گازوئیل به توان مکانیکی و توان مکانیکی به هوای فشرده تبدیل میشود. هوای فشرده هم پس از آن به فشار، سرعت و انرژی ضربهای تبدیل شده و اگر همهچیز خوب پیش رود، سوراخی در دل سنگ و صخره پدیدار میشود.
حال دریل واگن پنوماتیکی را خاموش کنید، مجدد سفر یک متر هوای فشرده را دنبال کنرده و از ترمودینامیک و مکانیک سیالات تا موتور دیزلی، تکنولوژی بادی، فناوری حفاری، مکانیک سنگ و مهندسی محیط زیست را بشناسید. هوای فشرده بخشی از زمین را میشکند.
شروع: هوای معمولی اطراف ما
در ابتدا هوای اتمسفریک و معمولی در اطراف ماشینآلات حفاری در جریان است، این هوا عمدتا از نیتروژن و اکسیژن تشکیل شده و مقادیر اندکی بخار آب و گازهای دیگر دارد. چه چیز این هوا برای دستگاه حفاری جذابیت دارد؟ جرم
کمپرسور هوا را تولید نمیکند، این دستگاه هوای اتمسفر را گرفته و آن را در حجم کوچکتری فشرده کرده و فشارش را افزایش میدهد. هوای ورودی لزوما یک متر مکعب نیست، حجم بسیار بیشتری دارد، گرفته و فشرده و در مکعبهای یک متر در یک متر از کمپرسور خارج میشود. کمپرسوری که ۲۰ مترمکعب بر دقیقه هوای فشرده تولید میکند حجم بسیار بیشتری هوای محیط را به درون مکیده است.
فیلتر ورودی اولین خط دفاعی کمپرسور است.
یکی از مهمترین اجزای دستگاه حفاری حتی درون کمپرسور هم قرار ندارد. قبل از ورود هوا به کمپرسور فیلتر هوای ورودی آن را تصفیه میکند. ماشینآلات حفاری یکی از بدترین محیطهای ممکن برای کار را تجربه میکنند و چنین محیطی کمپرسور را داغان خواهد کرد. در هوای اطراف دریل سیار یا دریل واگن انواع ذرات از قبیل سیلیس، خاک رس، سنگ آهک، ذرات فلزی و گرد و غبار وجود دارد و ورود آنها به درون کمپرسور فاجعه میسازد. فیلتر به هوا اجازهی عبور داده و از ورود سنگ جلوگیری میکند. هرچه فیلتر کثیفتر باشد مقاومت بیشتری در برابر ورود خود هوا ایجاد میکند، در نتیجه کمپرسور مجبور به زحمت بیشتری خواهد بود. پس قطعهای ساده همچون فیلتر ورودی آلوده و گرفته میتواند مسئلهای عظیم به نام انرژی و بهرهوری دستگاه را موجب شود. مکانیک سیالات و مصرف انرژی رابطه دارند.
درون کمپرسور هوا؛ تبدیل حجم به فشار
اینجا بحث دو دو تا چهارتای فنی اقتصادی است: کمپرسوری که قطعات متحرک کمتری دارد و توان کار ۲۴ ساعته بدون نیاز به استراحت را دارد کمپرسور اسکرو است. در محل کارگاه هم که به برق صنعتی آمپر بالا دسترسی نداریم، پس صحبت ما از کمپرسور اسکرو دیزلی خواهد بود که با گازوئیل کار میکند.
درون دستگاه حفاری متحرک یا دریل واگن موتور دیزلی توان مکانیکی مورد نیاز برای کار کمپرسور را تامین میکند. موتور دیزلی انرژی شیمیایی سوخت گازوئیل را به توان مکانیکی و حرکت چرخشی تبدیل میکند، کمپرسور چرخش یا حرکت روتاری شافت را استفاده کرده و با عبور از دنده و گیربکس روی هوا کار خواهد کرد. در کمپرسور اسکرو هوا بین روتورهای نر و ماده مکیده شده و با چرخش روتورها حجم محبوس تدریجا کاهش یافته و هوا فشرده میشود. هرچه روتورهای کمپرسور به پیش میروند فواصل شیارهای آنها تنگتر میشود.
هر متر مکعب هوای ورودی حال در حجم بسیار کوچکتری فشرده شده و دمای آن به شدت بالا رفته است. فشردهسازی گاز به انرژی نیاز داشته و بخش قابل توجهی از کار انجام شده به صورت گرما ظاهر میشود. هوای خنک ورودی به دماهای بسیار بالاتری صعود کرده است.
کولر کمپرسور و تهویه حرارتی
پس از واحد کمپرسور، هوای فشرده وارد قسمتی با نام افتر کولر میشود. در این مرحله دستگاه حفاری بخشی از گرمای هوا را به محیط پس خواهد داد. در محیط کارگاهی این حرارت عملا هدررفت محسوب میشود اما در کارخانجات حرارت تولیدی کمپرسور را میتوان ریکاوری کرده و برای مصارف مختلف استفاده کرد.
هوا حاوی بخار آب است و وقتی هوای فشرده را خنک میکند بخشی از این بخار آب به آب مایع تبدیل میشود. کولر نه فقط دمای هوای فشردهی مصرفی دریل حفاری را خنک کرد، بلکه رطوبت آن را نیز کاسته است. ماشینآلات حفاری به اشکال مختلفی طراحی میشوند و در این مرحله شامل سپراتور یا جداکننده، تله یا تخلیهکننده و تجهیزات جانبی مدیریت رطوبت خواهند بود. هوای فشردهی شما آماده است، خنک، متراکم و به شدت کاربردی.
لولهکشی هوای کمپرسور
اکنون هر مترمکعب هوای فشردهی تولیدی یا هر ۱۰ مترمکعبی که از هوای محیط به درون مکیده شده، وارد شبکهی لولهکشی میشود. اینجا لولهکشی مسئلهای مهم از مکانیک سیالات را نشانه خواهد رفت: هوا حاضر نیست بدون هزینه درون لولهها حرکت کند.
اصطکاک داخل لوله، خم و زانوییهای لولهکشی، شیرها، اتصالات، تغییرات قطر لوله و محدودیتهای داخلی مسیر فشار هوا را با خطر جدی کاهش روبرو میکند.
هرچه مسیر لولهکشی طولانیتر و محدودیتهای شمردهشده بیشتر باشد فشار هوای بیشتری پیش از رسیدن به مقصد از دست رفته و با افت فشار روبرو میشویم.
فشار برای دریل و تجهیزات حفاری بسیار ارزشمند است. مهم نیست کمپرسور چه مقدار فشار تولید میکند، مهم فشار دریافتی دریل واگن شماست.
متر مکعب هوای فشرده اکنون با سرعت به سمت بخشی از دستگاه میرود که فشار را به هد روتاری تبدیل خواهد کرد؛ هد روتاری چیست؟
هد روتاری؛ اصابت حرکت چرخشی به صخره
در سیستم حفاری هد روتاری چرخش مورد نیاز برای گرداندن مجموعهی حفاری را تامین میکند. روتاری در لاتین به معنای چرخشی است. حفاری فقط با هوای فشرده انجام نمیشود، سیستم حفاری چندین شکل مختلف از انرژی را به کار میگیرد تا به مقصود خود برسد. در اینجا سیستم چرخشی یا روتاری، گشتاور و حرکت چرخشی در کار هستند.
هوای فشرده انرژی مورد نیاز برای کار چکش حفاری داخل چال را فراهم کرده و از سوراخهای آن فوت میکند تا مواد خرد شده و براده را از داخل چال تخلیه کنید. چرخش، کوبش و جریان هوای فشرده همگی بخشی از تبدیل متر مکعب هوای فشرده به سیستم ضربهای دریل هستند.
چکش داخل چال یا DTH
سه روش اصلی حفاری سنگ بررسی شدهاند: حفاری روتاری، حفاری داندهول و حفاری تاپ هامر. هرکدام از این روشها ویژگیهای خاص خود را دارند و برای شرایط و سنگهای متفاوت مناسب هستند. انتخاب نادرست روش حفاری میتواند منجر به هدررفت منابع و کاهش بازدهی شود.
- حفاری روتاری: مناسب حفاری چالهای بزرگ و عمیق، بیشتر برای سنگهای نرم و با سختی متوسط.
- حفاری دان د هول (DTH): کارآمد در سنگهای سختتر، با دقت و عمق بالا.
- حفاری تاپ هامر: مناسب حفاریهای کمعمق و سنگهای سخت پایدار، اما با انحراف بیشتر.
هوای فشرده وارد چکش داندهول یا Down The Hole میشود. برخلاف سیستم چکش بالاسر یا Top Hammer، چکش پایینچال در نزدیکی مته و در انتهای رشتهی حفاری قرار دارد. درون چکش هوای فشرده از مسیرها و مجرا عبور کرده و با کمک شیرها حرکت پیستون را کنترل میکند. پیستون بارها عقب و جلو میکند و به مته ضربه میزند.
هوای که سفرش را به عنوان هوای محیط شروع کرده بود اکنون در ایجاد مجموعهای از ضربات مکانیکی در عمق چاه نقش دارد. کمپرسور روی سطح قرار گرفته اما مکانیسم اصلی کوبشی در اعماق چاه را تامین میکند.
متهی دریل واگن و زمینشناسی
پیستونی که مته را میکوبد آن را به سمت سنگ و صخره هل میدهد تا انرژی را به انرژی تخریبی تبدیل کند. از مهندسی مکانیک فاصله گرفته و مقداری مکانیک سنگ و زمینشناسی لازم است. سنگ را به سختی میشناسیم، اما سنگهای مختلف بسته به ترکیب کانیشناسی آنها، ساختارهای مختلف دانهای، شکستگیها، مقاومت، میزان سایندگی و ویژگیهای خاص خود را دارند. هرکدام از این سنگها در مواجهه با ماشین حفاری متفاوت رفتار میکند.
مته انرژی کوبشی و ضربهای را در ناحیهای کوچک متمرکز میکند، سنگ را میشکاند و آن را به قطعات کوچکتر تبدیل میکند. سوراخ یا چال حفاری دارد شکل میگیرد.
فرآیند با سوختن گازوئیل و کار کمپرسور هوا شروع شد و اکنون به شکست سنگ ختم شده است.
سوخت 🔥 چرخش 🌀 فشرده سازی 🗜 هوای فشرده و عملیات پنوماتیک 💨 ضربه 👊 و شکست سنگ 🪨
اما هوای فشرده یک کار ناتمام و وظیفهای ثانویه هم دارد.
هوای فشرده برگشتی
اگر هوای فشرده وارد چاه شده و همانجا بماند حفاری را با دردسری جدی روبرو خواهد ساخت. فرآیند حفاری پیوسته در حال تخریب صخره و تولید خرده سنگ است. هوای فشرده در تخلیهی خردهسنگها هم وارد عمل میشود و کمک میکند. پس از عبور از چکش، هوا به سمت پایین چال حرکت کرده و مواد خرد شده را با خود به سطح میبرد. هوا در ابتدا حامل انرژی و هوای انرژی بود، اکنون وسیلهی جابجایی مواد خواهد شد.
در صنعت، هوای فشرده به دو روش استفاده میشود: به عنوان انرژی و به عنوان بخشی از فرآيند. به این دو روش استفاده به ترتیب هوای انرژی (Energy Air) و هوای فعال (Active Air) گفته میشود.
هوای فشرده در حفاری بادی نقشی دوگانه دارد، یک تیر و دو نشان. همان مترمکعب هوایی که چکش را به چرخش واداشت اکنون به تمیز کردن چال کمک میکند. این نقش دوگانه هوای فشرده را برای حفاری داندهول بسیار حائز ارزش کرده است.
در نهایت سنگ خارا به گرد و غبار تبدیل میشود.
هوای بازگشتی به سطح ذرات سنگ را با خود به همراه میاورد، برخی درشت و برخی بسیار ریز به سطح بازمیگردند و در این نقطه فناوری حفاری با مهندسی محیط زیست دچار تلاقی میشود. هوای فشرده خروجی از چال بسته به نوع سنگ،روش حفاری، شکل مته، حجم هوا و شرایط زمین مقدار قابل توجهی گرد و غبار به همراه خواهد داشت.
بدون کنترل دقیق هوای فشرده برگشتی محل کارگاه را با ابری از ذرات معلق پر خواهد کرد. مسئله نظافت کارگاه نیست، ذرات ریز برای کارکنان، سایر تجهیزات و محیط زیست مشکلساز است. سیستمهای حفاری مدرن از غبارگیری، پوششهای مکش، تزریق آب و سایر روشها برای سرکوب و جمع آوری گرد و غبار استفاده میکنند.
در نهایت هوا به سطح زمین رسید و چرخه کامل میشود. این هوا اگر چه دیگر آن هوای ورودی کمپرسور نیست، فیلتر، فشرده و داغ شده، خنککاری شده و به سرعت چکشها را به کار انداخته است. اما در نهایت بازگشته است تا به اتمسفر برود. هوای فشرده با مواد حفاری مخلوط و خردهسنگها را به سطح زمین میاورد تا سفر خود را به پایان برساند.
داستان هوای فشرده و حفاری ۷ شاخه از مهندسی را درگیر میکند. ترمودینامیک مهندسی در فشردهسازی بر تغییر فشار، دما و چگالی هوا نظارت میکند، مکانیک سیالات افت فشار، سرعت جریان، قطر لولهکشی و مقاومت در مسیر را تعیین کرده و در حقیقت کیفیت هوای فشردهای که به دریل میرسد را مدیریت خواهد کرد.
موتور دیزل نیازمند مهندسی بوده و انرژی شیمیایی گازوئیل را به توان مکانیکی تبدیل میکند. در اینجا توان تولیدی کمپرسور و بخشهای دیگر را به حرکت میاندازد. علم هوای فشرده و تجهیزاتی که با آن کار میکنند، منجمله چکش داندهول یا DTH را پنوماتیک مینامند.
قطعات دوار،شافتها، یاتاقان یا بیرینگها، شیرها، پیستونها و رشتههای حفاری همگی در توزیع انرژی نقش داشته و زیرمجموعهی کار مهندسان مکانیک است. بدون مکانیک سنگ و زمینشناسی یک جای کار میلنگد و تمامی تجهیزات ساخت مهندسان هم کم آورده و خراب میشوند. در نهایت هوای برگشتی، همانطور که گفته شد با غول مهندسی محیط زیست روبرو شده و بایستی قوانین، استانداردها و سلامت موجودات و انسان را لحاظ کند. نخ تسبیح اتصال تمامی این رشتهها هوا و هوای فشرده است.
