PERFORACIN Y VOLADURA I

Calidad que se acredita internacionalmente

ASIGNATURA

PRIMERA UNIDAD

TEMA N 12 TRICONOS

DOCENTE: Ing. Benjamn Manuel Ramos Aranda

Huancayo, 2015

Asignatura: Perforacin y Voladura I

MATERIAL DE ESTUDIO:

TEMA N 12 TRICONOS

TRICONOS.

Compilado y adaptado de:

LPEZ JIMENO, Carlos; LPEZ JIMENO, Emilio; GARCA BERMDEZ, Pilar. Madrid: Ed. Entorno Grfico Manual de Perforacin y Voladura de Rocas.

Madrid, 2003. UBICACIN: Biblioteca UCCI: 622.23/L87

Material preparado con fines de estudio de alumnos del curso de Perforacin y Voladura de

la Universidad Continental

/Captulo 5/

/

TRICONOS/

/

/ 1. TRICONOS rocosas blandaso de poca resistencia,pero,en la ac-tualidad,estos tiles han permitidoa la perforacinrotativacompetir con otros mtodos empleadosenrocas duras.

Eltrabajodeuntriconosebasaen lacombinacindedos acciones:

- Indentacin:Los dienteso insertos del tricono penetranen laroca debido al empujesobre la boca. Este meca-nismo equivalea la trituracinde la roca.

Aunque la aparicin de los triconos como herra-/ mientade perforacinse remontaal ao 1910,puede

decirsequehastaeldesarrollode losequiposrotativosen la dcada de los 60 no se logr un perfecciona-

/ mientoeneldiseoyfabricacindeestetipodebocasquehicierasu utilizacinmasivaenminera.

Enunprincipio,sloeranaplicablesenformaciones/

BOTON OE EMPUJE

TUBO DE AIRE

(FILTRO AIRE DEL COJINETE)

/

CANAL DE ASCENSIONDEL DETRITUS

/

/

BOQUILLAREEMPLAZABLE

/

ENTRADA DE AIREA LOS COJINETES

/PROTECCIONESDE LA PATA

VALVULA DERETENCION

/

"" FALDON

/RODAMIENTODE RODILLOS

TACON DE PROTECCIONDEL CONO

/INSERTOS DE PRO-TECCION DEL FALDON

INSERTO DE LA FILA "D""/

INSERTO DE LA FILA "c"

RODAMIENTO DE BOLAS

"./

"/ Figura5.1. Esquema de trcono (Smith-Gruner).

"/

91

- Corte:

Los fragmentosde roca se forman debido al mo-vimiento lateral de desgarre de los conos al girarsobre el fondo del barreno.

La accin de corte slo se produce, como tal, enrocas blandas, ya que en realidad es una complejacombinacin de trituracin y cizalladura debido al mo-vimiento del tricono.

2. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS Y CRITERIOS DEDISEO

Los elementosconstitutivosde un triconoy, conse-cuentemente,de diseoson: los conos, los rodamien-tosy el cuerpodeltricono.

2.1. Conos

Los parmetrosde diseode los conos son los quese exponena continuacin.

2.1.1. Angula del eje del cono

Uno de los aspectosms importantesque se tieneen cuenta en el diseo de un tricono, es el nguloque forman los ejes de los conos con la horizontal.Este ngulo determinael dimetrodel cono dentadode acuerdo con el dimetrodel barreno.Si aumentael ngulo el dimetrodel cono debe disminuiry rec-procamente.Fig. 5.2.

"'lf

1

,1

~~\

\

\

-j

Figura 5.2. Angula del eje del cono.

92

En la Fig. 5.3, se observan los parmetros geomtri-cos que caracterizan ~adisposicin de los conos den-tados para dos tipos de roca diferentes.

ROCA BLANDA ROCA DURA

I

~ CJE DE ROTA",O'-/ TR,CONO ~I

I !15"l\1f UNEA HOR>zO'TAC

""OR - o,M.,OR-oMAYOR-d

MAYOR- coME'OR- oM"OR- d

'----.

"ANGOeO OEe eo,o

O,""Goeo O" E" O" eo,od . O>AMETRO OEe eo,o

, .SA""TEO" eo,o

Figura 5.3. Angulos del eje del cono en dos tipos de roca.

El avance del tricono en el fondo del barreno lo

regula en gran parte el tamao y forma de los conos, esdecir el perfil del mismo.

2.1.2. Descentramiento

Otro factor a tener en cuenta en el diseo es el des-

centramiento u offset de los ejes de rotacin de losconos. Fig. 5.4.

DIRECCION

DE ROTACION

~

Figura5.4. Descentramiento(HughesTool Co.).

En el caso de rocas du ras, este descentramiento es

prcticamente nulo, con lo que el arranque de la rocase efecta por trituracin al sufrir los conos un movi-miento de rodadura perfecta. En rocas blandas setiende a que el descentramiento sea mayor, obtenin-dose as la rotura de la roca por desgarre o ripado, yaque los conos experimentan un movimiento de desli-zamiento junto con el de rotacin. En rocas de tipomedio se combinan por igual ambos efectos de rota-cin y deslizamiento, obteniendo el arranque de la rocapor trituracin y desgarre.

\

2.1.3. Angula del cono

El angula del cono es inversamente proporcional alangula del eje del cono, de forma que cuando steaumenta el angula del cono debe disminuir para evitarlas interferencias entre los conos. Fig. 5.5.

---

,,- ~ r---L CONO ANGULO DEL CONOFigura 5.5. Angula del cono, longitud de dientey espesor del cono (Smith-Gruner).

2.1.4.Longitud de los dientes

Enuntricono dedientesla longituddestosestdefinidapor la profundidadde lafresaenel cono.Si eltricono es de insertos, la longitudvendrdada por lapartevisible de los botonesde metalduro. Fig. 5.5.

2.1.5.Espesor del cono, .Se debedisponerdeunespesormnimo""paraase-

gurar la resistenciaestructuraldel cono. El espesorestdeterminadoporeltamaode los cojinetes,por laprofundidadde lafresaen lostriconosdedientesyporla profundidadde encastramientoen los de botones.Fig.5.5.

2.2. Rodamientos

Los tipos de rodamientos empleados en los triconosson los siguientes:

- Bolasy rodillos.- Rodamientosplanoscon lubricacin.

La pista de rodillos aguanta la mayor parte de lacarga radialen el cono, mientrasque los cojineteslohacenen unapequeaparte.

La superficie de empujeperpendicularal pasadorguay al botnde empujeestdiseadaparasoportarcargashaciael exterior.La pistade bolas mantieneelcono en funcionamientoy soportael empujehacia elinterior.Cuandootraspartesdelcojineteestndesgas-tadas, la pistade bolastambinsoportaralgunascar-gas radialesy excntricas.

En los triconosde perforacinde barrenosun por-centajeelevadode aire se desvaa travsde los coji-netescon objetode refrigerary limpiarlos elementosdel mismo. La adicin de aceite a la tubera de airecomprimidocontribuyea mejorarla vida de los cojine-tes y,portanto,disminuyeel costede perforacin.

2.3.Cuerpo del tricono

El cuerpodeltriconose componedetrespartesidn-ticas que se denominanglobalmentecabeza. Cadacabeza contieneun cojineteintegralsobre el que seinsertael cono y tambinlosconductosa travsde loscualescirculael fluidode barridopara limpiarlos detri-tus deperforacindelfondode losbarrenos.

93

Una de las tareas del cuerpo del tricono es la de diri-gir el fluido de barrido hacia donde la limpieza sea msefectiva.

Los triconos actuales son de chorro (jet) que impul-san el aire entre los conos directamente al fondo del

barreno, debiendo suministrar los compresores el sufi-ciente caudal y presin para limpiar tanto el fondo delbarreno como los conos.

Mediante soldadura controlada por ordenador seunen las tres cabezas en una unidad y despus semecaniza la rosca donde se inserta la tubera.

La rosca transmite al tricono los esfuerzos de torsin

y los axiales producidos por la perforadora a travs delas tuberas.

3. METALURGIA DE LOS MATERIALES DELTRICONO

Uno de los xitos conseguidosen la fabricacindelostriconoshasidoelempleodealeacionesespeciales

diferentes para cada uno de los elementos que loconstituyen. Tabla 5.1.

4. TIPOS DE TRICONOS

Existen dos tipos de triconos:

- De dientes.

- De insertos.

Los triconos de dientes tienen la ventaja de su bajocoste, pues valen la quinta parte que uno de insertos.Sin embargo, las ventajas de los de insertos son:

- Mantienen la velocidad de penetracin durante lavida del tricono.

- Requieren menos empuje para conseguir una velo-cidad de penetracin.

- Precisan menos par, y as disminuyen las tensionessobre los motores de rotacin.

TABLA 5.1

94

TIPO DEELEMENTOS DEL TRICONO PROPIEDADES REQUERIDAS ACERO

Cono Resistencia al impacto y a la abrasin Carbono, manganeso,nquel y molibdeno

Cabezas Resistencia a la fatiga. Carbono, manganeso,Alta resistencia al impacto. Sol dable cromo y molibdeno

Cojinetes de rodillos Alta resistencia al impacto Carbono, manganeso,y bolas nquel, cromo

y molibdeno

Pasadores y buje gua Resistencia al desgaste Cromo, carbono,nquel, manganeso

.> , y silicio

Botn de empuje Resistenciaal desgaste Carbono, wolframio,.. .; cromo, molibdeno'- "y vanadio

Superficie de cojinetes Resistenciaal desgaste Cobalto, cromo,carbono, wolframioy nquel

Dientes Resistenciaa la abrasin elevada Wolframio,carbono

Insertos Resistenciaa la abrasin elevada. Wolframio,carbonoResistenciaal impacto y cobalto

./- Reducenlasvibraciones,produciendomenosfati-

gasenla perforadoray enelvarillaje.

./ - Disminuyeel desgastesobreel estabilizadory labarraporquelos insertosdecarburomantieneneldimetrodeltriconomejorquelosdedientes.

./ - Producenmenosprdidasdetiempoporcambiodebocasy menoresdaosa lasroscas.

./ 5. SELECCION DEL TIPO DE TRICONO

./

En la seleccindeltipodetriconoinfluyenfunda-mentalmentela resistenciaa compresindelarocaysudureza.Normalmente,losusuariosenvanmuestras

./ alascompaasfabricantesdetriconosparaquease-sorensobreeltipodebocaa utilizar,velocidadesdepenetracinprobablesy duracinenmetros.

./

./

./

./

./

./

./

Foto5.1. Triconodedientesparaformacinblanda(HughesTool Col.

./

./

./

./

./

./

5.1. Triconos de dientes

Lostriconosdedientesseclasificanentrescatego-ras,segneltipodeformacinrocosa:blanda,mediay dura.

A. Formaciones blandas

Lostriconosparaformacionesblandastienenroda-mientaspequeoscompatiblesconlosdienteslargosy lospequeosempujessobrelabocaquesonnece-sarios.Losdientesestnseparadosylosconostienenundescentramientograndeparaproducirunefectodedesgarreelevado.Foto5.1.

B. Formaciones medias

Lostriconosparaestasformacionestienencojinetesdetamaomedio,deacuerdoa losempujesnecesa-

Foto5.2. Triconodedientesparaformacinmedia(HughesToolCol.

Foto5.3. Triconoparaformacionesduras(HughesToolCol.

95

TABLA 5.2. CLASIFICACION GENERAL DE TRICONOS DE DIENTES

CARACTERISTICAS

DE DISEO

CLASES DE ROCA

ACCION

DE CORTE MARCA Y MODELO' '

Formaciones blandas

Baja resistencia a compre-sin y fcilmente perforables(pizarras, arcillas, calizasblandas-medias).

Formaciones medias

(Pizarras duras, pizarrasarcillosas, calizas duras,areniscas).

Formaciones duras

(Calizas silceas, dolomas,areniscas).

rios y el tamao de los dientes.La longitud de los dientes, espacia miento y descen-

tramiento son menores que en los triconos de forma-ciones blandas. Foto 5.2.

C. Formaciones duras

Los triconos de formaciones duras tienen cojinetes

grandes, dientes cortos, resistentes y muy prxi-mos unos de otros. Los conos tienen muy poco des-centramiento para aumentar el avance por trituracin,requirindose empujes muy importantes. Foto 5.3.

En la Tabla 5.2. se da una clasificacin de los trico-

nos de dientes, su aplicacin y sus caractersticas decorte.

5.2. Triconos de insertos

Existen cuatro tipos de triconos, que se diferencianen el diseo y tamao de los insertos, en el espacia"miento de los mismos y en la accin de corte. Fig. 5.6....En la Tabla 5.3 se especifican los tipos detriconos yaccin de corte en funcin de la clase de rota a perfo-rar.

I1I

Figura 5.6. Clases de insertossegn los tipos de triconos.

96

H, HR VH1VQM

TH GRHGRHC

' '

6. EFECTOS DE LOS PARAMETROS DEOPERACION SOBRE LOS TRICONOS ~

Las principalesvariablesdeoperacinen laperfora-cin rotativason: ~

- El empujeo peso sobre la bocay- La velocidadde rotacin.

~

6.1. Efecto del peso sobre los cojinetes

La vidadeun cojinetees inversamenteproporcional ' 'al cubo del peso ejercidosobre el mismo.Pero,comoen los triconos se empleanelementosde friccin quesufrendesgastesy fatigas,estarelacinno esvlidayse aceptaque la duracin de un cojinete es inversa- ~menteproporcionalal pesoelevadoa unapotenciaquevaraentre1,8Y2,8.

~

6.2. Efecto del peso sobre los elementos de corte

Elpesoexcesivoproducelaroturadelos insertosyeldesgastede la estructurade corteen rocas duras.

En formacionesblandasy no abrasivas,laestructurade corte raramentelimitala vidadel tricono y un em-pujealto no d lugara daos,siemprequeexistasufi- ~cienteaire para limpiarel fondo del barreno.

"---

6.3. Efecto de la velocidad de rotacin sobre lavida de los cojinetes ~

La vida de los cojineteses inversamenteproporcio-nal a la velocidad de rotacin. ' '

6.4. Efecto de la velocidad de rotacin sobre loselementos de corte

En formacionesabrasivasel desgastede los insertosaumentacon lavelocidadderotacin.En formacionesduras,unaaltavelocidadde rotacinproduceroturasde los insertospor impacto. ~

' '

'-. ~

SEPARACION I ALTURA I DUREZA

ARRANQUE ARRANQUE

ENTRE DE DE POR POR HUGHES

REED I

SMITH VAREL '-----'

DIENTES DIENTES REVESTIM. TRITURACION DESGARRE

'-----'V3

8

I

T8

I GR4 I V3M

IG;C Iv221

'-----'

M I TM

Insertode InsertodeCarburode Carburode

OTungstenode

OTungstenode

DienteLargo FormaConica

11 IVInsertode InsertodeCarburode Carburode

OTungstenoen TungstenoenFormadeDiente OUForma Ovoide oCnica

Fotos 5.4,5.5,5.6Y 5.7. Tipos de triconos de insertos (HughesToo!Col.

97

TABLA 5.3. CLASIFICACION GENERAL DE TRICONOS DE INSERTOS

CLASES DE ROCA

FormacionesblandasBaja resistencia acompresin40 MPa)y alta perforabilidad(talco,pizarra,arcillas,yesos,etc.)

Formaciones mediasy mediodurasLas primeras con re-sistenciasentre40y90MPa (calizas, mrmo-les, esquistos, fluori-tas, etc.). Las segun-das,con RC entre90y170 MPa (dolomas,grauwacas, feldes-patos, granitos, gnel-ses, etc.)

FormacionesdurasCon RC entre170y230MPa (cuarcitas,piritas,basaltos, taconitas).Mayorabrasividad

Formaciones muydurasCon resistencias su-perioresa los 320MPa(lava, topacio, corin-dn, etc.)

CARACTERISTICAS

DE DISEOACCION

DE CORTE

"-MARCA Y MODELO

TIPORESALTE

I

ARRANOUE

I

ARRANOUE

I

DE

DE POR POR TRICONOI HUGHES I REEDINSERTOS TRITURAC, DESGARRE

7. SElECCION DE TOBERAS

Los triconosse disean para que una parte del aire,que aproximadamente e'sun 20%, se aproveche para larefrigeraciny limpieza de los cojinetes: El resto del,aire pasa a travs de unas toberas, con el fin de limpiar

ISlsconos dentadosy producir la turbulencia necesariapara iniciar la elevacin de los detritus a travs del espa-cio anular. Estas toberas disponen de unos diafrag-mas, los cuales pueden cambiarse de posicin paraobtener las condiciones adecuadas y conseguir unalimpieza efectiva en el fondo del barreno. Tambin,pueden utilizarse toberas recambiables para el mismofin.

Para el clculo del dimetro de las toberas, segn sedisponga de una sola o de tres, se utilizan las siguien-tes expresiones:

d = Oat 43,34 (Pa +32,4)

para 1 tobera

d = OaI 130,01(Pa+32,4)

98

para 3toberas

SMITHTOOL

SECU-RITY

ATLASCOPCO

"-VAREL

HH33M51M52

CS251CS311CS38104JL I OMC9 S8M

'--

I Y 111 HH44HH55

O~L IOMC7

1

M8M

I

CM~1OMCn CM311OMC6 CM381

"-M62M70

"---...

donde:'--

d,OaPa

= Dimetro de la tobera (mm).= Caudal de aire (m3/min).= Presin de salida del compresor (kPa).

'---

'-

8. EVAlUACION DE lOS TRICONOSGASTADOS

',---

'--Un trabajo irrportante en la utilizacin efectiva de los

triconos lo constituye el anlisis de las bocas gastadas,ya que la identificacin de las posibles causas ayudan acorregir los errores de operacin y mejorar la seleccin '--del tipo de tricono. Los fallos de las bocas se producengeneralmente debido a tres causas:

'--- Fallos de los cojinetes.

- Fallos de la estructurade corteyFallos del faldn.

'--

111 I HHn M73 07JL OMCS H8M CH251I '----HH88 M80 OMCH H10M CH311

-1'--

IVI HH99 I M83 I 09JL I IH10M3 CH381M84 H10M4 '--

'--

Ja) Fallos de los cojinetes

J TABLA 5.4

J

J

./

./

J

Foto5.8. Roturadeinsertos(HughesToolCol.'"

J

b) Fallos de la estructura de corte

TABLA 5.5./

./

J

J

c) Fallos del faldn

./ TABLA 5.6

./

../

../

./

../

./

../

Foto 5.9. Desgastede faldn (HughesTool Col.

99./

CAUSAS POSIBLES SOLUCIONES

Velocidad de rotacin ex- Reducir la velocidadcesiva de rotacin

Tipo de tricono Cambiar a otroinadecuado tipo

Aire insuficientepara Chequearel compresorrefrigerarlos cojinetes y el varillaje

Bloqueo del paso del Chequearel conductoaire del aire

Empujeexcesivosobre Reducir el empujeel tricono

CAUSAS POSIBLES SOLUCIONES

Aire insuficienteparalimpiarel centrodelbarreno Aumentarel volumende aire o disminuir avance

Eleccin inadecuadadel tricono Cambiaral tipo siguiente

Excesivavelocidad de rotacin Reducir la rotacin

CAUSAS POSIBLES SOLUCIONES

Aire insuficienteparalavelocidaddepenetracin Aumentarvolumende aire o reducir avance.Formacionesdiaclasadasy abrasivas Programapararecrecerfaldones-Pandeo de la barra

lf'Cambio de la barra

9.\..

EJEMPLO DE SELECCION DE UNTRICONO

3. El empujeque debe proporcionar la perforadorase calcula a partir de la resistenciade la roca y deldimetro: "

En una explotacin se desea perforar con un di-metro de 9" (229 mm) una roca con una resistencia ala compresinde 30.000Ib/pulg 2 (206,8 MPa).

30.000x 9 =54.000lb.5

1. El empuje mximo sobre un tricono de 9" vienedadopor la expresin:

4. El tipo de tricono vieneindicado por el valor en-tero que resulta de dividir la resistenciaa compre-sin de la roca, en Ib/pulg,2por 10.000.

En esteejemplodeben ser del tipo 111,es decir coninsertos de carburo de forma cnica.

EM = 810X D2 =810 X 92 = 65.610lb.

65.610=7.290E = g-

lb-.pulg

10. CODIGO IADC (International Association01 Drilling Contractors)

2. El empujepor unidad de dimetro multiplicadopor 5 indica la resistenciaa compresinmximaquepuedeser perforadapor esa boca al empujemximo.En estecaso se tiene 7.290 x 5 = 36.450Ib/pulg2(251,3MPa), luego la operacinpuede realizarse.

- Primer dgito (1a 8)

Triconos de dientes: 1-X-X.

2-X-X.

3-X-X.

4-X-X.

Triconos de insertos: 5-X-X.

6-X-X.

7-X-X.

8-X-X.

- Segundo dgito (1a 4)

X-1-X.X-2-XX-3-XX-4-X

- Tercerdgito(1a7)

El cdigo IADC es un sistemade designacinde lostriconos con el que se especificael tipo de boca (dedienteso insertos), la formacin rocosa para la queestprevistoy alg_unoscriteriosde diseo del mismo.

Formacionesblandasconbajaresistenciaa lacompresinyaltaperforabilidad.

Formacionesdetipomedioy semiduras,conaltaresistenciaa lacompresin.

Formacionessemidurasabrasivas.

(Reservadoparausosfuturos.)

Formacionesblandasa mediasconbajaresistenciaa lacompresin.

Formacionessemidurasconaltaresistenciaa la compresin.

Formacionessemidurasy abrasivas.

Formacionesmuydurasy abrasivas.

Designa la clasificacin de durezade la roca de blandaa duraen cada clase de la serie.

~ .lf

Establecedistintascaractersticasen relacina rodamientosy diseoespacialde los insertosde lafila exteriorde los conos.

X-X-1

X-X-2.

X-X~3.

X-X-4.

X-X-5.

100

Tricono estndarde rodamientoscilndricos abiertos.

Tricono estndarde rodamientoscilndricosabiertosy barridoexclusivamentecon aire.

Tricono estndarde rodamientoscilndricos abiertos,con insertosespecialesde carburo de tungstenoen el tacn exteriorde los conos.

Tricono de rodamientoscilndricos sellados.

Triconode rodamientoscilndricosselladoscon insertosespecialesde car-burodetungstenoeneltacnexteriorde losconos.

X-X-6.

X-X-7.

Triconodecojinetesdefriccinsellados.

Triconosde cojinetesde friccinselladoscon insertosespecialesde car-burodetungstenoeneltacnexteriordelosconos.

BIBLlOGRAFIA

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- HUGHES TOOL CO.: BlastHole Bit Handbook.LaboratoryTests PredictionDrillability.January, 1982.

- MACCALLUM, H. F., andSANGER, J. G.: UsedRock BitsTell a Story BeadThem.Reed Mining Tools.

- REED TOOL CO.: BlastHole DrillingTechnology Hand-book.Curso de FormacinTcnica sobre Perforacin de Ba-rrenos.

- VAREL MANUFACTURING CO.: Design & ApplicationDatafor Varel Drill Bits.

101