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Arquivos Mensais: setembro 2023

Tribologia das rochas

TRIBOLOGIA ROCHA

USANDO O TRIBÔMETRO NANOVEA

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUÇÃO

As rochas são compostas por grãos de minerais. O tipo e a abundância destes minerais, bem como a força de ligação química entre os grãos minerais, determinam as propriedades mecânicas e tribológicas das rochas. Dependendo dos ciclos geológicos das rochas, as rochas podem sofrer transformações e são normalmente classificadas em três tipos principais: ígneas, sedimentares e metamórficas. Essas rochas apresentam diferentes composições minerais e químicas, permeabilidades e tamanhos de partículas, e tais características contribuem para sua variada resistência ao desgaste. A tribologia das rochas explora os comportamentos de desgaste e fricção das rochas em diversas condições geológicas e ambientais.

IMPORTÂNCIA DA TRIBOLOGIA ROCHA

Vários tipos de desgaste contra rochas, incluindo abrasão e fricção, ocorrem durante o processo de perfuração de poços, levando a significativas perdas diretas e consequentes atribuídas ao reparo e substituição de brocas e ferramentas de corte. Portanto, o estudo da perfurabilidade, perfurabilidade, capacidade de corte e abrasividade das rochas é fundamental nas indústrias de petróleo, gás e mineração. A pesquisa em tribologia de rochas desempenha um papel fundamental na seleção das estratégias de perfuração mais eficientes e econômicas, aumentando assim a eficiência geral e contribuindo para a conservação de materiais, energia e meio ambiente. Além disso, minimizar o atrito superficial é altamente vantajoso na redução da interação entre a broca de perfuração e a rocha, resultando na diminuição do desgaste da ferramenta e na melhoria da eficiência de perfuração/corte.

OBJETIVO DA MEDIÇÃO

Neste estudo, simulamos e comparamos as propriedades tribológicas de dois tipos de rochas para mostrar a capacidade do NANOVEA T50 Tribômetro na medição do coeficiente de atrito e da taxa de desgaste das rochas de forma controlada e monitorada.

NANOVEA

T50

SAIBA MAIS

AS AMOSTRAS

PROCEDIMENTO DE TESTE

O coeficiente de atrito, COF e a resistência ao desgaste de duas amostras de rocha foram avaliados pelo Tribômetro NANOVEA T50 usando o Módulo de Desgaste Pin-on-Disc. Uma bola de Al2O3 (6 mm de diâmetro) foi usada como contra-material. A trilha de desgaste foi examinada usando o perfilômetro sem contato NANOVEA após os testes. Os parâmetros de teste estão resumidos abaixo. 

A taxa de desgaste, K, foi avaliada usando a fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), onde V é o volume desgastado, F é a carga normal, s é a distância de deslizamento, A é a área da seção transversal da trilha de desgaste e n é o número de revoluções. A rugosidade da superfície e os perfis dos rastros de desgaste foram avaliados com o perfilômetro óptico NANOVEA, e a morfologia dos rastros de desgaste foi examinada usando um microscópio óptico. 

Observe que a bola de Al2O3 como contra-material foi usada como exemplo neste estudo. Qualquer material sólido com formatos diferentes pode ser aplicado usando um acessório personalizado para simular a situação real da aplicação.

PARÂMETROS DE TESTE

SUPERFÍCIE DE AÇO

Calcário, Mármore

RAIO DO ANEL DE DESGASTE 5 mm
FORÇA NORMAL 10 N
DURAÇÃO DO TESTE 10 minutos
SPEED 100 rpm

RESULTADOS & DISCUSSÃO

A dureza (H) e o módulo de elasticidade (E) das amostras de calcário e mármore são comparados na FIGURA 1, utilizando o módulo Micro Indentation do NANOVEA Mechanical Tester. A amostra de calcário apresentou valores mais baixos de H e E, medindo 0,53 e 25,9 GPa, respectivamente, em contraste com o mármore, que registrou valores de 1,07 para H e 49,6 GPa para E. A variabilidade relativamente maior nos valores de H e E observados no A amostra de calcário pode ser atribuída à sua maior heterogeneidade superficial, decorrente de suas características granuladas e porosas.

A evolução do COF durante os testes de desgaste das duas amostras de rocha está representada na FIGURA 2. O calcário inicialmente experimenta um rápido aumento no COF para aproximadamente 0,8 no início do teste de desgaste, mantendo este valor durante toda a duração do teste. Esta mudança abrupta no COF pode ser atribuída à penetração da bola de Al2O3 na amostra de rocha, resultante de um rápido desgaste e processo de rugosidade que ocorre na face de contato dentro da trilha de desgaste. Em contraste, a amostra de mármore apresenta um aumento notável no COF para valores mais elevados após aproximadamente 5 metros de distância de deslizamento, significando a sua resistência ao desgaste superior quando comparada com o calcário.

FIGURA 1: Comparação de dureza e módulo de Young entre amostras de calcário e mármore.

FIGURA 2: Evolução do Coeficiente de Atrito (COF) em amostras de calcário e mármore durante ensaios de desgaste.

A FIGURA 3 compara perfis transversais das amostras de calcário e mármore após os testes de desgaste, e a Tabela 1 resume os resultados da análise dos traços de desgaste. A FIGURA 4 mostra as marcas de desgaste das amostras ao microscópio óptico. A avaliação da trilha de desgaste está alinhada com a observação da evolução do COF: a amostra de mármore, que mantém um COF baixo por um período mais longo, apresenta uma taxa de desgaste menor de 0,0046 mm³/N m, em comparação com 0,0353 mm³/N m para o calcário. As propriedades mecânicas superiores do mármore contribuem para a sua melhor resistência ao desgaste do que o calcário.

FIGURA 3: Perfis transversais das trilhas de desgaste.

ÁREA DO VALE PROFUNDIDADE DO VALE TAXA DE DESGASTE
CALCÁRIO 35,3±5,9 × 104 μm2 229±24 μm 0,0353 milímetros3/Nm
MÁRMORE 4,6±1,2 × 104 μm2 61±15 μm 0,0046 milímetros3/Nm

TABELA 1: Resumo dos resultados da análise do rastro de desgaste.

FIGURA 4: Desgaste de trilhos sob microscópio ótico.

CONCLUSÃO

Neste estudo, demonstramos a capacidade do Tribômetro NANOVEA em avaliar o coeficiente de atrito e resistência ao desgaste de duas amostras de rocha, nomeadamente mármore e calcário, de forma controlada e monitorada. As propriedades mecânicas superiores do mármore contribuem para a sua excepcional resistência ao desgaste. Esta propriedade torna difícil perfurar ou cortar na indústria de petróleo e gás. Por outro lado, prolonga significativamente a sua vida útil quando utilizado como material de construção de alta qualidade, como ladrilhos.

Os tribometros NANOVEA oferecem recursos de teste de desgaste e fricção precisos e repetíveis, aderindo aos padrões ISO e ASTM nos modos rotativo e linear. Além disso, ele fornece módulos opcionais para desgaste em alta temperatura, lubrificação e tribocorrosão, todos perfeitamente integrados em um sistema. A linha incomparável da NANOVEA é uma solução ideal para determinar toda a gama de propriedades tribológicas de revestimentos finos ou espessos, macios ou duros, filmes, substratos e tribologia de rochas.

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