Bohrgestängebruch am Meißelende? Zwei Ursachen, die fast jeden Ausfall erklären

Es ist besonders frustrierend, wenn man ein Bohrgestänge herauszieht und feststellt, dass die Stange am Gewindeende sauber abgebrochen ist – nicht verschlissen, nicht allmählich defekt, einfach gebrochen. Die Bruchfläche ist frisch. Der Stangenkörper oberhalb des Bruchs sieht intakt aus. Und der erste Gedanke ist immer derselbe: fehlerhafter Stahl.

Es liegt fast nie an fehlerhaftem Stahl. In fast allen Fällen brach die Stange, weil sich der Untergrund veränderte und der Bediener nicht reagierte, oder weil das Bohrloch für die gegebenen Bedingungen zu tief wurde und niemand den Plan anpasste. Hier erfahren Sie, was genau an dieser Gewindeverbindung passiert, wenn sie versagt, und wie Sie dies in Ihrer nächsten Schicht verhindern können.

Der plötzliche Bruch: Wenn der Boden deine Angelrute überrascht.

Am beunruhigendsten ist der plötzliche und unerwartete Stangenbruch. Der Bohrer läuft ruhig, der Bohrvorgang ist gleichmäßig, und dann – knackt es. Die Stange bricht am Gewindeende des Bohrers, und der Bohrer bleibt mit einem Gewinderest im Bohrloch stecken.

Dies geschieht fast ausschließlich in gemischtem oder unvorhersehbarem Gestein. Ein Bohrgestänge, das durch homogenes Gestein bohrt, erfährt eine gleichmäßige, vorhersehbare Belastung. Die Aufprallenergie breitet sich gleichmäßig entlang des Bohrgestänges, in den Bohrmeißel und in das Gestein aus. Das Gewinde am Bohrmeißelende trägt seine Auslegungslast Zyklus für Zyklus innerhalb der für die Ermüdung vorgesehenen Grenzen.

Dann stößt der Bohrer auf etwas anderes. Eine harte Quarzitlinse in ansonsten weichem Sandstein. Ein Hohlraum, in dem der Bohrer plötzlich keinen Widerstand mehr findet und gegen die gegenüberliegende Wand prallt. Eine Bruchzone, in der der Bohrer an einer Kante hängen bleibt und die Rotation kurzzeitig blockiert wird. In diesem Moment schnellt die Belastung an der Gewindeverbindung weit über ihren stationären Wert hinaus. Das Gewinde – das aufgrund der geometrischen Spannungskonzentration am Gewindegrund ohnehin die am stärksten beanspruchte Stelle in jeder Stange ist – erfährt eine Belastung, die die Zugfestigkeit des Materials überschreiten kann.

Wenn der Bediener in diesem Moment mit hoher Schlagkraft und schnellem Vorschub arbeitet – was man tun würde, wenn der Boden bis dahin weich und nachgiebig gewesen wäre –, hat die Stange keine Reserve. Der Dorn trifft auf, die Spannung am Gewindegrund übersteigt die Belastbarkeit des Stahls, und die Stange bricht. Nicht allmählich. Nicht nach hundert Zyklen. Bei diesem einen Schlag.

Die Lösung liegt in der Situationswahrnehmung, nicht in stärkeren Bohrgestängen. Beim Bohren in bekanntem, variablem Untergrund – und im Bergbau und Bauwesen ist dies meist der Fall, oder sollte es zumindest sein – muss man auf die Signale des Bohrers achten. Verändert sich die Tonhöhe des Schlaggeräusches, schwankt das Drehmoment plötzlich oder sinkt die Bohrgeschwindigkeit ohne ersichtlichen Grund, signalisiert der Untergrund Veränderungen. Reduzieren Sie die Schlagkraft und den Vorschub, bevor das Bohrgestänge überlastet wird. Sie verlieren zwar einige Sekunden Bohrgeschwindigkeit, gewinnen aber ein Bohrgestänge, das das Bohrloch fertigstellt.

Der langsame Tod: Müdigkeit, die erst harmlos aussieht, wenn sie es nicht mehr ist.

Die andere häufige Ausfallart ist schwieriger zu diagnostizieren, da es kein offensichtliches Auslöserereignis gibt. Die Pleuelstange bricht einfach eines Tages, und betrachtet man die Bruchfläche, ist ein Teil dunkel und oxidiert – ein alter Riss –, während der andere Teil hell und frisch ist – der endgültige Bruch. Diese zweifarbige Bruchfläche ist ein eindeutiges Anzeichen für Materialermüdung.

Ermüdungsbrüche in Bohrgestängen treten auf, wenn das Gestänge wiederholt unter Bedingungen betrieben wird, die seine Belastungsgrenze überschreiten, bis die akkumulierten Mikroschäden einen kritischen Punkt erreichen. Die häufigste Ursache hierfür ist ein Bohrloch, das für die Bodenverhältnisse zu tief ist.

Die Kette der Probleme verläuft folgendermaßen: Mit zunehmender Bohrtiefe verschlechtert sich der Abtransport des Bohrkleins. Der Ringspalt zwischen Gestänge und Bohrlochwand vergrößert sich, die Spülluft bzw. das Spülwasser verliert mit zunehmender Entfernung an Geschwindigkeit, und schwerere Bohrspäne setzen sich ab, anstatt abgeführt zu werden. Das Gestänge muss nun zusätzlich zur normalen Bohrkraft gegen den Widerstand des verdichteten Bohrkleins rotieren. Dieser zusätzliche Rotationswiderstand ist nicht gleichmäßig – er schwankt mit dem Ansammeln und Abtransportieren des Bohrkleins – und das Gestänge erfährt zusätzlich zur Stoßbelastung, für die es ausgelegt ist, eine zyklische Torsionsbelastung.

Gleichzeitig weisen tiefe Löcher in unebenem Boden selten perfekt gerade Wände auf. Die Stange biegt sich bei der Drehung leicht durch, und diese Biegung führt bei jeder Umdrehung zu Biegebeanspruchungen. Biegung plus Torsion plus Stoßbelastung stellen eine dreifache Belastung für die Materialermüdung dar.

Die Gewindeverbindung am Bohrmeißelende ist am stärksten beansprucht. Der Gewindegrund – der aufgrund seiner geometrischen Spannungskonzentration Gewinde von Natur aus schwächer als den Stangenkörper macht – erleidet mit jedem Zyklus Ermüdungsschäden. Am Gewindegrund entsteht ein Mikroriss. Auf den nächsten paar hundert Metern Bohrstrecke wächst dieser Riss Mikrometer für Mikrometer, bis der verbleibende Querschnitt die Last nicht mehr tragen kann und die Stange bricht.

Der Bediener sieht, wie eine Stange, die augenscheinlich in Ordnung aussah, ohne Vorwarnung bricht. Tatsächlich handelte es sich um einen Ermüdungsriss, der sich über die letzten fünfzig Bohrungen hinweg unentdeckt vergrößert hatte, bis er eine kritische Größe erreichte.

Wie man Müdigkeit erkennt, bevor sie einen erwischt

Einen Ermüdungsriss unter der Oberfläche kann man nur mit speziellen Prüfverfahren – wie Magnetpulver- oder Ultraschallprüfung – erkennen, aber man kann die Bedingungen, die ihn verursachen, kontrollieren.

Erstens: Kontrollieren Sie die Bohrtiefe. In brüchigem, rissigem oder stark abrasivem Gestein führt ein flacheres Bohrloch mit besserem Bohrgutabfluss zu einer geringeren Belastung des Gestänges als ein tieferes Bohrloch mit unzureichender Spülung. Wenn der Spülrücklauf am Bohrlochansatz langsamer wird oder verschmutzt ist, signalisiert das Bohrloch, dass es für die gegebenen Bedingungen zu tief ist. Stoppen Sie die Bohrung, bevor das Gestänge Schaden nimmt.

Zweitens: Überprüfen Sie das Gewinde jedes Mal, wenn die Stange vom Seil genommen wird. Achten Sie auf drei Dinge: Fressen (aufgerissenes, raues Metall an den Flanken), Verformung (Gewinde, das an der Spitze nicht mehr scharf und sauber ist) und Lochfraß (kleine Vertiefungen durch Korrosion oder Kavitation). Jedes dieser Merkmale konzentriert Spannungen und beschleunigt die Materialermüdung. Eine Stange mit sichtbaren Gewindeschäden muss außer Betrieb genommen werden – nicht etwa, weil man es im Auge behält.

Drittens: Wählen Sie das Bohrgestänge passend zum Untergrund. Ein für mittelhartes, homogenes Gestein ausgelegtes Bohrgestänge bietet nicht die nötige Ermüdungsfestigkeit für brüchigen, unebenen Untergrund mit unvorhersehbarer Belastung. Unter schwierigen Bedingungen benötigen Sie ein Bohrgestänge mit größerem Querschnitt am Bohrkopfanschluss, einem größeren Gewindegrundradius und einem Material, das die Dauerfestigkeit gegenüber der reinen Zugfestigkeit priorisiert. Das Bohrgestänge, das 20 % mehr kostet und in schlechtem Untergrund dreimal länger hält, ist nicht teuer – das Bohrgestänge, das mitten im Bohrloch bricht, ist teuer.