Modes de défaillance courants des forets PDC et analyse des causes
Aperçu : Un trépan minier PDC (diamant polycristallin compact) se compose d’un corps, de plaquettes de coupe PDC et d’une protection en carbure. Les plaquettes et la protection sont brasées au corps du trépan. Lors du forage, le couple et la force de descente sont transmis de l’engin de forage au trépan par la garniture de forage ; la fragmentation de la roche est assurée par les plaquettes PDC tandis que la protection en carbure protège le corps du trépan sur sa circonférence afin de limiter l’usure. La complexité des contraintes à la surface du trépan est telle que de nombreux facteurs – conditions de formation, procédure de forage, choix du matériel, compétences de l’opérateur et contrôle qualité du trépan lui-même – peuvent affecter ses performances et engendrer divers modes de défaillance. À partir d’études de terrain et d’une analyse systématique des trépans défaillants, les principaux types de défaillance et leurs causes sont résumés ci-dessous.
I. Défaillances des outils de coupe PDC Les outils de coupe PDC sont les éléments principaux de fragmentation de la roche du trépan et peuvent tomber en panne de plusieurs manières :
L'usure normale correspond à la perte de matière attendue lors d'une coupe prolongée de roche. Elle se manifeste par une usure abrasive progressive de la table diamantée et du substrat en carbure cémenté. La surface usée est lisse, sans fissures ni écaillage apparents, et est considérée comme une usure acceptable en fin de vie.
Perte de l'outil de coupe (détachement complet) La perte de l'outil de coupe fait référence à la séparation complète de l'outil de coupe du corps du trépan, laissant la poche de brasage vide et provoquant la défaillance du trépan.
Principales causes
Dommages thermiques au niveau de la tête de coupe (brûlure) : Le forage à sec ou l’obstruction des passages d’eau de la tête de coupe empêchent un refroidissement adéquat lors de la coupe à grande vitesse, ce qui provoque une élévation rapide de la température au niveau de la tête de coupe. Si la température dépasse le seuil de fusion ou de dégradation du métal d’apport de brasage, le joint brasé cède et la fraise se détache.
Contrôle inadéquat du processus de brasage : un pré-nettoyage insuffisant, des joints brasés froids ou poreux, un dégazage incorrect ou un temps de traitement thermique/trempage post-brasage insuffisant peuvent tous réduire la résistance du joint et entraîner le détachement de l’outil de coupe.
Contre-mesures
Côté production : appliquer un contrôle strict du processus de brasage — garantir des surfaces propres, des cordons de brasage corrects et un traitement thermique post-brasage uniforme pour produire des joints robustes.
Côté terrain : privilégier le forage humide avec de l’eau propre et éviter le forage à sec ; avant de réaliser des trous longs ou d’ajouter des tiges de forage, vérifier le flux de retour au niveau du collier et s’assurer que les passages d’eau du trépan ne sont pas obstrués afin d’éviter les pertes de refroidissement.
Écaillage / fracture de la table diamantée L'écaillage est une défaillance fréquente au cours de laquelle la table diamantée s'effrite ou se fracture ; dans les cas les plus graves, la table diamantée et le substrat en carbure se détachent ensemble, entraînant une perte immédiate de capacité de coupe.
Principales causes
Résistance ou liaison insuffisante de la fraise : les fraises présentant une faible résistance aux chocs ou une faible liaison entre la table en diamant et le substrat en carbure sont sujettes à l’écaillage sous l’effet de charges de choc.
Paramètres de perçage inadéquats : une avance/force excessive soumet les outils de coupe à des charges dépassant leurs limites de résistance.
Conditions de formation difficiles : les formations très dures et fortement fragmentées imposent des charges d’impact élevées qui dépassent la résistance aux chocs des outils de coupe.
Conception de trépan inappropriée : le non-respect du principe « formation plus dure → angle de coupe/de dépouille plus grand » peut laisser des trépans avec une géométrie trop agressive pour les formations dures, augmentant les contraintes et favorisant l’écaillage.
Obstacles externes : la rencontre d’ancrages, de boulons d’ancrage ou de renforts dans le trou peut produire des chocs soudains qui endommagent les outils de coupe.
Contre-mesures
Suivez les recommandations du fabricant concernant les paramètres de fonctionnement et réglez l'avance et la rotation en fonction de la dureté de la formation.
Sélectionnez les outils de coupe et la géométrie du trépan adaptés à la formation : augmentez l’angle de coupe/de dépouille dans les formations plus dures afin de réduire l’agressivité de l’attaque et les charges d’impact.
Utilisez des outils de coupe à plus haute résistance aux chocs ou modifiez la forme externe de la table diamantée (par exemple, les profils convexes/courbes offrent souvent une meilleure résistance aux chocs que les tables plates dans des conditions de fabrication comparables).
Planifiez les trajectoires des forages de manière à éviter les obstacles connus tels que les boulons d'ancrage ou les ancrages.
Délamination entre la table diamantée et le substrat La délamination est la séparation de la table diamantée du substrat en carbure cémenté, entraînant une perte d'intégrité de l'outil de coupe.
Principales causes
Des contraintes résiduelles interfaciales importantes et une différence de coefficient de dilatation thermique entre la table diamantée et le substrat en carbure sont à l'origine du décollement de la table diamantée. La chaleur générée par la coupe et le refroidissement rapide par le fluide de rinçage produisent des contraintes thermiques qui, combinées aux contraintes résiduelles de fabrication et aux charges d'impact appliquées, peuvent entraîner le décollement de la table diamantée.
Contre-mesures
En fabrication, choisissez des matériaux de collage/brasage et des paramètres de procédé compatibles afin de minimiser les contraintes résiduelles. Optimisez les procédures de frittage/brasage pour réduire ou compenser les contraintes interfaciales.
Améliorer l'interverrouillage mécanique en redessinant la géométrie de l'interface du substrat (par exemple, interfaces étagées ou à clavette) afin d'améliorer la résistance de la liaison et la stabilité structurelle.
II. Défaillances du corps du trépan Les défaillances du corps du trépan se manifestent généralement par des fractures des ailettes. Ces défaillances surviennent principalement dans les corps de trépan en matrice (frittée) ; les trépans en acier, grâce à la plus grande ténacité du matériau, sont moins sujets à la rupture des ailettes.
Principales causes
Pratiques de montage/démontage inappropriées : les couronnes de fraises à matrice sont souvent formées par métallurgie des poudres en une seule étape de frittage. Bien que résistants à l’usure, les matériaux de la matrice sont moins ductiles. Frapper les ailettes lors du montage ou du démontage (par exemple, en les martelant) peut facilement les fracturer.
Mauvais contrôle du frittage : un frittage incomplet ou des points « froids » où la poudre métallique ne s’est pas complètement consolidée produisent des zones faibles ou des inclusions dans la matrice, réduisant la résistance structurelle et augmentant le risque de rupture de la lame pendant son utilisation.
Contre-mesures
Opérationnel : standardiser les procédures de montage et de démontage. Utiliser les outils appropriés (clés, pinces de levage ou extracteurs) pour manipuler les embouts et éviter tout contact direct avec les lames.
Qualité de la production : appliquer un contrôle strict du processus de frittage et effectuer des tests réguliers sur la poudre métallique utilisée comme matière première afin de garantir la qualité de la poudre et sa consolidation complète, en évitant les inclusions non frittées et les zones fragiles.
En conclusion, la prévention et la réduction efficaces des défaillances des trépans PDC nécessitent une maîtrise coordonnée de la conception, de la fabrication, des paramètres de forage et des opérations sur site. L'adaptation de la conception du trépan et du choix des outils de coupe aux conditions de la formation, le maintien d'un contrôle rigoureux de la qualité du brasage et du frittage, un refroidissement et un rinçage adéquats pendant le forage, ainsi que le respect des procédures de manipulation normalisées permettront de réduire considérablement les taux de défaillance et d'allonger la durée de vie du trépan.
