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Proprietà degli strati di terreno e selezione del secchio da perforazione
Ogni strato di terreno possiede proprietà meccaniche proprie, che influenzano l’efficienza della perforazione e l’usura del secchio. Argilla, sabbia, ghiaia e roccia alterata presentano diversi valori di resistenza al taglio e di abrasività, nonché differenti caratteristiche di coesione. Questi fattori determinano il modo in cui il secchio interagisce con gli strati di terreno durante il processo di taglio e come il secchio trattiene e scarica il materiale. L’argilla presenta un’elevata resistenza al taglio e un’elevata coesione; pertanto, il secchio richiede lastre spesse. La ghiaia è altamente abrasiva, mentre la roccia tenera provoca usura sul secchio. Per la roccia alterata è necessario un design in grado di sopportare gli urti e di tagliare la roccia. Questi secchi devono essere standardizzati nelle regioni in cui verranno utilizzati, a causa delle forti variabilità delle proprietà del terreno. In un esempio concreto, le caratteristiche del terreno possono passare da sabbia morbida a roccia alterata fortemente consolidata. Ciò può causare un aumento del momento torcente, una riduzione della velocità di taglio e un’usura accelerata della perforatrice. I dati raccolti nei progetti di fondazione in Nord America dal 2022 al 2023 rivelano che, se tali proprietà vengono trascurate, i costi totali di perforazione aumentano di circa il 40%, a causa del guasto del secchio e del prolungamento del processo di perforazione.
Tipo di terreno, resistenza al taglio, abrasività, coesione, adattamento del benna consigliato
Argilla, elevata, bassa, elevata, piastre laterali rinforzate
Sabbia, bassa, moderata, bassa, rapporto di apertura ampio
Ghiaia, moderata, elevata, assente, denti per servizi gravosi
Roccia alterata, molto elevata, molto elevata, variabile, progettazione specializzata del tagliente
Adattamento della progettazione della benna di perforazione per formazioni di terreno rispetto a quelle rocciose
Alcuni strati ad alta resistenza e altamente abrasivi richiedono una particolare progettazione/geometria dei denti, il rinforzo delle piastre laterali e un rapporto di apertura specifico.
La forma/geometria dei denti del caricatore e il rapporto di apertura del secchio influiscono notevolmente sul tipo di terreno che il secchio è in grado di gestire. I denti del secchio larghi e ravvicinati consentono un taglio continuo su terreni coesivi. Per terreni contenenti rocce dure e fratturate, i denti del secchio devono essere appuntiti e disposti con maggiore distanza tra loro. È necessario considerare anche il rinforzo delle piastre laterali e il rapporto di apertura del secchio. Le piastre laterali costituiscono i lati del secchio e il rapporto di apertura influenza le prestazioni del secchio stesso. Una riduzione (15-20%) del rapporto di apertura aumenta la capacità del secchio per terreni grossolani, fratturati e duri, ma rallenta lo scarico dei materiali; al contrario, un aumento (25-35%) del rapporto di apertura migliora il flusso di terreni più fini e meno coesivi. L’impiego di un unico tipo di secchio per passare da argilla a roccia dura comporta, in questo esperimento, una diminuzione di circa il 40% della penetrazione desiderata nel terreno, evidenziando la necessità di adottare un design specificamente adattato alle diverse esigenze operative.
Le specifiche dei materiali evidenziano l'importanza che le qualità dell'acciaio legato e i progressi nei trattamenti termici hanno sulla durata operativa dei secchielli allungati.
La durata del acciaio dipende sia dal trattamento che dalla lavorazione. Per condizioni abrasive di roccia, si utilizzano tipicamente acciai legati come il 30CrMo o il 40CrNiMo, sottoposti a trattamento termico fino a 1.000 MPa o più. La tempra superficiale mediante induzione o fiamma aumenta la durezza della punta dei denti e delle piastre laterali a 48–52 HRC, consentendo un miglioramento della resistenza all’usura contro granito o quarzite. Al contrario, per secchielli destinati prevalentemente a terreni argillosi o sabbiosi si può impiegare l’acciaio più economico 20Mn, sottoposto a una semplice tempra. Ciò garantisce una buona tenacità a basso costo ed evita l’impiego eccessivo di risorse. È importante osservare che l’uso di secchielli per roccia a doppia tagliente richiede un’operazione di ricottura di distensione dopo la saldatura, al fine di eliminare il rischio di crepe generate durante il processo produttivo. L’American Society for Testing and Materials (ASTM) A615/A615M e la norma ISO 6892-1 definiscono gli standard minimi per la verifica delle proprietà meccaniche di questi materiali; il loro rispetto garantisce coerenza tra i diversi lotti produttivi. Senza un corretto abbinamento tra trattamento termico e caratteristiche del materiale, adattato alle condizioni di formazione geologica, la vita utile dei secchielli si riduce di circa il 50% in presenza di lenti rocciose impreviste. Ciò comporta costi maggiori per manutenzione e sostituzione durante le fermate non programmate dovute alla formazione rocciosa.
Distribuzione adattiva dei secchi per massimizzare l'efficienza di perforazione
Evidenze applicative: segni di degrado di RPM/momento torcente: quando sostituire i secchi durante una perforazione
Esistono molti modi in cui il degrado delle prestazioni può segnalare una discordanza tra il terreno e la benna utilizzata. Una riduzione del regime di rotazione (RPM) costante pari al 15% o più rispetto al valore normale, oscillazioni della coppia pari a ±25% rispetto al valore nominale di cambio e la presenza di vibrazioni armoniche insolite sono tutti indicatori di un funzionamento inefficace causato da variazioni del terreno. Queste misurazioni e osservazioni possono essere raccolte mediante sistemi integrati esclusivi dei produttori originali di apparecchiature (OEM), come la telemetria della serie BG di Bauer e il sistema Casagrande SmartDrill. Grazie a tali sistemi, gli operatori possono sostituire le bennes per evitare danni. Secondo il Rapporto di riferimento sulle operazioni 2023 dell’International Foundation Contractors Association (IFCA), le modifiche rese possibili dai dati in tempo reale sulla perdita di prestazioni consentono interventi in meno di 30 minuti. L’utilizzo di questi dati e di questa tecnologia ha permesso di ridurre del 36% il tempo medio di fermo. Un adeguato abbinamento degli utensili mantiene la velocità di penetrazione entro una tolleranza di ±5% rispetto all’obiettivo prefissato; tale velocità di penetrazione contribuisce inoltre a migliorare l’efficienza complessiva di utilizzo delle attrezzature dal 18% al 34%.
Integrazione dei log geotecnici e dei dati in tempo reale per organizzare in modo efficiente gli ordini dei secchi da perforazione
I principali appaltatori utilizzano una combinazione di registri geotecnici interpretabili (profili CPTu, valori N del sondaggio SPT e valori di resistenza al taglio ottenuti in laboratorio) e dati in tempo reale provenienti dalle trivelle per sviluppare ordini predittivi di secchielli. Gli ordini predittivi di secchielli funzionano sequenziando i secchielli di perforazione in modo da farli corrispondere ai limiti dei dati geotecnici relativi agli strati da perforare (ad esempio, secchielli per argilla seguiti da taglienti per ghiaia e quindi da aste elicoidali per roccia). Gli appaltatori che utilizzano ordini predittivi di secchielli riportano una riduzione del 27% della necessità di interventi correttivi e una riduzione del 32% della necessità di sostituire gli utensili di perforazione durante l’operazione. Gli ordini predittivi di secchielli hanno inoltre migliorato la capacità di mantenere i fori entro una deviazione accettabile di 2 mm su 30 m e sono conformi a diversi requisiti normativi per le costruzioni infrastrutturali, come ASTM D1586 ed EN 1997-2. Gli ordini predittivi di secchielli trasformano la pianificazione degli utensili e dei secchielli durante la perforazione da un processo reattivo a un processo pianificato, basato sui dati.
Domande frequenti
D. Perché le proprietà del terreno sono un fattore da considerare nella scelta di un secchio di perforazione?
R. Le prestazioni e i danni subiti da un secchio di perforazione dipendono dalla resistenza al taglio, dall’abrasività e dalla coesività del terreno. Una progettazione adeguata del secchio, abbinata al tipo di terreno, riduce i danni al secchio stesso e ne migliora le prestazioni.
D. Quali sono gli effetti di brusche variazioni nel tipo di terreno?
R. Brusche variazioni nel tipo di terreno possono causare un aumento della resistenza alla penetrazione del secchio di perforazione e un maggiore usura dello stesso, a causa dell’aumento della coppia richiesta. Ciò comporta una maggiore necessità di interventi correttivi e un incremento dei costi del progetto.
D. Quali fattori vengono presi in considerazione nella progettazione di un secchio di perforazione per renderlo più resistente?
R. Per rendere la progettazione di un secchio di perforazione più resistente, è importante considerare il rinforzo delle piastre laterali, il rapporto tra le aperture, i tipi di acciaio legato, la geometria dei denti e il trattamento termico. Questi fattori devono essere adeguati alle condizioni del terreno e della roccia.
D: Cosa fanno gli operatori per identificare un’allineamento errato del secchio durante la perforazione?
R: Un secchio non correttamente allineato può essere indicato da una perdita costante di giri al minuto (RPM), da picchi di coppia e da vibrazioni anomale durante la perforazione. Questi indicatori richiedono interventi immediati per attenuare le interruzioni e limitare i tempi di fermo del sistema.
D: In che modo l’integrazione dei log geotecniche con il monitoraggio in tempo reale è utile?
R: L’integrazione dei log geotecnici con i dati in tempo reale aiuta a definire la posizione ottimale dei secchi, riducendo al contempo le successive riallineazioni durante la perforazione. Questa integrazione migliora infine l’efficienza nell’attraversamento di strati di terreno eterogenei.
