Mașină de cric pentru țevi de rocă: Ghid complet pentru tipuri, sisteme de tăiere și selecție de proiecte

Ce este o mașină de ridicare a țevilor de piatră și de ce condițiile de rocă necesită echipamente de specialitate

O mașină de ridicare a țevilor de piatră este o piesă specializată de echipament de construcție fără șanțuri, proiectată să găsească prin formațiuni de rocă tare sau mixtă în timp ce instalează simultan un șir de țevi în spatele acesteia, folosind forțele hidraulice de ridicare aplicate de la un arbore de lansare pentru a împinge întregul șir de țevi și mașina înainte prin sol. Mașina excavează suprafața de rocă din fața forajului, îndepărtează resturile prin șirul de țevi instalat și menține linia și gradul precis necesare pentru conducta finită - totul fără excavare deschisă la suprafață. Mașinile de ridicare a țevilor de piatră sunt echipamentul de alegere pentru instalarea de canalizare gravitațională, conducte de apă, conducte de gaz și canale de cablu sub drumuri, căi ferate, râuri și infrastructură urbană, unde perturbarea suprafeței este interzisă sau imposibilă și în care condițiile solului includ piatră prea tare sau abrazivă pentru ca echipamentul standard de ridicare a țevilor moale să poată fi manipulat.

Distincția dintre o mașină standard de ridicare a țevilor și una concepută special pentru condiții de rocă este fundamentală. Mașinile de microtunel cu pământ moale folosesc presiunea nămolului sau echilibrul presiunii pământului pentru a susține fața tunelului și folosesc tăietoare cu discuri sau tăietoare adecvate pentru sol și rocă slabă. În roci dure competente - granit, bazalt, cuarțit, gresie sau calcar cu rezistență la compresiune neconfinată (UCS) peste 80 până la 100 MPa - aceste scule de tăiere se uzează rapid, rata de excavare scade la niveluri inacceptabile și mașina se poate bloca dacă solul se autosusține fără presiunea fluidului pe care se bazează mașina. A mașină de ridicare a țevilor de stâncă abordează toate aceste provocări cu capete de tăiere proiectate special, care transportă tăietori cu discuri sau bucăți pentru roci duri, rulmenți principali robusti și sisteme de antrenare capabile să susțină sarcinile mari de tracțiune și cuplu pe care le solicită excavarea rocii și, adesea, un mod de lucru deschis sau atmosferic adecvat condițiilor de roci autoportante.

Cum funcționează mașinile de ridicare a țevilor de piatră: Procesul complet

Procesul de ridicare a țevilor în rocă urmează aceeași secvență fundamentală ca și în terenul mai moale, dar fiecare etapă implică echipamente și proceduri adaptate provocărilor de excavare a rocii dure. Înțelegerea întregului proces clarifică ceea ce trebuie să facă mașina și de ce diferitele sale sisteme sunt proiectate așa cum sunt.

Pregătirea arborelui de lansare și configurarea mașinii

Procesul începe cu construcția unui puț de lansare - o excavație verticală din care mașina este coborâtă și șirul de țevi este avansat. În formațiunile de rocă, puțurile de lansare sunt adesea formate prin forare și sablare sau prin tăiere cu ferăstrău și trebuie să fie de dimensiuni suficiente pentru a găzdui cadrul de cric, peretele de împingere și primele secțiuni de țeavă care sunt instalate. Peretele de tracțiune — o structură din beton armat sau din oțel care se sprijină pe peretele din spate al arborelui — trebuie să fie proiectat pentru a rezista forței complete de ridicare care va fi aplicată în timpul antrenării, care în condiții de rocă tare poate atinge câteva sute de tone chiar și pentru găuri de diametru moderat. Mașina este coborâtă în arbore, așezată pe cadrul de cric la linia și gradul corecte și conectată la sistemele de remorcare - linii de nămol, sursă de alimentare, cabluri de date și transportor de îndepărtare a resturilor sau țeavă de nămol - înainte de începerea forajului.

Săpătură de rocă la capul de tăiere

Capul de tăiere se rotește pe suprafața stâncii sub efectul combinat al forței de împingere aplicate de sistemul de cric și al cuplului de la motoarele de antrenare a capului de tăiere. În roca tare, acțiunea primară de tăiere este efectuată de freze cu disc - roți din oțel întărit care se rotesc pe suprafața stâncii sub sarcini punctuale mari, inducând fracturi de întindere care ciobesc roca între căile de tăiere adiacente. Distanțarea, diametrul și sarcina de vârf a frezelor cu discuri sunt proiectate pentru tipul specific de rocă și UCS - roci mai dure, mai abrazive necesită freze mai apropiate, cu diametru mai mare, cu inserții de carbură de calitate superioară pentru a obține rate de penetrare și durată de viață acceptabile a frezei. Roca mai moale sau fracturată poate fi tăiată mai eficient cu tăietori sau capete de tăiere combinate care poartă atât freze cu discuri, cât și tăietori pentru condiții mixte.

Îndepărtarea stricăcurilor din gaură

Decupațiile de rocă generate la capul de tăiere trebuie transportate înapoi prin șirul de țevi instalat la arborele de lansare pentru îndepărtare. În mașinile de ridicare a țevilor de piatră în regim de șlam, apa sau nămolul de bentonită este pompat la capul de tăiere, unde se amestecă cu așchii de rocă și este pompat înapoi sub formă de șlam la o instalație de separare la suprafață. Această metodă tratează eficient particulele fine de rocă și așchiile mici, dar necesită o viteză suficientă a șlamului pentru a transporta fragmentele mai grosiere de rocă produse în roca tare - o considerație care afectează dimensionarea pompei de șlam și diametrul conductei. În unele configurații de ridicare a țevilor de piatră, în special în roca competentă autoportabilă, transportul mecanic - un transportor cu șurub sau un transportor cu glisare care trece prin șirul de țevi - este utilizat în locul transportului nămolului, eliminând necesitatea unei instalații de separare și simplificând operațiunile pe șantier.

Instalarea țevilor și secvența de ridicare

Pe măsură ce mașina avansează, secțiunile de țeavă sunt coborâte în arborele de lansare și adăugate în partea din spate a șirului de țevi, care este împins înainte de cadrul principal de cric. Fiecare cursă de cric avansează șirul cu o lungime a țevii - de obicei 1,0 până la 3,0 metri, în funcție de diametrul țevii și adâncimea arborelui. Cadrul de cric se retrage apoi, o nouă țeavă este coborâtă și poziționată și începe următoarea cursă. Stațiile intermediare de cric - cricuri hidraulice instalate între secțiunile de țeavă la intervale de-a lungul transmisiei - sunt utilizate pe transmisii mai lungi pentru a reduce sarcina de frecare cumulativă care altfel ar necesita ca cadrul de cric principal să împingă întreaga lungime a șirului de țeavă, care în antrenările cu rocă poate ajunge la câteva mii de tone pe găuri lungi.

Controlul direcției și pantei

Menținerea liniei și nivelului specificate prin rocă necesită un sistem de direcție capabil să depășească tendințele direcționale pe care anizotropia rocii și modelele de fractură le pot impune mașinii. Mașinile de ridicare a țevilor de piatră folosesc scuturi articulate cu cilindri hidraulici de direcție care deviază secțiunea frontală a mașinii în raport cu țeava trasă, permițând efectuarea continuă a corecțiilor în timpul conducerii. Un teodolit laser sau un sistem de ghidare giroscopic monitorizează poziția mașinii în raport cu alinierea proiectării, cu date în timp real afișate la stația de control al suprafeței. În roci dure, corecțiile de direcție trebuie aplicate treptat - ajustările bruște ale direcției pe teren rigid pot cauza deteriorarea îmbinărilor țevii sau sarcinile de frecare crescute - iar geometria de direcție a mașinii trebuie să fie adaptată la diametrul țevii și toleranța îmbinării pentru a evita suprasolicitarea șirului de țevi în timpul schimbărilor de direcție.

Tipuri de capete de tăiere pentru diferite condiții de rocă

Capul de tăiere este componenta definitorie a unei mașini de ridicare a țevilor de piatră - designul său determină dacă mașina poate excava roca țintă în mod eficient, cât de repede se produce uzura frezei și modul în care mașina funcționează în condiții mixte. Selectarea sau specificarea configurației corecte a capului de tăiere pentru condițiile solului este una dintre cele mai critice decizii în planificarea proiectului.

Inspecția tăietorului și accesul la înlocuire este o considerație critică de proiectare pentru mașinile de ridicare a țevilor de rocă. La mașinile cu diametru mai mare (de obicei DN 1200 și mai sus), este posibil ca personalul să intre în camera capului de tăiere în condiții atmosferice sigure în rocă autoportabilă pentru a inspecta și înlocui frezele uzate în timpul conducerii. La mașinile cu diametru mai mic, înlocuirea frezei necesită fie retragerea mașinii la arborele de lansare - o penalizare semnificativă de timp și costuri - sau utilizarea sistemelor de schimb de tăietori operate de la distanță care permit înlocuirea sculelor uzate fără intrarea omului. Fezabilitatea și costul schimbării frezei ar trebui să fie luate în considerare în planificarea antrenamentului, în special pentru cursele lungi în roci foarte abrazive, unde ratele de consum ale frezei sunt ridicate.

Calcule forței de cric și stații intermediare de ridicare

Forța totală de ridicare necesară pentru a avansa o mașină de ridicare a țevilor de piatră este unul dintre cei mai importanți parametri în planificarea proiectului - determină capacitatea cadrului principal de cric, proiectarea structurală a peretelui de împingere, rezistența necesară a secțiunilor de țeavă și dacă sunt necesare stații de ridicare intermediare. Subestimarea forței de ridicare duce la blocarea acționărilor, țevile care sunt deteriorate în caz de supraîmpingere sau proiecte care nu pot fi finalizate.

Forța totală de ridicare este suma rezistenței frontale - forța necesară pentru a avansa capul de tăiere prin rocă - și frecarea pielii de-a lungul întregii lungimi a șirului de țevi instalat. Rezistența feței în rocă este în primul rând o funcție de UCS de rocă, zona capului de tăiere și configurația tăietorului. Frecarea pielii este determinată de spațiul inelar dintre diametrul exterior al țevii și gaura de foraj, dimensiunea supradebitului, eficacitatea injecției de lubrifiere și rugozitatea suprafeței țevii. La ridicarea țevilor de rocă, diametrul găurii de foraj este de obicei tăiat puțin mai mare decât OD țevii - supratăierea - pentru a reduce frecarea pielii și pentru a oferi spațiu pentru injecția de lubrifiere inelară. O supratăiere tipică pentru condiții de rocă este de 20 până la 50 mm pe rază, în funcție de calitatea rocii și de lungimea de antrenare.

Stațiile intermediare de cric (IJS), numite și interjack, sunt ansambluri de cric hidraulic instalate între secțiunile de țeavă la intervale calculate de-a lungul transmisiei. Acestea permit ca unitatea să fie împărțită în segmente mai scurte, fiecare împins înainte de cea mai apropiată stație de ridicare, astfel încât nicio secțiune individuală a conductei să nu suporte frecarea cumulativă a întregii lungimi de antrenare. Pentru dispozitivele de ridicare a țevilor de rocă care depășesc 150 până la 200 de metri în condiții tipice, IJS sunt aproape întotdeauna necesare. Distanța dintre IJS este determinată de sarcina maximă admisă de cric pe secțiunea de țeavă - producătorii de țevi specifică forțele maxime admisibile de cric pentru produsele lor, iar distanța IJS trebuie să se asigure că această forță nu este depășită în niciun punct al sistemului de antrenare în condițiile de frecare cele mai defavorabile.

Lubrifiere și chituire inelară în cric pentru țevi de rocă

Ungerea spațiului inelar dintre șirul țevii și peretele găurii de foraj este esențială în toate unitățile de antrenare a cricului țevilor, dar are caracteristici specifice în condiții de rocă în comparație cu aplicațiile pe sol moale. Pe teren moale, suspensia de bentonită injectată prin orificiile din șirul țevii umple spațiul inelar și reduce frecarea pielii prin furnizarea unui mediu lubrifiant cu forfecare scăzută. În rocă, peretele autoportant al forajului înseamnă că lubrifiantul nu trebuie să ofere suport pentru față, dar încă servește funcția critică de reducere a frecării de contact țeavă-rocă și de a preveni blocarea șirului de țeavă în gaură dacă antrenamentul este oprit pentru o perioadă de timp.

Injecția de lubrifiere în dispozitivele de rocă folosește bentonită sau chit de lubrifiere pe bază de polimer injectat prin mai multe orificii de injecție distribuite de-a lungul șirului de țevi. Presiunea de injectare trebuie să fie suficientă pentru a umple spațiul inelar și a deplasa orice apă subterană sau rocă fine, dar nu atât de mare încât să provoace fracturarea hidraulică a rocii înconjurătoare sau să scape de-a lungul planurilor de fractură în suprafața solului sau în structurile adiacente. Monitorizarea volumelor și presiunilor de injecție la fiecare port în timpul conducerii oferă informații despre calitatea umplerii inelare și alertează operatorul cu privire la locațiile în care conducta intră în contact direct cu peretele găurii - o condiție care crește riscul de frecare și uzură.

La finalizarea antrenării, spațiul inelar este în mod obișnuit chituit cu o ciment-bentonită sau ciment PFA pentru a oferi un suport permanent pentru țeavă și pentru a umple orice goluri care altfel ar putea provoca tasarea în pământul de deasupra. În roca competentă, unde gaura de foraj este complet autoportabilă, această etapă de chituire poate fi omisă pentru antrenările cu diametru mic, dar este o practică standard pentru diametre mai mari și în roci cu orice grad de fracturare sau intemperii care ar putea duce la slăbirea progresivă a blocurilor în spațiul inelar în timp.

Cerințe de investigare la sol pentru proiectele de ridicare a conductelor de rocă

Succesul unui proiect de ridicare a țevilor de piatră depinde în mare măsură de calitatea investigației terenului efectuată înainte de selecția mașinii și planificarea proiectului. Condițiile rocii variază în mod notoriu pe distanțe scurte, iar parametrii care afectează cel mai mult performanța mașinii - UCS, indicele de abrazibilitate, frecvența ruperii și prezența zonelor cu fețe mixte - nu pot fi deduși în mod fiabil din cartografierea suprafeței sau din datele rare ale forajului. Investigarea inadecvată a terenului este cea mai frecventă cauză a opririlor neașteptate ale mașinii, consumului de freze cu mult peste previziuni și depășirilor de costuri ale proiectului în cricurile țevilor de piatră.

• Forarea gaurii de-a lungul aliniamentului de antrenare: Forajele rotative cu carote la distanță de maxim 50 de metri de-a lungul aliniamentului de antrenare, recuperarea probelor de miez continuu pentru înregistrare și testare de laborator, sunt cerința minimă pentru un model de sol semnificativ. Procentul de recuperare a miezului, desemnarea calității rocii (RQD) și frecvența fracturilor pe metru trebuie înregistrate pentru fiecare cursă. Pentru dispozitivele de pe terenuri complexe din punct de vedere geologic, distanța mai apropiată a forajelor este justificată de costul opririlor mașinilor pe care le pot cauza datele inadecvate.
• Testarea rocilor de laborator: Probele de miez trebuie testate pentru rezistența la compresiune neconfinată (UCS) conform standardelor ISRM sau ASTM, rezistența la tracțiune braziliană, indicele de încărcare punctiformă și indicele de abraziune Cerchar (CAI) sau echivalent. CAI este deosebit de important pentru estimarea consumului de tăietori - rocile extrem de abrazive (CAI peste 3,0) pot consuma freze cu discuri la rate de trei până la cinci ori mai mari decât materialele moderat abrazive, afectând dramatic economia proiectului.
• Evaluarea hidrogeologică: Condițiile apelor subterane de-a lungul transmisiei afectează proiectarea sistemului de îndepărtare a resturilor, metoda de construcție a puțului și riscul de apariție a apei subterane în roca fracturată sau carstică. Nivelurile apei stătătoare în găurile de foraj și testarea packerelor pentru a caracteriza permeabilitatea ar trebui incluse în programul de investigare a solului pentru toate unitățile unde se preconizează apă subterană.
• Identificarea stării mixte: Zonele de tranziție dintre rocă și solul de deasupra, interfețele de rocă deteriorată și contactele de dig sau de intruziune în masa de rocă sunt condițiile cu cel mai mare risc pentru mașinile de ridicare a conductelor de rocă. Investigația la sol ar trebui să încerce în mod specific să caracterizeze aceste zone de tranziție și să identifice pozițiile lor probabile de-a lungul unității pentru a permite specificarea corespunzătoare a capului de tăiere și planificarea în avans a ratei în aceste secțiuni.

Specificații cheie de comparat atunci când alegeți o mașină de ridicare a țevilor de piatră

Atunci când se evaluează mașinile de microtunel de rocă și echipamentele de ridicare a țevilor de rocă tare pentru un proiect specific, următorii parametri de specificație sunt cei mai importanți de comparat între furnizori și modele:

Probleme obișnuite la unitățile de ridicare a conductelor de rocă și cum să le preveniți

Chiar și proiectele bine planificate de ridicare a conductelor de piatră se confruntă cu provocări operaționale. Înțelegerea celor mai frecvente probleme și a cauzelor acestora ajută echipele de proiect să implementeze măsuri preventive și să răspundă eficient atunci când apar probleme.

• Blocarea capului tăietor pe fragmente de rocă supradimensionate: În roca fracturată, blocurile mai mari decât deschiderea capului de tăiere pot fi blocate de capul de tăiere, blocând rotația. Prevenirea necesită potrivirea dimensiunii deschiderii capului de tăiere cu dimensiunea așteptată a blocului din caracterizarea masei de rocă și asigurarea faptului că capul de tăiere are o rezervă de cuplu suficientă pentru a se elibera de blocaje minore. Unele mașini de ridicare a țevilor de piatră includ rotație reversibilă a capului de tăiere, special pentru a elibera tăietorii sau fragmentele blocate.
• Apa subterană în zonele fracturate: Roca foarte fracturată, cu o înălțime hidraulică semnificativă, poate produce pătrunderea rapidă a apei subterane în gaură atunci când mașina intersectează o zonă de fractură cu apă. Prevenirea necesită evaluare hidrogeologică înainte de antrenare și, acolo unde sunt identificate zone cu risc ridicat, pre-chituire de la suprafață sau din interiorul șirului de țevi pentru a reduce permeabilitatea înainte ca mașina să ajungă în zonă. Echipamentul pentru etanșarea de urgență a feței ar trebui să fie disponibil pe toate unitățile în roci potențial purtătoare de apă.
• Blocarea antrenării de la frecarea conductei: Dacă o unitate de antrenare este oprită pentru o perioadă lungă de timp - pentru întreținere, schimbarea frezei sau defectarea echipamentului - șirul de țevi se poate bloca în orificiu pe măsură ce mortarul de lubrifiere se consolidează pe țeavă. Prevenirea necesită menținerea volumelor regulate de injecție de lubrifiere, efectuarea de curse scurte de ridicare pentru a menține șirul de țeavă în mișcare în timpul oricăror opriri planificate și de a avea planuri de urgență pentru remobilizarea de urgență dacă are loc o oprire neplanificată. Stațiile intermediare de ridicare ar trebui activate pentru a sparge frecarea în segmente, în loc să încerce să elibereze întregul șir cu cadrul principal de cric.
• Abaterea de ghidare în roca foarte anizotropă: Roca cu folie puternică, așternut sau seturi de îmbinări în unghi față de direcția de antrenare exercită forțe laterale asupra capului de tăiere care pot împinge mașina în afara aliniamentului înainte de aplicarea corecțiilor de direcție. Prevenirea necesită monitorizare frecventă a ghidării – în mod ideal urmărirea automată continuă – și ajustări proactive ale direcției, mai degrabă decât corecții reactive după ce a apărut o abatere semnificativă. În secțiunile de rocă anizotrope cunoscute, reducerea vitezei de avans permite mai mult control asupra direcției mașinii.
• Blocarea conductei de șlam de la tăieturi grosiere: În roci dure, acțiunea de așchiere a tăietorului cu discuri produce fragmente neregulate care pot fi semnificativ mai grosiere decât sistemele de nămol de tăieturi cu pământ moale sunt proiectate să le transporte. Blocajele din conducta de retur a nămolului cauzează o oprire rapidă a antrenamentului și pot fi dificil de îndepărtat prin șirul de conducte instalat. Prevenirea necesită asigurarea vitezei nămolului și a diametrului țevii sunt adecvate pentru dimensiunea așteptată a așchiilor, instalarea de puncte de curățare accesibile în circuitul nămolului și monitorizarea continuă a volumului debitului de retur și a presiunii pompei pentru a detecta blocajele parțiale înainte ca acestea să devină obstacole complete.

Selectarea mașinii potrivite de ridicare a țevilor de rocă pentru proiectul dvs

Potrivirea specificațiilor mașinii la condițiile specifice ale terenului, geometria antrenării și constrângerile de proiect ale fiecărui proiect de ridicare a țevilor de rocă este esențială pentru obținerea rezultatului necesar în cadrul programului și bugetului. Următoarele întrebări oferă un cadru structurat pentru procesul de selecție:

• Care este indicele maxim de abraziune UCS și Cerchar al rocii țintă? Acești doi parametri determină împreună specificația necesară a frezei și rata de consum așteptată a frezei. O mașină evaluată pentru rocă UCS de 150 MPa nu ar trebui să fie instalată în granit la 250 MPa — confirmați că evaluarea UCS de proiectare a mașinii se potrivește sau depășește datele dvs. de investigație la sol cu ​​o marjă de siguranță adecvată.
• Care este lungimea antrenării și diametrul țevii? Lungimea conducerii determină dacă sunt necesare stații intermediare de cric și afectează capacitatea minimă necesară a cadrului de cric principal. Diametrul țevii determină diametrul alezajului, diametrul capului de tăiere, dimensiunile mașinii și dacă este posibilă inspecția tăietorului la intrarea omului - de obicei, fezabilă numai peste aproximativ DN 1000 până la 1200, în funcție de proiectarea mașinii.
• Sunt de așteptat condiții mixte? Dacă unitatea trece prin zone în care roca este acoperită sau intercalată cu material mai moale, este necesară o combinație de cap de tăiat și o mașină capabilă să funcționeze atât în ​​modul de rocă cu suprafață deschisă, cât și în modul de echilibrare a presiunii pământului cu suprafață închisă sau în modul șlam. Confirmați capacitatea mașinii în condiții de suprafață mixtă, nu doar în rocă pură.
• Care sunt constrângerile amplasamentului privind dimensiunile puțului și amprenta la suprafață? Echipamentul de ridicare a țevilor de piatră — cadru de ridicare, instalație de șlam, manipulare a resturilor — necesită o suprafață semnificativă în jurul puțului de lansare. Confirmați că configurația echipamentului propusă de furnizor se încadrează în amprenta disponibilă a șantierului, inclusiv accesul în siguranță pentru operațiunile cu macarale la secțiunile inferioare ale conductelor și pentru mișcările rezervorului de dejecții.
• Ce palmares are furnizorul în condiții de roci comparabile? Solicitați referințe de proiect în mod specific pentru ridicarea țevilor de rocă în geologie comparabilă - gama UCS, tipul de rocă, lungimea de antrenare și diametrul. Un furnizor cu o experiență extinsă în microtunelurile de teren moale, dar cu experiență limitată în roca tare este o alegere cu risc mai mare pentru o unitate de rocă solicitantă decât unul cu mai multe proiecte de rocă finalizate în condiții similare. Solicitați studii de caz, inclusiv ratele de penetrare atinse și date despre consumul de tăietori, nu doar confirmarea finalizării proiectului.