Těsnicí systém hydraulického kamenolomního vrtáku: konstrukce, materiál, poruchy a údržba

Považovat těsnicí systém hydraulického kamenolomního vrtáku za soubor jednotlivých O-kroužků, které se vyměňují pouze v případě úniku, znamená zcela opomenout jeho architektonickou strukturu. Těsnicí systém v percusním vrtacím zařízení má svou strukturu – dynamická těsnění v percusním vrtacím otvoru, statická těsnění na všech rozhraních obsahujících tlak, těsnění pro průtokový obvod izolující vodní obvod od olejového obvodu a těsnění rotačního pouzdra řídící hranici mazání mezi poháněcím mechanismem a zbytkem pouzdra. Každá zóna pracuje za jiných tlaků, teplot a rychlostí posuvného pohybu. Materiály a profily, které správně fungují v jedné zóně, mohou v jiné zóně selhat velmi rychle.

Pochopení struktury těsnicího systému – kde se která těsnění nacházejí, jakou funkci plní a jak se projevuje jejich porucha – je základem pro stanovení rozumných intervalů údržby a pro správný výběr materiálů při opětovném těsnění.

Zóna 1: Těsnění percusního vrtacího otvoru

Perfurační vrták představuje nejnáročnější prostředí pro těsnění v kladivovém vrtáku. Píst se pohybuje zpět a vpřed s frekvencí 30–65 Hz proti stěně vrtáku, která zároveň tvoří tlakovou hranici předních i zadních perfuračních komor. Těsnění pístu musí udržovat účinný tlakový rozdíl napříč sebou po stovky milionů cyklů, zatímco povrch vrtáku, teplota oleje a nárazové zatížení se neustále mění.

Standardní těsnění pro úderné vrtání jsou z polyuretanu (PU): tvrdost podle Shore A obvykle 90–95, provozní rozsah −30 °C až +90 °C, vynikající odolnost proti opotřebení při dynamickém klouzavém kontaktu. PU se dobře chová při kontaktních tlacích v úderných vrtacích dírách, protože jeho vysoká mez pevnosti v tahu (obvykle 35–55 MPa) odolává silám vyvolávajícím extruzi, které vtlačují elastomery nižší tvrdosti do mezerového prostoru při tlaku 160–220 bar. Pokud teplota oleje trvale překračuje 80 °C – v důsledku tepla nosné konstrukce, okolní teploty pod zemí nebo nedodržení pravidel pro výměnu hydraulického oleje – dochází k urychlení kompresního průhybu PU a těsnění ztrácí navrhovanou kontaktní sílu proti stěně vrtané díry dříve, než uplyne jeho nominální životnost.

HNBR (hydrogenovaný nitrilbutadienový kaučuk) je alternativou pro provoz za zvýšených teplot: trvalé provozní teploty až do 150 °C, vynikající odolnost vůči horkému minerálnímu oleji a ozonu a lepší odolnost proti tepelnému stárnutí než PU. Kompenzací je mírně nižší odolnost proti opotřebení při vysokocyklových kluzných aplikacích ve srovnání s PU s vysokou tvrdostí podle Shoreovy stupnice. U provozů, kde se teplota vraceného oleje u drifteru pravidelně zvyšuje nad 80 °C – což lze změřit infrakulovým teploměrem na výtokovém otvoru – je třeba specifikovat rázové sady z HNBR. U provozů s normální teplotou oleje, avšak s vysokou kontaminací hydraulického oleje abrazivními částicemi, je vhodnější použít PU.

Zóna 2: Těsnění vyplachovací krabice

Těsnění výplachové krabice fyzicky odděluje obvod výplachové vody od obvodu hydraulického oleje na přední straně vrtacího stroje. Výplachová voda vstupuje do vrtacího stroje skrz pouzdro upínací hlavice, prochází dírou ve střední části (shank adapter) nebo kolem ní – podle konstrukce – a opouští vrtací otvor spolu s vyvrtkem. Těsnění výplachové krabice udržují tuto vodu na straně vrtací tyče a na druhé straně hydraulický olej pro rázový mechanismus.

Porucha těsnění výplachové krabice je zdrojem nejnákladnějšího řetězového kontaminačního procesu v hydraulickém vrtání. Když se těsnění opotřebí a propadne, voda se zpětně šíří oblastí vodícího pouzdra do rázového otvoru. Vzniklý emulzifikovaný olej má přibližně o 30–40 % nižší viskozitu než čistý hydraulický olej při stejné teplotě a současně do rázového obvodu přenáší jemné částice horniny z výplachové vody, které se usazují v mezích mezi jednotlivými částmi rázového mechanismu. Oba tyto jevy urychlují opotřebení rázového otvoru. Emulzifikace je viditelná jako mléčně zbarvený nebo zakalený olej ve vzorku oleje odebíraném z vypouštěcího otvoru vrtacího stroje.

Statická těsnění s podkladem z PTFE jsou upřednostňována na rozhraní vypouštěcího boxu, protože PTFE je chemicky inertní vůči jak minerálnímu hydraulickému oleji, tak i vypouštěcí vodě bez ohledu na její pH nebo obsah minerálů. Nízké tření PTFE je zde méně důležité než jeho chemická kompatibilita v prostředí, kde se mohou v agresivních podzemních podmínkách setkávat velmi různorodé kapaliny.

Zóna 3: Statická rozhraní těsnění (O-kroužky a těsnicí podložky)

Všechny tlakově odolné spoje mezi jednotlivými částmi těla vrtacího nářadí – přední skříň s válcem, válec s zadní skříní, kontaktní plochy přípojek akumulátoru a montážní plochy řídicího bloku – jsou utěsněny O-kroužky v normalizované drážkové geometrii. Jedná se o statická těsnění: obě povrchy se během provozu vůči sobě nepohybují.

NBR (nitrilbutadienová pryž) je standardní materiál pro statická těsnění v obvodech hydraulického oleje na minerální bázi. Teplotní rozsah −40 °C až +120 °C je dostačující pro většinu provozních podmínek v kladivových obvodech. Hlavním způsobem poškození statických O-kroužků z NBR v kamenolamných vrtných strojích není degradace způsobená teplotou, nýbrž deformace pod tlakem (tzv. kompresní deformace) způsobená dlouhodobým působením vysokého tlaku ve spojení s tepelnými cykly během několika směn. O-kroužek stlačený po dobu 500 hodin proti stěně drážky při tlaku 200 bar má menší zbytkovou pružnou deformovatelnost než nový kroužek; při demontáži a opětovné montáži spoje může plošně deformovaný O-kroužek bez výměny znovu netěsnit.

Standardní postup: všechny O-kroužky se vyměňují při každé úplné výměně kladivového kompletu. Náklady na O-kroužky jsou zanedbatelné ve srovnání s náklady na následný únik po opětovné montáži, a O-kroužky jsou v kompletu obsaženy již od výrobce.

Odkaz na těsnicí zónu: konstrukce, materiál a kritérium pro kontrolu / výměnu

Běžné vzory poruch a to, co odhalují

Včasné poškození těsnění kladiva – před dosažením 200 hodin provozu kladiva – téměř vždy ukazuje na příčinu ležící mimo kvalitu těsnění. Tři nejčastější příčiny jsou: poškození vrtaného otvoru (škrábance) způsobené předchozím znečištěním kovovými částicemi, které nebyly odstraněny před instalací nového kompletu; vůle vedení objímky přesahující 0,4 mm, což způsobuje nesouosé zatížení násady a koncentruje opotřebení okraje těsnění asymetricky; nebo trvale vysoká teplota oleje nad 80 °C, která urychluje kompresní deformaci polyuretanu. Určení konkrétní příčiny vyžaduje prohlídku povrchu vrtaného otvoru (na přítomnost škrábanců), měření vůle násady (kmitání) a záznam teploty oleje – nikoli pouhé nainstalování dalšího kompletu.

Porucha těsnění uzavírací krabice při provozu kratším než 300 hodin obvykle signalizuje agresivní chemické složení vody pro promývání spíše než běžné opotřebení. Hornická voda s vyšším obsahem minerálů nebo kyselým pH poškozuje těsnění z nitrilového kaučuku rychleji než čistá voda. Sady s podkladem z PTFE vydrží širší rozsah chemického složení vody a jsou proto vhodnou volbou pro podzemní provozy s známými problémy kvality vody.

Těsnicí sady HOVOO: Výběr materiálu podle prostředí

Kompletní sada těsnění pro driftery obsahuje těsnění pro vrtací hlavu, těsnění pro čistící box, těsnění pro vodící pouzdro, O-kroužky akumulátoru a těsnění rozhraní bloku ventilů. Určení nesprávného materiálu i pro jedinou zónu může vést k selektivnímu předčasnému selhání, které lze mylně diagnostikovat jako nedostatečnou kvalitu celé sady místo nesprávné volby materiálu. Společnost HOVOO dodává modelově specifické sady pro všechny hlavní značky driftů – Epiroc COP, Sandvik HL/RD, Furukawa HD/HF, Montabert – s možností výběru materiálu v běžném polyuretanu (PU), HNBR a PTFE-podložených variantách pro čištění. Pro provozy s vyšší teplotou nebo agresivní chemií vody je k dispozici podrobné doporučení pro výběr materiálu pro jednotlivé zóny. Reference na adrese hovooseal.com.