Як тип зв’язування впливає на продуктивність при свердленні вапняку

Чому низька абразивність і середня твердість вапняку вимагають оптимізації зв’язування з урахуванням специфіки матеріалу

Вапняк має деякі досить унікальні характеристики щодо свердлення. Його твердість за шкалою Мооса становить приблизно 3–4, а абразивні властивості практично відсутні — ці особливості створюють специфічні виклики для свердлильних коронок. Матеріал настільки м’який, що свердла проникають у нього швидко, але через низьку абразивність природне зношування зв’язуючого матеріалу коронки відбувається не так, як очікувалося. Це, зокрема, підвищує ризик «полірування» (утворення гладкої, неактивної поверхні) при використанні надто твердих зв’язуючих матеріалів. З іншого боку, якщо зв’язуючий матеріал надто м’який, він просто занадто швидко зношується, навіть незважаючи на те, що сам вапняк майже не впливає на його знос. Досягнення хороших результатів вимагає знаходження оптимального балансу між утриманням алмазів на місці та забезпеченням їх ефективної роботи. Більшість фахівців вважають, що найкраще підходять металеві зв’язуючі матеріали середньої твердості, оскільки вони руйнуються контрольованим темпом, одночасно зберігаючи гострі кромки алмазів і не завдаючи надмірної шкоди сегментам. Коли цей важливий аспект ігнорують, термін служби коронок скорочується на 30–50 % швидше під час роботи з вапняком порівняно з гранітом, про що свідчать останні дані «Промислового звіту зі свердлення», опублікованого минулого року.

Основна відмінність: спечений (метало-зв’язаний) та покритий (електролітично нікель-зв’язаний) алмазні матеріали

Основна відмінність між спеченими та покритими алмазними свердлами полягає у способі кріплення алмазів і тому, що це означає для загальної міцності інструменту. У спечених свердел виробники справді «вплавляють» алмази в металеву основу — з кобальту або бронзи — за допомогою інтенсивного нагрівання та високого тиску. У результаті утворюється суцільна деталь, у якій алмази повністю рівномірно розподілені в металевій матриці. Під час експлуатації, коли такі свердла стираються, нові алмази поступово виходять на поверхню й починають контактувати з оброблюваним матеріалом, що робить їх ідеальними для глибокого свердлення. Покриті свердла працюють інакше: тонкий шар алмазів наноситься на сталевий стержень електрохімічним способом із використанням нікелю як зв’язуючого агента. Алмази розташовуються на поверхні, а не є частиною самої структури, що забезпечує надзвичайно тонку ріжучу кромку, ідеальну для дрібних та точних робіт. Однак тут існує компроміс: оскільки алмази закріплені лише на поверхні, вони з часом можуть відшаруватися від свердла.

Ефективність і точність буріння: швидкість, нагрівання та термін служби свердла при бурінні вапняку

Спечені алмазні свердла зберігають високу продуктивність під час буріння вапняку завдяки рівномірному розподілу алмазів по всьому металевому матриці. Така конструкція розподіляє тертя й запобігає надмірному нагріванню під час тривалих робіт. Ці свердла забезпечують швидкість буріння приблизно 1,5–2,5 дюйма на хвилину протягом понад 20 футів безперервно, оскільки нові алмази поступово виходять на поверхню по мірі зношення старих. Натомість гальванічні свердла спочатку працюють значно швидше при бурінні на менших глибинах — приблизно на 20–30 % швидше, — але їхня продуктивність різко падає після досягнення глибини близько 15–20 футів. Чому? Тому що вони мають лише один шар алмазів, унаслідок чого все тертя концентрується в одному місці. Це призводить до підвищення температури понад 600 °F під час тривалого безперервного роботи, а після досягнення цього порогу у вапняку починають утворюватися мікротріщини.

Під час роботи над проектами, що вимагають високої точності, наприклад, архітектурних деталей, термічна стабільність спечених свердловинних коронок допомагає зберегти цілісність отворів, оскільки вони не страждають від проблеми термічного «розбігу». Гальванічні коронки також добре підходять для завдань, що вимагають лише одного проходу крізь матеріал, коли швидкість виконання робіт важливіша за термін служби коронки, за умови, що протягом усього процесу забезпечується належне охолодження водою. Обидва типи коронок потребують стабільного водопостачання для правильного функціонування, однак спечені коронки набагато краще переносять зміни в подачі води порівняно з гальванічними, що особливо важливо при бурінні вапняку, що має непередбачувані варіації щільності в різних ділянках каменю.

Ефективність при тривалих роботах: спечені коронки при глибокому або багаторазовому бурінні вапняку

Під час виконання складних робіт із буріння вапняку, що вимагають глибокого керування або великої кількості повторних операцій, алмазні долота з металопорошковим зв’язком виділяються своєю тривалістю. Спосіб виготовлення таких доліт — з щільно упакованими алмазами всередині металевої основи — забезпечує їх здатність витримувати тривалий тертя без надмірного зношування. Гальванічні долота просто не можуть з ними конкурувати, оскільки під час поступового зношування спечених доліт нові алмазні поверхні постійно відкриваються природним чином. Ця властивість самозатачання зменшує частоту зупинок робітників для заміни доліт у процесі виконання робіт. Підрядники, які регулярно бурять багато глибоких отворів для таких цілей, як анкерні фундаменти або підземні комунікації, виявляють, що, хоча спечені долота мають вищу початкову вартість, у довгостроковій перспективі вони дозволяють економити кошти, оскільки загальна вартість кожного отвору виявляється нижчою. Крім того, ці долота краще витримують навантаження порівняно з іншими типами, тому їх потрібно замінювати рідше під час роботи, пов’язаної з ударними навантаженнями та нагріванням у процесі тривалого буріння.

Точність при короткій серії: покриті свердла для мілких, чистих отворів із мінімальним часом підготовки

Електролітові алмазні свердла чудово підходять для свердлення неглибоких отворів у вапняку під час монтажу таких елементів, як сантехнічні прилади або електричні кабельні канали в стінах. Їхня перевага полягає в надзвичайно точному різанні без значних витрат на підготовку. Ці свердла мають лише один шар алмазів, з’єднаних нікелем, що забезпечує дуже тонку ріжучу кромку. Це означає чистіші стінки отворів і менше кришень по краях — чинник, який має велике значення, коли монтаж буде видимим для замовників або інспекторів. Ще одна перевага? Вони не потребують періоду «приточування» перед використанням і, як правило, працюють цілком задовільно без охолоджувальної рідини. Це дозволяє підрядникам одразу переходити до свердлення на високих швидкостях. Для невеликих об’єктів, де потрібно просвердлити, наприклад, максимум 10 отворів, кожен глибиною не більше 2 дюймів, такі свердла допомагають заощадити кошти, оскільки немає потреби інвестувати в дорогі системи охолодження. Звичайно, вони не триватимуть вічно у вапняку — зазвичай їх ресурс становить приблизно 20–30 отворів, — але враховуючи мінімальні вимоги до технічного обслуговування та можливість швидкого розгортання (менше 15 хвилин), їх використання все ж є виправданим, особливо коли час на об’єкті обмежений.

Матриця прийняття рішень: відповідність типу зв’язку глибині буріння, кількості отворів та обмеженням обладнання

Вибір оптимального алмазного свердла для вапняку вимагає оцінки трьох ключових факторів:

Спечені алмазні свердла дуже добре працюють при бурінні вапняку на велику глибину та при виконанні великої кількості повторних отворів, оскільки вони мають шарувату алмазну структуру й краще відводять тепло. При бурінні глибше за 50 мм або при виконанні понад 50 отворів загалом ці свердла зношуються приблизно на 30 % повільніше, навіть попри вищу початкову вартість — згідно з нещодавніми дослідженнями гнучкості матеріалів. Електролітні свердла є доцільним вибором для менш глибокого буріння, де найважливішим є швидке виконання робіт. Важлива порада: обирайте відповідне свердло з урахуванням наявної потужності вашого інструменту. Для спечених свердел потрібно щонайменше 800 Вт крутного моменту, тоді як електролітні версії працюватимуть нормально навіть при потужності близько 500 Вт.

Поширені помилки — чому твердження «м’якший камінь = м’якший зв’язок» є вводячим у оману щодо вапняку

Переконання в тому, що середня твердість вапняку (приблизно 3–4 за шкалою Мооса) означає необхідність використання м’якших покритих зв’язок, просто не витримує перевірки на основі реальних фактів матеріалознавства. Вапняк, можливо, і м’якший за граніт, але його низька абразивність недостатня для стирання нікелевих матриць у покритих інструментах та виведення нових алмазів на поверхню. Натомість інструменти занадто швидко «поліруються» і зношуються нерівномірно по поверхні. Якщо ж розглядати інструменти зі спеченими металевими зв’язками, то вони тримаються приблизно на 40 % довше під час абразивного впливу у застосуваннях з вапняком, оскільки алмази поступово виходять на поверхню в процесі природного стирання матриці. Це забезпечує постійне поновлення шару алмазів — ефект, який принципово неможливо досягти за допомогою одношарових електролітично покритих інструментів. І ще одна важлива особливість вапняку: кремнієві включення, що містяться в ньому, фактично прискорюють руйнування покритих інструментів. Отже, навіть попри те, що вапняк не є надзвичайно твердим матеріалом, оператори виявляють, що спечені інструменти в цілому коштують менше при тривалих бурових роботах.

ЧаП

Який тип свердла є найкращим для висвердлювання вапняку? Свердла з алмазним покриттям на основі спеченого металу є найкращими для глибокого буріння керна у вапняку та багаторазового буріння. Платиновані свердла більш придатні для точного буріння на невелику глибину.

Як тип зв’язуючого матеріалу впливає на ефективність буріння у вапняку? Тип зв’язуючого матеріалу впливає на швидкість зношування, відведення тепла та стабільність швидкості обертання свердел. Свердла зі спеченого матеріалу забезпечують кращі показники при тривалому бурінні.

Чому платиновані свердла не є ідеальними для всіх видів буріння у вапняку? Платиновані свердла мають обмежену стійкість до зношування й більш придатні для точного буріння на невелику глибину через наявність лише одного шару алмазів.