Płytki z węglika wolframu do maszyn do wiercenia tuneli to główne elementy skrawające odpowiedzialne za pękanie, zdrapywanie i dezagregację formacji skalnych i gruntowych na przodzie tunelu. Każdy metr postępu tunelu w twardym lub mieszanym podłożu zależy od zdolności tych płytek do utrzymania geometrii skrawania, odporności na zużycie ścierne oraz pochłaniania ogromnych sił uderzeniowych i ściskających powstających, gdy obracająca się głowica tnąca wchodzi w kontakt ze skałą na głębokości. Bez odpowiednio dobranych i konserwowanych płytek węglikowych szybkość penetracji gwałtownie spada, wzrasta zużycie frezów, a ekonomika całego projektu tunelowego gwałtownie się pogarsza.
Same wkładki są komponentami kompaktowymi – ich krytyczne wymiary zwykle wahają się od kilku milimetrów do kilku centymetrów – ale zostały zaprojektowane z wyjątkowo dużą precyzją. Gatunek węglika wolframu, zawartość spoiwa, wielkość ziarna, geometria płytki oraz system lutowania twardego lub mocowania na wcisk to zmienne, które producent płytki optymalizuje pod kątem konkretnego zastosowania skrawania. Płytki węglikowe, które dobrze sprawdzają się w wapieniu, będą przedwcześnie zużywać się lub pękać w granicie lub kwarcycie i odwrotnie. Zrozumienie, dlaczego tak się dzieje — i jak dokonać właściwego wyboru specyfikacji — to wiedza praktyczna, która oddziela skuteczne zamawianie oprzyrządowania TBM od kosztownych prób i błędów w terenie.
Węglik wolframu (WC) to związek chemiczny wolframu i węgla, który w czystej, spiekanej formie jest jednym z najtwardszych dostępnych materiałów konstrukcyjnych – ustępując jedynie diamentowi i sześciennemu azotkowi boru wśród praktycznych materiałów na narzędzia skrawające. W produktach z węglika spiekanego stosowanych na płytki TBM ziarna węglika wolframu są łączone ze spoiwem metalicznym – prawie powszechnie kobaltem (Co), chociaż spoiwa niklowe i niklowo-chromowe są stosowane w określonych gatunkach odpornych na korozję – poprzez proces metalurgii proszków obejmujący prasowanie i spiekanie w fazie ciekłej w temperaturach powyżej 1300°C.
Rezultatem jest materiał kompozytowy, w którym twarde ziarna WC zapewniają wyjątkową twardość i odporność na zużycie, podczas gdy matryca spoiwa kobaltowego zapewnia wytrzymałość i odporność na pękanie pod wpływem uderzenia. Najważniejszym spostrzeżeniem jest to, że twardość i wytrzymałość występują w przypadku rozciągania węglika spiekanego – zwiększenie jednego zwykle odbywa się kosztem drugiego. Gatunki o niskiej zawartości kobaltu i drobnym ziarnie są twardsze i bardziej odporne na zużycie, ale bardziej kruche; gatunki o wyższej zawartości kobaltu i grubszym ziarnie są twardsze i bardziej odporne na uderzenia, ale zużywają się szybciej w warunkach ściernych. Wybór odpowiedniego gatunku płytki węglikowej TBM oznacza znalezienie optymalnego położenia w ramach kompromisu twardości i wytrzymałości dla konkretnego rodzaju skały, ścieralności formacji i zastosowanego mechanizmu skrawania.
Szczególnie w zastosowaniach TBM węglik spiekany przewyższa wszystkie praktyczne alternatywy. Końcówkom stalowym brakuje twardości, która byłaby odporna na ścieranie przez skały przy akceptowalnym stopniu penetracji. Ceramika oferuje konkurencyjną twardość, ale niewystarczającą odporność na pękanie, aby przetrwać obciążenie udarowe na ścianie tunelu. Narzędzia z końcówkami diamentowymi są używane w określonych zastosowaniach o dużej wartości, ale są niepraktyczne ze względu na ilość elementów skrawających wymaganych w przypadku pełnej głowicy tnącej TBM. Połączenie twardości, wytrzymałości, stabilności termicznej i możliwości produkcyjnej węglika spiekanego na skalę przemysłową sprawia, że jest to standardowe rozwiązanie dla płytek skrawających TBM z twardej skały i o szlifie mieszanym w całym światowym przemyśle drążenia tuneli.
Nie wszystkie płytki z węglika wolframu w głowicy tnącej TBM spełniają tę samą funkcję. Głowica urabiająca to złożony zespół różnych typów narzędzi, z których każde jest ustawione tak, aby wykonywać określone zadanie w procesie kruszenia skał i usuwania materiału. Zrozumienie różnic pomiędzy tymi typami płytek ma zasadnicze znaczenie dla określenia odpowiedniego gatunku węglika i geometrii dla każdej pozycji.
Głównymi narzędziami tnącymi w maszynach TBM do skał twardych są frezy tarczowe. Przecinarka tarczowa składa się ze stalowego pierścienia – tarczy – zamontowanej na zespole piasty, która umożliwia jej swobodne obracanie się podczas obrotu głowicy tnącej. Krawędź dysku styka się ze ścianą skalną i powoduje pęknięcia rozciągające w wyniku mechanizmu wcięcia tocznego, a nie bezpośredniego cięcia. Wkładki z węglika wolframu stosowane w przecinarkach tarczowych są zazwyczaj osadzone w krawędzi pierścienia tarczy lub wykorzystywane jako materiał krawędzi stykowej w konstrukcjach tarcz kompozytowych. Wkładki te muszą wytrzymywać wysokie naprężenia ściskające w punkcie kontaktu ze skałą, obciążenia zmęczeniowe wynikające z powtarzających się cykli udarowych oraz zużycie ścierne powodowane przez twarde minerały – zwłaszcza kwarc – w osnowie skały. Gatunki o średniej zawartości kobaltu (8–12% Co) i o drobnej i średniej wielkości ziarna są powszechnie stosowane do płytek do frezów tarczowych do zastosowań w twardych skałach.
Na miękkim lub średnio twardym podłożu i o zróżnicowanej powierzchni TBM używają narzędzi ciągnionych — kilofów, skrobaków i frezów kalibracyjnych — wyposażonych w płytki lub płytki kołkowe z węglika wolframu, które angażują formację w działanie zgarniające lub ścinające. Wkładki guzikowe to półkuliste lub balistyczne kształty z węglika, wciskane w stalowy korpus narzędzia; wkładki dwustronne to cylindryczne trzpienie z hartowaną końcówką, również wciskane lub lutowane w przygotowanych gniazdach. Wkładki te poddawane są niższym obciążeniom ściskającym niż wkładki do frezów tarczowych, ale są poddawane większym bocznym siłom ścinającym i bardziej zmiennym uderzeniom w wyniku kontaktu mieszanej skały z gruntem. Gatunki o wyższej zawartości kobaltu (12–16% Co) i większym rozmiarze ziaren zapewniają wytrzymałość niezbędną do przeciwstawienia się pękaniu w tych warunkach obciążenia, kosztem pewnej odporności na ścieranie w porównaniu z twardszymi gatunkami o niskiej zawartości kobaltu.
Frezy wzorcowe są umieszczane na zewnętrznym obwodzie głowicy urabiającej TBM i przycinają profil tunelu do wymaganej średnicy. Charakteryzują się kombinacją najwyższych prędkości skrawania — ponieważ pokonują największą odległość obwodową na obrót — oraz znacznych obciążeń udarowych wynikających z nieregularności profilu i mieszanych warunków gruntowych na granicy tunelu. Płytki sprawdzianowe podlegają najcięższym warunkom zużycia na głowicy skrawającej, dlatego często są stosowane w twardszych gatunkach lub z płytkami o większych wymiarach, które zapewniają większą objętość węglika i są odporne na zużycie, zanim płytka będzie wymagała wymiany.
W maszynach TBM EPB (Earth Pressure Balance) i TBM do szlamu pracujących na miękkim podłożu lub o mieszanym podłożu, szprychy głowicy tnącej i otwory kół czerpakowych są wyposażone w elementy ścieralne z węglikowymi końcówkami, które chronią konstrukcję stalową przed zużyciem ściernym podczas pobierania luźnego materiału do maszyny. Te płytki chroniące przed zużyciem są zazwyczaj oferowane w gatunkach o wysokiej wytrzymałości, które są odporne na uderzenia fragmentów skał i twardych wtrąceń w strumieniu mułu, przedkładając integralność strukturalną nad ostrość krawędzi skrawającej.
Warunki geologiczne panujące na przodku tunelu są głównym czynnikiem wpływającym na wybór gatunku płytki węglikowej. Ścieralność skały — określana ilościowo za pomocą standardowych testów, takich jak wskaźnik ścieralności Cerchar (CAI) i test abrazymetru LCPC — bezpośrednio pozwala przewidzieć tempo zużycia płytek węglikowych i prawdopodobieństwo katastrofalnego pęknięcia pod obciążeniem udarowym. Dopasowanie gatunku płytki do ścieralności skały jest najważniejszą pojedynczą decyzją przy specyfikacji płytek węglikowych TBM.
| Typ skały | Typowy zakres CAI | Polecana zawartość Co | Rozmiar ziarna | Podstawowy mechanizm zużycia |
| Wapień / Marmur | 0,1–0,5 | 10–14% | Średni | Niskie ścieranie; uderzenie od płaszczyzn pęknięć |
| Piaskowiec | 0,5–2,5 | 8–12% | Dobra do średniej | Umiarkowane ścieranie przez ziarna kwarcu |
| Granit | 2,0–4,5 | 6–10% | Dobrze | Wysoka ścieralność; pękanie zmęczeniowe |
| kwarcyt | 3,5–6,0 | 6–9% | Od ultradrobnego do drobnego | Silne ścieranie; mikrochipowanie |
| Bazalt / Doleryt | 1,5–3,5 | 8–12% | Dobra do średniej | Ścieranie i uderzenia twardymi wtrąceniami |
| Twarz mieszana / glina lodowcowa | Zmienna | 12–16% | Średni to coarse | Pęknięcie udarowe z bruku; zmienne ścieranie |
Próg CAI wynoszący około 2,0 jest praktycznym punktem decyzji przy wyborze gatunku węglika. Poniżej tej wartości gatunki o wyższej zawartości kobaltu i średniej wielkości ziaren zapewniają dobrą równowagę pomiędzy wytrzymałością i odpornością na zużycie. Powyżej CAI 2.0 stopień zużycia ściernego gatunków o wyższej zawartości kobaltu staje się nieekonomiczny, a specyfikacja powinna zmienić się w kierunku gatunków o niższej zawartości kobaltu i drobniejszych ziarnach, które utrzymują twardość kosztem pewnej wytrzymałości. W formacjach powyżej CAI 4.0 — ekstremalny kwarcyt i niektóre konglomeraty ścierne — nawet drobnoziarniste gatunki o niskiej zawartości kobaltu ulegają szybkiemu zużyciu, a częstotliwość wymiany płytek staje się czynnikiem planowania projektu, a nie kosztem, którego można uniknąć.
Geometria płytki TBM z węglika wolframu — jej kształt profilu, kąt wierzchołka i proporcje wymiarowe — określa, w jaki sposób płytka współpracuje ze ścianą skalną, jak rozkłada naprężenia w korpusie z węglika oraz jak zmienia się jej wydajność w miarę zużycia płytki. Optymalizacja geometrii jest równie ważna, jak wybór gatunku, jeśli chodzi o maksymalizację trwałości płytki i wydajności skrawania.
Profil półkulisty jest najczęstszą geometrią wkładek przycisku narzędzia przeciąganego w miękkim i średnio twardym podłożu. Zaokrąglona końcówka rozkłada naprężenia kontaktowe równomiernie na dużej powierzchni, redukując szczytowe stężenia naprężeń, które mogłyby spowodować pęknięcie w ostrzejszym profilu. W miarę zużywania się półkuli jej geometria stopniowo ewoluuje — częściowo zużyta półkula nadal stanowi funkcjonalny profil skrawania, co oznacza, że płytka nadal działa w znacznej części swojej objętości, zanim konieczna będzie wymiana. Głównym ograniczeniem półkulistego profilu w twardej skale jest to, że wymaga on większych sił penetracji, aby osiągnąć tę samą głębokość wcięcia w porównaniu z ostrzejszymi profilami, co zmniejsza wydajność skrawania w formacjach, gdzie siła penetracji jest czynnikiem ograniczającym.
Wkładki balistyczne mają ostrołukowy profil końcówki – zaokrąglony w miejscu, ale przechodzący w bardziej cylindryczny korpus pod większym kątem niż półkula. Geometria ta koncentruje naprężenia kontaktowe skuteczniej niż półkula, poprawiając penetrację twardszej skały przy tej samej przyłożonej sile, ale jest bardziej podatna na pękanie w przypadku uderzenia bocznego lub użycia w formacjach z twardymi wtrąceniami. Stożkowe wkładki o określonym kącie wierzchołka zwiększają skuteczność penetracji, ale są najbardziej podatne na pękanie ze standardowych profili. Stożkowe i balistyczne płytki z węglika TBM są zwykle przeznaczone do formacji, w których priorytetem jest wydajność skrawania, a obciążenie udarowe jest przewidywalne i możliwe do opanowania.
Płytki o profilu dłuta charakteryzują się liniową krawędzią tnącą, a nie punktowym kontaktem ze ścianą skalną. Ta geometria jest skuteczna w przypadku ścinania i zdrapywania formacji miękkich i średnich i jest powszechnie stosowana w pozycjach frezów kalibracyjnych i frezów profilowych, gdzie wymagana jest określona geometria cięcia. Krawędź dłuta szybko ściera się do płaskości w warunkach ściernych, powodując przejście mechanizmu tnącego z ścinania na orkę — znacząca zmiana wydajności, która zwiększa wymaganą siłę skrawania i generuje więcej ciepła na powierzchni czołowej płytki. Dlatego monitorowanie zużycia płytki dłutowej i jej wymiana tuż przed lub przed osiągnięciem płaskiego progu zużycia jest zatem bardziej czasochłonna niż w przypadku płytek o geometrii guzikowej.
Identyfikacja konkretnego mechanizmu zużycia wpływającego na płytki węglikowe TBM w terenie jest punktem wyjścia do zdiagnozowania, czy aktualna specyfikacja płytki jest odpowiednia dla warunków gruntowych i czy interwencje – zmiana gatunku, zmiana geometrii, dostosowanie parametrów roboczych – mogą poprawić wydajność. Główne tryby zużycia różnią się wyglądem i mają różne przyczyny.
Na wydajność wkładek z węglika wolframu w trakcie eksploatacji znacząco wpływa jakość montażu, częstotliwość i rygorystyczność kontroli podczas drążenia tuneli oraz kryteria stosowane przy konieczności wymiany. Zła praktyka w którymkolwiek z tych obszarów skraca żywotność płytki i zwiększa koszty narzędzi na metr, niezależnie od tego, jak dobrze określono gatunek węglika.
Wciskane płytki guzikowe muszą być instalowane z odpowiednim pasowaniem wciskowym pomiędzy trzpieniem płytki a przygotowanym gniazdem w korpusie narzędzia. Zbyt mały wcisk umożliwia obracanie się lub poluzowanie płytki pod wpływem sił skrawania, przyspieszając zużycie i ostatecznie prowadząc do utraty płytki; zbyt duży wcisk powoduje naprężenie rozciągające w trzpieniu z węglika podczas montażu, co może zainicjować pęknięcia, które rozprzestrzeniają się aż do pęknięć w trakcie eksploatacji. Producenci określają wymagane pasowanie ciasne dla każdej kombinacji średnicy wkładki i materiału korpusu — należy dokładnie przestrzegać tych specyfikacji, a wymiary gniazda weryfikować za pomocą pomiaru miernikiem przed montażem. Płytki lutowane wymagają prawidłowego doboru stopu lutowniczego, zastosowania topnika i kontroli grubości złącza lutowanego, aby osiągnąć siłę wiązania niezbędną do przeciwstawienia się siłom skrawania bez pękania węglika sąsiadującego z lutem.
Częstotliwość przeglądów głowicy tnącej TBM różni się w zależności od warunków gruntowych i wymagań projektu, ale zazwyczaj odbywa się co 300–600 metrów przesuwu w średnio twardym podłożu i częściej w formacjach o wysokim stopniu ścierania. Podczas każdej kontroli każdą pozycję płytki należy sprawdzić wzrokowo pod kątem opisanych powyżej trybów zużycia, a głębokość zużycia płytki należy zmierzyć w reprezentatywnych miejscach za pomocą głębokościomierza. Mapy zużycia płytek — rejestrujące zużycie w każdej pozycji głowicy tnącej w kolejnych odstępach czasu między przeglądami — umożliwiają identyfikację pozycji o nienormalnie wysokim współczynniku zużycia, które mogą wskazywać na lokalne zmiany w formowaniu, problemy z dostarczaniem wody chłodzącej lub brak równowagi obrotu głowicy tnącej wymagające zbadania.
Płytki należy wymieniać, zanim zużyją się do punktu, w którym stalowy korpus narzędzia zaczyna stykać się ze ścianą skalną — w tym momencie korpus narzędzia zużywa się szybko, a koszt wymiany korpusu narzędzia znacznie przekracza oszczędność wynikającą z maksymalizacji czasu pracy płytki. Typowe kryteria wymiany wkładek guzikowych określają maksymalną średnicę zużycia płaskiego wynoszącą 60–70% pierwotnej średnicy wkładki, powyżej której tempo zużycia przyspiesza nieliniowo i ryzyko całkowitego pęknięcia znacznie wzrasta. W przypadku przecinarek tarczowych zużycie pierścienia monitoruje się poprzez pomiar zmniejszenia średnicy pierścienia w stosunku do oryginalnej specyfikacji, przy czym wymiana zwykle rozpoczyna się przy granicy zużycia wynoszącej 5–10 mm redukcji średnicy, w zależności od konstrukcji pierścienia.
Zamawianie płytek z węglika wolframu do maszyn do drążenia tuneli wiąże się z względami technicznymi, handlowymi i logistycznymi specyficznymi dla środowiska budownictwa podziemnego. Konsekwencje wybrania niewłaściwego produktu lub wyczerpania się zapasów w połowie jazdy są na tyle poważne, że decyzja o zaopatrzeniu ma znacznie poważniejsze skutki niż w przypadku większości zakupów przemysłowych materiałów eksploatacyjnych.