Hydraulisches Felsbohrgerät-Dichtsystem: Aufbau, Material, Fehler und Wartung

Ein hydraulisches Felsbohrgerät-Dichtsystem lediglich als Sammlung einzelner O-Ringe zu betrachten, die bei Undichtigkeit ausgetauscht werden müssen, verfehlt den architektonischen Aspekt. Das Dichtsystem eines Schlagbohrgeräts weist eine Struktur auf – dynamische Dichtungen im Schlagrohr, statische Dichtungen an allen drucktragenden Schnittstellen, Spülkreislaufdichtungen zur Trennung des Wasserkreislaufs vom Ölkreislauf sowie Dichtungen im Rotationsgehäuse zur Steuerung der Schmiergrenze zwischen dem Antriebsmechanismus und dem übrigen Gehäuse. Jede Zone arbeitet unter unterschiedlichen Drücken, Temperaturen und Gleitgeschwindigkeiten. Die Werkstoffe und Profilformen, die in einer Zone korrekt funktionieren, können in einer anderen Zone rasch versagen.

Das Verständnis der Struktur des Dichtungssystems – welche Dichtungen wo angeordnet sind, welche Funktion jede einzelne erfüllt und wie sich ihr Versagen bemerkbar macht – bildet die Grundlage für die Festlegung sinnvoller Wartungsintervalle sowie für die korrekte Auswahl der Dichtungswerkstoffe beim Austausch der Dichtungen.

Zone 1: Schlagbohr-Dichtungen

Die Schlagbohrung stellt die anspruchsvollste Dichtumgebung im Bohrhammer dar. Der Kolben bewegt sich mit einer Frequenz von 30–65 Hz hin und her und gleitet dabei an einer Bohrungswand entlang, die zugleich die Druckgrenze für die vordere und hintere Schlagkammer bildet. Die Kolbendichtung muss über Hunderte Millionen von Zyklen hinweg einen wirksamen Druckunterschied aufrechterhalten, während Oberflächenbeschaffenheit der Bohrung, Öltemperatur und Stoßlasten ständig schwanken.

Standard-Perkussionsbohrdichtungen bestehen aus PU (Polyurethan)-Werkstoffen: Shore-A-Härte typischerweise 90–95, Einsatztemperaturbereich −30 °C bis +90 °C, hervorragende Abriebfestigkeit bei dynamischem Gleitkontakt. PU weist bei den in Perkussionsbohrungen auftretenden Kontaktlasten eine gute Leistung auf, da seine hohe Zugfestigkeit (typischerweise 35–55 MPa) den Auspresskräften entgegenwirkt, die weichere Elastomere bei Drücken von 160–220 bar in den Spielspalt drücken. Wenn die Öltemperatur regelmäßig über 80 °C ansteigt – infolge der Wärmeabgabe des Bohrgeräts, der Umgebungswärme im Untergrund oder einer unzureichenden Einhaltung der Wechselintervalle für hydraulisches Öl – beschleunigt sich die Kompressionsverformung von PU, und die Dichtung verliert vor Ablauf ihrer vorgesehenen Lebensdauer die konstruktiv vorgesehene Anpresskraft gegen die Bohrlochwand.

HNBR (hydriertes Nitril-Butadien-Kautschuk) ist die Alternative für erhöhte Temperaturen: kontinuierliche Einsatztemperatur bis zu 150 °C, ausgezeichnete Beständigkeit gegen heißes Mineralöl und Ozon sowie eine bessere Alterungsbeständigkeit bei Hitze als PU. Der Kompromiss besteht in einer leicht geringeren Abriebfestigkeit bei hochzyklischen Gleitanwendungen im Vergleich zu hochwertigem PU mit hoher Shore-Härte. In Betrieben, bei denen die Rücklauföltemperatur am Bohrhammer regelmäßig 80 °C übersteigt – messbar mit einem Infrarot-Thermometer am Ablassstutzen – sollten HNBR-Schlagkits spezifiziert werden. Betriebe mit normaler Öltemperatur, aber starker abrasiver Partikelkontamination in der Hydraulikflüssigkeit, sollten bei PU bleiben.

Zone 2: Spülkastendichtungen

Die Spülboxdichtungen trennen physisch den Spülwasserkreislauf vom Hydraulikölkreislauf an der Vorderseite des Bohrgeräts. Das Spülwasser tritt durch das Spannfuttergehäuse ein, fließt je nach Konstruktion entweder durch die Durchgangsbohrung des Schaftadapters oder darum herum und verlässt die Bohrung unter Mitnahme der Bohrspäne. Die Spülboxdichtungen halten dieses Wasser auf der Bohrgestängeseite zurück und das Schlagöl auf der gegenüberliegenden Seite.

Ein Versagen der Spülboxdichtungen ist die Ursache der kostspieligsten Kontaminationskaskade beim hydraulischen Bohren. Wenn die Dichtung durch Abnutzung durchbricht, wandert Wasser rückwärts durch den Führungsbuchsenbereich in die Schlagbohrung. Das dadurch entstehende emulgierte Öl weist bei gleicher Temperatur etwa 30–40 % niedrigere Viskosität als sauberes Hydrauliköl auf und transportiert feine Gesteinspartikel aus dem Spülwasser in die engen Toleranzen des Schlagkreislaufs. Beide Effekte beschleunigen den Verschleiß der Schlagbohrung. Die Emulgierung ist an der milchigen oder trüben Farbe des Öls in der Ablassprobe des Bohrgeräts erkennbar.

PTFE-beschichtete statische Dichtungen werden an der Spülbox-Schnittstelle bevorzugt, da PTFE chemisch inert gegenüber sowohl mineralischem Hydrauliköl als auch Spülwasser ist – unabhängig vom pH-Wert oder dem Mineralgehalt. Die geringe Reibung von PTFE ist hier weniger relevant als seine chemische Verträglichkeit über eine oft stark heterogene Fluidgrenze in aggressiven unterirdischen Umgebungen.

Zone 3: Statische Schnittstellendichtungen (O-Ringe und Dichtungen)

Alle drucktragenden Verbindungen zwischen den Bohrhammer-Körperteilen – vordere Gehäusehälfte mit Zylinder, Zylinder mit hinterer Gehäusehälfte, Anschlussflächen des Speichers sowie Montageflächen des Ventilblocks – werden mit O-Ringen in genormter Nutgeometrie abgedichtet. Dabei handelt es sich um statische Dichtungen: Die beiden Flächen bewegen sich während des Betriebs nicht relativ zueinander.

NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk) ist die Standardwerkstoffmischung für statische Dichtungen in mineralölbasierten Hydraulikkreisläufen. Temperaturbereich: −40 °C bis +120 °C; ausreichend für die meisten Betriebsbedingungen in Schlagkreisläufen. Der Hauptversagensmechanismus für statische NBR-O-Ringe in Bohrgeräten ist nicht die Temperaturdegradation, sondern die Kompressionssetzung infolge langanhaltender Hochdruckbelastung in Verbindung mit thermischen Zyklen über mehrere Schichten hinweg. Ein O-Ring, der 500 Stunden lang mit 200 bar gegen die Nutwand komprimiert war, besitzt eine geringere verbleibende elastische Rückstellfähigkeit als ein neuer O-Ring; beim Demontieren und erneuten Zusammenbauen der Verbindung kann der abgeflachte O-Ring daher ohne Austausch möglicherweise nicht mehr dichten.

Standardvorgehen: Alle O-Ringe bei jedem vollständigen Wechsel des Schlagkits austauschen. Die Kosten für die O-Ringe sind vernachlässigbar gering im Vergleich zu den Folgekosten eines Lecks nach dem Wiedereinbau, und die O-Ringe sind ohnehin im Kit enthalten.

Referenz für Dichtzonen: Aufbau, Werkstoff und Prüf-/Austauschtrigger

Häufige Fehlermuster und was sie verraten

Früher Verschleiß der Schlagdichtung – vor Erreichen von 200 Schlagstunden – deutet nahezu immer auf eine Ursache jenseits der Dichtungsqualität hin. Die drei häufigsten Ursachen sind: Bohrungskratzer durch vorherige metallische Partikelkontamination, die vor dem Einbau des neuen Kits nicht entfernt wurde; Führungshülse mit einem Spiel von mehr als 0,4 mm, was zu einer schrägen Schaftbelastung führt und den Verschleiß der Dichtungslippe asymmetrisch konzentriert; oder eine Öltemperatur, die dauerhaft über 80 °C liegt und dadurch die Kompressionssetzung von Polyurethan (PU) beschleunigt. Um festzustellen, welche der genannten Ursachen zutrifft, ist eine Inspektion der Bohrungsoberfläche (auf Kratzer), eine Messung der Schaftwackelbewegung sowie eine Dokumentation der Öltemperatur erforderlich – und nicht lediglich der Austausch durch ein weiteres Kit.

Ein Versagen der Spülboxdichtung innerhalb von weniger als 300 Stunden weist in der Regel auf eine aggressive Chemie des Spülwassers statt auf normalen Verschleiß hin. Grubenwasser mit erhöhtem Mineralgehalt oder saurem pH-Wert greift Nitril-basierte Spüldichtungen schneller an als sauberes Wasser. PTFE-beschichtete Kits vertragen ein breiteres Spektrum an Wasseraufbereitungschemie und sind die geeignete Wahl für den Einsatz unter Tage bei bekannten Wasserqualitätsproblemen.

HOVOO-Dichtungssätze: Auswahl der richtigen Dichtungsmaterialien für die jeweilige Zone

Ein komplettes Drifter-Dichtungskit enthält Schlagbohrdichtungen, Spülkastendichtungen, Führungsrohrdichtungen, Akkumulator-O-Ringe und Dichtungen für die Ventilblock-Schnittstelle. Die Auswahl einer falschen Werkstoffzusammensetzung selbst für nur eine Zone führt zu selektivem Frühversagen, das fälschlicherweise als mangelhafte Gesamtqualität des Kits statt als Fehlanpassung des Werkstoffs diagnostiziert werden kann. HOVOO liefert modellspezifische Kits für alle namhaften Drifter-Marken – Epiroc COP, Sandvik HL/RD, Furukawa HD/HF, Montabert – mit Werkstoffoptionen in Standard-Polyurethan (PU), HNBR sowie PTFE-beschichteten Spülvarianten. Eine zonenspezifische Werkstoffempfehlung ist verfügbar für Anwendungen mit erhöhten Temperaturen oder aggressiver Wasserchemie. Referenzen unter hovooseal.com.