في المثاقب الهيدروليكية الصينية الصنع لتكسير الصخور، يتم تغذية وحدة الدوران عادةً بالماء من الجانب. ويؤثر اختيار مادة الختم وتصميمه تأثيرًا كبيرًا على كفاءة أداء الختم ومدى عمره الافتراضي — وهو ما يؤثر بدوره على الأداء الكلي للمثقاب.

١. كيفية تحميل ختم الماء وما يحتاجه

يتكون نظام تغذية المياه الجانبي في وحدة الدوران الخاصة بمثقاب الصخور الهيدروليكي أساسًا من ثلاثة أجزاء: غلاف مائي (1)، وختم مائي (2)، وذيل الساق (3) (انظر الشكل 1). وعند تشغيل المثقاب، يدور ذيل الساق في الوقت نفسه الذي يتحرك فيه ذهابًا وإيابًا على طول المحور بتكرار عالٍ، ناقلًا بذلك طاقة التصادم. وتتمثل معاملات التشغيل الخاصة بالختم المائي لمثقاب الصخور الهيدروليكي من طراز YYC250B في ما يلي: سرعة دوران الساق 220 دورة/دقيقة، وتكرار تصادم الساق 60 هرتز، وضغط ماء الغسل 1 ميجا باسكال، وسرعة حفر الثقوب 110 سم/دقيقة. وتُظهر هذه الأرقام أن الختم المائي يتعرض لحمل احتكاك مركب ناتج عن الطرق المحوري عالي التكرار والدوران. ولذلك، يجب أن تمتلك مادة الختم الخصائص التالية:

1. استقرار جيد في الماء — أي ألا تتورم أو تنكمش كثيرًا عند التعرّض للماء، وألا تذوب أو تلين أو تصلّب.
2. قدرة جيدة على الاسترجاع المرن — أي أن تعود إلى شكلها الأصلي بكفاءة عالية ولا تتشوّه تشوهًا دائمًا.
3. مقاومة جيدة للتآكل — أي أن يكون معامل الاحتكاك منخفضًا.
4. قوة ميكانيكية عالية — مقاومة شد جيدة، وصلادة، ومقاومة تمزق.
5. لا تفاعل مع الأجزاء المعدنية — لا التصاق ولا تآكل.

وبعد مقارنة الخيارات، اخترنا البولي يوريثان كمادة للإغلاق. وتحتوي بنيته الجزيئية على مجموعات يوريايثان، ما يمنحه قوة ميكانيكية عالية — تبلغ حوالي ١ إلى ٤ أضعاف قوة المطاط النتريلي. كما أن مقاومته للتآكل ممتازة، وتتفوق بنسبة تتراوح بين ١٠ إلى ١٥ ضعفًا على المطاط الطبيعي. كما يتمتع أيضًا بمقاومة ممتازة للزيوت (أكثر من ٥ أضعاف مقاومة المطاط النتريلي)، ويؤدي أداءً جيدًا من حيث مقاومة الأوزون والشيخوخة.

يجب ملاحظة أن البولي يوريثان يأتي في نوعين رئيسيين بدرجات مختلفة، ويؤثر الاختيار بينهما على كفاءة أداء الحشوة. وال النوع الأول هو بولي يوريثان قائم على البوليستر (مثل الدرجات: دونغفنغ-١ وجا٣). أما النوع الثاني فهو بولي يوريثان قائم على البولي إثير (مثل الدرجات: جا٢ وجا٥). ويتميّز النوع القائم على البوليستر بخصائصه الميكانيكية الجيدة، لكن مقاومته للماء ضعيفة — إذ يتفاعل الماء تفاعلاً كيميائياً مع المجموعات القطبية الموجودة في شبكة المطاط الصناعي، ما يؤدي إلى تفكك البنية. وكلما زاد عدد المجموعات القطبية في الشبكة، انخفضت مقاومة المادة للماء. أما النوع القائم على البولي إثير فيحتوي على عدد أقل من المجموعات القطبية، لذا فإن مقاومته للماء تفوق مقاومة النوع القائم على البوليستر بأكثر من خمس مرات. ومع ذلك، وبسبب احتواء الروابط الإثيرية في النوع القائم على البولي إثير على طاقة أقل، فإن مقاومته الميكانيكية ليست بنفس درجة قوة النوع القائم على البوليستر. والحل الواضح لذلك هو الجمع بين مزايا كلا النوعين. وبمزيجٍ من النوعين معاً وإضافة حشوة مقاومة للارتداء، يمكن الحصول على مادة تجمع بين الأداء الميكانيكي الجيد والمقاومة الجيدة للماء. ولتحقيق ذلك، تعاونّا مع مصنع لمنتجات المطاط (وهو مصنّع متخصص في البولي يوريثان) لإنتاج مادة بولي يوريثان مُخلَّطة ومُصمَّمة خصيصاً. وأظهرت الاختبارات أن الحشوات المصنوعة من هذه المادة تتمتّع بأداء إحكامٍ أفضل بكثير وعمر خدمة أطول.

٢. اختيار نوع حلقة الإغلاق

وبالنظر إلى ظروف التحميل المؤثرة على إغلاق الماء في وحدة الدوران، فقد اخترنا حلقات إغلاق من النوع Y. ويتميَّز هذا النوع بثلاث مزايا: (١) تأثير الإغلاق الذاتي — فعند تطبيق الضغط، تضغط الشفتان بشكل أشد وتؤديان إلى إغلاق أفضل؛ (٢) مقاومة تشغيل منخفضة وتشغيل سلس؛ (٣) استقرار جيد، مما يجعلها مناسبة للأجزاء الهيدروليكية التي تتغير فيها مستويات الضغط بسرعة. أما الحلقات من النوع O فهي عُرضة للالتواء والتلف في هذه الظروف.

٣. طريقة عمل الإغلاق

تقوم أختام الحلقة من النوع Y بالأساس بالختم الذاتي من خلال حركة شفاهها. ويبين الشكل ٢ توزيع ضغط التماس لحلقة من النوع Y مُركَّبة في تجويف الغلاف المائي. وعند غياب أي ضغط، يتكوَّن فقط ضغط تماس صغير ناتج عن تشوه طرف الشفة (الشكل ٢ب). وعند تطبيق ضغط داخلي، ينص قانون باسكال على أن كل نقطة في نظام مغلق تتلامس مع السائل تتعرَّض لقوة عمودية مقدارها مساوٍ للضغط الداخلي. وهذا يؤدي إلى انضغاط الجزء السفلي من حلقة الختم محوريًّا، وانضغاط الشفاه اتجاهيًّا (حوليًّا). كما يزداد مجال تماس الشفة مع الجذع، ويتصاعد كذلك ضغط التماس (الشكل ٢ج). وعند ارتفاع الضغط الداخلي أكثر، يتغيَّر توزيع الضغط ومقداره بشكل أكبر (الشكل ٢د)، ما يُحدث ضغطًا أقوى للشفاه ضد العمود — وهذه هي ظاهرة «الختم الذاتي». ولذلك تُعدُّ حلقة النوع Y مناسبة جدًّا لهذا التطبيق الخاص بختم الماء.

٤. كيف تؤثر شكل الشفة على الختم وعمر الخدمة

توزيع ضغط التماس مرتبط ارتباطًا وثيقًا بشكل الشفاه. والمفتاح لتحقيق إحكام جيد في الحلقة ذات الشفاه هو توزيع الضغط عبر نطاق تماس الإحكام والضغط الأقصى عند طرف الشفة. ويُقارن الشكل 3أ تأثير الإحكام للحلقات من النوع Y مع وجود شق مائل على الشفة الأمامية ومن دونه. وتظهر الحلقة ذات الشق المائل قمة ضغط واضحة في نطاق تماس الإحكام، وهي ما يحقق أفضل استيفاء لمتطلبات أداء الإحكام ذي الشفاه. وباختيار زاوية الشفة الأمامية المناسبة (θ)، يمكن خفض التسرب بشكل كبير — فعندما تكون θ > 30°، يكون التسرب نصف ما هو عليه عند θ = 0°. أما الشكل 3ب فيقارن تأثير الإحكام مع وجود شق مائل على الشفة الخلفية (الكعب) ومن دونه. وعلى عكس الشفة الأمامية، فإن وجود شق مائل على الكعب يولّد قمة ضغط ثانية تحت ضغط التشغيل، مما يمنع تدفق الماء للخلف لكنه يزيد من التسرب. أما في حالة عدم وجود شق مائل على الكعب، فلا تظهر قمة ضغط ثانية، وبالتالي يعمل الإحكام بكفاءة أفضل.

٥. كيف تؤثر معايير التصميم على الإحكام وعمر الخدمة

يسمح حلقة الختم المصممة جيدًا للمواد بأن تؤدي وظيفتها بأقصى كفاءة ممكنة. ومن أهم العوامل المؤثرة في أداء حلقة الـ Y وطول عمرها الافتراضي العلاقة بين البُعد l والبُعد h (انظر الشكل ٤). ومن خلال الاستخدام العملي، فإن نسبة l/h = ١ تضمن بقاء معدل التسرب منخفضًا لفترة أطول. ولذلك، ولتحقيق أفضل أداء ختمي، يجب أن تبقى قيمة l/h عند ١.

وبعد تشغيل حلقة الختم لفترة معينة، تتآكل فتحة الشفة تدريجيًّا. وإذا عجزت الشفة عن التعويض عن هذه التآكل، يبدأ التسرب. ويجب اختيار سماكة جدار الشفة b استنادًا إلى الخصائص الميكانيكية للمادة وقطر الجذع. والهدف هو ضمان أن تمتلك الشفة متانة كافية مع إبقائها قادرة على الانثناء والتعويض عن التآكل.

٦. تركيب حلقة ختم الشفة

إذا لم تُعامل حلقة الختم بعناية أثناء التركيب، فقد تتعرّض للخدش أو التشوه، مما يؤثر سلبًا على جودتها وقد يجعلها غير صالحة للاستخدام. ويجب الالتزام بالنقاط التالية:

• يجب أن يكون للجزء الذي يتم تركيب حلقة الإغلاق فيه (الغلاف المائي) تشطيب مائل بزاوية تتراوح بين ١٥° و٣٠° عند الوجه الطرفي، وذلك لمنع خدش الحلقة عند دفعها من الطرف.
• كما يجب أن يكون لأي فتحة يمرّ منها الحلقة تشطيب مائل بزاوية تتراوح بين ١٥° و٣٠°.
• طبّق شحومًا أو زيت تشغيل على منطقة التركيب قبل التثبيت لتقليل قوة التجميع.
• تجنب إطالة الحلقة بشكل مفرط أثناء التركيب، لأن ذلك قد يؤدي إلى تشوه بلاستيكي دائم.

باختصار، فإن اختيار مادة الإغلاق المناسبة، واستخدام تصميم سليم، والحرص أثناء عملية التركيب، هي العوامل الرئيسية لتحسين أداء الإغلاق وعمر الخدمة في وحدات الدوران الهيدروليكية للمثقاب الصخري. وفي الواقع، حقّق النهج الموصوف هنا نتائج جيدة — فقد انخفض التسرب بشكل ملحوظ وزاد عمر الخدمة زيادة كبيرة.