El documento describe los triconos, herramientas de perforación rotativa. Explica que los triconos se componen de conos, rodamientos y un cuerpo, y describe los parámetros de diseño de cada elemento. También cubre los tipos de triconos, incluidos los de dientes e insertos, y los factores a considerar al seleccionar un tricono.

1. /
Capítulo 5
/
/
TRICONOS
/
/
/ 1. TRICONOS rocosas blandas o de poca resistencia, pero, en la ac-
tualidad, estos útiles han permitido a la perforación
rotativa competir con otros métodos empleados en
Aunque la aparición de los triconos como herra- rocas duras.
/ mienta de perforación se remonta al año 1910, puede El trabajo de un tricono se basa en la combinación de
decirse que hasta el desarrollo de los equipos rotativos dos acciones:
en la década de los 60 no se logró un perfecciona- - Indentación:
/ miento en el diseño y fabricación de este tipo de bocas Los dientes o insertos del tricono penetran en la
que hiciera su utilización masiva en minería. roca debido al empuje sobre la boca. Este meca-
En un principio, sólo eran aplicables en formaciones nismo equivale a la trituración de la roca.
/
/
CANAL DE ASCENSION
DEL DETRITUS
TUBO DE AIRE
/ (FILTRO AIRE DEL COJINETE)
BOQUILLA
REEMPLAZABLE
/
/
ENTRADA DE AIRE
A LOS COJINETES
PROTECCIONES
/ DE LA PATA
VALVULA DE
RETENCION
/
"" FALDON
RODAMIENTO
/ DE RODILLOS
TACON DE PROTECCION
DEL CONO
/
INSERTOS DE PRO-
TECCION DEL FALDON
INSERTO DE LA FILA "D"
"
INSERTO DE LA FILA "c"
/ BOTON OE EMPUJE
RODAMIENTO DE BOLAS
"
./
"
/ Figura 5.1. Esquema de trícono (Smith-Gruner).
" 91
/

2. - Corte:
En la Fig. 5.3, se observan los parámetros geométri-
Los fragmentos de roca se forman debido al mo- cos que caracterizan ~adisposición de los conos den-
vimiento lateral de desgarre de los conos al girar tados para dos tipos de roca diferentes.
sobre el fondo del barreno.
ROCA BLANDA ROCA DURA
La acción de corte sólo se produce, como tal, en ""OR - o, ~ ROTA",O'-
~I
CJE DE
M.,OR- o MAYOR co
-
rocas blandas, ya que en realidad es una compleja MAYOR- d / TR,CONO
ME'OR- o
M"OR- d
combinación de trituración y cizalladura debido al mo- I
vimiento del tricono.
I !15"l1
2. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS Y CRITERIOS DE
DISEÑO
f¡ UNEA HOR>zO'TAC
'----.
° "ANGOeO OEe eo,o
Los elementos constitutivos de un tricono y, conse- O,""Goeo O" E" O" eo,o
d . O>AMETRO OEe eo,o
cuentemente, de diseño son: los conos, los rodamien- , . SA""TE O" eo,o
tos y el cuerpo del tricono.
Figura 5.3. Angulos del eje del cono en dos tipos de roca.
2.1. Conos El avance del tricono en el fondo del barreno lo
regula en gran parte el tamaño y forma de los conos, es
Los parámetros de diseño de los conos son los que decir el perfil del mismo.
se exponen a continuación.
2.1.2. Descentramiento
Otro factor a tener en cuenta en el diseño es el des-
2.1.1. Angula del eje del cono centramiento u «offset» de los ejes de rotación de los
conos. Fig. 5.4.
Uno de los aspectos más importantes que se tiene
DIRECCION
en cuenta en el diseño de un tricono, es el ángulo DE ROTACION
que forman los ejes de los conos con la horizontal. ~
Este ángulo determina el diámetro del cono dentado
de acuerdo con el diámetro del barreno. Si aumenta
el ángulo el diámetro del cono debe disminuir y recí-
procamente. Fig. 5.2.
Figura 5.4. Descentramiento (Hughes Tool Co.).
En el caso de rocas du ras, este descentramiento es
prácticamente nulo, con lo que el arranque de la roca
"' se efectúa por trituración al sufrir los conos un movi-
,1 lf miento de rodadura perfecta. En rocas blandas se
~
tiende a que el descentramiento sea mayor, obtenién-
1
dose así la rotura de la roca por desgarre o ripado, ya
que los conos experimentan un movimiento de desli-
zamiento junto con el de rotación. En rocas de tipo
~ medio se combinan por igual ambos efectos de rota-
ción y deslizamiento, obteniendo el arranque de la roca
por trituración y desgarre.
2.1.3. Angula del cono
-j
El angula del cono es inversamente proporcional al
angula del eje del cono, de forma que cuando éste
aumenta el angula del cono debe disminuir para evitar
Figura 5.2. Angula del eje del cono. las interferencias entre los conos. Fig. 5.5.
92

3. ---
,,- ~ r---
L CONO
ANGULO DEL CONO
Figura 5.5. Angula del cono, longitud de diente y espesor del cono (Smith-Gruner).
2.1.4. Longitud de los dientes La pista de rodillos aguanta la mayor parte de la
carga radial en el cono, mientras que los cojinetes lo
En un tricono de dientes la longitud de éstos está hacen en una pequeña parte.
definida por la profundidad de la fresa en el cono. Si el La superficie de empuje perpendicular al pasador
tricono es de insertos, la longitud vendrá dada por la guía y al botón de empuje está diseñada para soportar
parte visible de los botones de metal duro. Fig. 5.5. cargas hacia el exterior. La pista de bolas mantiene el
cono en funcionamiento y soporta el empuje hacia el
interior. Cuando otras partes del cojinete están desgas-
2.1.5. Espesor del cono
,
.
Se debe disponer de un espesor mínimo""paraase-
tadas, la pista de bolas también soportará algunas car-
gas radiales y excéntricas.
En los triconos de perforación de barrenos un por-
gurar la resistencia estructural del cono. El espesor centaje elevado de aire se desvía a través de los coji-
está determinado por el tamaño de los cojinetes, por la netes con objeto de refrigerar y limpiar los elementos
profundidad de la fresa en los triconos de dientes y por del mismo. La adición de aceite a la tubería de aire
la profundidad de encastramiento en los de botones. comprimido contribuye a mejorar la vida de los cojine-
Fig.5.5. tes y, por tanto, disminuye el coste de perforación.
2.3. Cuerpo del tricono
2.2. Rodamientos
El cuerpo del tricono se compone de tres partes idén-
Los tipos de rodamientos empleados en los triconos ticas que se denominan global mente cabeza. Cada
son los siguientes: cabeza contiene un cojinete integral sobre el que se
inserta el cono y también los conductos a través de los
- Bolas y rodillos. cuales circula el fluido de barrido para limpiar los detri-
- Rodamientos planos con lubricación. tus de perforación del fondo de los barrenos.
93

4. Una de las tareas del cuerpo del tricono es la de diri- diferentes para cada uno de los elementos que lo
gir el fluido de barrido hacia donde la limpieza sea más constituyen. Tabla 5.1.
efectiva.
Los triconos actuales son de chorro (jet) que impul-
san el aire entre los conos directamente al fondo del
barreno, debiendo suministrar los compresores el sufi-
4. TIPOS DE TRICONOS
ciente caudal y presión para limpiar tanto el fondo del
barreno como los conos.
Mediante soldadura controlada por ordenador se Existen dos tipos de triconos:
unen las tres cabezas en una unidad y después se
mecaniza la rosca donde se inserta la tubería. - De dientes.
La rosca transmite al tricono los esfuerzos de torsión - De insertos.
y los axiales producidos por la perforadora a través de
las tuberías. Los triconos de dientes tienen la ventaja de su bajo
coste, pues valen la quinta parte que uno de insertos.
Sin embargo, las ventajas de los de insertos son:
- Mantienen la velocidad de penetración durante la
3. METALURGIA DE LOS MATERIALES DEL vida del tricono.
TRICONO
- Requieren menos empuje para conseguir una velo-
cidad de penetración.
Uno de los éxitos conseguidos en la fabricación de - Precisan menos par, y así disminuyen las tensiones
los triconos ha sido el empleo de aleaciones especiales sobre los motores de rotación.
TABLA 5.1
TIPO DE
ELEMENTOS DEL TRICONO PROPIEDADES REQUERIDAS ACERO
Cono Resistencia al impacto y a la abrasión Carbono, manganeso,
níquel y molibdeno
Cabezas Resistencia a la fatiga. Carbono, manganeso,
Alta resistencia al impacto. Sol dable cromo y molibdeno
Cojinetes de rodillos Alta resistencia al impacto Carbono, manganeso,
y bolas níquel, cromo
y molibdeno
Pasadores y buje guía Resistencia al desgaste Cromo, carbono,
níquel, manganeso
.> , y silicio
.. Botón de empuje Resistencia al desgaste Carbono, wolframio,
.;
'- cromo, molibdeno
"
y vanadio
Superficie de cojinetes Resistencia al desgaste Cobalto, cromo,
carbono, wolframio
y níquel
Dientes Resistencia a la abrasión elevada Wolframio, carbono
Insertos Resistencia a la abrasión elevada. Wolframio, carbono
Resistencia al impacto y cobalto
94

5. ./
- Reducen las vibraciones, produciendo menos fati- 5.1. Triconos de dientes
gas en la perforadora y en el varillaje.
Los triconos de dientes se clasifican en tres catego-
./ - Disminuye el desgaste sobre el estabilizador y la rías, según el tipo de formación rocosa: blanda, media
barra porque los insertos de carburo mantienen el y dura.
diámetro del tricono mejor que los de dientes.
A. Formaciones blandas
./ - Producen menos pérdidas de tiempo por cambio
de bocas y menores daños a las roscas.
Los triconos para formaciones blandas tienen roda-
mientas pequeños compatibles con los dientes largos
./ 5. SELECCION DEL TIPO DE TRICONO y los pequeños empujes sobre la boca que son nece-
sarios. Los dientes están separados y los conos tienen
un descentramiento grande para producir un efecto de
./
desgarre elevado. Foto 5.1.
En la selección del tipo de tricono influyen funda-
mentalmente la resistencia a compresión de la roca y
su dureza. Normalmente,los usuarios envían muestras B. Formaciones medias
./ a las compañías fabricantes de triconos para que ase-
soren sobre el tipo de boca a utilizar, velocidades de Los triconos para estas formaciones tienen cojinetes
penetración probables y duración en metros. de tamaño medio, de acuerdo a los empujes necesa-
./
./
./
./
./
./
./
Foto 5.1. Tricono de dientes para formación blanda (Hughes Foto 5.2. Tricono de dientes para formación media (Hughes
Tool Col. Tool Col.
./
./
./
./
./
./
Foto 5.3. Tricono para formaciones duras (Hughes Tool Col.
95

6. TABLA 5.2. CLASIFICACION GENERAL DE TRICONOS DE DIENTES
CARACTERISTICAS ACCION
DE DISEÑO DE CORTE MARCA Y MODELO
' '
CLASES DE ROCA
ARRANQUE ARRANQUE
ENTRE DE DE POR POR HUGHES SMITH VAREL '-----'
DIENTES
SEPARACION I DIENTES
ALTURA I REVESTIM.
DUREZA TRITURACION DESGARRE
REED I
Formaciones blandas '-----'
Baja resistencia a compre- V3
sión y fácilmente perforables 8 T8
(pizarras, arcillas, calizas I I GR4 I V3M
blandas-medias). '----
Formaciones medias
(Pizarras duras, pizarras
arcillosas, calizas duras,
areniscas).
M I TM I G;C I v221
Formaciones duras
(Calizas silíceas, dolomías, H, HR TH GRH VH1
aren iscas). GRHC VQM
' '
rios y el tamaño de los dientes. 6. EFECTOS DE LOS PARAMETROS DE
~
La longitud de los dientes, espacia miento y descen- OPERACION SOBRE LOS TRICONOS
tramiento son menores que en los triconos de forma-
ciones blandas. Foto 5.2. Las principales variables de operación en la perfora-
ción rotativa son: ~
C. Formaciones duras - El empuje o peso sobre la boca y
- La velocidad de rotación.
Los triconos de formaciones duras tienen cojinetes ~
grandes, dientes cortos, resistentes y muy próxi- 6.1. Efecto del peso sobre los cojinetes
mos unos de otros. Los conos tienen muy poco des-
centramiento para aumentar el avance por trituración, La vida de un cojinete es inversamente proporcional ' '
requiriéndose empujes muy importantes. Foto 5.3. al cubo del peso ejercido sobre el mismo. Pero, como
En la Tabla 5.2. se da una clasificación de los trico- en los triconos se emplean elementos de fricción que
nos de dientes, su aplicación y sus características de sufren desgastes y fatigas, esta relación no es válida y
corte. se acepta que la duración de un cojinete es inversa- ~
mente proporcional al peso elevado a una potencia
que varía entre 1,8 Y2,8.
5.2. Triconos de insertos ~
6.2. Efecto del peso sobre los elementos de corte
Existen cuatro tipos de triconos, que se diferencian
en el diseño y tamaño de los insertos, en el espacia" El peso excesivo produce la rotura de los insertos y el
desgaste de la estructura de corte en rocas duras.
"---
miento de los mismos y en la acción de corte. Fig. 5.6.
... En la Tabla 5.3 se especifican los tipos detriconos y En formaciones blandas y no abrasivas, la estructura
acción de corte en función de la clase de rota a perfo- de corte raramente limita la vida del tricono y un em-
rar. puje alto no dá lugar a daños, siempre que exista sufi- ~
I1I ciente aire para limpiar el fondo del barreno.
Insertode Insertode
Carburode Carburode
6.3. Efecto de la velocidad de rotación sobre la
Tungsteno de Tungstenode
O DienteLargo
IV
O
FormaConica vida de los cojinetes
La vida de los cojinetes es inversamente
nal a la velocidad de rotación.
proporcio-
~
' '
11
Insertode Insertode 6.4. Efecto de la velocidad de rotación sobre los
Carburode Carburode
Tungstenoen Tungstenoen elementos de corte
' '
O
Formade Diente
OU Cónica
Forma Ovoide o
En formaciones abrasivas el desgaste de los insertos
aumenta con la velocidad de rotación. En formaciones
duras, una alta velocidad de rotación produce roturas
Figura 5.6. Clases de insertos según los tipos de triconos. de los insertos por impacto. ~
96
'-. ~

7. Fotos 5.4, 5.5, 5.6 Y 5.7. Tipos de triconos de insertos (Hughes Too! Col.
97

8. TABLA 5.3. CLASIFICACION GENERAL DE TRICONOS DE INSERTOS
"-
CARACTERISTICAS ACCION MARCA Y MODELO
DE DISEÑO DE CORTE
TIPO
CLASES DE ROCA RESALTE ARRANOUE ARRANOUE DE SMITH SECU- ATLAS "-
DE POR POR I TRICONOI HUGHES I REED TOOL VAREL RITY COPCO
INSERTOS I TRITURAC, I DESGARRE
Formaciones blandas
Baja resistencia a
compresión «40 MPa) CS251
y alta perforabilidad M51 CS311
(talco, pizarra, arcillas, HH33 M52 04JL I OMC9 S8M CS381
yesos, etc.)
Formaciones medias
y medioduras
Las primeras con re- '--
sistencias entre 40 y 90
MPa (calizas, mármo-
les, esquistos, fluori-
tas, etc.). Las segun- I Y 111 HH44 M62 O~L IOMC7 M8M CM~1 "-
das, con RC entre 90 y HH55 M70 OMCn CM311
170 MPa (dolomías, OMC6 1 I CM381
grauwacas, feldes-
patos, granitos, gnel- "---.
ses, etc.)
Formaciones duras
Con RC entre 170y 230 '----
MPa (cuarcitas, piritas, 111 I HHn M73 07JL OMCS H8M CH251 I
basaltos, taconitas). HH88 M80 OMCH H10M CH311
Mayor abrasividad
'--
Formaciones
duras
muy
Con resistencias su-
IV
-1
periores a los 320 MPa I HH99 I M84
M83 09JL IH10M3 CH381 '--
(lava, topacio, corin-
I I
H10M4
dón, etc.)
'--
'--
7. SElECCION DE TOBERAS donde:
d, = Diámetro de la tobera (m m). '---
Los triconos se diseñan para que una parte del aire, Oa = Caudal de aire (m 3/min).
que aproximadamente e's un 20%, se aproveche para la Pa = Presión de salida del compresor (kPa).
refrigeración y limpieza de los cojinetes: El resto del,
aire pasa a través de unas toberas, con el fin de limpiar '-
ISlsconos dentados y producir la turbulencia necesaria
para iniciar la elevación de los detritus a través del espa-
cio anular. Estas toberas disponen de unos diafrag- 8. EVAlUACION DE lOS TRICONOS ',---
mas, los cuales pueden cambiarse de posición para GASTADOS
obtener las condiciones adecuadas y conseguir una
limpieza efectiva en el fondo del barreno. También, '--
pueden utilizarse toberas recambiables para el mismo Un trabajo irrportante en la utilización efectiva de los
fin. triconos lo constituye el análisis de las bocas gastadas,
Para el cálculo del diámetro de las toberas, según se ya que la identificación de las posibles causas ayudan a
disponga de una sola o de tres, se utilizan las siguien- corregir los errores de operación y mejorar la selección '--
tes expresiones: del tipo de tricono. Los fallos de las bocas se producen
generalmente debido a tres causas:
d = Oa para 1 tobera '--
t 43,34 (Pa + 32,4) - Fallos de los cojinetes.
- Fallos de la estructura de corte y
d = Oa para 3toberas
I 130,01 (Pa+32,4) Fallos del faldón.
98
'--

9. J
a) Fallos de los cojinetes
J TABLA 5.4
CAUSAS POSIBLES SOLUCIONES
J
Velocidad de rotación ex- Reducir la velocidad
cesiva de rotación
J
Tipo de tricono Cambiar a otro
inadecuado tipo
./
Aire insuficiente para Chequear el compresor
refrigerar los cojinetes y el varillaje
./ Bloqueo del paso del Chequear el conducto
aire del aire
J Empuje excesivo sobre Reducir el empuje
el tricono
Foto 5.8. Rotura de insertos (Hughes Tool Col.
'"
J
b) Fallos de la estructura de corte
TABLA 5.5
./
CAUSAS POSIBLES SOLUCIONES
./
Aire insuficiente para limpiar el centro del barreno Aumentar el volumen de aire o disminuir avance
Elección inadecuada del tricono Cambiar al tipo siguiente
J
Excesiva velocidad de rotación Reducir la rotación
J
c) Fallos del faldón
./ TABLA 5.6
CAUSAS POSIBLES SOLUCIONES
./
Aire insuficiente para la velocidad de penetración Aumentar volumen de aire o reducir avance
.
../
Formaciones diaclasadas y abrasivas Programa para recrecer faldones
-
lf'
Pandeo de la barra Cambio de la barra
../
./
../
./
../
Foto 5.9. Desgaste de faldón (Hughes Tool Col.
99
./

10. ..
9. EJEMPLO DE SELECCION DE UN 3. El empuje que debe proporcionar la perforadora
TRICONO se calcula a partir de la resistencia de la roca y del
diámetro: "
30.000 x 9 = 54.000 lb.
En una explotación se desea perforar con un diá- 5
metro de 9" (229 mm) una roca con una resistencia a
la compresión de 30.000 Ib/pulg 2 (206,8 MPa).
4. El tipo de tricono viene indicado por el valor en-
tero que resulta de dividir la resistencia a compre-
1. El empuje máximo sobre un tricono de 9" viene
sión de la roca, en Ib/pulg,2 por 10.000.
dado por la expresión:
En este ejemplo deben ser del tipo 111,es decir con
insertos de carburo de forma cónica.
EM = 810 X D2 = 810 X 92 = 65.610 lb.
lb
65.610 = 7.290 -.
10. CODIGO IADC (International Association
E¡ = g- pulg
01 Drilling Contractors)
2. El empuje por unidad de diámetro multiplicado
por 5 indica la resistencia a compresión máxima que El código IADC es un sistema de designación de los
puede ser perforada por esa boca al empuje máximo. triconos con el que se especifica el tipo de boca (de
En este caso se tiene 7.290 x 5 = 36.450 Ib/pulg 2 dientes o insertos), la formación rocosa para la que
(251,3 MPa), luego la operación puede realizarse. está previsto y alg_unos criterios de diseño del mismo.
- Primer dígito (1 a 8)
Triconos de dientes: 1-X-X. Formaciones blandas con baja resistencia a la compresión y alta perforabilidad.
2-X-X. Formaciones de tipo medio y semiduras, con alta resistencia a la compresión.
3-X-X. Formaciones semiduras abrasivas.
4-X-X. (Reservado para usos futuros.)
Triconos de insertos: 5-X-X. Formaciones blandas a medias con baja resistencia a la compresión.
6-X-X. Formaciones semiduras con alta resistencia a la compresión.
7-X-X. Formaciones semiduras y abrasivas.
8-X-X. Formaciones muy duras y abrasivas.
- Segundo dígito (1 a 4)
X-1-X. Designa la clasificación de dureza de la roca de blanda a dura
X-2-X
X-3-X
.
en cada clase de la serie.
~
X-4-X
lf
- Tercer dígito (1 a 7)
Establece distintas características en relación a rodamientos y diseño espacial de los insertos de la fila exterior
de los conos.
X-X-1 Tricono estándar de rodamientos cilíndricos abiertos.
X-X-2. Tricono estándar de rodamientos cilíndricos abiertos y barrido exclusivamente
con aire.
X-X~3. Tricono estándar de rodamientos cilíndricos abiertos, con insertos especiales
de carburo de tungsteno en el tacón exterior de los conos.
X-X-4. Tricono de rodamientos cilíndricos sellados.
X-X-5. Tricono de rodamientos cilíndricos sellados con insertos especiales de car-
buro de tungsteno en el tacón exterior de los conos.
100

11. X-X-6. Tricono de cojinetes de fricción sellados.
X-X-7. Triconos de cojinetes de fricción sellados con insertos especiales de car-
buro de tungsteno en el tacón exterior de los conos.
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11/'
1 01