Trépans PDC pour l'exploitation minière : modes de défaillance courants et analyse des causes profondes
Actuellement, les trépans PDC utilisés en exploitation minière se composent principalement d'un corps de trépan, d'inserts de coupe PDC et d'un alliage de protection. Les inserts de coupe PDC et l'alliage de protection sont brasés sur le corps du trépan. Lors du forage normal, l'engin transmet le couple et la pression d'avance au trépan par l'intermédiaire de la garniture de forage ; les inserts de coupe PDC coupent la roche au fond du trou, tandis que l'alliage de protection protège le corps du trépan de manière circonférentielle afin de prévenir une usure prématurée. Lors de la coupe de la roche, les contraintes exercées sur les plaquettes de coupe PDC au niveau de la face du trépan sont très complexes. Les variations de la formation géologique, la méthode de construction, le choix du matériel, les pratiques des opérateurs et le contrôle qualité du trépan peuvent tous affecter les performances et entraîner différents modes de défaillance. À partir d'enquêtes de terrain menées sur des sites de forage de mines de charbon, les défaillances des trépans PDC ont été recensées et analysées ; les modes de défaillance typiques et leurs principales causes ont été identifiés.
1.1 Défaillances des plaquettes de coupe en PDC Le PDC est fritté sous haute température et haute pression. Un composite PDC comprend généralement une couche de diamant et un substrat en carbure de tungstène (WC).
Les principaux modes de défaillance des plaquettes de coupe PDC sont l'usure normale, la perte de la plaquette (arrachement), l'écaillage et le délaminage.
(1) Usure normale L’usure normale correspond à la dégradation attendue des outils de coupe PDC lors de la coupe de roche. Elle se manifeste par une perte d’abrasion macroscopique de la couche de diamant et du substrat en carbure de tungstène ; la surface usée ne présente aucune fracture ni marque d’écaillage distincte.
(2) Perte d'insert (arrachement) : La perte d'un insert se produit lorsqu'un insert PDC se détache complètement du corps du trépan, entraînant la rupture de ce dernier. Le signe caractéristique est la séparation complète de l'insert du trépan, la poche de brasage du corps du trépan ne présentant aucun résidu d'alliage.
Principales causes de perte d'insert :
Température excessive au fond du puits : lors du forage à sec ou en cas d’obstruction des passages d’eau du trépan, la rotation à grande vitesse et la coupe génèrent une chaleur impossible à évacuer, provoquant une forte hausse de la température au fond du puits. Si cette température dépasse la température critique du métal d’apport de brasage, celui-ci fond et l’insert se détache.
Un mauvais contrôle du processus de brasage : un nettoyage avant soudage insuffisant, des brasures incomplètes ou poreuses, un dégazage insuffisant ou une température/durée de maintien après brasage inappropriée peuvent tous entraîner l’arrachement de l’insert.
Contre-mesures :
Les fabricants doivent contrôler rigoureusement les processus de production, notamment le brasage, afin de garantir des soudures complètes et de qualité.
Sur site, privilégiez le forage à l'eau (rinçage suffisant) au forage à sec lorsque cela est possible ; lors du forage profond, attendez que le flux de retour soit établi avant d'ajouter le train de tiges ; vérifiez que les passages d'eau du trépan ne sont pas obstrués avant de l'introduire dans le trou afin d'éviter une surchauffe localisée.
(3) Écaillage (rupture des bords) L'écaillage fait référence à la fracture et à la perte de la couche de diamant PDC, souvent localement ; dans les cas graves, la couche de diamant peut se détacher avec des portions du substrat WC.
Principales causes d'écaillage :
Propriétés des matériaux de coupe : les outils de coupe choisis peuvent présenter une faible résistance aux chocs ou une adhérence insuffisante entre le substrat en WC et le grain de diamant, ce qui les rend susceptibles de s’ébrécher sous l’effet d’un impact.
Paramètres opérationnels : une pression d'avance/un poids excessif sur le trépan (WOB) au niveau de la face peut surcharger les outils de coupe au-delà de leurs limites de résistance, provoquant l'écaillage et l'effritement de la couche de diamant.
Formation complexe : dans les formations dures et fracturées, les charges d'impact peuvent dépasser la résistance aux chocs des outils de coupe et provoquer des ébréchures.
Conception du trépan : un angle de coupe inadapté (par exemple, un angle trop faible pour les formations dures) augmente la charge sur le trépan et favorise l’écaillage. En règle générale, les formations dures nécessitent des angles de coupe plus importants.
Obstacles externes : la rencontre d’éléments de renforcement de la roche tels que des boulons de toiture ou des boulons de câbles dans les travaux souterrains peut facilement provoquer l’écaillage des outils de coupe.
Contre-mesures :
Respectez les paramètres de fonctionnement recommandés par le fabricant de la mèche.
Sélectionner et concevoir des trépans adaptés aux conditions de formation : pour les formations dures, augmenter l’angle de coupe pour réduire l’agressivité et protéger les outils de coupe ; pour les formations dures fragmentées, choisir des outils de coupe PDC à haute résistance aux chocs ou modifier la géométrie externe de l’outil pour améliorer sa résistance aux chocs (par exemple, les faces convexes présentent de meilleures performances aux chocs que les faces plates dans des conditions de fabrication comparables).
Planifiez les trajectoires de perçage de manière à éviter, dans la mesure du possible, les ancrages ou boulons connus.
(4) Délamination La délamination désigne la séparation entre la couche de diamant et le substrat WC du composite PDC.
Principale cause de délamination : Des contraintes résiduelles importantes entre la couche de diamant et le substrat en carbure de tungstène, combinées à la différence de coefficients de dilatation thermique, entraînent une contraction non uniforme sous l’effet alterné du chauffage par friction et du refroidissement par le fluide de forage. Les effets combinés des chocs et des contraintes résiduelles peuvent provoquer le décollement de la couche de diamant du substrat.
Contre-mesures :
Lors de la fabrication, sélectionnez des matériaux de liaison et des paramètres de traitement appropriés afin de minimiser les contraintes résiduelles entre la couche de diamant et le substrat en WC.
Optimiser la géométrie de l'interface substrat (par exemple, de nouvelles formes d'interface) pour améliorer l'ancrage mécanique et la force de liaison entre la couche de diamant et le substrat.
1.2 Défaillances du corps du trépan Les défaillances du corps du trépan se présentent principalement sous forme de fracture des ailettes du trépan (lames du trépan).
Les fractures des ailes se produisent principalement dans les forets frittés/à matrice et sont rares dans les forets à corps en acier.
Causes de la rupture des ailes dans les matrices :
Impact sur les ailettes du trépan lors du vissage ou du dévissage : les têtes de trépan à matrice sont souvent fabriquées par métallurgie des poudres et frittées en une seule pièce. Comparées aux trépans standard à corps en acier, les trépans à matrice frittée présentent une résistance à l’usure supérieure mais une ténacité moindre ; un choc sur les ailettes lors du dévissage peut facilement provoquer leur rupture.
Un mauvais contrôle du processus de frittage : un frittage incomplet ou des inclusions (îlots de poudre non frittée) signifient que la poudre ne s'est pas entièrement consolidée en une matrice homogène.
Contre-mesures :
Lors du montage et du démontage, les opérateurs doivent utiliser des outils appropriés (par exemple, des pinces à tuyaux ou des clés) pour les aider et éviter de marteler les ailettes du foret.
Les fabricants doivent contrôler rigoureusement la qualité du frittage : contrôler étroitement le processus de frittage et effectuer des contrôles périodiques sur la poudre métallique utilisée comme matière première afin de s’assurer qu’elle répond aux spécifications du processus.
