Analyse des défaillances et utilisation appropriée des outils de forage de roche
Analyse des défaillances des outils de forage de roche. La Chine produit désormais une gamme d'outils de forage de roche (RDT) aux caractéristiques distinctes – tels que les trépans à dents à colonne/insert, les trépans intégrés en carbure cémenté, les trépans ultra-résistants et le carbure K610 – dont la qualité et la durée de vie se sont améliorées, mais restent inégales. Les premières défaillances sont principalement dues à des problèmes de trépan et de tige de forage.
Les forets se détériorent par usure normale et anormale : fragmentation, rupture et perte de dents, écaillage et fractures. Les forets de type burin se détériorent souvent en raison de l'épaisseur excessive de leurs ailettes de coupe, de leur usure rapide, de leur faible stabilité géométrique et du serrage insuffisant des plaquettes en carbure, ce qui entraîne une perte de plaquettes et une usure accélérée. Les forets sphériques/à bouton présentent généralement un écaillage des arêtes, des dents de bord fracturées, des fissures dans la jupe, une perte de la coiffe et des fractures du corps. Une étude de terrain réalisée avec une perceuse pneumatique 7655 sur du granit dur a révélé, pour les forets à plaquettes de ∅40 à ∅42 domestiques, un écaillage des dents de bord de 22,7 %, une rupture des dents de bord de 35,4 % et une perte de fragments de 26,4 %, ce qui montre que l'endommagement des dents de bord est un mode de défaillance prédominant. Les causes incluent des contraintes excentriques et irrégulières sur les dents de bord, des pressions radiales variables, une déformation plastique croissante de la paroi du trou de dent (conduisant à un évasement et à une réduction de la force de serrage), un ajustement serré insuffisant entre la dent et le trou et une faible dureté du corps du foret. Une dureté élevée du corps du trépan est bien plus avantageuse pour les carbures que pour les corps de dureté moyenne/faible. La qualité du soudage, la performance du flux, les pratiques de soudage et l'utilisation influent également sur les défaillances. Plus de 80 % des fractures du corps du trépan se produisent à la jonction de la face et de la jupe du trépan ; les fractures partielles des trépans à dents d'insert se propagent le long du fond du trou de dent. Un mauvais choix d'acier, une géométrie inadaptée, une fabrication ou une utilisation incorrecte aggravent également les fractures.
Les tiges de forage subissent des contraintes alternées (impact, flexion et corrosion). Elles requièrent donc une résistance élevée à la fatigue, une ténacité élevée aux chocs et à la corrosion, ainsi qu'une faible sensibilité à l'entaille et une faible vitesse de propagation des fissures. Les ruptures de tiges incluent des déformations à l'extrémité de la tige de petite taille dues à une faible dureté, l'éclatement des extrémités à dureté élevée, l'usure du filetage des accouplements, les ruptures par fatigue et les fractures fragiles. Les ruptures par fatigue naissent et se propagent à partir de défauts de matériau (inclusions non métalliques, porosité, taches blanches, rayures, décarburation, fissures de corrosion) ou d'un mauvais traitement thermique (noyau trop dur dû à la cémentation, trempe insuffisante provoquant des fissures de queue, fissures de trempe). Des défauts de conception et un mauvais ajustement de l'accouplement peuvent induire des fissures ; une mauvaise utilisation (marques de marteau, mauvaise lubrification des joints, corrosion) peut également provoquer des fissures et des ruptures. Certaines fractures de tiges ne présentent aucune caractéristique de fatigue et se présentent sous forme de fractures fragiles cristallines brillantes, généralement dues à des défauts, à des changements de section importants, à des recouvrements de forgeage ou à un traitement thermique inapproprié produisant une faible résistance ou une concentration de contrainte élevée et une propagation rapide des fissures.
Utilisation correcte et rationnelle des outils de forage de roche 2.1 Améliorer la qualité de la conception Déterminer des paramètres structurels raisonnables et développer de nouveaux types sont des conditions préalables à une durée de vie plus longue. Pour les trépans à dents insérées/colonnes, les couronnes hémisphériques offrent une vitesse de forage élevée et une résistance à la compression durable. Le diamètre des dents doit garantir la résistance à la traction et la force de serrage. Pour réduire les dommages aux dents de bord et prolonger la durée de vie : (1) renforcer les dents de bord en choisissant une forme de dent, un diamètre et une hauteur d'exposition appropriés ; (2) réduire l'angle de coupe des dents de bord pour améliorer la répartition de la charge et la résistance aux chocs ; (3) sélectionner des jeux de soudure et un ajustement serré corrects pour augmenter la force de rétention ; (4) utiliser des carbures plus résistants et traités thermiquement pour les dents de bord afin d'éviter la fragmentation ; (5) renforcer le corps du trépan pour améliorer la résistance à l'usure ; (6) optimiser la disposition des dents, augmenter le nombre de dents de bord lorsque cela est possible et améliorer le rinçage - conserver les trous d'eau de face et un système de rinçage à trois rainures/deux trous à grand espacement pour augmenter l'enlèvement des débris, réduire le réaffûtage des débris, diminuer la consommation d'énergie et prolonger la durée de vie du trépan.
Amélioration de la géométrie des tiges : par exemple, les tiges filetées intégrales d'Ingersoll-Rand, produites par formage par laminage avec durcissement superficiel, un angle d'hélice plus grand et un bon autoblocage, améliorent la ténacité, la résistance à l'usure et la facilité de montage/démontage. L'apparence et la conception de l'emballage améliorent la protection des outils et prolongent leur durée de vie.
2.2 Choisir des matériaux de haute qualité. Les matériaux des outils doivent être robustes et résistants à l'usure, présenter une bonne rigidité, une résistance élevée à la fatigue, une faible sensibilité à l'entaille, une forte rétention du carbure et une certaine résistance à la corrosion. Les aciers recommandés sont les suivants : 24SiMnNi2CrMo (similaire au FF710 suédois) offrant d'excellentes propriétés mécaniques et de rupture combinées ; 40SiMnMoV pour les tiges (pénétration moyenne d'environ 1 225,4 m, proche des niveaux étrangers) ; 55SiMnMo pour les petites tiges, dont la durée de vie est proche de celle du 95CrMo suédois (environ 250 m) ; 35SiMnMoV atteignant environ 300 m par tige. Après trempe-revenu, ces aciers forment des microstructures bainitiques à haute ténacité à la fatigue. Pour les taillants de petite et moyenne taille à liant insert, le 40MnMoV convient pour le corps du taillant ; pour les taillants à insert montés à chaud, le 45NiCrMoV est préférable. Le choix du carbure doit être adapté à la mécanique des roches et au type de foret.
2.3 Adopter une technologie de fabrication avancée. L'usinage pour la production de forets, remplaçant le forgeage traditionnel, est un développement clé. Pour les forets à plaquettes soudées, utilisez un équipement de chauffage approprié (fours à ultrasons ou à induction moyenne fréquence) ou un chauffage par induction complet afin d'éviter l'oxydation et la décarburation, de garantir des temps de chauffe courts et contrôlables, de faciliter le brasage et d'éviter les contraintes de trempe grâce au refroidissement contrôlé. Augmentez la taille de la soudure en conséquence, choisissez des meules calibrées et nettoyez soigneusement les surfaces de soudure avec des solvants organiques pour améliorer la qualité du brasage.
Pour la fixation des plaquettes, le montage à chaud est recommandé pour les diamètres moyens et grands : il affecte au minimum les propriétés du corps de la fraise et du carbure, préserve l'état de surface, produit des états de contrainte de compression biaxiaux au niveau de l'assemblage, assure une bonne rétention, réduit la perte de fragments et permet un traitement thermique optimal de l'acier. Les plaquettes pressées à froid nécessitent une grande précision d'usinage ; utilisez un outillage de haute précision et des chaînes dimensionnelles courtes pour améliorer la rigidité de contact et la qualité de surface des dents. La géométrie de l'outillage doit permettre une déformation de coupe plus importante et un renforcement par extrusion afin que la paroi du trou acquière une contrainte résiduelle de compression bénéfique et une couche superficielle écrouie.
Pour prolonger la durée de vie des barres, fabriquez des matrices de forgeage et d'usinage de précision afin d'éviter les évasements, les bavures et les fissures. Améliorez la qualité du laminage de l'acier creux pour éliminer les bosses, les croûtes, les plis et la décarburation.
Conclusion Cet article a analysé les modes de défaillance des trépans RDT et examiné les structures et les formes de dommages, démontrant les causes de défaillance et proposant des mesures de prolongation de la durée de vie : paramètres structurels appropriés, sélection de matériaux de qualité et techniques de fabrication avancées. La durée de vie de l'outil dépend toutefois de sa qualité intrinsèque et de son utilisation scientifique. Points pratiques supplémentaires : utiliser des extracteurs plutôt que des marteaux manuels pour retirer les trépans ; réaffûter les trépans pour réduire l'initiation et la croissance des fissures de surface et pour améliorer la vitesse de forage ; suivre une opération correcte : avancer lentement jusqu'à ce que le trépan ait pénétré dans la roche avant de forer à pleine vitesse ; s'assurer que les accouplements de tige sont concentriques et que les filetages sont complètement engagés ; si un trépan se coince, éviter de marteler : fermer la vanne d'admission, ouvrir l'eau, avancer lentement et utiliser des mouvements de va-et-vient pour lisser la paroi du forage et libérer l'outil, évitant ainsi la fragmentation du carbure, la rupture de la tige ou la fracture de la tige.
En résumé, l’utilisation de forets adaptés, d’outils dédiés et de machines appropriées dans diverses conditions permettra aux RDT d’atteindre leur potentiel de performance.
