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Archivio mensile: Settembre 2023

Tribologia delle rocce

TRIBOLOGIA ROCK

UTILIZZANDO IL TRIBOMETRO NANOVEA

Preparato da

DUANJIE LI, PhD

INTRODUZIONE

Le rocce sono composte da granelli di minerali. Il tipo e l'abbondanza di questi minerali, nonché la forza del legame chimico tra i grani minerali, determinano le proprietà meccaniche e tribologiche delle rocce. A seconda dei cicli geologici delle rocce, le rocce possono subire trasformazioni e sono tipicamente classificate in tre tipi principali: ignee, sedimentarie e metamorfiche. Queste rocce presentano diverse composizioni minerali e chimiche, permeabilità e dimensioni delle particelle, e tali caratteristiche contribuiscono alla loro varia resistenza all'usura. La tribologia delle rocce esplora i comportamenti di usura e attrito delle rocce in varie condizioni geologiche e ambientali.

IMPORTANZA DELLA TRIBOLOGIA ROCK

Durante il processo di perforazione dei pozzi si verificano vari tipi di usura delle rocce, tra cui abrasione e attrito, che portano a significative perdite dirette e consequenziali attribuite alla riparazione e alla sostituzione di punte di perforazione e utensili da taglio. Pertanto, lo studio della perforabilità, perforabilità, tagliabilità e abrasività delle rocce è fondamentale nelle industrie petrolifere, del gas e minerarie. La ricerca sulla tribologia delle rocce gioca un ruolo fondamentale nella selezione delle strategie di perforazione più efficienti ed economicamente vantaggiose, migliorando così l’efficienza complessiva e contribuendo alla conservazione dei materiali, dell’energia e dell’ambiente. Inoltre, ridurre al minimo l'attrito superficiale è estremamente vantaggioso nel ridurre l'interazione tra la punta di perforazione e la roccia, con conseguente diminuzione dell'usura dell'utensile e migliore efficienza di perforazione/taglio.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio, abbiamo simulato e confrontato le proprietà tribologiche di due tipi di rocce per mostrare la capacità del NANOVEA T50 Tribometro nella misurazione del coefficiente di attrito e del tasso di usura delle rocce in modo controllato e monitorato.

NANOVEA

T50

SAPERNE DI PIÙ

I CAMPIONI

PROCEDURA DI PROVA

Il coefficiente di attrito, COF e la resistenza all'usura di due campioni di roccia sono stati valutati dal tribometro NANOVEA T50 utilizzando il modulo di usura Pin-on-Disc. Come contromateriale è stata utilizzata una sfera Al2O3 (6 mm di diametro). Dopo i test, la traccia di usura è stata esaminata utilizzando il profilometro senza contatto NANOVEA. I parametri del test sono riassunti di seguito. 

Il tasso di usura, K, è stato valutato utilizzando la formula K=V/(F×s)=A/(F×n), dove V è il volume usurato, F è il carico normale, s è la distanza di scorrimento, A è l'area della sezione trasversale della pista di usura e n è il numero di giri. La rugosità superficiale e i profili delle tracce di usura sono stati valutati con il profilometro ottico NANOVEA e la morfologia delle tracce di usura è stata esaminata utilizzando un microscopio ottico. 

Si noti che in questo studio è stata utilizzata come esempio la sfera Al2O3 come contromateriale. Qualsiasi materiale solido con forme diverse può essere applicato utilizzando un dispositivo personalizzato per simulare la situazione applicativa reale.

PARAMETRI DEL TEST

SUPERFICIE IN ACCIAIO

Calcare, Marmo

RAGGIO DELL'ANELLO DI USURA 5 mm
FORZA NORMALE 10 N
DURATA DEL TEST 10 minuti
VELOCITÀ 100 giri al minuto

RISULTATI E DISCUSSIONE

La durezza (H) e il modulo elastico (E) dei campioni di calcare e marmo vengono confrontati nella FIGURA 1, utilizzando il modulo Micro Indentazione del Tester Meccanico NANOVEA. Il campione di calcare ha mostrato valori H ed E più bassi, rispettivamente pari a 0,53 e 25,9 GPa, in contrasto con il marmo, che ha registrato valori di 1,07 per H e 49,6 GPa per E. La variabilità relativamente più elevata nei valori H ed E osservata nel campione Il campione di calcare è da attribuire alla sua maggiore disomogeneità superficiale, derivante dalle sue caratteristiche granulari e porose.

L'evoluzione del COF durante le prove di usura dei due campioni di roccia è illustrata nella FIGURA 2. Il calcare inizialmente sperimenta un rapido aumento del COF fino a circa 0,8 all'inizio della prova di usura, mantenendo questo valore per tutta la durata della prova. Questo brusco cambiamento nel COF può essere attribuito alla penetrazione della sfera di Al2O3 nel campione di roccia, risultante da un rapido processo di usura e irruvidimento che avviene sulla faccia di contatto all'interno della pista di usura. Al contrario, il campione di marmo mostra un notevole aumento del COF a valori più alti dopo circa 5 metri di distanza di scorrimento, a significare la sua superiore resistenza all'usura rispetto al calcare.

FIGURA 1: Confronto di durezza e modulo di Young tra campioni di calcare e marmo.

FIGURA 2: Evoluzione del coefficiente di attrito (COF) in campioni di calcare e marmo durante le prove di usura.

La FIGURA 3 confronta i profili trasversali dei campioni di calcare e marmo dopo le prove di usura e la Tabella 1 riassume i risultati dell'analisi delle tracce di usura. La FIGURA 4 mostra le tracce di usura dei campioni al microscopio ottico. La valutazione della traccia di usura è in linea con l'osservazione dell'evoluzione del COF: il campione di marmo, che mantiene un COF basso per un periodo più lungo, mostra un tasso di usura inferiore di 0,0046 mm³/N m, rispetto a 0,0353 mm³/N m per il calcare. Le proprietà meccaniche superiori del marmo contribuiscono alla sua migliore resistenza all'usura rispetto al calcare.

FIGURA 3: Profili in sezione delle piste di usura.

ZONA DELLA VALLE PROFONDITÀ DELLA VALLE TASSO DI USURA
CALCARE 35,3±5,9×104 µm2 229±24μm 0,0353 mm3/Nm
MARMO 4,6±1,2×104 µm2 61±15μm 0,0046 mm3/Nm

TABELLA 1: Riepilogo dei risultati dell'analisi delle tracce di usura.

FIGURA 4: Tracce di usura al microscopio ottico.

CONCLUSIONE

In questo studio, abbiamo dimostrato la capacità del Tribometro NANOVEA nel valutare il coefficiente di attrito e la resistenza all'usura di due campioni di roccia, vale a dire marmo e calcare, in modo controllato e monitorato. Le superiori proprietà meccaniche del marmo contribuiscono alla sua eccezionale resistenza all'usura. Questa proprietà rende difficile la perforazione o il taglio nell'industria del petrolio e del gas. Al contrario, prolunga notevolmente la sua durata se utilizzato come materiale da costruzione di alta qualità, come le piastrelle per pavimenti.

I tribometri NANOVEA offrono capacità di test di usura e attrito precise e ripetibili, aderendo agli standard ISO e ASTM sia in modalità rotativa che lineare. Inoltre, fornisce moduli opzionali per usura ad alta temperatura, lubrificazione e tribocorrosione, tutti perfettamente integrati in un unico sistema. L'impareggiabile gamma di NANOVEA è una soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà tribologiche di rivestimenti, pellicole, substrati e tribologia delle rocce sottili o spessi, morbidi o duri.

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