鉱業用PDCドリルビット：一般的な故障モードと根本原因分析
現在、鉱山用PDCビットは、主にビット本体、PDCカッティングインサート、ゲージ保護合金で構成されています。PDCカッティングインサートとゲージ保護合金はビット本体にろう付けされています。通常の掘削中、リグはドリルストリングを介してビットにトルクと送り圧力を伝達します。PDCカッティングインサートは穴の底で岩を切削し、ゲージ保護合金はビット本体を円周方向に保護して急速な摩耗を防ぎます。岩石切削中、ビット切刃のPDCカッターにかかる負荷は非常に複雑です。地層、施工方法と機器の選択、作業者の作業習慣、ビットの品質管理のばらつきはすべて性能に影響を及ぼし、さまざまな故障モードにつながる可能性があります。石炭鉱山の掘削現場での現地調査に基づき、故障した鉱山用PDCビットをまとめ、分析した結果、以下の典型的な故障モードと主な原因が特定されました。
1.1 PDC切削インサートの損傷 PDCは高温高圧下で焼結されます。PDC複合材は通常、ダイヤモンド層とタングステンカーバイド（トイレ）基材で構成されます。
PDC 切削インサートの主な故障モードは、通常の摩耗、インサート損失 (引き抜き)、欠け、および剥離です。
(1) 正常摩耗 正常摩耗は、岩石切削中にPDCカッターに生じると予想される劣化です。これは、ダイヤモンド層とWC基材のマクロ的な研磨損失として現れ、摩耗面には明確な破損や欠け跡は見られません。
（2）インサートロス（引き抜き）インサートロスは、PDCインサートがビット本体から完全に外れ、ビットの破損につながる場合に発生します。特徴的な兆候は、インサートがビットから完全に分離し、ビット本体のろう付けポケットに合金の残留物がないことです。
挿入損失の主な原因:
坑底温度の過度上昇：乾式掘削の場合、またはビットの通水路が閉塞している場合、高速回転と切削によって除去できない熱が発生し、坑底温度が急上昇します。ろう材の臨界温度を超えると、ろうが溶融し、インサートが脱落します。
ろう付けプロセスの制御不良: 溶接前の洗浄が不十分、ろう付けが不完全または多孔質、ガス抜きが不十分、ろう付け後の保持温度/時間が不適切などにより、インサートの引き抜きが発生する可能性があります。
対策：
製造業者は、完全で健全な溶接を確実に行うために、生産工程、特にろう付けを厳密に管理する必要があります。
現場では、可能な場合は乾式掘削ではなく湿式掘削（十分なフラッシング）を採用してください。深掘削中は、戻り流が確立されるまで待ってからドリルパイプを追加してください。局所的な過熱を避けるため、ビットを穴に入れる前にビットの水路が詰まっていないか確認してください。
（３）チッピング（エッジ破損）チッピングとは、PDCダイヤモンド層の破損や欠損のことであり、多くの場合は局所的に発生しますが、ひどい場合にはダイヤモンド層がWC基板の一部とともに破損することもあります。
欠けの主な原因:
カッター材料の特性: 選択したカッターは耐衝撃性が低いか、トイレ 基板とダイヤモンド グリット間の結合強度が不十分で、衝撃を受けると欠けやすくなることがあります。
動作パラメータ: 表面での過剰な送り圧力/ビット重量 (ウォブ) により、カッターが強度限界を超えて過負荷になり、ダイヤモンド層の剥離や欠けが発生する可能性があります。
複雑な地層: 硬く砕けた地層では、衝撃荷重がカッターの衝撃靭性を超え、欠けが生じる可能性があります。
ビット設計：カッターのすくい角／切削角が不適切（例：硬い地層に対して切削角が小さすぎる）な場合、カッターの負荷が増加し、チッピングが促進されます。一般的に、硬い地層ではより大きな切削角が必要です。
外部障害: 地下作業中に屋根ボルトやケーブルボルトなどの岩盤補強要素に遭遇すると、カッターの欠けが発生しやすくなります。
対策：
ビット製造元が推奨する動作パラメータに従ってください。
地層の条件に合わせてビットの選択と設計を行います。硬い地層の場合は、カッターのすくい角/切削角度を大きくして攻撃性を低減し、カッターを保護します。硬く断片化された地層の場合は、衝撃靭性が高い PDC カッターを選択するか、カッター外部形状を変更して耐衝撃性を向上させます (例: 同等の製造プロセスでは、凸曲面は平面よりも衝撃性能が優れています)。
可能な場合は、既知のアンカーやボルトを避けるように穴の軌道を計画します。
（４）剥離剥離とは、PDC複合材のダイヤモンド層とWC基板との間の分離を指します。
剥離の主な原因：ダイヤモンド層とWC基板の間に大きな残留応力が生じ、熱膨張係数の差と相まって、摩擦による加熱と掘削流体による冷却が交互に繰り返される際に、不均一な収縮が生じます。衝撃荷重と残留応力の複合的な影響により、ダイヤモンド層が基板から剥離することがあります。
対策：
製造時には、ダイヤモンド層と トイレ 基板間の残留応力を最小限に抑えるために適切な結合材料と処理パラメータを選択します。
基板とインターフェースの形状（新しいインターフェース形状など）を最適化して、ダイヤモンド層と基板間の機械的な連結と結合強度を向上させます。
1.2 ビット本体の故障 ビット本体の故障は主にビット ウィング (ビット ブレード) の破損として現れます。
翼の破損は主に焼結/マトリックスビットで発生し、スチールボディビットではまれです。
マトリックスビットの翼破損の原因:
ビットの取り付け時または取り外し時のビット翼への衝撃：マトリックスビットクラウンは、多くの場合粉末冶金法で製造され、一体焼結されています。標準的なスチール製ビットと比較して、焼結マトリックスビットは耐摩耗性に優れていますが、靭性は低いため、取り外し時にビット翼に衝撃を与えると、容易に翼が破損する可能性があります。
焼結プロセスの制御が不十分: 不完全な焼結または介在物 (焼結されていない粉末の島) は、粉末が均質なマトリックスに完全に固化していないことを意味します。
対策：
メイクアップおよびブレイクアウト中、オペレーターは適切なツール (パイプ トングやスパナなど) を使用して補助し、ビット ウィングを叩かないようにする必要があります。
製造業者は焼結品質を厳密に管理する必要があります。焼結プロセスを厳密に管理し、金属粉末原料を定期的にチェックして、プロセス仕様を満たしていることを確認する必要があります。
