雷尼紹的潛孔錘技術在采礦業(yè)中的應用解析

采礦業(yè)需要新的鉆探解決方案，以應對日益增長的成本與效益壓力。與當前鉆探方案相比，新方案不僅要更為環(huán)保，而且要更具經(jīng)濟優(yōu)勢。

許多現(xiàn)有的地下礦井已接近極限開采深度，因此目前的鉆探方法很難再保證各項成本的可控性。新的礦床埋藏更深，產(chǎn)量也較低。種種因素疊加在一起，要求采礦企業(yè)必須實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的合理規(guī)劃和規(guī)模開采，因此采用更加高效、精準的鉆探方法成為了必然的選擇。

背景

Wassara是來自瑞典的一家礦業(yè)設備公司，擁有許多創(chuàng)新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能夠在開采礦石的同時最大限度地減少對環(huán)境的負面影響。Wassara的核心技術是使用高壓水射流驅(qū)動的潛孔 （DTH） 錘。Wassara的液動潛孔錘是目前最環(huán)保的沖擊鉆探方法。潛孔錘由高壓水射流驅(qū)動，不使用油脂進行潤滑，因此不會污染空氣或地下水，此外，高壓水還可有效抑制粉塵。水的不可壓縮性是Wassara潛孔錘高效工作的關鍵因素。與相對傳統(tǒng)的氣動潛孔錘技術相比，Wassara的技術可節(jié)省大量的能源成本，因為驅(qū)動液動潛孔錘所需的能量更少。

潛孔 （DTH） 錘技術示意圖

由于高壓水能夠驅(qū)動沖錘產(chǎn)生高頻、高能量沖擊運動，因此被Wassara選作傳動媒介。此外，當水流離開錘體時，其速度足以將鉆探出的巖心和碎屑帶回地面，并清潔鉆孔。此項技術具有許多絕佳優(yōu)點，例如鉆進效率高、鉆孔質(zhì)量佳，并且對鉆探巖層的護壁能力強。液驅(qū)潛孔錘技術的加入，使得礦山企業(yè)在選擇最適合礦體特性的開采方式時有了更多選擇，它被視為是向科學開采邁進的一大步。

挑戰(zhàn)

每部潛孔錘都由眾多復雜的部件組成。潛孔錘的核心部件是為活塞組件提供雙向高壓水導流的滑動外殼，該外殼內(nèi)部要求具有多條高壓水流動孔道；由于設計的復雜性，必須將多個加工好的零件接合在一起，才可制作出完整的外殼。復雜的設計也使得該部件的造價較為昂貴。此外，接合工藝過程中頻繁產(chǎn)生的不合格產(chǎn)品，以及使用階段由于部件磨損或斑蝕而導致的設備故障（這將增加維修成本），這些都使得潛孔錘的整體擁有成本進一步上升。

潛孔錘閥門技術圖示

解決方案

為了降低成本并提高滑動外殼部件的可靠性，Wassara找到了雷尼紹，希望了解增材制造（AM） 技術是否能夠成為一種合適的替代制造方案。金屬增材制造的顯著優(yōu)點之一，便是能夠?qū)⒃痉稚⒌牧慵M合成一個復雜的3D幾何結(jié)構(gòu)，而且還可簡化加工步驟，例如，在加工一端需要盲塞或焊接的跨孔時，增材制造便可發(fā)揮優(yōu)勢。當增材方式制造的部件與傳統(tǒng)方式制造的部件在設計上沒有過大差異時，便可在相同的應用環(huán)境中對二者進行測試，其結(jié)果可作為驗證金屬增材組件可用性的理想依據(jù)。在標準測試條件下對兩類部件的性能進行詳細對比，如果結(jié)果中出現(xiàn)任何顯著差異，即可直接歸因于制造技術的變化。Wassara滑動外殼的幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)過了重新設計，集成了增材制造在設計自由度方面的優(yōu)勢。

利用增材制造技術制造的馬氏體時效鋼滑動外殼部件

采用金屬增材制造方案需要克服的下一個難題是針對特定應用采用合適的金屬合金。在本案例中，該部件原來使用的是標準合金鋼527M20，這是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，由于碳含量中等，通常不會用于金屬增材制造。更適合增材制造的合金鋼為316L不銹鋼，然而，雖然這種合金鋼的耐腐蝕性能較好，但預計在使用期間仍無法保證足夠的耐磨蝕和耐侵蝕性能。

雷尼紹提出的另一種備選方案是使用馬氏體時效合金鋼生產(chǎn)測試部件。馬氏體時效鋼是一種時效硬化工具鋼，用途極為廣泛；可對其進行熱處理，通過調(diào)節(jié)工藝溫度可獲得適合特定應用要求的材料特性。

這是該類型鋼在礦山開采領域的第一次測試和應用，因此在滑動外殼加工完成后對其進行了熱處理，以確保達到最大硬度。

依照增材制造特點重新設計的滑動外殼部件

結(jié)果

為了測試增材滑動外殼的性能，Wassara將其組裝到完整的潛孔錘上，在標準采掘條件下測試使用，即在選定巖面上鉆鑿典型的長通道孔。隨后對潛孔錘進行常規(guī)目視檢查和維護，與傳統(tǒng)外殼相比，增材制造的滑動外殼并未出現(xiàn)任何斑蝕跡象，并且磨損程度很小。接著又重新組裝潛孔錘，并繼續(xù)進行更多的鉆鑿作業(yè)。

Wassara的高壓水射流驅(qū)動的潛孔 （DTH） 錘

完成上述作業(yè)后，Wassara對增材制造的滑動外殼進行了第二次檢查，發(fā)現(xiàn)確實出現(xiàn)了一些磨損跡象，但除此之外，部件表面并沒有出現(xiàn)斑蝕（這是導致設備故障的第二大常見原因）。隨后Wassara又進行了第三次鉆鑿測試，這次的持續(xù)時間遠遠超出正常的潛孔錘工作周期，以期盡可能確定是否會出現(xiàn)斑蝕跡象，但實際上仍未出現(xiàn)任何斑蝕情況。由此得出的初步結(jié)論是，與采用標準合金鋼制造的傳統(tǒng)滑動外殼相比，采用馬氏體時效鋼制造的增材部件具有卓越的潛在耐斑蝕性能。
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