Brevet FR2929322A1 — publié le 20091002

La présente invention se rapporte à un marteau perforateur hydraulique roto-percutant plus spécialement utilisé sur une installation de forage. Une installation de forage comprend, de façon connue, un marteau perforateur hydraulique roto-percutant monté coulissant sur une glissière et entraînant une ou plusieurs barres de forage, la dernière de ces barres portant un outil appelé taillant qui est contact de la roche. Un tel marteau perforateur a généralement pour objectif de forer des trous plus ou moins profonds afin de pouvoir y placer des charges explosives. Le marteau perforateur est donc l'élément principal qui, d'une part, confère au taillant la mise en rotation et la mise en percussion par l'intermédiaire des barres de forage de façon à pénétrer la roche, et d'autre part, fournit un fluide d'injection de manière à extraire les débris du trou foré. Un marteau perforateur comprend un mécanisme, animé par un ou plusieurs débits de fluide hydraulique provenant d'un circuit principal d'alimentation, agissant sur les barres de forage par l'intermédiaire d'un emmanchement qui est apte à retransmettre à la barre de forage, d'une pari, les chocs successifs provoqués par un piston de frappe, et d'autre part, la mise en rotation due à un moteur rotatif hydraulique. Le marteau perforateur comporte, dans sa partie avant, un dispositif de guidage de l'emmanchement. Le marteau perforateur comporte également un circuit d'injection de fluide, tel que de d'air ou de l'eau, amenant ce fluide d'une canalisation extérieure vers un trou central de l'emmanchement. Ce fluide parcourt ensuite la ou les barres de forage jusqu'au taillant, puis est utilisé pour évacuer, pendant le forage, les débris de roche vers l'extérieur. Pour les applications en mine ou tunnel, l'injection d'eau est couramment utilisée, car l'injection d'air générerait une émission de poussières difficilement acceptable dans ce milieu confiné. L'eau est généralement pompée sur le site dans la nappe phréatique ou les eaux disponibles à proximité. L'inconvénient est la présence dans ces eaux de substances, telles, que des sels ou acides, qui provoquent une attaque corrosive sur le guide avant et l'emmanchement du marteau perforateur. Le remplacement fréquent de ces pièces et l'arrêt inopiné du chantier génèrent des pertes financières qui peuvent se révéler importantes par rapport au coût du marteau perforateur. Le marteau perforateur selon la présente invention a pour but de résoudre le problème évoqué ci-dessus. A cet effet, la présente invention concerne un marteau perforateur hydraulique roto-percutant comprenant : - un emmanchement relié à au moins une barre de forage comportant un outil destiné à être en contact d'une roche à perforer, - un dispositif de guidage de l'emmanchement, - un circuit d'injection de fluide conçu pour amener un fluide d'injection d'une conduite d'amenée de fluide jusqu'à l'outil et la roche à perforer de manière à extraire, durant le forage, les débris de roche hors d'un trou de forage, le fluide d'injection étant destiné à être en contact avec le dispositif de guidage et l'emmanchement, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une anode disposée dans le circuit d'injection de fluide et destinée à être au contact du fluide d'injection, l'anode étant agencée de façon à réaliser une protection cathodique des surfaces métalliques du dispositif de guidage et/ou de l'emmanchement contre une attaque corrosive due au fluide d'injection. La protection cathodique est une technique connue pour contrôler la corrosion de surfaces métalliques en transformant ces surfaces en cathodes d'une cellule électrochimique, le fluide d'injection formant l'électrolyte de la cellule électrochimique. Ainsi, lorsque le fluide d'injection contient des substances corrosives, ces dernières interagissent avec l'anode disposée dans le circuit d'injection de fluide et corrode l'anode à la place des surfaces métalliques du dispositif de guidage et/ou de l'emmanchement, si bien que la vitesse de corrosion du dispositif de guidage et/ou de l'emmanchement s'en trouve considérablement réduite. Il en résulte des remplacements peu fréquents du dispositif de guidage et/ou de l'emmanchement, et donc une diminution des temps d'arrêt du chantier. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'anode est disposée 30 dans un logement ménagé dans le dispositif de guidage. De préférence, le logement débouche vers l'extérieur du dispositif de guidage, et le marteau perforateur comprend des rnoyens de retenue de l'anode dans le logement. Avantageusement, le dispositif de guidage délimite une charnbre 35 sensiblement annulaire autour de l'emmanchement dans laquelle est destiné à s'écouler le fluide d'injection, la chambre sensiblement annulaire formant le logement dans lequel est disposée l'anode, et l'emmanchement présente un canal interne d'injection débouchant dans la chambre annulaire. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'anode est contenue dans un boîtier distinct du dispositif de guidage et de 5 l'emmanchement. De préférence, une première extrémité du boîtier contenant l'anode est raccordée à la conduite d'amenée de fluide. Avantageusement, une seconde extrémité du boîtier contenant l'anode est raccordée au dispositif de guidage ou au corps du marteau 10 perforateur. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'anode est en continuité électrique avec le dispositif de guidage et/ou l'emmanchement. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'anode est fabriquée dans un matériau ayant un potentiel plus électronégatif que celui du 15 matériau utilisé pour la fabrication du dispositif de guidage et/ou de l'emmanchement. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, l'anode et le dispositif de guidage sont reliés électriquement à un générateur de courant continu agencé pour imposer un courant électrique entre l'anode et le dispositif 20 de guidage. De toute façon l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de ce marteau perforateur hydraulique roto-percutant. 25 La figure 1 est une vue en coupe longitudinale du marteau perforateur selon une première forme d'exécution de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale du marteau perforateur selon une deuxième forme d'exécution de l'invention. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale du marteau 30 perforateur selon une troisième forme d'exécution de l'invention. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale du marteau perforateur selon une quatrième forme d'exécution de l'invention. La figure 5 est une vue en coupe longitudinale du marteau perforateur selon une cinquième forme d'exécution de l'invention. 35 En se référant à la figure 1, un marteau perforateur 1 selon l'invention comprend un mécanisme de frappe se composant d'un piston de frappe 2 contenu dans un alésage 3 ménagé dans le corps 4 du marteau perforateur, et d'un système de distribution hydraulique 5 alimenté à partir d'un circuit sous pression 6 et d'un circuit basse pression 7, le système de distribution hydraulique 5 permettant le déplacement alternatif du piston de frappe 2. Le marteau perforateur 1 comprend également un mécanisme de rotation comportant un moteur hydraulique 8 entraînant en rotation un emmanchement 9 par l'intermédiaire d'engrenages 10 et 11 disposés dans le corps 4 du marteau perforateur. L'emmanchement 9 est relié à une barre de forage 12 portant à son extrémité opposée à l'emmanchement un taillant 13 au contact d'une roche 14 à perforer. L'emmanchement 9 s'étend dans l'axe du piston de frappe 2 et la face avant de ce dernier 1 est destinée à venir percuter l'emmanchement 9. L'emmanchement 9 transmet ainsi les ondes de chocs reçues du piston de frappe 2 et le mouvement de rotation à la barre de forage 12 et au taillant 13, de façon à perforer la roche 14. Les débris générés par cette perforation de la roche 14 sont évacués au fur et à mesure de l'avance du taillant 13 dans la roche 14, en injectant un fluide d'injection. Ce fluide d'injection provient généralement d'une réserve d'eau située à proximité du chantier. Cette eau est mise sous pression et dirigée dans une conduite d'amenée de fluide 15 vers un dispositif de guidage 16 de l'emmanchement 12, le dispositif de guidage 16 étant fixé sur la partie avant du corps 4 du marteau perforateur 1. Le dispositif de guidage 16 comprend un alésage 17 à travers lequel s'étend l'emmanchement 9. Le dispositif de guidage 16 délimite une chambre annulaire 18 autour de l'emmanchement 9 dans laquelle débouche un canal de liaison 19 ménagé dans le dispositif de guidage 16 et communiquant avec la conduite d'amenée de fluide 15. La chambre annulaire 18 est rendue étanche par l'intermédiaire de deux joints d'étanchéité annulaires 20 disposés entre le dispositif de guidage 16 et l'emmanchement 9 de part et d'autre de la chambre annulaire 18. L'emmanchement 9 comporte un canal axial 21 s'étendant sur une partie de sa longueur, le canal axial 21 débouchant dans la chambre annulaire 18 et communiquant avec un canal axial 22 ménagé dans la barre de forage 9 Le canal axial 22 s'étend jusqu'au taillant 13 de telle sorte que le fluide d'injection soit dirigé depuis la conduite d'amenée 15 jusqu'à la roche 14 et puisse évacuer les débris de forage. Le marteau perforateur 1 comprend une anode sacrificielle 23, c'est-à-dire une anode fabriquée dans un matériau ayant un potentiel plus électronégatif que celui des matériaux utilisés pour la fabrication du dispositif de guidage 16 et de l'emmanchement 9. L'anode 23 est tubulaire et est disposée dans un logement ménagé dans le dispositif de guidage 16, le logement débouchant vers l'extérieur du dispositif de guidage. L'anode 23 peut être fabriquée à partir d'alliages de zinc, de magnésium et d'aluminium. II doit être noté que l'anode 23 délimite une partie de la section de passage du canal de liaison 19 de telle sorte que le fluide d'injection s'écoule à travers l'anode 23 avant de rejoindre les canaux axiaux 21, 22 de l'emmanchement 9 et de la barre de forage 12. De plus, l'anode 23 est en continuité électrique avec le dispositif de guidage 16 et l'emmanchement 9. Le marteau perforateur 1 comprend des moyens de retenue de l'anode 23 dans le logement ménagé dans le dispositif de guidage 16. Les moyens de retenue comportent un embout 24 comprenant un premier filetage externe coopérant: avec un taraudage ménagé dans le logement recevant l'anode, et un second filetage externe coopérant avec une portion filetée de la conduite d'amenée de fluide d'injection 15. En fonctionnement, le fluide d'injection contenant des substances corrosives s'écoule de la conduite d'amenée de fluide 15 jusqu'au taillant 13 et entre en contact avec le dispositif de guidage 16 et l'emmanchement 9 de manière à former l'électrolyte d'une cellule électrochirique, le dispositif de guidage 16 et l'emmanchement 9 formant une cathode d'une telle cellule électrochimique. Il en résulte une dégradation par corrosion de l'anode 23 à la place des surfaces métalliques du dispositif de guidage 16 et l'emmanchement 9. Il doit être noté que le positionnement de l'anode 23 dans un logement débouchant vers l'extérieur permet un remplacement aisé de l'anode 23 lorsque celle-ci est dégradée. En effet, il suffit de dévisser l'embout 24, de remplacer l'anode 23 dégradée par une nouvelle anode, et enfin de revisser l'embout 24 sur le dispositif de guidage 16. La figure 2 représente un second mode de réalisation du marteau perforateur 1 qui diffère de celui représenté sur la figure 1 essentiellement er ce que l'anode 23 est remplacée par une ou plusieurs anodes sacrificielles 25 disposées dans la chambre annulaire 18 entre les deux joints d'étanchéité 20. Ces anodes 25 peuvent avoir différentes formes et être par exemple tubulaires ou présenter une forme de barreau. Selon ce second mode de réalisation, les anodes 25 se trouvent situées au plus près des pièces à protéger de la corrosion, c'est-à-dire au plus près du dispositif de guidage 16 et de l'emmanchement 9, ce qui améliore la protection cathodique de ces pièces. La figure 3 représente un troisième mode de réalisation du marteau perforateur 1 qui diffère de celui représenté sur la figure 1 essentiellement en ce que l'anode sacrificielle 26 est contenue dans un tube porte-anode 27 distinct du dispositif de guidage 16 et de l'emmanchement 9. II doit être noté que l'anode 26 reste cependant en contact électrique avec le dispositif de guidage 16 par l'intermédiaire d'un embout métallique 28 vissé sur le dispositif de guidage 16 et sur lequel est vissée une première extrémité du tube porte- anode 27. L'autre extrémité du tube porte-anode 27 est fixée à la conduite d'amenée de fluide d'injection 15. Dans cette configuration, lorsque l'anode 26 est consommée, il suffit de remplacer l'ensemble anode 26 / tube porte-anode 27, sans avoir à intervenir sur le dispositif de guidage 16. La figure 4 représente un quatrième mode de réalisation du marteau perforateur 1 qui diffère de celui représenté sur la figure 3 essentiellement en ce que le tube porte-anode 27 est fixé sur le corps 4 du marteau perforateur, et en ce que le fluide d'injection est introduit directernent dans le canal axial 21 de l'emmanchement 9, par l'intermédiaire d'un tube d'injection 29 fixé mécaniquement à l'arrière du corps 4 du marteau perforateur. Ce tube d'injection 29 est connecté mécaniquement et est en continuité électrique avec le tube porte-anode 27 et l'anode 26. L'anode 26 est également en continuité électrique avec le corps 4 du marteau perforateur, le dispositif de guidage 16 et l'emmanchement 9. La conduite d'amenée de fluide, d'injection 15, connectée au tube porte-anode 27, alimente en fluide d'injectior l'emmanchement 9 qui est protégé de la corrosion par la présence de l'anode 26. La figure 5 représente un cinquième mode de réalisation du marteau perforateur 1 qui diffère de celui représenté sur la figure 3 essentiellement en ce que l'anode 30 et le dispositif de guidage 16 sont reliés électriquement à un générateur de courant continu 31 agencé pour imposer un courant électrique entre l'anode 30 et le dispositif de guidage 16. Les pôles positif et négatif du générateur sont reliés respectivement à l'anode 30 et au dispositif de guidage 16. Dans ce cas, l'anode 30 est isolée électriquement de la masse métallique du dispositif de guidage 16 et de l'emmanchement 9, de façon à ne pas mettre en court circuit le générateur 31. Cette configuration, bien que plus complexe, permet d'augmenter l'efficacité de la protection art-corrosion du dispositif de guidage 16 et de l'emmanchement 9. Il doit être noté qu'il est possible d'utiliser un générateur de courant continu permanent: ou cyclique. II doit également être noté qu'il serait possible de remplacer les anodes sacrificiellles 23, 25, 26 utilisées dans les modes de réalisation représentés sur les figures 1, 2 et 4 par des anodes couplées à un générateur de courant continu tel que représenté à la figure 5. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce marteau perforateur hydraulique, qui ont été décrites ci-dessus à titre d'exemples; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. REVENDICATIONS1. Marteau perforateur hydraulique roto-percutant (1) comprenant : 5 - un emmanchement (9) relié à au moins une barre de forage (12) comportant un outil (13) destiné à être en contact d'une roche à perforer (14), - un dispositif de guidage (16) de l'emmanchement (9), - un circuit d'injection de fluide conçu pour amener un fluide d'injection d'une conduite d'amenée de fluide (15) jusqu'à l'outil (13) et la roche 10 à perforer (14) de manière à extraire, durant le forage, les débris de roche hors d'un trou de forage, le fluide d'injection étant destiné à être en contact avec le dispositif de guidage et l'emmanchement, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une anode (23, 25, 2E,, 30) disposée dans le circuit d'injection de fluide et destinée à être au contact du 15 fluide d'injection, l'anode étant agencée de façon à réaliser une protection cathodique des surfaces métalliques du dispositif de guidage (16) et/ou de l'emmanchement (9) contre une attaque corrosive due au fluide d'injection. 2. Marteau perforateur selon la revendication 1, caractérisé en ce 20 que l'anode (23, 25) est disposée dans un logement ménagé dans le dispositif de guidage (16). 3. Marteau perforateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le logement débouche vers l'extérieur du dispositif de guidage (16), et en 25 ce que le marteau perforateur comprend des moyens de retenue (24) de l'anode (23) dans le logement. 4. Marteau perforateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de guidage (16) délimite une chambre sensiblement annulaire 30 (18) autour de l'emmanchement (9) dans laquelle est destiné à s'écouler le fluide d'injection, la chambre sensiblement annulaire (18) formant le logernen.: dans lequel est disposée l'anode (25), et en ce que l'emmanchement (9;^ présente un canal interne d'injection (21) débouchant dans la chambre annulaire (18). 5. Marteau perforateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anode (26, 30) est contenue dans un boîtier (27) distinct du dispositif de guidage (16) et de l'emmanchement (9). 6. Marteau perforateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une première extrémité du boîtier (27) contenant l'anode (26, 30) est raccordée à la conduite d'amenée de fluide (15). 7. Marteau perforateur selon la revendication 6, caractérisé en ce 10 qu'une seconde extrémité du boîtier (27) contenant l'anode est raccordée au dispositif de guidage (16) ou au corps (4) du marteau perforateur. 8. Marteau perforateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'anode (23, 25, 26) est en continuité électrique avec le 15 dispositif de guidage (16) et/ou l'emmanchement (9). 9. Marteau perforateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'anode (23, 25, 26) est fabriquée dans un matériau ayant un potentiel plus électronégatif que celui du matériau utilisé pour la 20 fabrication du dispositif de guidage (16) et/ou de l'emmanchement (9). 10. Marteau perforateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'anode (30) et le dispositif de guidage (16) sont reliés électriquement à un générateur de courant continu (31) agencé pour imposer 25 un courant électrique entre l'anode et le dispositif de guidage.