Korrosionsgeschütztes Dichtungssystem für Bohrhämmer: Langlebig unter rauen Bedingungen

Ein Dichtungsversagen bei einem Bohrhammer, der in einer aggressiven Umgebung betrieben wird, beginnt selten mit sichtbarer Korrosion an der Elastomeroberfläche. Es beginnt mit einer Quellung. Die Dichtungsmasse nimmt Flüssigkeit oder Dampf aus der Umgebung auf – beispielsweise sauer Bergwerksabwasser, emulgierte Kühlschmierflüssigkeit oder hydraulisches Öl, das durch Wassereintritt kontaminiert ist – und das Elastomer dehnt sich über die vorgesehene Spielfreiheit in der Nut hinaus aus. Die Lippengeometrie verformt sich. Der Kontaktdruck gegen die Bohrungswand verschiebt sich von der konstruktiv vorgesehenen Dichtkraft hin zu einer unvorhersehbaren Punktbelastung. Innerhalb weniger hundert Betriebsstunden beginnt die Dichtung, die bei visueller Inspektion noch einwandfrei aussah, Durchtrittsströmung zuzulassen.

Das korrosionsbeständige Dichtungsdesign adressiert diesen initialen Quellmechanismus, nicht die nachgeschaltete Ausfallart. Die Wahl einer Elastomer-Verbindung mit geringer Flüssigkeitsaufnahme in der jeweiligen Umgebung – sei es salzhaltiges Grundwasser in einem Küstenbergwerk, schwefelsäurehaltiges Sickerwasser bei einem Kupferbergbaubetrieb oder alkalische Spülflüssigkeit mit hohem pH-Wert bei einem Zementtunnelprojekt – bestimmt, ob die Dichtung 200 oder 600 Stunden zwischen den Austauschvorgängen hält. Geometrie und Montage sind der Auswahl der Verbindung untergeordnet.

Die Chemie hinter der Korrosionsbeständigkeit von Elastomeren

Nitrilkautschuk (NBR) ist das am häufigsten verwendete Elastomer für Hydraulikdichtungen, da er eine gute Beständigkeit gegenüber Mineralölen und den meisten hydraulischen Flüssigkeiten aufweist. Sein Schwachpunkt besteht darin, dass die ungesättigten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen im Butadien-Grundgerüst anfällig für Angriffe durch Ozon, erhöhte Temperaturen und bestimmte chemische Substanzen sind. In einem Bergwerksumfeld mit Temperaturen unter 60 °C und sauberem Hydrauliköl weist NBR eine ausreichende Leistungsfähigkeit auf. Dringt saures Wasser ein, steigt die Umgebungstemperatur oder wird eine synthetische Hydraulikflüssigkeit mit auf Ester basierenden Zusatzstoffen verwendet, verkürzt sich die Einsatzdauer von NBR deutlich.

HNBR – hydriertes Nitrilkautschuk – erhält während der Synthese Wasserstoffatome an den ungesättigten Bindungen des Rückgrats, wodurch die reaktiven Doppelbindungen durch stabile Einfachbindungen ersetzt werden. Die Nitrilgruppen, die für die Ölbeständigkeit verantwortlich sind, bleiben erhalten; die Anfälligkeit gegenüber Ozon und Wärme wird deutlich verringert. HNBR behält bis zu einer kontinuierlichen Temperatur von 150 °C nützliche elastische Eigenschaften bei und widersteht dem Angriff von Bohrflüssigkeiten, emulgierten Ölen und salzhaltigem Wasser, die Standard-NBR innerhalb weniger Wochen abbauen würden. Erstmals 1984 kommerzialisiert, ist HNBR zur Standardwahl für dynamische Dichtungen in anspruchsvollen Umgebungen innerhalb hydraulischer Systeme geworden.

PTFE verfolgt einen völlig anderen Ansatz. Sein Kohlenstoff-Fluor-Gerüst – mit der stärksten Bindung in der organischen Chemie – ist nahezu gegenüber allen in Bergbau und Bauwesen auftretenden Chemikalien inert. Es quillt weder in Säuren, Laugen, Lösungsmitteln noch in salzhaltigem Wasser auf. Die Einschränkung liegt im mechanischen Bereich: PTFE ist ein starres Polymer mit geringer Elastizität und erfordert zur Aufrechterhaltung des Dichtkontakts während des Verschleißes eine federbelastete Verstärkung oder ein Stützelement. Bei statischen Dichtkreisen, O-Ring-Sitzen in Ventilblöcken und statischen Schnittstellen von Spülkästen überdauern PTFE-Komponenten elastomerische Alternativen in chemisch aggressiven Umgebungen deutlich.

Kategorien harter Betriebsbedingungen und zugehörige Dichtungswerkstoffe

Die Wahl des Dichtungswerkstoffs für die statischen Kreisläufe – O-Ringe im Ventilblock, Akkumulatoranschlussdichtungen, Dichtungen am Spülwassereinlass – bestimmt oft den gesamten Wartungsintervall stärker als die dynamische Schlagdichtung. Statische Dichtungen, die aggressivem Spülwasser ausgesetzt sind, verbleiben zwischen den Bohrzyklen inaktiv und werden von der jeweiligen Chemie des Spülkreislaufs umspült. Ein NBR-O-Ring in einem hochgradig basischen Tunnelwasserkreislauf kann bereits nach 100 Stunden erster Benetzung durch Kompressionsset versagen, selbst wenn die Bohrmaschine in diesem Zeitraum nur 20 Schlagstunden gelaufen ist.

Erkennen von Versagensmodi in aggressiven Umgebungen, bevor sie sich verschärfen

Drei Muster weisen auf eine Umweltbelastung der Dichtungen hin, nicht auf einen normalen zyklischen Verschleiß. Erstens: asymmetrischer Verschleiß der Dichtflächen – bei normalem Verschleiß tritt eine gleichmäßige Abnutzung der Kontaktfläche entlang des Lippenumfangs auf. Chemische Quellung verformt die Geometrie der Lippe asymmetrisch und erzeugt ein Verschleifmuster, das der Richtung der stärksten Quellung folgt. Zweitens: ungewöhnliche Farbveränderung des zurückfließenden Hydrauliköls – eine grünliche oder milchige Verfärbung im hydraulischen Rücklaufkreis deutet auf eine Emulgierung von Wasser hin, häufig verursacht durch eine beschädigte Dichtung des Spülkastens, die Wassereintritt in den Schlagkreis ermöglicht. Drittens: Gelbildung – bestimmte chemische Angriffssequenzen führen dazu, dass Elastomerfragmente teilweise im Hydraulikfluid auflösen und eine gelartige Kontamination erzeugen, die Filterelemente schneller als üblich verstopft und die präzisen Spielflächen im Ventilblock beschädigen kann.

Das Auftreten eines dieser Anzeichen erfordert eine vollständige Inspektion des Dichtsatzes vor dem nächsten geplanten Wartungsintervall – nicht erst zu diesem Zeitpunkt. Wenn eine chemisch degradierte Dichtung bis zum geplanten Austauschzeitpunkt weiterbetrieben wird, kann der Schaden auf die Bohrungsfläche übergreifen, wodurch der Reparaturumfang von einem einfachen Dichtsatzwechsel auf eine Neuaufarbeitung der Bohrung oder einen Gehäuseaustausch ansteigt.

HOVOO Korrosionsschutz-Dichtsätze für den Bergbau und Tunnelbau

HOVOO liefert Dichtungssätze für Bohrhammer mit HNBR- und PTFE-Compound-Optionen für die gängigsten Drifter-Modelle, die in aggressiven Umgebungen eingesetzt werden. Der Standard-PU-Satz ist für die meisten Anwendungen bei gemäßigtem Klima und Reinwasserspülung geeignet. HNBR-Sätze werden für Betriebsbedingungen empfohlen, bei denen die umgebende Bohrlochwandtemperatur dauerhaft über 40 °C liegt, saures Grundwasser als Spülmedium verwendet wird oder das Hydrauliköl im Rücklaufkreis Temperaturen über 80 °C erreicht. PTFE-Stützdichtungssätze für statische Kreisläufe sind separat erhältlich, beispielsweise für den Einsatz in alkalischen Tunnelprojekten oder Küstenanwendungen mit Salzwassereinbruch.

Die Spezifikation eines falschen Compounds in einer bekannten aggressiven Umgebung – gefolgt von einem doppelt so häufigen Austausch des Dichtungssatzes – ist teurer, als das richtige Compound bereits beim ersten Bestellvorgang auszuwählen. Die modellspezifischen Referenzen von HOVOO, einschließlich der Compound-Bezeichnung für jede Drifter-Anwendung, sind unter hovooseal.com aufgelistet.