BRPI0314181B1 - processo para reduzir o desgaste em uma cabeça de corte de uma máquina de perfuração de túnel - Google Patents

Abstract

"processo". a presente invenção refere-se a um processo de redução de desgaste em uma cabeça de corte de uma máquina de perfuração de túnel, por meio da adição à cabeça de corte de uma composição líquida aquosa espumada, que compreende um agente espumante e um lubrificante, o lubrificante sendo selecionado do grupo consistindo em óxidos de polietileno de alto peso molecular e bentonita. os agentes espumantes preferidos são os tensoativos aniônicos e não-iônicos. as taxas de desgaste dos elementos de corte das tbms perfurando em rocha dura são reduzidas consideravelmente. um concentrado espumante redutor de desgaste também é descrito.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA REDUZIR O DESGASTE EM UMA CABEÇA DE CORTE DE UMA MÁQUINA DE PERFURAÇÃO DE TÚNEL".

Esta invenção refere-se a um processo de perfuração de um túnel em rocha dura e a composições para auxiliar nessa perfuração. A perfuração de túneis em rocha dura, tais como rochas de calcário e metamórficas ou ígneas, sempre apresentou mais problemas do que a perfuração em rocha mais macia. O processo mais comumente usado de perfuração de túneis em tal rocha tem sido o de furar com jatos, seguido por explosão com explosivos. Tem sido desejado o uso de máquinas de perfuração de túneis (TBMs), máquinas com cabeças de corte de diâmetros grandes (algumas vezes superiores a 10 m), para abrir túneis em rochas duras. O grande problema do uso de TBM nessa rocha é o rápido desgaste dos elementos cortantes (discos de aço endurecido que se projetam da cabeça de corte) e a necessidade para substituição freqüente, uma desvantagem de ambos os pontos de vista operacional e econômico.

Descobriu-se então que o uso de uma composição particular pode reduzir consideravelmente esse desgaste, permitindo uma perfuração mais eficiente e econômica em rocha dura com uma TBM. Esta invenção proporciona, portanto, um processo para reduzir o desgaste em uma cabeça de corte de uma máquina de perfuração de túnel, por meio da adição na cabeça de corte de uma composição líquida aquosa espumada, que compreende um agente espumante e um lubrificante, o lubrificante sendo selecionado do grupo consistindo em óxidos de polietileno peso molecular e bentonita. O agente espumante pode ser qualquer agente espumante, isto é, qualquer material que, quando agitado em água, vai provocar formação de espuma estável. É possível usar mais do que um agente espumante em uma composição para uso nesta invenção. Uma ampla variedade desses materiais é conhecida na técnica. Os materiais preferidos, para uso como agentes espumantes nesta invenção, são os tensoativos, isto é, materiais que têm ambos os componentes hidrofílicos e componentes hidrofóbicos. Embora qualquer tensoativo adequado possa ser usado, verificou-se que, para os propósitos desta invenção, os tensoativos que melhor funcionam são os tipos aniônico e não-iônico, e estes são os tensoativos preferidos.

Se o tensoativo for do tipo aniônico, é, de preferência, um tenso-ativo contendo sulfato, particularmente, um sulfato de álcool e, especialmente, um sulfato de laurila. Muitos materiais adequados são conhecidos na técnica, um exemplo de um material particularmente preferido sendo sulfato de laurila de monoisopropanolamina (disponível comerciaimente, por exemplo, com o nome comercial "Sulfetal" Cjot 60).

Ainda que o desempenho dos tensoativos aniônicos seja excelente, o uso deles é algumas vezes indesejável, se considerações ambientais são importantes. Por razões ambientais, prefere-se que a espuma seja de vida curta, isto é, que se mantenha como espuma apenas pelo tempo entre a sua geração e a remoção do líquido espumado da face de corte. A espuma de tensoativos aniônicos pode ser, desse modo, estável e durável, que pode ser algumas vezes encontrada em rios distantes do local de trabalho. Nesses casos, os não-iônicos são os preferidos; o desempenho deles no local de trabalho não é menos excelente, mas biodegradam mais rapidamente e qualquer espuma gerada dura um tempo relativamente curto. Além disso, os componentes da decomposição dos tensoativos não-iônicos são consideravelmente menos nocivos do aqueles dos aniônicos e, portanto, representam menos risco toxicológico à vida vegetal e animal.

Os exemplos de tensoativos não-iônicos efetivos, para uso nesta invenção, incluem alcanolaminas, aminóxidos, álcoois etoxilados, alquilfe-nóis etoxilados, ésteres etoxilados, ésteres de glicose e sacarose, e os seus derivados. São especialmente efetivos os ésteres de glicose e sacarose e os seus derivados, particularmente alquil poliglicosídeos. Os exemplos comerciais típicos desses incluem "Lutensol" (marca registrada) GD 70 (ex-BASF) e "Glucopon" (marca registrada) (ex-Cognis). O lubrificante pode ser selecionado de um de dois materiais diferentes, ambos sendo facilmente disponíveis comercialmente. Por óxido de polietileno (PEO) de "alto peso molecular", quer se mencionar um PEO com um peso molecular ponderai médio de pelo menos 1.000.000. De preferên- cia, o peso molecular é de 2.000.000 a 8.000.000. Esses materiais foram usados anteriormente na perfuração de túneis com TBMs, mas nunca em conjunto com a perfuração de rochas duras. Os materiais comerciais típicos incluem POLYOX (marca comercial registrada) WSR-301. Uma mistura de diferentes PEOs pode ser usada, embora, sendo um polímero, um PEO tenha uma distribuição de peso molecular e é, portanto, já, inerentemente, uma mistura de diferentes materiais. O lubrificante alternativo é bentonita. Esse material argiloso já é bem conhecido como um constituinte de lamas de perfuração e tem sido usado, também, em algumas aplicações de TBMs. No entanto, o seu uso em conjunto com os agentes espumantes descritos acima, para atingir esse fim particular, é novo. Qualquer bentonita disponível comercialmente é adequada para os propósitos da invenção, um exemplo típico sendo "Tixoton" (marca registrada).

As composições são preparadas para uso por adição de uma quantidade adequada de água. Embora o suprimento de composições secas seja teoricamente possível e não seja excluído desta invenção, é impraticável. Uma razão para isso é que introduz a tarefa de produzir a composição líquida no local de trabalho - isso pode ser difícil, especialmente com PEOs de alto PM, que, embora solúveis em água, podem ser de difícil dissolução. Além disso, outros aditivos comercialmente disponíveis (descritos adicionalmente abaixo) são freqüentemente empregados apenas em forma de solução ou suspensão. Há dois processos para superar essas dificuldades. O primeiro é suprir as composições como uma série de ingredientes aquosos individuais, que podem ser dosados nas proporções individuais corretas a uma quantidade relativamente grande de água para formação de espuma. Desse modo, o PEO e/ou a bentonita, o agente espumante e quaisquer ingredientes opcionais (descritos adicionalmente abaixo) são proporcionados individualmente em forma aquosa. O equipamento de contenção e dosagem é bem conhecido na técnica e não precisa ser, portanto, descrito adicionalmente aqui. Esse processo tem a vantagem da versatilidade - as quantidades dos ingredientes podem ser variadas para se adequarem às condições locais, na medida que estas aparecem, e quaisquer componentes opcionais podem ser incluídos ou não incluídos, como pode ser o caso. É mesmo possível incluir ambos os tipos de lubrificante (PEO e bentonita) e fazer uma variação entre eles. A desvantagem é, naturalmente, que uma outra parte de equipamento, com os seus problemas de custo e manutenção associados, é introduzida.

Um processo particularmente desejável, para a maior parte das aplicações, é proporcionar um concentrado, uma solução ou suspensão aquosa, com uma proporção adequada dos ingredientes necessários, que seja capaz de ser usado rápida e facilmente. Não há qualquer problema em diluir esse concentrado e espumar o concentrado diluído em um local de trabalho. Onde a versatilidade da abordagem de dosagem, descrita acima, não é necessária, esse é particularmente preferido, por causa da sua simplicidade de uso e da barateza relativa.

As quantidades dos ingredientes nos parágrafos apresentados a seguir refere-sem a uma composição aquosa, que compreende os ingredientes secos mais água suficiente, ou para colocar os ingredientes individuais em forma aquosa, para dosagem individual, como descrito acima, ou para preparação de um concentrado aquoso, como descrito acima. As composições são completadas a 100% com água. Isso não inclui a água de diluição final e a de formação de espuma (para estas quantidades consultar a página 5).

No caso onde PEO é usado como lubrificante, as quantidades de PEO usadas são de 0,1 - 3,0%, de preferência, de 0,4 - 2,0% e, particularmente, de 0,5 - 1,0% em peso do concentrado. As quantidades equivalentes do agente espumante são de 2 - 40%, de preferência, de 5 - 30% e, particularmente, de 5 - 20%.

Se bentonita for usada como o lubrificante, as quantidades são de 2 - 30%, de preferência, de 2 - 25% e, particularmente, de 2 - 20%, e as quantidades equivalentes do agente espumante são de 2 - 40%, de preferência, de 4 - 20% e, particularmente, de 5 -15%. É possível adicionar outros ingredientes às composições para uso nesta invenção. Dois desses particularmente úteis são os agentes se-qüestrantes e os agentes reforçadores de formação de espuma. Esses são geralmente mais efetivos nas composições nas quais o PEO é o lubrificante, mas podem ser usados também com bentonita. Além disso, nos casos preferidos, são mais freqüentemente úteis com tensoativos aniônicos; têm pouco efeito com não-iônicos. Isso é especialmente verdade para o agente se-qüestrante. O agente seqüestrante está presente para compensar quaisquer problemas em função do uso de água dura na preparação da solução espumada final - a água dura pode provocar precipitação do agente espumante e tornar a composição inútil. Se não houver qualquer água dura presente, um agente seqüestrante não é naturalmente necessário, mas a adição desse agente proporciona uma composição, que pode ser usada em quaisquer condições da água, e que está, portanto, sempre pronta para uso em quaisquer circunstâncias. Qualquer agente seqüestrante adequado pode ser usado, as quantidades usadas sendo na faixa de até 5%, de preferência, de 0,1 - 5%, particularmente, de 0,5 - 2% e, especialmente, de 1 -1,5%. Um exemplo de um agente seqüestrante, que é adequado para uso nesta invenção, é "Cublen" (marca registrada) K2523. O agente reforçador de formação de espuma pode ser igualmente qualquer material adequado. As quantidades usadas são até 10%, de preferência, de 0,1 - 10% e, particularmente, de 0,1 - 1%. Um exemplo de um agente reforçador de formação de espuma, que é adequado para uso nesta invenção, é "Aromox" (marca registrada) MCD-W. A invenção também proporciona um concentrado líquido espumante redutor de desgaste, consistindo em pelo menos um lubrificante, selecionado de óxido de polietileno de alto peso molecular e bentonita, e pelo menos um agente espumante, que forma espumas de vida curta, contendo também opcionalmente pelo menos um agente seqüestrante e pelo menos um agente reforçador de formação de espuma, as proporções presentes sendo, respectivamente: (a) no caso de óxido de polietileno como lubrificante: 0,1 - 3% de óxido de polietileno; 2 - 40% de agente espumante; até 5% de agente seqüestrante; e até 1% de agente reforçador de formação de espuma; e (b) no caso de bentonita como o lubrificante: 2 - 30% de bentonita; e 2 - 40% de agente espumante; em peso do concentrado, o restante sendo água.

Em uso, no caso de um concentrado, o concentrado é adicionado a uma quantidade adequada de água e espumado, sendo antes bombeado para a cabeça de corte rotativa e injetado na interface da cabeça de corte e rocha. No caso de um sistema de dosagem de ingredientes individuais, as quantidades necessárias dos ingredientes aquosos são dosadas a uma quantidade adequada de água e espumadas. Tipicamente, o concentra-do/ingredientes individuais, descritos acima, é ou são diluídos com água, para produzir uma composição aquosa tendo de 1 - 20%, de preferência, 1 -10%, particularmente, de 1 - 8% e, especialmente, de 1 - 6% de concentra-do/ingredientes individuais. A composição diluída é espumada por qualquer meio convencional, para produzir uma expansão volumétrica de 5 - 40, de preferência, 5 -20, particularmente, 8-20 vezes o volume do material não espumado. A diluição efetiva do concentrado/ingredientes individuais e a quantidade na qual é ou são espumados vão variar consideravelmente, dependendo das circunstâncias particulares. Fatores, tais como diâmetro da cabeça de corte, número e local dos bocais de injeção e natureza da rocha vão ter um grande efeito. O requisito essencial é manter uma camada de espuma em contato com a face da rocha, por toda a área da cabeça de corte. O atingimento desse requisito é uma questão de experimentação rotineira, e uma pessoa versada na técnica vai ser capaz de fazer isso. Os valores típicos para um concentrado do tipo descrito acima são de 0,5 - 10,0, de preferência, de 0,5 - 6,0, particularmente, de 1 - 4 kg de concentrado/m3 de rocha removida. Se ingredientes aquosos individuais vão ser adicionados, as quantidades equivalentes podem ser calculadas facilmente. Enfatiza-se que esses valores são dados apenas como uma orientação geral, e que determinadas condições podem requerer quantidades mais baixas ou mais altas dos ingredientes individuais ou de concentrado. É um aspecto surpreendente desta invenção que o uso de uma composição líquida aquosa, como descrito acima, resulta em uma redução considerável no desgaste dos elementos de corte em rocha dura, propiciando um tempo de vida útil mais longo e substituição menos freqüente, e, portanto, perfuração de túnel melhor e mais barata. Acredita-se, sem restringir de algum modo o âmbito desta invenção, que o material fino produzido na face de perfuração da TBM é ligado à composição líquida aquosa e age como um lubrificante. A invenção é ilustrada a seguir pelos seguintes exemplos não limitantes.

Composição A (usando tensoativo aniônico) São usados os seguintes ingredientes: óxido de polietileno ("PEO") "Polyox" WSR 301, peso molecular ponderai médio de 4.000.000 - 0,83%; tensoativo "Sulfetal" Cjot 60 - 9,0%; agente seqüestrante ("SA") "Cublen" K 2523 - 0,3%; agente reforçador de formação de espuma ("FB") "Aromox" MCD-W - 0,15%; e água - até 100%.

Composições BeC (usando tensoativo não-iônico) As composições são as seguintes: B (%) C (%) "Lutensol" GD 70 10,0 10,0 "Polyox" WSR 301 0,9 Bentonita 4,2 Bicarbonato de sódio 0,4 Água a 100 a 100 Teste Um método para determinar a eficiência das composições para uso nesta invenção, antes do uso com uma TBM, com economia, desse modo de tempo e dinheiro, requer o seguinte aparelho: Jarro de PVC, 1 litro, boca larga corpo de prova pó de carboneto de silício (0,841 -1,19 mm) O corpo de prova consiste em três rodas de aço ST50 de diâmetro de 50 mm e espessura de 14 mm, com um furo axial de diâmetro de 10 mm, as três sendo fixadas em um parafuso M10 por qualquer meio adequado (tais como porcas e arruelas), de modo que haja um espaço de cerca de 14 mm entre as rodas adjacentes. O procedimento é o seguinte: 400 g de carboneto de silício são misturados com quantidades de água e composição e adicionados ao jarro. Um corpo de prova, do qual os pesos das três rodas individuais são conhecidos com precisão (a 0,001 g), é depois adicionado ao jarro, e o jarro é selado, colocado em um dispositivo de rotação e rolado por 3 horas a 125 rpm. As rodas são depois pesadas e a perda de peso (desgaste) é determinado.

As composições A, B e C são assim testadas. Em cada caso, as composições são diluídas com água (5% da composição em água) e amostras de 30 e 60 g são espumadas para produzir uma expansão volumétrica de 10 vezes. Como um controle, 60 g de água são adicionados a uma amostra de 400 g do carboneto de silício e testadas. Os valores de desgaste (em mg) dos corpos de prova foram os seguintes: SiC + água - 204;

SiC + 30g A -190;

SiC + 60g A -157;

SiC + 30 g B -129;

SiC + 60 g B -115;

SiC + 30 g C -123; e SiC + 60 g C - 90.

Como se pode notar, os valores de desgaste são reduzidos, em alguns casos de maneira bastante substancial.

Claims (9)

1. Processo para perfurar rocha dura por meio de uma máquina de perfuração de túnel compreendendo discos de aço temperado, que se projetam da cabeça de corte, sendo que o desgaste na cabeça de corte é reduzido, caracterizado pelo fato de que compreende perfurar um túnel em rocha dura, e adicionar à cabeça de corte, enquanto se perfura, uma composição líquida aquosa espumada injetada na interface entre a cabeça de corte e a rocha dura, cuja composição compreende um agente espumante e um lubrificante selecionado do grupo consistindo em óxidos de polietileno de alto peso molecular, em que a composição é suprida como um concentrado que é adicionado em uma quantidade de 0,5 a 10 kg/m3 de rocha removida.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ingredientes individuais da composição espumante são dosados na forma aquosa individual em água, e convertidos em espuma.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o agente espumante é selecionado dentre tensoativos aniôni-cos e não-iônicos.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o agente espumante é pelo menos um tensoativo não-iônico.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que pelo menos um tensoativo é não-iônico e compreende pelo menos um dentre alcanolaminas, aminóxidos, alcoóis etoxilados, alquilfenóis etoxilados, ésteres etoxilados, ésteres de glicose, ésteres de sacarose, ou derivados dos mesmos.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o oxido de polietileno apresenta um peso molecular médio de pelo menos 1.000.000.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a composição é suprida como um concentrado, que é diluído com água in situ, para proporcionar a composição espumante.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o concentrado líquido espumável redutor de desgaste contém ainda pelo menos um agente sequestrante ou agente reforçador de formação de espuma, no qual os componentes do concentrado líquido espumável redutor de desgaste estão presentes nas seguintes quantidades: 0,1% a 3% oxido de polietileno; 2% a 40% agente espumante; de mais do que 0% a 5% de agente sequestrante; e de mais do que 0% a 10% de agente reforçador de formação de espuma; em peso da composição líquida, o restante sendo água.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o concentrado líquido espumável redutor de desgaste é diluído em 1 a 20 volumes de água, e espumado para prover uma expansão de volume de 5 a 40 vezes o volume do material não espumado.