در پروژه‌های عمرانی و معدنی زیرزمینی، سختکاری مته‌ها و تجهیزات حفاری تونل (TBM) با آلیاژهای خاص به عنوان راهکاری بنیادین برای مهار سایش و حفظ یکپارچگی ابزارهای درگیر با سنگ و خاک شناخته می‌شود. شرایط دشوار زمین‌شناسی نظیر برخورد با لایه‌های متراکم کوارتزی، رسوبات آبرفتی ساینده و شرایط زمین ترکیبی، نرخ استهلاک مته‌ها، کاترهد و سیستم‌های انتقال مصالح را به شدت افزایش می‌دهد. توقف‌های مکرر دستگاه حفار مکانیزه برای جایگزینی یا ترمیم این قطعات هزینه‌های هنگفتی را به پروژه تحمیل می‌کند؛ از این رو اعمال روش‌های مهندسی سختکاری سطحی به همراه متریال تخصصی، راهکاری مؤثر برای پایدارسازی عملیات حفاری است.
چالش‌های سایش در اجزای حفار مکانیزه تونل (TBM)
مکانیزم تخریب سطحی در دستگاه TBM ترکیبی از سایش خراشان شدید، بارهای ضربه‌ای متناوب و فرسایش ناشی از جریان پیوسته لجن و دوغاب ساینده است. تنش‌های تماسی بالا در جبهه حفاری باعث جدا شدن ذرات میکرونی فلز و تغییر شکل لبه‌های فعال می‌شود. بخش‌های اصلی که نیازمند حفاظت ضدسایش هستند عبارتند از:
- دیسک‌کاترها و ابزارهای برشی: رینگ‌های برش و مته‌های خراشنده که به طور مستقیم وظیفه خردایش سنگ را بر عهده دارند و تحت بارهای فشاری و برشی بالا دچار زوال ابعادی می‌شوند.
- صفحه و بازوهای کاترهد: سازه فلزی کاترهد که در میان حجم عظیمی از سنگ‌ریزه‌ها و دوغاب تحت فشار دوران می‌کند و دچار سایش فرسایشی شدید با زاویه برخورد متغیر می‌شود.
- ماردون انتقال مواد (اسکرو کانوایر): پره‌ها و گام‌های اسکرو کانوایر که مصالح حفاری‌شده را تحت فشار معکوس به خارج از چمبر هدایت می‌کنند و به شدت مستعد خراشیدگی سطحی هستند.
متالورژی آلیاژهای سختکاری و پوشش‌های مقاوم به سایش
انتخاب آلیاژ مناسب برای روکش‌کاری سخت قطعات حفاری تونل، تابعی از نوع زمین‌شناسی، کانی‌شناسی سنگ و مکانیزم قالب سایش است. شرکت توان پایش ماد به عنوان تامین‌کننده سیم‌جوش‌ها و الکترودهای ضدسایش Corodur آلمان و Martec فرانسه، رویکردهای آلیاژی متعددی را در این حوزه ارائه می‌دهد:
کامپوزیت‌های کاربید تنگستن (FTC)
برای مناطقی که سایش خراشان پرفشار غالب است، آلیاژهای حاوی ذرات کاربید تنگستن ذوبی در یک ماتریس چقرمه بر پایه آهن یا نیکل بالاترین مقاومت سایشی را فراهم می‌آورند. این فازهای کاربیدی با سختی میکروسکوپی بسیار بالا مانع از خراشیده شدن سطح فولاد پایه توسط ذرات کوارتز می‌گردند و هندسه ابزارهای برشی را در فواصل طولانی حفظ می‌کنند.
آلیاژهای کاربید کمپلکس با پایه کروم، نیوبیوم و وانادیوم
در سطوحی نظیر بازوهای کاترهد و پره‌های اسکرو کانوایر، استفاده از سیم‌جوش‌های توپودری آلیاژبالا که کاربیدهای سخت اولیه و یوتکتیک ایجاد می‌کنند بسیار متداول است. این پوشش‌ها بدون نیاز به حرارت‌دهی‌های پیچیده، سختی سطحی در حدود ۶۳ تا ۶۷ راکول سی را به همراه مقاومت مناسب در برابر سایش لغزشی و جریانی تامین می‌نمایند.
روش‌های اجرایی جوشکاری و الزامات لایه‌های واسط
اجرای بدون عیب سختکاری در ادوات TBM مستلزم رعایت دقیق رویه‌های متالورژیکی است. به دلیل تنش‌های متناوب حین چرخش کاترهد، اعمال مستقیم آلیاژهای پرکاربید بر روی فولادهای کم‌آلیاژ سازه کاترهد ممکن است باعث اشاعه ترک به فلز پایه شود. بنابراین، استفاده از یک لایه بافر میانی از جنس آلیاژهای آستنیتی کارسخت‌شونده جهت جذب تنش‌های تسلیم و تنش‌های حرارتی الزامی است.
فرآیندهای جوشکاری نظیر جوشکاری با سیم توپودری تحت گاز یا بدون گاز (FCAW) و فرآیندهای قوسی پلاسما (PTA) به دلیل رقت‌یافتگی کنترل‌شده و رسوب‌نشانی یکنواخت، گزینه‌های ایده‌آل برای روکش‌کاری دیسک‌ها و صفحات محافظ کاترهد هستند. رعایت محدوده دمای بین‌پاسی و کنترل حرارت ورودی مانع از شکنندگی متالورژیکی زیرلایه حین جوشکاری می‌گردد.
هم‌افزایی سختکاری سطحی با سیستم‌های روانکاری مرکزی و آب‌بندی TBM
عملکرد پایدار کاترهد و مته‌های سخت‌کاری‌شده ارتباط ناگسستنی با کارکرد سیستم‌های روانکاری خودکار و آب‌بندی دستگاه TBM دارد. نفوذ آب، دوغاب و ذرات ساینده خردشده به بیرینگ اصلی کاترهد، ریسک توقف کلی شیلد را به همراه دارد. در این ماشین‌آلات، یاتاقان اصلی کاترهد نیازمند روانکاری با روغن گردشی مجهز به سیستم فیلتراسیون، خنک‌کن و هشدار پیوسته است.
همچنین حفاظت از آب‌بندهای اصلی که متشکل از سه لبه بزرگ هستند، از طریق تزریق مداوم و کنترل‌شده گریس بین آب‌بندها توسط پمپ‌های فشاربالای پیش‌رونده انجام می‌گیرد. فشار آب و دوغاب محیط حفاری، روانکاری پایدار پینیون و دنده گردان، اسکرو کانوایر و سیلندرهای هیدرولیک را الزامی می‌سازد. مهار سایش ابعادی قطعات از طریق سختکاری، بارهای خارج از مرکز و ضربات نامتقارن به یاتاقان اصلی و آب‌بندها را به حداقل می‌رساند و مانع از شکست زودهنگام پکینگ‌های آب‌بندی در شرایط تحت فشار می‌گردد.
جمع‌بندی نهایی
اجرای اصولی سختکاری مته‌ها و تجهیزات TBM با آلیاژهای پیشرفته کاربیدی، نرخ فرسایش قطعات خط مقدم حفاری را کنترل کرده و زمان در دسترس بودن دستگاه مکانیزه را افزایش می‌دهد. دست‌یابی به بهره‌وری پایدار در تونل‌سازی منوط به ترکیب مهندسی متالورژی سطحی با نگهداری سیستم‌های روانکاری مرکزی و پایش آب‌بندهای اصلی است؛ رویکردی که پایداری عملیاتی را در سخت‌ترین شرایط زمین‌شناسی تضمین می‌نماید.