Perforación rotativa por corte

Figura 1. Secuencia de corte

La perforación rotativa por corte tuvo su máximo desarrollo en la década de los 40 en las minas de carbón americanas. Hoy día su uso se limita a las rocas blandas y de pequeños diámetros, aunque en los trabajos a cielo abierto este sistema entra en competencia con el arranque directo y en los trabajos subterráneos con la perforación rotopercusiva.

Con este sistema, la fuerza de avance trata de mantener en contacto el útil de corte con la roca, de forma que el filo sea el encargado de realizar los sucesivos cortes.

El corte se realiza con bocas que presentan elementos de carburo de tungsteno u otros materiales como los diamantes sintéticos, pudiéndose distinguir varios tipos:

  • Bocas bilabiales o de tenedor, en diámetros de 36 a 50 mm
  • Bocas trialetas o multialetas, en diámetros de 50 a 115 mm
  • Bocas de labios reemplazables, con elementos escariadores y perfil de corte escalonado, en diámetros de 150 a 400 mm
Figura 2. Tipos de bocas para perforación por corte

El ángulo de ataque α del útil de corte varía entre 110º y 140º, siendo más obtuso cuanto más dura sea la roca. El ángulo del labio de corte β varía entre 75º y 80º. El ángulo de corte γ oscila entre -6º y 4º, siendo positivo en rocas blandas y negativo en las duras.

Figura 3. Ángulos característicos de un útil de corte

 

Figura 4. Trayectoria de un punto de la boca

Existe una relación empírica entre el diámetro de perforación, la velocidad de penetración y el tipo de roca:

donde

Vp = Velocidad de penetración

μ = Coeficiente de fricción de la roca

E = Empuje sobre la boca

Vr = Velocidad de rotación

re = Radio efectivo de la roca

Ev = Energía específica de la roca

Ar = Área de la sección transversal del barreno

 

Sin embargo, en la práctica existe una desviación importante de los datos, pues el coeficiente de fricción depende del empuje y la velocidad de rotación se limita por el desgaste continuo que se produce en las bocas al aumentar el número de revoluciones.

Figura 5. Relación entre el empuje y la velocidad de penetración

En la práctica, se pueden definir dos campos claros de operatividad de este sistema de perforación rotativa:

  • Aquellas rocas de resistencia a compresión menor a 80 MPa
  • Rocas con contenido en sílice menor al 8%, para evitar un desgaste excesivo

La eliminación del detrito de perforación suele realizarse con un fluido de barrido que puede ser aire, en los trabajos a cielo abierto o agua o aire húmedo en los trabajos de interior. Emplear aire con inyección de agua no sólo facilita la evacuación del detritus y favorece la velocidad de avance, sino que también refrigera las bocas de perforación y disminuye su desgaste. Además, evita el colmatado de la perforación y elimina el polvo. Se necesita aproximadamente de 1000 a 1500 l/min de aire y por cada perforadora unos 250 cm3/min de agua.

En rocas muy blandas (30 a 40 MPa) puede emplearse varillaje helicoidal, de paso mayor cuanto más grande sea la velocidad de penetración, para evacuar el residuo de la perforación.

Figura 6. Varilla helicoidal y bocas de perforación

Os dejo a continuación un vídeo donde explico, en general, la perforación rotativa de rocas. Espero que os complemente la información anterior.

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Principios de las perforaciones a rotación

Figura 1. Principio de la perforación rotativa

En un artículo anterior explicamos los fundamentos de la perforación por extracción de material. De entre los procedimientos existentes, la perforación mecánica por rotación constituye uno de los procedimientos más habituales. Aquí vamos a explicar los principios básicos en los que se basa.

El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía al terreno haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una fuerza de empuje. Este tipo de perforación se empezó a utilizar en minería sobre rocas blandas; sin embargo, la rapidez de desplazamiento y montaje de estos equipos, la variedad de útiles de corte han favorecido su uso en otros campos.

El giro del útil lo realiza el motor de la perforadora en superficie, que acciona una mesa o cabeza de rotación que, a su vez, mueve el tren de varillaje y éste finalmente transmite el giro al útil. Los útiles de corte que se emplean en rotación son las barrenas helicoidales, las coronas circulares y las cabezas tricono, según el tipo de terreno, del diámetro del talador y de la finalidad de la perforación (extracción de testigos o avance a destroza).

La perforación a rotación presenta características diferentes si se realiza en roca o en suelos. En roca el avance se produce por corte y compresión: el giro se realiza mediante sonda o rotor y la presión por barra de carga, varillaje y empuje hidráulico. En el caso de los suelos, si éstos son granulares no demasiado cohesivos, la perforación se realiza con una barrena helicoidal; en el caso de granulares muy sueltos es necesario el uso de cucharas.

En otros artículos anteriores ya hablamos de la perforación rotativa de rocas, de la perforación rotativa con triconos, de la perforación rotativa con cazo, del sondeo a rotación con barrena helicoidal, entre otros. También podéis leer algunas entrada que escribimos en su momento sobre técnicas de reconocimiento en el estudio geotécnico,  la ejecución de pilotes o de procedimientos de perforación horizontal dirigida con sistemas de perforación a rotación.

Sistemas de avance

El avance de la perforación rotativa en rocas se produce por la influencia simultánea de la presión que el útil de corte ejerce sobre el terreno y el efecto producido por el giro de dicho útil sobre la roca. Estas dos acciones se pueden provocar con diversos medios y potencia según las fuentes de energía y los sistemas de empuje y rotación empleados.

Las formas de energía motriz de uso más frecuente son la térmica y la eléctrica. La primera se suele utilizar en perforadoras pequeñas y medianas, generalmente montadas sobre camión en equipos accionados por el propio motor del camión o más frecuentemente por dos motores, el del camión más otro independiente. Para perforadoras montadas en equipos de mayor tamaño (diámetros de perforación superior a 250 mm, lo más normal es emplear energía eléctrica a media tensión, alimentando la perforadora con corriente alterna. En algunas instalaciones mineras también se emplean equipos diésel-eléctricos cuyo coste de mantenimiento es aproximadamente un 15% inferior al de los equipos diésel.

La aplicación de la potencia se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos e hidráulicos. La energía se transmite a través de las barras de perforación, que giran al mismo tiempo que penetra la boca, debido a la intensidad de la fuerza de avance. Prácticamente, casi sin excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor hidráulico. En este tipo de perforación, las pérdidas de energía en las barras y la boca son despreciables, por este motivo, la velocidad de penetración no varía apenas con la longitud del barreno. Para girar las barras y conseguir el par necesario, estas máquinas tienen un sistema de rotación montado habitualmente sobre un bastidor que se desliza a lo largo del mástil de la perforadora. El barrido del detritus de la perforación se realiza con aire comprimido, para lo cual el equipo está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de máquinas.

Figura 2. Perforación a rotación para estudios de terrenos

Empuje y elevación

El empuje a aplicar dependerá de la resistencia del terreno y del diámetro de la perforación (Figura 3). El mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del orden del 50% del peso de la máquina, alcanzando los equipos de mayor tamaño un peso de unas 120 t. Los sistemas de empuje, además de proporcionar la presión suficiente sobre el fondo de la perforación, sirven para elevar y manipular el conjunto de varillas o barras que hay que añadir o quitar durante la ejecución de la perforación. Se pueden emplear sistemas mecánicos (por cadena o cremallera) o hidráulicos. Los sistemas hidráulicos están formados por dos cilindros combinados, son más potentes y fácilmente controlables.

Figura 3. Mecanismos de empuje y elevación

El empuje transmitido al fondo del taladro debe ser suficiente para que el efecto conjunto sobre la roca genere una tensión superior a su resistencia a compresión. Pero tampoco conviene un empuje excesivo que aumente el desgaste del equipo. La velocidad de penetración aumenta proporcionalmente al empuje hasta un límite a partir del cual el útil se agarrota y los insertos se incrustan en la roca. En estas condiciones, el desgaste aumenta considerablemente junto con un mayor consumo de energía y, si la roca es dura, puede producirse la rotura de los dientes del útil (Figura 4).

Figura 4. Relación velocidad de avance-empuje

Como suele ser habitual, os dejo unos vídeos al respecto.

Referencias:

  • DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
  • INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
  • MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
  • UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.

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Perforación rotativa con cazo

Figura 1. Cazo rotativo abierto

Cuando se utilizan lodos tixotrópicos para el sostenimiento de la perforación, o estamos ante la presencia de agua, la barrena helicoidal no puede retirar el material, pues éste se escurre entre los pasos de ésta. En estos casos se emplea la perforación rotativa con cazo (bucket auger boring).

La perforadora con cazo rotativo utiliza un accionamiento mecánico o hidráulico que hace girar una Kelly que se fija a la cuchara. Para perforar, la cuchara gira para permitir que la parte inferior de los dientes de corte llene la cuchara. Las aletas en el fondo de la cuchara se cierran para mantener los detritus en su interior. El fondo de la cuchara es abatible (Figura 1) para permitir el vertido de la excavación.

La perforación con cazo es más lenta, con rendimientos previstos pueden ser la mitad (40-50 m/turno) de los conseguidos con hélices. Si bien es cierto que pueden triplicar los alcanzados con cuchara de valvas. Existen variantes de cazo con dientes de tierra, con dientes de widia, de fondo plano, se entrada simple, doble, etc.

Este sistema presenta algunos inconvenientes, además de los asociados a la perforación con lodos. Cuando se extrae el cazo se ejerce cierta succión que puede inestabilizar las paredes. Este efecto es particularmente sensible con diámetros de 500 mm o menos, por lo que lo habitual es perforar con cazo por encima de los 600 mm de diámetro.

Figura 2. Cazo rotativo

 

Os dejo algunos vídeos que ilustran la forma de trabajar con este tipo de perforación rotativa.


Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

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Potencia de un martillo a rotopercusión

Figura 1. Martillo en cabeza. http://osebe.es/perforaciones-con-martillo/

En una entrada anterior ya se comentaron los fundamentos básicos de la perforación a rotopercusión. El principio de perforación de estos equipos se basa en el impacto de una pieza de acero llamada pistón, sobre un útil, que a su vez transmite la energía al fondo del barreno, por medio de un elemento final denominado boca o bit. Este sistema de perforación suele usarse en terrenos muy duros y semiduros. Estas perforadoras, tal y como se comentó anteriormente, pueden tener el martillo en cabeza o en fondo.

La potencia necesaria de un martillo se puede estimar mediante la siguiente expresión:

donde,

P = potencia del martillo

pf = presión del fluido (aire o aceite) en el interior del cilindro

s = superficie de trabajo del pistón

Ip = carrera del pistón

mp = masa del pistón

Figura 2.- Elementos para el cálculo de la potencia del martillo

Es posible estimar la velocidad de penetración Vp1 para un diámetro dado d1, cuando, utilizando el mismo equipo en similares condiciones, se conoce la velocidad Vp2 que se alcanza para otro diámetro d2.

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

 

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Perforación por extracción de material

Figura 1.- Perforación mecánica (Ingeopress)

Las operaciones necesarias para la ejecución con éxito de perforación con extracción de material son el troceo, la extracción del material propiamente dicha y la contención de las paredes. Estas operaciones se realizan en ocasiones de forma simultánea a la ejecución de la perforación.

 

La rotura o corte del terreno puede realizarse mediante varios procedimientos diferentes. Entre otros, destacan los siguientes:

 

  • Perforación mecánica: se deben aplicar tensiones sobre el material que superen su resistencia de corte. Este efecto puede realizarse por impacto (percusión), presión (empuje), fricción (rotación) o desgaste (barrido), o por efectos combinados de ellos.
  • Perforación térmica: realizada mediante soplete o lanza térmica, plasma, fluido caliente o congelación.
  • Perforación química: realizada mediante microvoladura o por disolución.
  • Perforación hidráulica: provocada por efecto de un chorro de agua a alta presión, por erosión o cavitación.
  • Otros tipos de perforación: eléctrica, sónica, nuclear, etc.

 

La eliminación del detritus puede ser discontinua, en el caso de interrupción de la perforación y la eliminación mecánica del detritus, o continua, empleando un fluido en circulación (aire, agua o lodos) que, a su vez, refrigera el útil de perforación y sostiene las paredes de la perforación. La extracción hidráulica presenta dos variantes, la circulación directa y la circulación inversa.

Cuando se utiliza un fluido para extraer el detritus, la circulación directa se refiere a que el fluido de perforación y el detritus se elevan hacia la superficie entre las paredes del sondeo y el varillaje. La circulación directa es el sistema más empleado en perforaciones relativamente cortas (menos de 50 m) y hasta ahora ha sido universal en los martillos neumáticos.

Figura 2.- Extracción del material en una perforación

En cambio, con la circulación inversa, el fluido y el material se eleva por el interior del varillaje. En este caso se mantiene inundada la perforación, siendo el ascenso del material por depresión o por inyección forzada. Se emplea también con martillos en fondo. Este método tiene interés en formaciones relativamente blandas poco permeables, con fisuración débil, poco abrasivas y de paredes estables (arcillas, algunas formaciones yesíferas y sales potásicas, por ejemplo). Es un método seguro, pero más caro, aunque mejora la limpieza del sondeo, recupera detritus de mayor tamaño y aumenta la velocidad de perforación. Normalmente se emplea un sistema de doble pared, es decir, dos tubos concéntricos: por la cámara exterior se inyecta el fluido y por la interior asciende.

Figura 3.- Esquema de instalación en circulación inversa

La perforación en suelos es más sencilla que en roca, pero en numerosas ocasiones se necesita un sostenimiento de las paredes del sondeo para evitar su derrumbe. El sostenimiento se puede realizar mediante fluidos como el agua (equilibrio hidrostático) o lodos (películas tixotrópicas) que sirven, además, para la eliminación del detritus; o bien mediante entubaciones, que pueden ser provisionales o definitivas.

El lodo es una mezcla de agua y bentonita sódica (a veces, sepiolita) tratada, a la que en ocasiones se añade arcilla y algún aditivo. Esta mezcla forma una lámina o “cake” que impermeabiliza el sondeo, de forma que si se mantiene llena de lodo la perforación, la presión en la cara interna de la pared supera a la existente en el exterior, lo que permite la estabilidad de la pared.

En sondeos y perforaciones helicoidales, el residuo de la perforación se extrae con la propia hélice.

Según la resistencia a compresión de las rocas y el diámetro de perforación, se pueden delimitar distintos métodos de perforación, según se refleja en la Figura 4. Sin embargo, en obras de construcción, lo habitual son los métodos rotopercutivos en la perforación de rocas, mientras que en minería a cielo abierto, también se utiliza la perforación rotativa.

Figura 4.- Campos de aplicación de los métodos de perforación en función de la resistencia de las rocas y diámetros de los barrenos (ITGE, 1994)

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

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Vagones y carros perforadores

Figura 1.- Vagón perforador montado en llantas BARI-JÚPITER, modelo JRD 120 (B)

En una entrada anterior se describió el sistema de montaje de perforación mediante jumbos. En esta entrada, el sistema de montaje será el de vagones y carros perforadores. Los vagones y carros perforadores son las unidades remolcadas o autoportantes que permiten trasladar martillos medianos o pesados, de accionamiento neumático o hidráulico, y que están pensadas para perforaciones a cielo abierto.

La mayoría de estos equipos disponen de un sistema de avance con potencia suficiente para alcanzar profundidades superiores a 50 m, longitud que rebasa el límite de los 20 m impuesto por las desviaciones que son más habituales en este tipo de perforación.

Los equipos más simples, diseñados para excavación en banco y explotación de minas y canteras, constan de un chasis remolcable sobre el que se apoya un martillo de fondo ligero montado sobre una deslizadera de unos 2-2,5 m con avance de cadena.

Los equipos pesados, con diámetro superior a 12 cm y 3 – 4 t, montados sobre orugas, disponen de una deslizadera de mayor longitud (5-6 m) y de un sistema de avance con la potencia adecuada al peso del varillaje o sarta de tubos que se requiere en perforaciones más profundas.

Figura 2.- Carro perforador FlexiROC D65 de Atlas Copco
Figura 3.- Componentes de un carro perforador Atlas Copco

 

Figura 4.- Perforadora montada sobre camión T455WS SCHRAMM

Os dejo algunos vídeos al respecto:

 

Referencia:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

 

 

Tendido de cable para fibra óptica sin abrir zanjas

Ditch Witch JT60
Ditch Witch JT60

En este post me gustaría incidir en el tema de la instalación de fibra óptica. La fibra óptica es un medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos y telecomunicaciones, consiste en un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir.

Las microzanjas podría ser una de las alternativas a emplear, sobre todo en las calles. En el vídeo que os dejo a continuación la empresa andaluza Magtel nos explica las ventajas de su técnica.

Sin embargo, la perforación horizontal dirigida se está convirtiendo en una alternativa real y económica frente a los métodos tradicionales de aperturas de zanjas. A continuación os dejo el ejemplo de máquinas que utilizan esta tecnología. El vídeo que presento es de la empresa Ditch Witch. En este caso la maquina puede realizar trabajos de instalación de tubos o fibra óptica en tramos de 300 a 400 m, presenta una fuerza de tiro de 26,7 toneladas y puede perforar incluso roca.

Raise Boring Rig (RBR)

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Raise Boring Rig (RBR) constituye un sistema de construcción de pozos en roca de hasta 2000 m de profundidad.  Se trata de un equipo de perforación que se instala por encima del terreno. Se taladra una perforación piloto, con un ángulo que puede ser de hasta 45º. Se perfora hasta llegar al túnel o caverna ya existente. Posteriormente se retira la broca piloto y se fija un escariador a la sarta de perforación, que amplía la perforación hacia arriba.

Os dejo a continuación un vídeo de la empresa Herrenknecht donde podéis ver el procedimiento constructivo. Espero que os guste.

Referencia:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.

 

Fluido de perforación en la Perforación Horizontal Dirigida (PHD)

Fluido de perforación. Imágen de Catalana de Perforacions
Fluido de perforación. Imagen de Catalana de Perforacions

El procedimiento habitual es la perforación asistida con fluidos. En este caso, la cabeza se empuja por una sarta de perforación a través del terreno. El fluido se bombea por el interior de la tubería que forma la sarta de perforación y retorna por el espacio que existe entre la sarta y las paredes de la perforación, con el detritus correspondiente, por lo que debe reciclarse para volver a utilizarse. Hay máquinas autónomas que llevan consigo los tanques de mezcla y las bombas del fluido, aunque en otras son sistemas independientes.

El uso de la perforación con lodos es frecuente, pues además de contener las paredes, permite el transporte del detritus en suspensión al exterior, además de la lubricación y refrigeración de la cabeza de corte. Asimismo, estabilizan la perforación piloto hasta que se inicia su ensanche. Los fluidos de perforación suelen ser mezclas de bentonita y agua, aunque hoy existe una tendencia creciente en el uso de polímeros. Hay que prever en suelos porosos o fracturados una pérdida de fluidos significativa. Cuando se trata de perforar terrenos duros y roca, se pueden utilizar conjuntos de fondo, BHA (bottom hole assembly), que es la parte inferior de la sarta de perforación que se extiende desde un tricono de perforación al varillaje. El BHA se acciona mediante un motor de lodos, que utiliza la potencia hidráulica del fluido de perforación.

Central de tratamiento de lodos. Imagen de Catalana de Perforacions
Central de tratamiento de lodos. Imagen de Catalana de Perforacions

En el vídeo que os dejo a continuación se profundiza en el uso de los lodos como fluido de perforación. Espero que os sea de utilidad.

Referencias:

  • IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.
  • Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
  • Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.

Maquinaria en la Perforación Horizontal Dirigida (PHD)

Figura 1. Perforación Horizontal Dirigida. http://www.construtec.es/
Figura 1. Perforación Horizontal Dirigida. http://www.construtec.es/

Actualmente existe una gran variedad de máquinas empleadas en la PHD. En la Tabla 1 se recoge una clasificación en función de la fuerza máxima de tiro, el par máximo y el peso (IbSTT, 2013). Más del 90% de las máquinas se pueden clasificar como pequeñas o medianas, con una fuerza máxima de tiro de 250 kN. Con estas características, se pueden colocar diámetros que oscilan entre los 50 mm y los 2200 mm, e incluso llegar a 3 km de conducción si se dan las circunstancias favorables. Aunque las máquinas estándar y más versátiles del mercado suelen tener 500 kN de tracción, las mayores tiran unos 2000 kN. Resulta interesante en este sentido el trabajo de Gierczak (2014) donde se realiza una valoración cualitativa de los riesgos inherentes a los proyectos PHD. Además, estas máquinas presentan una gran variedad de sistemas de guiado, cabezas de perforación, de ensanchamiento y otros accesorios (Figura 2).

Tabla 1. Clasificación de máquinas para la perforación horizontal dirigida (IbSTT, 2013)
Tabla 1. Clasificación de máquinas para la perforación horizontal dirigida (IbSTT, 2013)
Figura 7. Mandriles de cabeza de tiro. Imagen de Terra Trenchless Technologies
Figura 2. Mandriles de cabeza de tiro. Imagen de Terra Trenchless Technologies

Las pequeñas acometidas utilizan sistemas Mini-PHD (Figura 3) en las que la dirección de la cabeza de perforación se logra gracias al corte en bisel que presenta la propia broca. En los sistemas Maxi-PHD se utiliza una camisa doblada para desviar el eje del cabezal de corte, además de un tubo de lavado (“washover”) o una camisa con un gran diámetro interno, dentro de la que se desliza la sarta de perforación. A pesar de la gran variedad de máquinas y fabricantes, los equipos están montados sobre tráiler, sobre orugas o por módulos. El sistema modular suele ser la mejor opción para los equipos de mayor potencia, por su facilidad y rapidez de acoplamiento. Para obras de fácil acceso y para facilitar el transporte, lo mejor sería montar el equipo sobre un tráiler, pero si tenemos problemas de movilidad, mejor sería montarlo sobre orugas.

Figura 8. Mini-PHD para acometidas modelo GRUNDOPIT. Imágenes de Sistemas de Perforación S.L.U.
Figura 3. Mini-PHD para acometidas modelo GRUNDOPIT. Imágenes de Sistemas de Perforación S.L.U.

Los rendimientos de las máquinas PHD dependen del tipo de terreno (ver Tabla 2), pero también de aspectos gerenciales, medioambientales o de las condiciones de la tubería. Zayed y Mahmoud (2013) analizan todos los factores que influyen en la productividad. Predecir la producción y los costes que va a tener un equipo de estas características puede ser complejo (Yepes, 2015); en este sentido Zayed y Mahmoud (2014) proponen técnicas basadas en la lógica difusa para su predicción.

Tabla 2. Valoración de la aplicabilidad de la técnica PHD en función del material (Hair, 1994).
Tabla 2. Valoración de la aplicabilidad de la técnica PHD en función del material (Hair, 1994).

Así, lo más favorable son arcillas homogéneas, mientras que los materiales granulares presentan problemas de estabilidad, sobre todo bajo nivel freático. Además, las gravas pueden acelerar el desgaste de la cabeza de perforación. Wang y Sterling (2007) han estudiado el comportamiento de la PHD en arenas flojas o mezclas de arenas y gravas, que son los terrenos más problemáticos. En el caso de roca, las máquinas deben contar con motores de lodos que accionen las cabezas cortadoras. Existen incluso máquinas con doble varilla en el que el tubo interior hacer rotar la cabeza cortadora de roca y el exterior proporciona la dirección de perforación; sin embargo, estas máquinas son de pequeño diámetro y longitud de perforación. Otra opción es combinar la percusión con el empuje y la rotación.

En cuanto al emplazamiento de las máquinas, éstas se instalan en superficie, aunque en ocasiones se implantan en un foso. Las de superficie se desplazan mediante orugas, aunque si son muy grandes a veces se requieren medios de transporte. Con todo, son necesarios pequeñas excavaciones para conectar los extremos de los tramos de tubería. Las máquinas emplazadas en fosos se usan normalmente para tramos cortos y rectos, con ligeras desviaciones. Esta circunstancia también restringe la longitud de la sarta de perforación.

Las máquinas PHD presentan dos características comunes, un soporte que empuja la sarta de perforación para la perforación piloto y luego tira de ella y del tubo durante el ensanchamiento (Figura 4), y un motor que hace girar la sarta de perforación, junto con la cabeza de perforación o de ensanche. El empuje suele ser hidráulico, y la inclinación del soporte está inclinada entre 10º y 20º respecto a la horizontal. Si la máquina se emplaza en un foso, la reacción necesaria la proporcionan las caras de la excavación. Las máquinas de superficie se anclan al suelo para su estabilización.

Figura 9. Conexión del escariador a la tubería. Imagen de Apollo Trenchless, Inc.
Figura 4. Conexión del escariador a la tubería. Imagen de Apollo Trenchless, Inc.

La sarta de perforación está formada por tubos que están sometidos a grandes esfuerzos, tanto de tracción como de compresión por el empuje y tiro de la máquina, así como de torsión por el par de rotación. Además deben ser flexibles para adaptarse a los cambios de dirección de la perforación y ligeros para facilitar su transporte. Y por supuesto, resistentes a la abrasión y al desgaste. Cheng y Polak (2007) presentan un modelo teórico para el dimensionamiento de las tuberías y Yang et al. (2014) proporcionan un modelo dinámico determinar los esfuerzos de tiro. Las máquinas emplazadas en superficie usan tubos de entre 3 y 9,6 m de longitud, mientras que las situadas en un foso requieren tramos más cortos, entre 0,3 y 1, 5 m. Estos tramos suelen roscarse entre sí, aunque también hay conexiones tipo bayoneta. La tubería se incorpora a la perforación por tramos cargándose por un sistema automático de la máquina (Figura 5). Los tramos se pueden roscar o desenroscar de forma automática para acelerar la producción y seguridad de las operaciones.

Figura 10. Sistema de carga de tramos de tubería. Imagen de Zemin Arastrima Merkezi, Corp.
Figura 5. Sistema de carga de tramos de tubería. Imagen de Zemin Arastrima Merkezi, Corp.

A continuación os dejo un vídeo explicativo que espero sea de vuestro interés.

Referencias:

  • Cheng, E., and Polak, M. A. (2007). Theoretical model for calculating pulling loads for pipes in horizontal directional drilling. Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 22, No. 5-6, pp. 633-643.
  • Gierczak, M. (2014). The qualitative risk assessment of mini, midi and maxi horizontal directional drilling projects. Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 44, pp. 148-156.
  • IbSTT Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (2013). Manual de Tecnologías Sin Zanja.
  • Wang, X., and Sterling, R. L. (2007). Stability analysis of a borehole wall during horizontal directional drilling. Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 22, No. 5-6, pp. 620-632.
  • Yang, C. J., Zhu, W. D., Zhang, W. H., Zhu, X. H., and Ren, G. X. (2014). Determination of pipe pullback loads in horizontal directional drilling using an advanced computational dynamic model. Journal of engineering mechanics, Volume 140, No. 8, 04014060.
  • Yepes, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
  • Yepes, V. (2015). Coste, producción y mantenimiento de maquinaria para construcción. Editorial Universitat Politècnica de València, 155 pp.
  • Yepes, V. (2015). Aspectos generales de la perforación horizontal dirigida. Curso de Postgrado Especialista en Tecnologías Sin Zanja, Ref. M7-2, 10 pp.
  • Zayed, T., and Mahmoud, M. (2013). Data acquisition and factors impacting productivity of horizontal directional drilling (HDD). Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 33, pp. 63-72.
  • Zayed, T., and Mahmoud, M. (2014). Neurofuzzy-based productivity prediction model for horizontal directional drilling. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, Volume 5, No. 3, 04014004.