Který materiál těsnění je nejvhodnější pro kamenolom? Porovnání PU/HNBR/PTFE

Otázka, který těsnicí materiál je nejvhodnější, má frustrující, avšak přesnou odpověď: záleží na tom, jakému režimu poruchy se snažíte zabránit. PU (polyuretan) selhává tepelnou deformací po stlačení nad 90 °C. HNBR (hydrogenovaný nitrilový kaučuk) selhává povrchovým opotřebením v prostředích s vysokým obsahem částic. PTFE (polytetrafluoroethylen) selhává vyšlapáním do mezer v otvoru, pokud není v dynamických aplikacích správně podložen. Každý materiál má svůj dominantní režim poruchy a správná volba je ten materiál, jehož dominantní režim poruchy je v daných provozních podmínkách nejméně pravděpodobný.

To zní jako problém z oboru vědy o materiálech. V praxi jde o posouzení podmínek na místě s třemi vstupy: provozní teplotou, chemickým složením tekutiny a frekvencí cyklů dynamického zatížení. Pokud tyto tři vstupy určíte správně, výběr materiálu logicky vyplývá. Pokud je však určíte nesprávně – nebo použijete obecný „standardní PU komplet“ pro aplikaci, která vyžaduje HNBR – těsnění selže stejným způsobem, jakým selhává PU při přehřátí: postupně a tiše, bez vnějšího úniku, dokud nenastane úplná deformace pod tlakem a netěsnost způsobená přetlakovým prouděním se nevyvíjí měsíce.

PU: Výchozí dynamické těsnění a jeho teplotní strop

Polyuretan je základním materiálem pro těsnění kladivových pístů, těsnění vodících pouzder a dynamických těsnění průmyslových mycích komor v hydraulických skalních vrtných strojích. Důvody jsou praktické: PU má vynikající odolnost proti opotřebení, vysokou mez pevnosti v tahu za dynamického zatížení a dobrou pružnost, která zajistí udržení těsnicího kontaktu při cyklických kladivových frekvencích 30–60 Hz. Snáší minerální hydraulické oleje bez výrazného nádoru a je rozměrově stabilní v teplotním rozsahu typickém pro povrchové i podzemní provozy v mírném podnebí.

Limitní faktor je teplota. Při trvalých teplotách nad 90–95 °C dochází u polyuretanu k urychlenému stlačení – elastomer ztrácí schopnost pružného návratu a těsnicí okraj se trvale přizpůsobí rozměrům drážky v plášti bez návratu do navržené těsnicí geometrie. Těsnění vypadá fyzicky nepoškozené; jednoduše přestalo plnit funkci pružně zatíženého těsnicího prvku. Odtok přes kladivovou komoru začíná dříve, než se objeví jakákoli vnější netěsnost.

Hluboké doly, kde je teplota v prostředí nad 35 °C a teplota hydraulického oleje při návratu nad 75 °C, běžně překračují teplotní rozsah polyuretanu (PU) při dlouhodobém nepřetržitém úderovém provozu. Stejný jev může nastat i při povrchových operacích v tropickém podnebí bez dostatečného chlazení oleje. V těchto prostředích není použití PU ekonomicky nevhodné proto, že je levné; je nevhodné proto, že interval mezi servisními prohlídkami, po kterém dojde k jeho poruše, je nepředvídatelný, a selhání těsnění v úderovém okruhu neprodukuje žádné zřejmé varovné signály.

HNBR: Vylepšení pro vysoké teploty a odolnost vůči chemikáliím

Hydrogenovaný akrylonitril-butadienový kaučuk (HNBR) napravuje teplotní slabiny PU nasycením nenasycených uhlík-uhlík dvojných vazeb v nitrilové kostrě vodíkem. Výsledný polymer zachovává odolnost nitrilu vůči olejům – polární skupiny C≡N, které brání nádmutí v minerálních olejích, zůstávají nedotčené – zatímco nasycená kostra odolává tepelné degradaci i chemickému útoku ozónu, agresivnímu složení vody a hydraulickým kapalinám na bázi esterů.

HNBR udržuje užitečné těsnicí vlastnosti až do teploty 150 °C po dlouhou dobu – o 60 °C více než PU. V horkých podmínkách dolů se tento rozdíl přímo promítá do delších a předvídatelnějších intervalů údržby. Vrták v hlubokém zlatém dole, kde teplota oleje přiváděného zpět pravidelně dosahuje 95 °C, bude mít těsnění z HNBR, které vydrží v obvodu rázového mechanismu o 40–70 % déle než těsnění z PU. To není jen nepatrné zlepšení; v rámci životnosti zařízení 5 000 hodin jde o rozdíl mezi 12 a 8 výměnami kompletu těsnění na jednotku.

HNBR také lépe odolává kyselému důlnímu odtoku a slané podzemní vodě než PU. V měděných a zlatých dolích, kde je voda z vrstvy kyselá (pH 4–5), je kostra PU napadána koncentrací vodíkových iontů způsobem, kterému odolává nasycený polymer HNBR. Projevem je urychlené povrchové trhání těsnění z PU – mikrotrhliny, které se šíří směrem dovnitř a vytvářejí cesty pro netěsnost – zatímco těsnění z HNBR ve stejném obvodu ukazují normální vzor opotřebení.

PTFE: chemicky inertní, ale mechanicky náročný

Polytetrafluoroethylen (PTFE) patří do jiné kategorie než PU a HNBR. Jeho uhlíko-fluorová kostra je v podstatě chemicky inertní; nebobtná v kyselinách, zásadách, rozpouštědlech ani v žádných agresivních kapalinách, které se v těžebním průmyslu vyskytují. Má extrémně nízké tření, takže vyžaduje méně mazání než elastomerní těsnění, a udržuje své vlastnosti v širokém teplotním rozsahu.

Mechanickou realitou je, že PTFE má velmi nízkou pružnost. Nedokáže se přizpůsobit geometrii válcového prostoru stejně jako elastomer – k udržení těsnicího kontaktu při opotřebení povrchu potřebuje pružinový napínací prvek nebo podporovací prvek. V dynamických percusních aplikacích dochází u samotného PTFE těsnění bez podporovacího kroužku při cyklických tlakových špičkách v rozmezí 160–220 barů (typických pro percusní provoz) k vytlačení materiálu do mezery mezi pístem a válcovým prostorem. Vytlačený materiál selže během několika hodin.

Příslušnou roli PTFE v těsnicím sadě kamenolomního vrtáku hraje v obvodech pro statické těsnění: O-kroužky na přípojce akumulátoru, těsnění sedla přívodu vody pro promývání, statické rozhraní bloku ventilů. V rychle pracujícím hydraulickém kamenolomním drtiči testovaném v bauxitové jámě selhávala těsnění pístu z elastomeru HNBR kvůli kontaminaci a vysoké teplotě. Nahrazení těchto těsnění samozatěžujícími těsněními s tělem z PTFE eliminuje častý cyklus výměny – protože pro tento konkrétní rychlý zdvih a kontaminované prostředí převyšuje odolnost PTFE proti opotřebení a jeho chemická neaktivita jeho nižší pružnost. Jedná se o konkrétní aplikaci; nelze ji zobecnit na všechna dynamická rázová těsnění.

Porovnání materiálů podle obvodu kamenolomního vrtáku a podmínek provozu

Správné rozhodnutí bez laboratorního vyšetření

Většina lokalit nemá k dispozici výsledky analýzy oleje nebo chemické složení hornické vody v okamžiku objednávky sady těsnění. Tři polní ukazatele umožňují spolehlivé rozhodnutí bez formálního testování. Za prvé: jaká je teplota vracené hydraulické kapaliny? Naměřte ji infračerveným teploměrem na návratní hadici po 30 minutách provozu vrtacího zařízení. Pokud teplota přesahuje 80 °C trvale, použijte pro obvod vrtacího zařízení materiál HNBR. Za druhé: jak vypadá hornická voda na vrtací plošině? Zelený nebo oranžový nádech indikuje obsah minerálních kyselin; pro těsnění průmyslového oplachování použijte HNBR. Za třetí: došlo již dříve k předčasnému selhání sad PU kvůli povrchovému trhání nebo kompresnímu deformování místo abrazivního opotřebení? Pokud ano, je příčinou selhání teplota nebo chemické prostředí, nikoli mechanické namáhání – změňte typ materiálu.

HOVOO dodává komplety těsnění pro kamenické vrtáky z polyuretanu (PU) a vodíkem nasyceného butadienového kaučuku (HNBR) pro všechny hlavní modely drifterů, s možností statických těsnění z kompozitu PTFE pro chemicky agresivní aplikace. Označení sady zahrnuje označení materiálu, takže objednávky jsou jednoznačné a nejsou automaticky přiřazeny k jedinému standardnímu provedení. Úplné odkazy na modely a materiály jsou k dispozici na stránce hovooseal.com.