Warum brechen Bohrgestänge so häufig? Die Ursachen des Versagens verstehen

Gewindebohrstangen, auch bekannt als Jumbo-Bohrstangen oder Hochleistungsbohrstangen, verbinden Gesteinsbohrer, Schaftadapter und Bohrmeißel. Ihre Aufgabe ist die Übertragung von Schlagenergie und Drehmoment, damit der Bohrmeißel Gestein aufbrechen und ein Bohrloch erzeugen kann.

Da Bohrungen unter komplexen und sich ständig ändernden Bedingungen stattfinden, sind Bohrgestänge wiederholter mechanischer Belastung, Abrieb durch Gestein und Bohrklein, wasserbedingter Korrosion und zusätzlichen Belastungen durch anormale Betriebsbedingungen ausgesetzt. Das Verständnis dieser Belastungen ist unerlässlich für die Auswahl der richtigen Gesteinsbohrwerkzeuge, die Optimierung der Wartung und die Reduzierung ungeplanter Ausfallzeiten.

1. Wechselnde axiale Druck- und Zugbelastung

Beim Bohren wird hochfrequente Stoßenergie vom Gesteinsbohrer über den Schaftadapter und das Bohrgestänge auf den Bohrmeißel übertragen. Trifft der Meißel auf das Gestein, erzeugt die Gesteinsmasse einen Widerstand, der über das Bohrgestänge zurückgeleitet wird.

Dieser wiederholte Zyklus erzeugt im Bohrgestänge abwechselnde Druck- und Zugspannungen. Mit der Zeit kann die ständige Belastung und Entlastung zu Materialermüdung, Rissbildung, verminderter Festigkeit und schließlich zum Versagen des Gestänges führen. Materialqualität, Wärmebehandlung, Gewindezustand und korrekte Betriebspraxis beeinflussen maßgeblich, wie gut ein Bohrgestänge diesen Zyklen standhält.

2. Radiale Biegespannung

Ein Bohrgestänge ist ein langes, schlankes Bauteil und daher anfälliger für Biegebeanspruchungen als ein kurzes, starres Werkzeug. Das Gewicht des Gestänges, geringfügige Fehlausrichtungen, Abweichungen im Bohrloch, der Vorschubdruck und außermittige Stöße können allesamt seitliche Kräfte verursachen.

Selbst geringfügige Biegungen beeinträchtigen die Energieübertragung. Anstatt die Aufprallenergie direkt auf den Bohrmeißel zu übertragen, verliert das Bohrgestänge durch Fehlausrichtung und Vibrationen an Effizienz. Anhaltende Biegebeanspruchung kann zu dauerhaften Verformungen, verringerter Bohrgenauigkeit, Gewindeschäden und einem höheren Risiko unerwarteter Brüche führen.

3. Dreh- und Torsionsspannung

Für das Gesteinsbohren ist eine kontinuierliche Rotation erforderlich, um das Gestein aufzubrechen und das Bohrklein abzutransportieren. Während sich das Bohrgestänge dreht, muss es die Reibung an der Bohrlochwand, den Widerstand des Bohrkleins und die wechselnden Gesteinseigenschaften überwinden.

Dadurch wird das Bohrgestänge einer Torsionsbelastung ausgesetzt. Ein Gestänge mit unzureichender Torsionsfestigkeit oder -zähigkeit kann sich unter anspruchsvollen Bedingungen verdrehen, reißen oder brechen. Zuverlässiges Bohren hängt daher davon ab, dass die Spezifikationen des Bohrgestänges auf die Gesteinsart, die Bohrausrüstung, den Bohrlochdurchmesser und die Betriebsbedingungen abgestimmt sind.

4. Abrieb und Korrosion im Bohrloch

Mechanische Belastung ist nur ein Teil des Problems. Während des Bohrvorgangs ist die Oberfläche des Bohrgestänges ständig abrasiven Gesteinsfragmenten, dem Kontakt mit der Bohrlochwand, Spülmedien und Wasserverunreinigungen ausgesetzt.

Gesteinsbruch kann die Stangenoberfläche abtragen, während Wasser und Verunreinigungen das Metall allmählich korrodieren lassen. Mit der Zeit können Abrieb und Korrosion die Wandstärke verringern, Gewinde schwächen, Oberflächenfehler verursachen und die Lebensdauer verkürzen. Ordnungsgemäße Reinigung, Inspektion, Schmierung (falls erforderlich) und kontrollierte Lagerung sind praktische Maßnahmen, um diese Schäden zu minimieren.

5. Kombinierte Lasten bei anormalen Betriebszuständen

Besondere oder anormale Bedingungen können deutlich höhere Gesamtbelastungen als beim Routinebohren verursachen. Beispiele hierfür sind festsitzende Werkzeuge, schwieriges Zurückziehen, übermäßiger Vorschubdruck, unsachgemäßes Leerbohren, Gebirgsstützungsarbeiten und andere nicht standardmäßige Arbeitsvorgänge.

Diese Bedingungen können Biegung, Zug, Druck und Torsion gleichzeitig hervorrufen. Beispielsweise kann ein festsitzendes Bohrgestänge während der Bergung übermäßigen Zugkräften ausgesetzt sein, während beim Bohren ohne Bohrgestänge Aufprallenergie freigesetzt wird, die keinen effektiven Gesteinsbruchweg darstellt. Solche Bedingungen beschleunigen die Materialermüdung und erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines Bauteilversagens.

Zuverlässigkeit durch besseres Werkzeugmanagement verbessern

Ein zuverlässiges Bohrgestängeprogramm sollte Folgendes beinhalten:

• Auswahl von Stäben mit geeigneter Festigkeit, Zähigkeit, Torsionsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit

• Abstimmung der Bohrwerkzeuge auf die Geologie des Standorts und die Leistungsfähigkeit der Ausrüstung

• Überwachung der Geradheit der Stange, des Gewindezustands und des sichtbaren Verschleißes

• Vermeidung übermäßiger Gewaltanwendung und unsachgemäßer Betriebspraktiken

• Beschädigte oder stark verschlissene Bauteile vor dem Auftreten eines Ausfalls ersetzen.

• Schulung der Bediener zur frühzeitigen Erkennung abnormaler Bohrbedingungen

Bei Projekten wie Felsabbau, Steinbruchbetrieb, Bergbau, Tunnelbau oder Gründungsarbeiten hat der Zustand des Bohrwerkzeugs einen direkten Einfluss auf die Produktivität, die Bohrlochqualität und die Sicherheit auf der Baustelle.

Alternative Überlegungen zum Gesteinsabbau

Wenn herkömmliche Bohr- und Sprengverfahren an Vibrationsgrenzen, nahegelegene Bauwerke, behördliche Auflagen oder sensible Betriebsbedingungen stoßen, kann die Prüfung einer technischen Alternative sinnvoll sein. Das Gaea Rock O2 Gas Energy Rock Splitting System nutzt die schnelle Phasenübergangsenergie von flüssigem Sauerstoff für ein kontrolliertes Gesteinsbrechen anstelle herkömmlicher Sprengstoffe.

Die Auswahl sollte stets auf der Standortgeologie, den Projektanforderungen, den lokalen Vorschriften, einer qualifizierten technischen Überprüfung und der geschulten Bedienung basieren.