Material Optimization of Detachable Tools for Earth Boring Applications
Kujanen, Daniel (2021)
Kujanen, Daniel
2021
Master's Programme in Materials Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-11-19
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202110277919
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202110277919
Tiivistelmä
Geothermal energy and ground source heat are forms of renewable energy which can be extracted with a heat exchanger that is installed on the surface level. Vertical ground source heat systems utilise several boreholes with a typical depth varying from 120 to 300 meters. The depth of the borehole sets a requirement on service life and performance of the boring equipment. The boring equipment is expected to achieve the required depth to eliminate any operational downtime caused by additional disassembly and reassembly of the boring equipment. Operational costs can be decreased by improving the dependability and performance of the boring tools. Service life of modern boring tools is restricted due to excessive wear of the tool body and inserts.
Wear of the tool material can be significantly reduced with optimal material and heat treatment selection. Improving the wear resistance of a boring tool by increasing its hardness is often done at the expense of the material’s impact toughness. Maintaining sufficient impact toughness at the required level and increasing the wear resistance of the material will increase the service life of the tool. In depth knowledge of steel heat treatments and wear mechanics is required to establish the optimal combination of wear resistance, strength, and toughness.
The theoretical section of the present work focuses on improving the understanding of steel heat treatments and wear mechanics that are present in boring applications. The study consists of a literature review on the basic principles of the aforementioned topics. The experimental section consists of material characterization and field testing in standard operating conditions. Field tests were conducted at a typical worksite in southern Finland to provide a comprehensive baseline comparison to current boring technology.
Two approaches with different materials and heat treatments were selected to evaluate their suitability for the given application as well as performance over the current technology. Material characterization showed the key differences of the two approaches and helped to explain the observations and results of the field tests. The experimental work done in laboratory and in the field showed that the service life of the body of the boring tool can be improved noticeably with a novel material and heat treatment. The wear resistance of the standard tungsten carbide inserts proved to be the limiting factor in the field tests and therefore, the tests with the sample materials were not run to completion.
Recommendations for further work based on this thesis include further optimization of the applied heat treatments and quantitative wear testing done in a laboratory, as well as mechanical testing as was done in the present work. Field testing should continue with the optimal material and heat treatment combination based on the results of the wear tests and mechanical tests. Future field testing would require more wear resistant inserts to enable testing of the complete service life of the boring tool. Geoterminen energia ja maalämpö ovat uusiutuvan energian muotoja, joiden tuottamaa lämpöä voidaan siirtää maanpinnan tasolle asennetulla lämmönvaihtimella. Pystysuorat lämpökaivot keräävät maalämpöä 120–300 metrin syvyyteen poratuista rei’istä. Porauskaluston kulutuskestävyyden tulee olla vaaditulla tasolla, jotta voidaan porata tarpeeksi syvälle ilman kaluston vaihtoa. Tällöin vältytään ylimääräiseltä kaluston purkamiselta sekä uudelleen kokoamiselta. Porauskaluston käyttökustannuksia voidaan vähentää parantamalla poraustyökalujen luotettavuutta ja suorituskykyä. Modernin porauskaluston käyttöikää rajoittavia tekijöitä ovat poratyökalun rungon sekä runkoon kiinnitettyjen kovametallipalojen kuluminen.
Poratyökalun rungon kulumista voidaan vähentää merkittävästi optimaalisilla materiaali- ja lämpökäsittelyvalinnoilla. Kulumiskeston parantaminen materiaalin kovuutta kasvattamalla johtaa usein siihen, että materiaalin sitkeys laskee. Mekaanisten ominaisuuksien säilyttäminen vaaditulla tasolla sekä kulumiskeston lisääminen pidentävät poratyökalun käyttöikää. Terästen lämpökäsittelyiden sekä porauksessa esiintyvien kulumismekaniikkojen perusteellinen tuntemus ovat avainroolissa, jotta voidaan saavuttaa optimaalinen tasapaino materiaalin kulumiskeston, lujuuden ja sitkeyden välillä.
Diplomityön teoriaosuus painottuu porauksessa esiintyviin kulumismekaniikkoihin sekä terästen lämpökäsittelyihin. Teoriaosuudessa tehdään kirjallisuuskatsaus edellä mainittujen aiheiden perusperiaatteisiin. Työn kokeellinen osuus koostuu laboratoriossa tehdystä materiaalikarakterisoinnista sekä kenttätesteistä. Kenttätestit tehtiin tyypillisellä porakaivotyömaalla Etelä-Suomessa, jotta testien tulokset olisivat vertailukelpoisia nykyisen teknologian kanssa.
Materiaalien ja lämpökäsittelyiden soveltuvuutta kyseiseen käyttötarkoitukseen tutkittiin kahdella eri lähestymistavalla. Testeihin valittiin kaksi erilaista teräslaatua ja niille määriteltiin soveltuvat lämpökäsittelyt. Materiaalikarakterisointi toi esille eri materiaalien keskeiset eroavaisuudet ja auttoi selittämään kenttäkokeiden havaintoja sekä tuloksia. Kenttä- ja laboratoriotestien tulokset osoittivat, että poratyökalun käyttöikää voidaan parantaa huomattavasti vaihtoehtoisen materiaalin sekä lämpökäsittelyn avulla. Kenttätesteissä käytettyjen kovametallipalojen kulutuskestävyys osoittautui rajoittavaksi tekijäksi, eikä kenttätestejä tämän vuoksi voitu saattaa päätökseen näytemateriaaleilla.
Tämän diplomityön tuloksiin pohjautuen testimateriaalien lämpökäsittelyreseptien optimointi ja kulutuskestävyyden kvantitatiivinen testaaminen ovat potentiaalisia jatkotutkimusaiheita. Kenttätesteihin voidaan valita käyttökohteeseen parhaiten soveltuva materiaali kattavien kulutustestien ja diplomityön kokeellista osuutta vastaavien mekaanisten testien avulla. Tulevat kenttätestit vaatisivat kulutuskestävämpiä kovametallipaloja, jotta poratyökalun rungon kulumis- ja väsymiskestoa voidaan testata sen käyttöiän loppuun asti.
Wear of the tool material can be significantly reduced with optimal material and heat treatment selection. Improving the wear resistance of a boring tool by increasing its hardness is often done at the expense of the material’s impact toughness. Maintaining sufficient impact toughness at the required level and increasing the wear resistance of the material will increase the service life of the tool. In depth knowledge of steel heat treatments and wear mechanics is required to establish the optimal combination of wear resistance, strength, and toughness.
The theoretical section of the present work focuses on improving the understanding of steel heat treatments and wear mechanics that are present in boring applications. The study consists of a literature review on the basic principles of the aforementioned topics. The experimental section consists of material characterization and field testing in standard operating conditions. Field tests were conducted at a typical worksite in southern Finland to provide a comprehensive baseline comparison to current boring technology.
Two approaches with different materials and heat treatments were selected to evaluate their suitability for the given application as well as performance over the current technology. Material characterization showed the key differences of the two approaches and helped to explain the observations and results of the field tests. The experimental work done in laboratory and in the field showed that the service life of the body of the boring tool can be improved noticeably with a novel material and heat treatment. The wear resistance of the standard tungsten carbide inserts proved to be the limiting factor in the field tests and therefore, the tests with the sample materials were not run to completion.
Recommendations for further work based on this thesis include further optimization of the applied heat treatments and quantitative wear testing done in a laboratory, as well as mechanical testing as was done in the present work. Field testing should continue with the optimal material and heat treatment combination based on the results of the wear tests and mechanical tests. Future field testing would require more wear resistant inserts to enable testing of the complete service life of the boring tool.
Poratyökalun rungon kulumista voidaan vähentää merkittävästi optimaalisilla materiaali- ja lämpökäsittelyvalinnoilla. Kulumiskeston parantaminen materiaalin kovuutta kasvattamalla johtaa usein siihen, että materiaalin sitkeys laskee. Mekaanisten ominaisuuksien säilyttäminen vaaditulla tasolla sekä kulumiskeston lisääminen pidentävät poratyökalun käyttöikää. Terästen lämpökäsittelyiden sekä porauksessa esiintyvien kulumismekaniikkojen perusteellinen tuntemus ovat avainroolissa, jotta voidaan saavuttaa optimaalinen tasapaino materiaalin kulumiskeston, lujuuden ja sitkeyden välillä.
Diplomityön teoriaosuus painottuu porauksessa esiintyviin kulumismekaniikkoihin sekä terästen lämpökäsittelyihin. Teoriaosuudessa tehdään kirjallisuuskatsaus edellä mainittujen aiheiden perusperiaatteisiin. Työn kokeellinen osuus koostuu laboratoriossa tehdystä materiaalikarakterisoinnista sekä kenttätesteistä. Kenttätestit tehtiin tyypillisellä porakaivotyömaalla Etelä-Suomessa, jotta testien tulokset olisivat vertailukelpoisia nykyisen teknologian kanssa.
Materiaalien ja lämpökäsittelyiden soveltuvuutta kyseiseen käyttötarkoitukseen tutkittiin kahdella eri lähestymistavalla. Testeihin valittiin kaksi erilaista teräslaatua ja niille määriteltiin soveltuvat lämpökäsittelyt. Materiaalikarakterisointi toi esille eri materiaalien keskeiset eroavaisuudet ja auttoi selittämään kenttäkokeiden havaintoja sekä tuloksia. Kenttä- ja laboratoriotestien tulokset osoittivat, että poratyökalun käyttöikää voidaan parantaa huomattavasti vaihtoehtoisen materiaalin sekä lämpökäsittelyn avulla. Kenttätesteissä käytettyjen kovametallipalojen kulutuskestävyys osoittautui rajoittavaksi tekijäksi, eikä kenttätestejä tämän vuoksi voitu saattaa päätökseen näytemateriaaleilla.
Tämän diplomityön tuloksiin pohjautuen testimateriaalien lämpökäsittelyreseptien optimointi ja kulutuskestävyyden kvantitatiivinen testaaminen ovat potentiaalisia jatkotutkimusaiheita. Kenttätesteihin voidaan valita käyttökohteeseen parhaiten soveltuva materiaali kattavien kulutustestien ja diplomityön kokeellista osuutta vastaavien mekaanisten testien avulla. Tulevat kenttätestit vaatisivat kulutuskestävämpiä kovametallipaloja, jotta poratyökalun rungon kulumis- ja väsymiskestoa voidaan testata sen käyttöiän loppuun asti.