepat, semuanya dapat mengakibatkan sisipan terlepas.
Tindakan penanggulangan:
Produsen harus mengontrol proses produksi secara ketat, terutama penyolderan, untuk memastikan hasil las yang sempurna dan kokoh.
Di lokasi, lakukan pengeboran basah (pembilasan yang cukup) alih-alih pengeboran kering jika memungkinkan; selama pengeboran dalam, tunggu hingga aliran balik terbentuk sebelum menambahkan pipa bor; periksa saluran air mata bor untuk melihat apakah ada penyumbatan sebelum menjalankan mata bor ke dalam lubang untuk menghindari panas berlebih di beberapa bagian.
(3) Chipping (pecahnya tepi) Chipping mengacu pada keretakan dan hilangnya lapisan berlian PDC, seringkali secara lokal; pada kasus yang parah lapisan berlian dapat pecah bersama dengan bagian dari substrat WC.
Penyebab utama terkelupasnya:
Sifat material pemotong: pemotong yang dipilih mungkin memiliki ketahanan benturan yang rendah atau kekuatan ikatan yang tidak memadai antara substrat WC dan butiran berlian, sehingga rentan terkelupas akibat benturan.
Parameter operasional: tekanan umpan/berat pada bit (WOB) yang berlebihan pada permukaan dapat membebani pemotong hingga melampaui batas kekuatannya, yang menyebabkan lapisan berlian terkelupas dan pecah.
Formasi kompleks: pada formasi yang pecah keras, beban tumbukan dapat melampaui ketangguhan tumbukan pemotong dan menyebabkan terkelupas.
Desain mata bor: sudut rake/pemotongan pemotong yang tidak tepat (misalnya, sudut pemotongan yang terlalu kecil untuk formasi keras) meningkatkan beban pemotong dan mendorong terjadinya chipping. Aturan praktisnya adalah formasi yang lebih keras umumnya membutuhkan sudut pemotongan yang lebih besar.
Kendala eksternal: menemukan elemen penguat batuan seperti baut atap atau baut kabel pada pekerjaan bawah tanah dapat dengan mudah menyebabkan terkelupasnya pemotong.
Tindakan penanggulangan:
Patuhi parameter pengoperasian yang direkomendasikan oleh produsen bit.
Pilih dan rancang bit yang ditargetkan pada kondisi formasi: untuk formasi keras, tingkatkan kemiringan pemotong/sudut pemotongan untuk mengurangi agresivitas dan melindungi pemotong; untuk formasi keras yang terfragmentasi, pilih pemotong PDC dengan ketangguhan benturan yang lebih tinggi atau ubah geometri eksternal pemotong untuk meningkatkan ketahanan benturan (misalnya, permukaan cembung‑lengkung memiliki kinerja benturan yang lebih baik daripada permukaan datar dalam proses manufaktur yang sebanding).
Rencanakan lintasan lubang untuk menghindari jangkar atau baut yang diketahui jika memungkinkan.
(4) Delaminasi Delaminasi menunjukkan pemisahan antara lapisan berlian dan substrat WC komposit PDC.
Penyebab utama delaminasi: Tegangan sisa yang signifikan antara lapisan intan dan substrat WC, dikombinasikan dengan perbedaan koefisien ekspansi termal, menyebabkan kontraksi yang tidak seimbang akibat pemanasan bergantian dari gesekan dan pendinginan oleh fluida pengeboran. Efek gabungan dari beban impak dan tegangan sisa dapat menyebabkan lapisan intan terkelupas dari substrat.
Tindakan penanggulangan:
Selama pembuatan, pilih bahan ikatan dan parameter pemrosesan yang tepat untuk meminimalkan tegangan sisa antara lapisan berlian dan substrat WC.
Optimalkan geometri antarmuka-substrat (misalnya, bentuk antarmuka baru) untuk meningkatkan interlock mekanis dan kekuatan ikatan antara lapisan berlian dan substrat.
1.2 Kegagalan badan bit Kegagalan badan bit umumnya terjadi akibat patahnya sayap bit (bilah bit).
Retakan sayap sebagian besar terjadi pada bit sinter/matriks dan jarang terjadi pada bit berbadan baja.
Penyebab patahnya sayap pada bit matriks:
Dampak pada sayap mata bor selama proses make-up atau break-out: mahkota mata bor matriks seringkali diproduksi dengan metode metalurgi serbuk dan disinter dalam satu bagian. Dibandingkan dengan mata bor berbadan baja standar, mata bor matriks sinter memiliki ketahanan aus yang lebih tinggi tetapi ketangguhannya lebih rendah; benturan pada sayap mata bor saat pelepasan dapat dengan mudah menyebabkan fraktur sayap.
Kontrol yang buruk pada proses sintering: sintering tidak lengkap atau inklusi (pulau bubuk yang tidak disinter) berarti bubuk tidak sepenuhnya terkonsolidasi menjadi matriks yang homogen.
Tindakan penanggulangan:
Selama proses pembuatan dan pelepasan, operator harus menggunakan peralatan yang tepat (misalnya, penjepit pipa atau kunci pas) untuk membantu dan menghindari pemukulan pada sayap bit.
Produsen harus mengontrol kualitas sintering secara ketat: mengontrol proses sintering dengan ketat dan melakukan pemeriksaan berkala pada bahan baku serbuk logam untuk memastikannya memenuhi spesifikasi proses.
