تُعد مُدخلات كربيد التنجستن المستخدمة في آلات حفر الأنفاق عناصر القطع الأساسية المسؤولة عن تكسير وكشط وتفكيك تكوينات الصخور والتربة على وجه النفق. يعتمد كل متر من تقدم النفق في ظروف الأرض الصلبة أو المختلطة على قدرة هذه الإدخالات على الحفاظ على هندسة القطع الخاصة بها، ومقاومة التآكل الكاشطة، وامتصاص التأثير الهائل وقوى الضغط المتولدة عندما يقوم رأس القاطع الدوار بتحريك الصخور في العمق. بدون إدخالات كربيد محددة وصيانتها بشكل صحيح، تنخفض معدلات الاختراق بشكل حاد، ويرتفع استهلاك القاطع، وتتدهور اقتصاديات مشروع حفر الأنفاق بأكمله بسرعة.
إن الإدخالات نفسها عبارة عن مكونات مدمجة - تتراوح عادةً من بضعة ملليمترات إلى عدة سنتيمترات في أبعادها الحرجة - ولكن تم تصميمها بمستوى عالٍ من الدقة بشكل استثنائي. إن درجة كربيد التنغستن، ومحتوى الرابط، وحجم الحبوب، وهندسة الإدخال، ونظام التثبيت بالنحاس أو الضغط، كلها متغيرات تعمل الشركة المصنعة للإدراج على تحسينها لتطبيق القطع المحدد. سوف تتآكل مواصفات إدراج الكربيد التي تعمل بشكل جيد في الحجر الجيري قبل الأوان أو تنكسر في الجرانيت أو الكوارتزيت، والعكس صحيح. إن فهم سبب حدوث ذلك - وكيفية اتخاذ الاختيار الصحيح للمواصفات - هو المعرفة العملية التي تفصل بين شراء أدوات TBM الفعالة وبين التجربة والخطأ الباهظة الثمن في هذا المجال.
كربيد التنغستن (WC) هو مركب كيميائي من التنغستن والكربون، وهو في شكله الملبد النقي، يعد واحدًا من أصعب المواد الهندسية المتاحة - ويأتي في المرتبة الثانية بعد الماس ونيتريد البورون المكعب بين مواد أدوات القطع العملية تجاريًا. في منتجات الكربيد الأسمنتي المستخدمة في إدخالات TBM، يتم ربط حبيبات كربيد التنجستن معًا بمادة رابطة معدنية - تقريبًا عالميًا من الكوبالت (Co)، على الرغم من استخدام روابط النيكل والنيكل والكروم في درجات محددة مقاومة للتآكل - من خلال عملية تعدين المساحيق التي تتضمن الضغط وتلبد الطور السائل عند درجات حرارة أعلى من 1300 درجة مئوية.
والنتيجة هي مادة مركبة توفر فيها حبيبات المرحاض الصلبة صلابة شديدة ومقاومة للتآكل بينما توفر مصفوفة رابط الكوبالت المتانة والمقاومة للكسر تحت التأثير. الفكرة الحاسمة هي أن الصلابة والمتانة موجودة في التوتر في الكربيد الأسمنتي، فزيادة أحدهما تأتي عمومًا على حساب الآخر. تعتبر الدرجات ذات المحتوى المنخفض من الكوبالت وحجم الحبوب الدقيقة أكثر صلابة وأكثر مقاومة للتآكل ولكنها أكثر هشاشة؛ تعتبر الدرجات التي تحتوي على نسبة أعلى من الكوبالت وحجم الحبوب الخشنة أكثر صرامة وأكثر مقاومة للصدمات ولكنها تتآكل بشكل أسرع في الظروف الكاشطة. إن اختيار الدرجة المناسبة لإدراج كربيد TBM يعني العثور على الموضع الأمثل لمقايضة الصلابة والمتانة لنوع الصخور المحدد، وكشط التكوين، وآلية القطع المعنية.
بالنسبة لتطبيقات TBM على وجه التحديد، يتفوق الكربيد الأسمنتي على جميع البدائل العملية. تفتقر الأطراف الفولاذية إلى الصلابة اللازمة لمقاومة تآكل الصخور الكاشطة بمعدلات اختراق مقبولة. يوفر السيراميك صلابة تنافسية ولكن صلابة الكسر غير كافية لتحمل تأثير التحميل على وجه النفق. يتم استخدام الأدوات ذات الرؤوس الماسية في تطبيقات محددة عالية القيمة ولكنها غير عملية بالنسبة لحجم عناصر القطع المطلوبة عبر رأس قاطع TBM كامل. إن مزيج الكربيد الأسمنتي من الصلابة والمتانة والثبات الحراري وقابلية التصنيع على المستوى الصناعي يجعله الحل القياسي لقطع الصخور الصلبة والأرضية المختلطة TBM عبر صناعة الأنفاق العالمية.
لا تؤدي جميع إدخالات كربيد التنجستن الموجودة على رأس قاطع TBM نفس الوظيفة. رأس القطع عبارة عن مجموعة معقدة من أنواع الأدوات المختلفة، كل منها في موضعه لأداء مهمة محددة في عملية تكسير الصخور وإزالة المواد. يعد فهم الفروق بين أنواع الإدخال هذه أمرًا أساسيًا لتحديد درجة الكربيد المناسبة والهندسة لكل موضع.
قواطع الأقراص هي أدوات القطع الأساسية في آلات TBM الصخرية الصلبة. يتكون قاطع القرص من حلقة فولاذية - القرص - مثبتة على مجموعة محورية تسمح لها بالتدوير بحرية أثناء دوران رأس القطع. تتلامس حافة القرص مع الوجه الصخري وتولد كسور الشد من خلال آلية المسافة البادئة المتدحرجة بدلاً من القطع المباشر. عادةً ما يتم تضمين إدخالات كربيد التنجستن في تطبيقات قطع الأقراص في حافة حلقة القرص أو يتم استخدامها كمواد حافة التلامس في تصميمات الأقراص المركبة. يجب أن تقاوم هذه الإدخالات ضغوط الضغط العالية عند نقطة تلامس الصخور، وتحميل التعب الناتج عن دورات التصادم المتكررة، والتآكل الكاشطة من المعادن الصلبة - وخاصة الكوارتز - في مصفوفة الصخور. عادةً ما يتم تحديد الدرجات ذات المحتوى المتوسط من الكوبالت (8-12% Co) وحجم الحبوب الناعم إلى المتوسط لإدراج قطع القرص في تطبيقات الصخور الصلبة.
في الأراضي الناعمة إلى المتوسطة الصلابة والظروف ذات الأسطح المختلطة، تستخدم آلات TBM أدوات السحب - اللقطات والكاشطات وقواطع القياس - المزودة بزر كربيد التنغستن أو إدراجات مسمارية تعمل على إشراك التكوين في عملية الكشط أو القص. إن إدخالات الأزرار عبارة عن أشكال كربيد نصف كروية أو باليستية يتم تركيبها بالضغط في جسم الأداة الفولاذية. إن إدخالات المسامير عبارة عن سيقان أسطوانية ذات طرف مقوى، ويتم أيضًا تركيبها بالضغط أو ملحومة بالنحاس في المقاعد المعدة. تواجه هذه الإدخالات أحمال ضغط أقل من إدخالات قطع الأقراص ولكنها تتعرض لقوى قص جانبية أعلى وتأثير أكثر تنوعًا من ملامسات التربة الصخرية المختلطة. توفر الدرجات ذات المحتوى العالي من الكوبالت (12-16% Co) وحجم الحبوب الخشنة المتانة اللازمة لمقاومة الكسر في ظل ظروف التحميل هذه، على حساب بعض مقاومة التآكل مقارنة بالدرجات الأكثر صلابة منخفضة الكوبالت.
يتم وضع قواطع القياس على المحيط الخارجي لرأس قاطع TBM وتقطع شكل النفق إلى القطر المطلوب. إنهم يتمتعون بمزيج من أعلى سرعات القطع - لأنهم يقطعون أكبر مسافة محيطية لكل دورة - وتحميل تأثير كبير من عدم انتظام المظهر الجانبي وظروف الأرض المختلطة عند حدود النفق. تخضع إدخالات قطع المقياس لبعض ظروف التآكل الأكثر قسوة على رأس القاطع، ولهذا السبب يتم تحديدها غالبًا في درجات أكثر صرامة أو بأبعاد إدخال أكبر توفر حجمًا أكبر من الكربيد لمقاومة التآكل قبل أن تحتاج الإدخال إلى الاستبدال.
في EPB (توازن ضغط الأرض) وآلات TBM الملاطية التي تعمل في أرض ناعمة أو ظروف وجه مختلط، يتم تجهيز مكابح رأس القطع وفتحات الدلو بعناصر تآكل ذات رؤوس كربيد تحمي الهيكل الفولاذي من التآكل الكاشط حيث يتم تجريف المواد المفككة في الماكينة. يتم تحديد إدراجات الحماية من التآكل بشكل عام في درجات عالية المتانة تقاوم التأثير الناتج عن شظايا الصخور والشوائب الصلبة في تيار الوحل، مع إعطاء الأولوية للسلامة الهيكلية على الحدة المتطورة.
تعتبر الظروف الجيولوجية على وجه النفق هي المحرك الأساسي لاختيار درجة إدراج الكربيد. كشط الصخور - الذي تم قياسه من خلال اختبارات موحدة مثل مؤشر كشط Cerchar (CAI) واختبار مقياس الكشط LCPC - يتنبأ بشكل مباشر بالمعدل الذي ستتآكل به إدراجات الكربيد واحتمال حدوث كسر كارثي تحت تأثير التحميل. تعد مطابقة درجة الإدخال مع كشط الصخور هو القرار الأكثر أهمية في مواصفات إدراج كربيد TBM.
| نوع الصخور | نطاق CAI النموذجي | المحتوى المشترك الموصى به | حجم الحبوب | آلية التآكل الأولية |
| الحجر الجيري / الرخام | 0.1-0.5 | 10-14% | متوسط | تآكل منخفض تأثير من طائرات الكسر |
| الحجر الرملي | 0.5-2.5 | 8-12% | غرامة إلى متوسطة | تآكل معتدل من حبيبات الكوارتز |
| الجرانيت | 2.0-4.5 | 6-10% | بخير | تآكل عالي تكسير التعب |
| الكوارتزيت | 3.5-6.0 | 6-9% | متناهية الصغر إلى الغرامة | تآكل شديد التقطيع الصغير |
| البازلت / الدوليريت | 1.5-3.5 | 8-12% | غرامة إلى متوسطة | التآكل والتأثير من الادراج الصلبة |
| وجه مختلط / جليدي حتى | متغير | 12-16% | متوسط to coarse | كسر تأثير من الحصى. كشط متغير |
تعتبر عتبة CAI البالغة 2.0 تقريبًا نقطة قرار عملية في اختيار درجة الكربيد. أقل من هذه القيمة، توفر درجات محتوى الكوبالت الأعلى مع حجم الحبوب المتوسط توازنًا جيدًا بين المتانة ومقاومة التآكل. فوق CAI 2.0، يصبح معدل التآكل الكاشطة لدرجات الكوبالت الأعلى غير اقتصادي، ويجب أن تتحول المواصفات نحو محتوى أقل من الكوبالت، ودرجات حبيبات أدق تحافظ على الصلابة على حساب بعض المتانة. في التكوينات الأعلى من CAI 4.0 - الكوارتزيت الشديد وبعض التكتلات الكاشطة - حتى درجات الكوبالت المنخفضة ذات الحبوب الدقيقة الممتازة تتآكل بسرعة، ويصبح تكرار استبدال الإدخال عامل تخطيط للمشروع بدلاً من تكلفة يمكن تجنبها.
تحدد هندسة إدخال TBM من كربيد التنغستن - شكلها الجانبي وزاوية طرفها ونسب أبعادها - كيفية تفاعلها مع الوجه الصخري، وكيفية توزيع الضغط داخل جسم الكربيد، وكيف يتطور أدائها مع تآكل الإدخال. يعد تحسين الهندسة أمرًا لا يقل أهمية عن اختيار الدرجة في زيادة عمر الإدخال وكفاءة القطع.
يعد المظهر الجانبي النصف كروي هو الشكل الهندسي الأكثر شيوعًا لإدراج أزرار أداة السحب في الأرض الناعمة إلى المتوسطة الصلابة. يقوم الطرف المستدير بتوزيع ضغط التلامس بالتساوي على مساحة سطحية كبيرة، مما يقلل من تركيزات الضغط القصوى التي قد تسبب الكسر في المظهر الجانبي الأكثر حدة. مع تآكل نصف الكرة الأرضية، تتطور هندسته تدريجيًا - لا يزال نصف الكرة البالي جزئيًا عبارة عن ملف قطع وظيفي، مما يعني أن الإدخال يستمر في الأداء من خلال جزء كبير من حجمه قبل الحاجة إلى الاستبدال. يتمثل القيد الرئيسي للمقطع النصف كروي في الصخور الصلبة في أنه يتطلب قوى اختراق أعلى لتحقيق نفس عمق المسافة البادئة مقارنةً بالملامح الأكثر وضوحًا، مما يقلل من كفاءة القطع في التكوينات حيث تكون قوة الاختراق هي العامل المحدد.
تحتوي الإدخالات الباليستية على شكل طرف ogive - مستدير عند النقطة ولكنه ينتقل إلى جسم أكثر أسطوانيًا بزاوية أكثر انحدارًا من نصف الكرة الأرضية. تركز هذه الهندسة إجهاد التلامس بشكل أكثر فعالية من نصف الكرة الأرضية، مما يحسن الاختراق في الصخور الصلبة بنفس القوة المطبقة، ولكنها أكثر عرضة للكسر إذا تأثرت بشكل جانبي أو استخدمت في التكوينات ذات الشوائب الصلبة. تعمل الإدخالات المخروطية ذات زاوية طرف محددة على زيادة ميزة كفاءة الاختراق بشكل أكبر ولكنها الأكثر عرضة للكسر من بين المقاطع القياسية. عادةً ما يتم تحديد إدخالات كربيد TBM المخروطية والباليستية للتشكيلات التي تكون فيها كفاءة القطع هي الأولوية ويكون تحميل التأثير قابلاً للتنبؤ به ويمكن التحكم فيه.
تقدم إدخالات شكل الإزميل حافة قطع خطية بدلاً من نقطة اتصال بالوجه الصخري. تعتبر هذه الهندسة فعالة في قص وكشط التكوينات الناعمة إلى المتوسطة وتستخدم بشكل شائع في مواضع القطع المقياسية ومواضع القطع الجانبية حيث تكون هناك حاجة إلى هندسة قطع محددة. تتآكل حافة الإزميل وتصبح مسطحة بسرعة في ظل الظروف الكاشطة، مما يؤدي إلى تحويل آلية القطع من القص إلى الحراثة - وهو تغيير كبير في الأداء يزيد من قوة القطع المطلوبة ويولد المزيد من الحرارة عند وجه الإدخال. وبالتالي فإن مراقبة تآكل إدراج الإزميل واستبداله عند عتبة التآكل المسطح أو قبلها يعد أكثر أهمية من حيث الوقت مقارنة بأشكال هندسية لإدخال الأزرار.
يعد تحديد آلية التآكل المحددة التي تؤثر على إدخالات كربيد TBM في الميدان هو نقطة البداية لتشخيص ما إذا كانت مواصفات الإدخال الحالية مناسبة لظروف الأرض وما إذا كانت التدخلات - تغيير الدرجة، وتغيير الهندسة، وتعديل معلمة التشغيل - من المحتمل أن تؤدي إلى تحسين الأداء. تتميز أوضاع التآكل الرئيسية بمظهرها المتميز ولها أسباب جذرية مختلفة.
يتأثر أداء إدخالات كربيد التنجستن في الخدمة بشكل كبير بجودة التثبيت، وتكرار ودقة الفحص أثناء حفر الأنفاق، والمعايير المستخدمة لتحفيز الاستبدال. يؤدي سوء الممارسة في أي من هذه المجالات إلى تقليل عمر خدمة الإدخال وزيادة تكاليف الأدوات لكل متر، بغض النظر عن مدى تحديد درجة الكربيد.
يجب تركيب إدخالات زر الضغط المناسب مع التداخل الصحيح بين ساق الإدخال والمقعد المجهز في جسم الأداة. يسمح التداخل القليل جدًا للمدخل بالتدوير أو الارتخاء تحت قوى القطع، مما يؤدي إلى تسريع التآكل ويؤدي في النهاية إلى فقدان الإدخال؛ يؤدي الكثير من التداخل إلى توليد إجهاد شد في ساق الكربيد عند التثبيت، مما قد يؤدي إلى حدوث تشققات تنتشر إلى الكسر أثناء الخدمة. يحدد المصنعون تناسب التداخل المطلوب لكل قطر إدخال ومجموعة مواد الجسم - يجب اتباع هذه المواصفات بدقة، مع التحقق من أبعاد المقعد عن طريق قياس المقياس قبل التثبيت. تتطلب الإدخالات النحاسية الاختيار الصحيح لسبائك اللحام وتطبيق التدفق والتحكم في سمك وصلة النحاس لتحقيق قوة الرابطة اللازمة لمقاومة قوى القطع دون تكسير الكربيد المجاور لواجهة النحاس.
تختلف الفواصل الزمنية لفحص رأس قاطع TBM باختلاف ظروف الأرض ومتطلبات المشروع، ولكنها تحدث عادةً كل 300-600 متر من التقدم في أرض متوسطة الصلابة وبشكل متكرر في التكوينات شديدة الكشط. أثناء كل عملية فحص، يجب فحص كل موضع إدخال بصريًا لمعرفة أوضاع التآكل الموضحة أعلاه، ويجب قياس عمق تآكل الإدخال في المواضع التمثيلية باستخدام مقياس العمق. قم بإدخال خرائط التآكل - تسجيل التآكل في كل موضع على رأس القطع على مدار فترات فحص متتالية - مما يسمح بتحديد المواضع ذات معدلات التآكل المرتفعة بشكل غير عادي والتي قد تشير إلى تغييرات موضعية في التكوين، أو مشاكل في توصيل مياه التبريد، أو اختلال دوران رأس القاطع الذي يتطلب التحقيق.
يجب استبدال الإدخالات قبل أن تتآكل إلى النقطة التي يبدأ فيها جسم الأداة الفولاذية في الاتصال بالوجه الصخري - عند هذه النقطة، يتآكل جسم الأداة بسرعة وتتجاوز تكلفة استبدال جسم الأداة بكثير التوفير الناتج عن تعظيم وقت تشغيل الإدخال. تحدد معايير الاستبدال النموذجية لإدخالات الأزرار الحد الأقصى لقطر التآكل المسطح بنسبة 60-70% من قطر الإدخال الأصلي، وبعد ذلك يتسارع معدل التآكل بشكل غير خطي ويزداد خطر الكسر الإجمالي بشكل كبير. بالنسبة لقواطع الأقراص، تتم مراقبة تآكل الحلقة عن طريق قياس الانخفاض في قطر الحلقة عن المواصفات الأصلية، مع تشغيل الاستبدال عادةً عند حد تآكل قدره 5-10 مم اعتمادًا على تصميم الحلقة.
يتضمن شراء إدراجات كربيد التنغستن لآلات حفر الأنفاق اعتبارات فنية وتجارية ولوجستية خاصة ببيئة البناء تحت الأرض. إن العواقب المترتبة على تحديد المنتج الخاطئ أو نفاد المخزون في منتصف الطريق تكون شديدة بما يكفي لجعل قرار تحديد المصادر أكثر أهمية بكثير من معظم عمليات شراء المواد الاستهلاكية الصناعية.