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Tribología rocosa

TRIBOLOGÍA DEL ROCK

UTILIZANDO EL TRIBÓMETRO NANOVEA

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

INTRODUCCIÓN

Las rocas están compuestas por granos de minerales. El tipo y la abundancia de estos minerales, así como la fuerza de enlace químico entre los granos minerales, determinan las propiedades mecánicas y tribológicas de las rocas. En función de los ciclos geológicos de las rocas, éstas pueden sufrir transformaciones y suelen clasificarse en tres grandes tipos: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Estas rocas presentan diferentes composiciones minerales y químicas, permeabilidades y tamaños de partículas, y tales características contribuyen a su variada resistencia al desgaste. La tribología de rocas explora los comportamientos de desgaste y fricción de las rocas en diversas condiciones geológicas y ambientales.

IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA DE LAS ROCAS

Durante el proceso de perforación de pozos se producen diversos tipos de desgaste contra las rocas, como la abrasión y la fricción, que provocan importantes pérdidas directas y consecuentes atribuidas a la reparación y sustitución de brocas y herramientas de corte. Por lo tanto, el estudio de la perforabilidad, la perforabilidad, la cortabilidad y la abrasividad de las rocas es fundamental en las industrias del petróleo, el gas y la minería. La investigación de la tribología de las rocas desempeña un papel fundamental en la selección de las estrategias de perforación más eficaces y rentables, mejorando así la eficiencia global y contribuyendo a la conservación de los materiales, la energía y el medio ambiente. Además, minimizar la fricción superficial es muy ventajoso para reducir la interacción entre la broca de perforación y la roca, lo que se traduce en un menor desgaste de la herramienta y una mayor eficacia de perforación/corte.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, simulamos y comparamos las propiedades tribológicas de dos tipos de rocas para mostrar la capacidad del NANOVEA T50 Tribómetro en la medición del coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de las rocas de forma controlada y monitorizada.

NANOVEA

T50

SABER MÁS

LAS MUESTRAS

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca se evaluaron con el tribómetro NANOVEA T50 utilizando el módulo de desgaste Pin-on-Disc. Se utilizó una bola de Al2O3 (6 mm de diámetro) como contramaterial. La huella de desgaste se examinó utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA después de las pruebas. Los parámetros de la prueba se resumen a continuación. 

La tasa de desgaste, K, se evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área transversal de la pista de desgaste y n es el número de revoluciones. La rugosidad de la superficie y los perfiles de la pista de desgaste se evaluaron con el perfilómetro óptico NANOVEA, y la morfología de la pista de desgaste se examinó con un microscopio óptico. 

Tenga en cuenta que en este estudio se ha utilizado como ejemplo la bola de Al2O3 como contramaterial. Se puede aplicar cualquier material sólido con diferentes formas utilizando un accesorio personalizado para simular la situación de aplicación real.

PARÁMETROS DE PRUEBA

SUPERFICIE DE ACERO

Piedra caliza, mármol

RADIO DEL ANILLO DE DESGASTE 5 mm
FUERZA NORMAL 10 N
DURACIÓN DE LA PRUEBA 10 minutos
VELOCIDAD 100 rpm

RESULTADOS Y DEBATE

La dureza (H) y el módulo elástico (E) de las muestras de caliza y mármol se comparan en la FIGURA 1, utilizando el módulo de microindentación del NANOVEA Mechanical Tester. La muestra de caliza presentó valores más bajos de H y E, midiendo 0,53 y 25,9 GPa, respectivamente, en contraste con el mármol, que registró valores de 1,07 para H y 49,6 GPa para E. La variabilidad relativamente mayor en los valores de H y E observados en la muestra de caliza puede atribuirse a su mayor inhomogeneidad superficial, derivada de sus características granuladas y porosas.

La FIGURA 2 muestra la evolución del COF durante las pruebas de desgaste de las dos muestras de roca. La caliza experimenta inicialmente un rápido aumento del COF hasta aproximadamente 0,8 al comienzo del ensayo de desgaste, manteniéndose este valor durante toda la duración del ensayo. Este cambio abrupto en el COF puede atribuirse a la penetración de la bola de Al2O3 en la muestra de roca, resultante de un rápido proceso de desgaste y rugosidad que se produce en la cara de contacto dentro de la pista de desgaste. Por el contrario, la muestra de mármol muestra un notable aumento del COF hasta valores más altos después de aproximadamente 5 metros de distancia de deslizamiento, lo que significa que su resistencia al desgaste es superior a la de la caliza.

FIGURA 1: Comparación de la dureza y el módulo de Young entre muestras de piedra caliza y mármol.

FIGURA 2: Evolución del coeficiente de fricción (COF) en muestras de caliza y mármol durante las pruebas de desgaste.

En la FIGURA 3 se comparan los perfiles transversales de las muestras de caliza y mármol tras las pruebas de desgaste, y en la Tabla 1 se resumen los resultados del análisis de las huellas de desgaste. La FIGURA 4 muestra las huellas de desgaste de las muestras al microscopio óptico. La evaluación de las huellas de desgaste coincide con la observación de la evolución del COF: La muestra de mármol, que mantiene un COF bajo durante un período más largo, presenta una tasa de desgaste inferior de 0,0046 mm³/N m, en comparación con 0,0353 mm³/N m para la caliza. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su mejor resistencia al desgaste que la caliza.

FIGURA 3: Perfiles transversales de las pistas de desgaste.

ZONA DEL VALLE PROFUNDIDAD DEL VALLE ÍNDICE DE DESGASTE
CALIZA 35.3±5.9 × 104 μm2 229±24 μm 0,0353 mm3/Nm
MÁRMOL 4.6±1.2 × 104 μm2 61±15 μm 0,0046 mm3/Nm

TABLA 1: Resumen de resultados del análisis de la pista de desgaste.

FIGURA 4: Huellas de desgaste al microscopio óptico.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro NANOVEA para evaluar el coeficiente de fricción y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca, a saber, mármol y piedra caliza, de forma controlada y monitorizada. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su excepcional resistencia al desgaste. Esta propiedad dificulta su perforación o corte en la industria del petróleo y el gas. Por el contrario, prolonga considerablemente su vida útil cuando se utiliza como material de construcción de alta calidad, como las baldosas.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen capacidades de ensayo de desgaste y fricción precisas y repetibles, de conformidad con las normas ISO y ASTM, tanto en modo rotativo como lineal. Además, proporciona módulos opcionales para desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión, todos perfectamente integrados en un sistema. La incomparable gama de NANOVEA es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de recubrimientos finos o gruesos, blandos o duros, películas, sustratos y tribología de rocas.

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