Alle Kräfte, die ein Bohrgestänge unter Tage spürt (und warum das Wissen darüber Ihre Stahlkaufentscheidungen beeinflusst)

Die meisten Leute, die Bohrgestänge kaufen, denken nur daran, wie viele Meter es hält, bevor es bricht. Das ist für eine Einkaufsliste in Ordnung. Aber wenn man verstehen will, wie es funktioniert, dann ist es anders.WarumStangen versagen – und warum die teuren manchmal nicht und die billigen manchmal schon – darum muss man in Begriffen von Kräften denken.

Eine Bohrstange sieht simpel aus. Sie ist ein Stahlstab mit Gewinde an beiden Enden. Doch die dreißig Sekunden, die zum Bohren eines Meter langen Lochs benötigt werden, setzen diesen Stab einer Belastung aus, die nur wenige Maschinenteile jemals erfahren. Hier sind alle wirkenden Kräfte in der Reihenfolge ihres Einwirkens auf die Stange aufgeführt.

Axiale Kompression und Zug – Der Schub-Zug-Zyklus

Das ist der offensichtliche Fall. Der Kolben trifft auf den Schaftadapter. Der Schaft trifft auf die Stange. Die Stange trifft auf den Bohrmeißel. Der Bohrmeißel trifft auf das Gestein.

Aber was viele Leute übersehen: Der Stein schlägt zurück.

Wenn der Bohrer auf die Felswand trifft, absorbiert das Gestein den Schlag nicht einfach. Es sendet eine reflektierte Spannungswelle entlang des Bohrgestänges zurück. Diese Welle ist zugbeanspruchend – sie zieht am Bohrgestänge, anstatt es zu drücken. So durchläuft das Bohrgestänge bei jedem Aufprall einen Zyklus von Druck- und Zugspannung. Bei 50 Schlägen pro Sekunde sind das 50 vollständige Druck-Zug-Zyklen pro Sekunde, also 180.000 pro Stunde.

Jeder Gewindegrund, jede Querschnittsänderung, jede metallurgische Unregelmäßigkeit in diesem Stab wird dreitausendmal pro Minute gedehnt und gestaucht. Der Stab hält durch, weil die Spannungen unterhalb der Dauerfestigkeitsgrenze von ordnungsgemäß wärmebehandeltem Stahl bleiben. Sinkt diese Grenze jedoch – durch Überhitzung, Oberflächenfehler oder Schwachstellen in der Wärmebehandlung –, beginnt die Zeit zu laufen.

Biegespannung – Das Schlankheitsproblem

Ein Bohrgestänge ist eine schlanke Säule. R32-Gestänge für den Tunnelbau können bis zu drei Meter lang sein und haben am Gewindeteil einen Durchmesser von 32 Millimetern. Das entspricht einem Längen-Durchmesser-Verhältnis von nahezu 100:1.

Drei Faktoren verursachen die Biegung dieser Säule. Allein die Schwerkraft lässt eine lange Stange durchhängen, insbesondere bei zehn oder mehr Stangen. Die Vorschubkraft – der Druck, der den Bohrer vorwärts treibt – verstärkt diese Biegung, wenn sie nicht perfekt axial verläuft. Und die Aufprallkraft führt bei nicht absolut gerader Stange mit jedem Schlag zu einer Biegung, da der Energiepfad von der Mittellinie abweicht.

Biegespannungen sind relevant, da sie sich addieren. Ein Stab, der rein axialer Druckbelastung ausgesetzt ist, kann beispielsweise eine Stoßbelastung von 200 kN aushalten. Kommt jedoch ein Biegemoment durch eine leichte Durchbiegung oder eine fehlerhafte Zuführung hinzu, kann die maximale Spannung an der äußeren Faser der Biegung doppelt so hoch sein wie die Spannung, die allein durch die axiale Belastung entstehen würde. So kommt es, dass ein Stab, der eigentlich die richtige Länge haben sollte, bereits bei der Hälfte seiner Nennlänge bricht.

Torsionsspannung – Die Drehung

Der Rotationsmotor eines hydraulischen Bohrers erzeugt ein Drehmoment, das den gesamten Bohrstrang – Schaft, Gestänge, Kupplungen und Meißel – in Rotation versetzt. Die Gestänge müssen dieses Drehmoment übertragen und gleichzeitig axiale Stöße sowie die auftretende Biegebelastung aufnehmen.

Torsionsspannungen tragen zum Gesamtspannungszustand bei. Ein Stab, der Torsion, Biegung und axialer Belastung ausgesetzt ist, befindet sich in einem triaxialen Spannungszustand. Die Vorhersage eines Versagens unter diesen Bedingungen ist nicht einfach – sie hängt von den relativen Größen der Spannungen und dem Verhalten des Materials bei mehrachsiger Belastung ab. Praktisch entscheidend ist, dass ein Stab mit hoher Torsionssteifigkeit kombinierter Belastung besser standhält als ein leicht verdrehbarer Stab, da eine geringere Winkelabweichung bedeutet, dass weniger Energie im Stabkörper dissipiert und stattdessen auf das Gestein übertragen wird.

Äußerer Verschleiß – Reibung, Absplitterungen und Wasser

Nicht alle Kräfte gehen vom Bohrer aus. Das Bohrloch selbst stellt ein abrasives Umfeld dar.

Die Stange reibt an der Bohrlochwand, insbesondere bei Abweichungen vom geraden Verlauf des Bohrlochs. Gesteinssplitter wirbeln, vom Spülwasser mitgerissen, um die Stange und schleifen wie nasses Schleifpapier an der Oberfläche. Das Spülwasser selbst, das oft feine abrasive Partikel enthält, trägt mit der Zeit die Oberfläche der Stange ab. In korrosivem Grundwasser – beispielsweise saurem Grubenwasser – ist der Stahl sowohl chemischem als auch mechanischer Belastung ausgesetzt. Diese Kombination beschleunigt die Ermüdungsrissbildung durch Spannungsrisskorrosion.

Deshalb ist die Oberflächenbeschaffenheit von Gestängen so wichtig, und deshalb können Gestänge, die auf dem Datenblatt gleich aussehen, sich unter Tage unterschiedlich verhalten. Eine glatte, gut bearbeitete Oberfläche hemmt die Rissbildung. Eine raue Oberfläche mit Bearbeitungsspuren oder Zunder bietet Korrosion und Materialermüdung einen idealen Ausgangspunkt.

Die Wild Cards – Spezialoperationen

Dann gibt es noch die Dinge, für die die Rute nie konzipiert wurde, die aber trotzdem ausgeführt werden müssen.

Das Aufhebeln von losem Gestein mit dem Bohrgestänge. Das Herausziehen eines festsitzenden Bohrgestänges aus einem eingestürzten Bohrloch. Fehlzündungen, wenn der Vorschubdruck nachlässt und der Bohrmeißel den Kontakt zur Gesteinswand verliert. Das Einbringen des Bohrgestänges in ein glatt gesprengtes Bohrloch mit brüchigen und griffigen Wänden. Jede dieser Situationen erzeugt Belastungskombinationen am Bohrgestänge, die außerhalb der zulässigen Auslegungsgrenzen liegen.

Eine Bohrstange, die bei normalem Bohren tausend Meter aushält, könnte schon beim ersten Hebeln brechen. Die Kräfte sind anders, die Spannungskonzentrationen sind anders, und der Stange ist es egal, dass sie eigentlich länger halten sollte.

Warum das beim Kauf wichtig ist

Hier die praktische Schlussfolgerung: Wenn man zwei Bohrstangen mit ähnlichen Spezifikationen vergleicht – gleiches Gewinde, gleiche Länge, gleiche Stahlsorte – und eine davon 30 % mehr kostet, liegt der Unterschied fast immer darin, wie die Stange mit dieser mehrachsigen Belastung umgeht.

Der günstigere Stab mag zwar die richtige Oberflächenhärte aufweisen, aber einen scharfen Übergang zum Kern, wodurch er anfällig für Biegeermüdung wird. Er mag die richtige Zugfestigkeit besitzen, aber eine mangelhafte Oberflächenbeschaffenheit, die Korrosion begünstigt. Er mag die richtige Geometrie aufweisen, aber ungleichmäßig gerade sein, sodass jeder Stab in der Saite seine eigene Biegekomponente beiträgt.

Die Stange, die mehr kostet und länger hält, ist kein Wundermittel. Sie besteht lediglich aus Stahl, der so verarbeitet wurde, dass er allen fünf Kraftbereichen gleichzeitig standhält, nicht nur demjenigen, der sich am einfachsten spezifizieren lässt.