Aus welchem Material besteht eine Gesteinsbohrer-Cup-Dichtung? Erklärung von Polyurethan und FKM

Die Dichtung für eine Bohrkrone tassen-Dichtung übernimmt eine ungewöhnliche Aufgabe für ein Elastomerteil: Sie muss Spülwasser zurückhalten, während sie gleichzeitig gegen einen Schaftadapter läuft, der sich dreht und hämmert – oft über Tausende von Stunden hinweg, bevor ein Austausch erforderlich ist. Das Material, aus dem sie geformt wird, hat direkten Einfluss darauf, wie lange sie dieser Kombination aus Bewegung, Druck und Wasserbelastung standhält. Dieser Artikel untersucht die am häufigsten verwendeten Materialien für Dichtungen von Bohrkronen, warum sie für diese spezifische Anwendung ausgewählt wurden und was das für ihr Verhalten im Einsatz bedeutet.

Aus Welchem Material Bestehen Dichtungen Für Bohrkrone?

Dichtungsschalen für Bohrgeräte werden meist aus Polyurethan (PU) oder Fluorelastomer (FKM) geformt, nicht aus dem universell einsetzbaren Nitrilkautschuk (NBR), der für viele andere hydraulische Dichtungen an derselben Maschine verwendet wird. Je nach Hersteller kann dieselbe Komponente als Schalendichtung, Spüldichtung oder vordere Kopfdichtung bezeichnet werden; alle diese Bezeichnungen beziehen sich jedoch auf das Dichtelement, das um den Schaftadapter innerhalb des Wasserkastens angebracht ist.

Warum ist das Material der Schalendichtung wichtiger, als es auf den ersten Blick erscheint?

Die meisten hydraulischen Dichtungen an einem Bohrhammer müssen lediglich Öl, Temperatur und Druck bewältigen. Eine Tassen-Dichtung muss all das bewältigen – zusätzlich noch Wasser selbst: frisch, mineralisiert oder in vielen Bergwerks- und Steinbruchumgebungen leicht salzhaltig oder sauer – sowie die kontinuierliche Rotation der Oberfläche, gegen die sie abdichtet, und die feinen abrasiven Gesteinspartikel, die zwangsläufig in den Spülkreislauf gelangen. Ein Material, das für auch nur eine dieser Bedingungen ungeeignet ist, zeigt dies rasch: Quellung oder Aufweichung durch Wasseraufnahme, beschleunigter Verschleiß aufgrund geringer Abriebfestigkeit oder eine verkürzte Lebensdauer durch chemischen Angriff der jeweiligen Wasseroberflächenchemie vor Ort.

Foto 1: Querschnitt einer Tassen-Dichtungsanordnung

Was ist Polyurethan (PU) und warum wird es häufig für Tassen-Dichtungen verwendet?

Polyurethan ist im Allgemeinen kein herkömmlicher Vulkanisatgummi, sondern ein gegossenes oder geformtes elastomerisches Polymer, das auf Harnstoffbindungen basiert; seine herausragende Eigenschaft ist die hervorragende Abrieb- und Rissbeständigkeit, die weit über der der meisten Gummimischungen liegt. Diese Eigenschaft entspricht genau den Anforderungen an eine PU-Schalenabdichtung: Sie muss nicht nur Wasser zurückhalten, sondern dies auch tun, während sie gegen eine ständig bewegte, gelegentlich rauhe Oberfläche gepresst wird; die feinen Gesteinspartikel, die unvermeidlich in den Bereich der Abdichtung gelangen, wirken wie ein langsam wirkendes Schleifmittel.

PU-Schalenabdichtungen sind zudem oft die kostengünstige Standardlösung für frisches oder mäßig mineralisiertes Spülwasser bei gewöhnlichen Umgebungs- und Betriebstemperaturen. Ihre Hauptbeschränkung besteht in einer niedrigeren kontinuierlichen Einsatztemperatur als FKM sowie einer etwas geringeren Flexibilität bei sehr kalten Temperaturen – beides ist je nach Standort unterschiedlich relevant.

Foto 2 ：Geformtes Lippenprofil einer Polyurethan-(PU)-Schalenabdichtung

Was ist FKM, und wann wird es gegenüber Polyurethan bevorzugt?

FKM (Fluorelastomer) bietet eine breitere chemische Beständigkeit als Polyurethan, einschließlich einer besseren Toleranz gegenüber aggressivem oder chemisch behandeltem Spülwasser sowie einer höheren kontinuierlichen Einsatztemperatur. Wo das Spülwasser sauer ist, chemische Zusätze enthält oder der Bohrer über längere Zeit heiß läuft, ist FKM im Allgemeinen die widerstandsfähigere Wahl.

Der Kompromiss besteht in den Kosten und – bei einigen Formulierungen – einer etwas geringeren Abriebfestigkeit im Vergleich zu einer guten PU-Verbindung. Daher koexistieren beide Werkstoffe häufig als Alternativen für dieselbe Kolbenringposition bei vielen Bohrhammermodellen, anstatt dass einer den anderen einfach ersetzt: Die richtige Wahl hängt stärker von der Wasserchemie und Temperatur am jeweiligen Einsatzort ab als von einer universellen Rangfolge beider Materialien.

Foto 3: Seitlich ‑von ‑seitlicher visueller Vergleich von FKM- und PU-Kolbenringproben

Warum nicht einfach Standard-NBR wie bei anderen hydraulischen Dichtungen verwenden?

NBR ist das Standardmaterial für viele hydraulische Dichtungen gerade aufgrund seiner hohen Beständigkeit gegenüber mineralischem Hydrauliköl; diese Stärke überträgt sich jedoch nicht gut auf eine langfristige Wasserbelastung oder auf die abrasive Beanspruchung, der eine Tassen-Dichtung ausgesetzt ist. NBR-Compounds neigen bei längerer Wasseraufnahme stärker zur Quellung und bieten im Allgemeinen eine geringere Abriebfestigkeit als PU unter den körnigen, partikelhaltigen Bedingungen, wie sie bei Spülwasser üblich sind. Aus diesem Grund wird NBR selten für die eigentliche Tassen-Dichtungsposition spezifiziert, obwohl es nach wie vor die Standardwahl für die ölseitigen Dichtungen des Bohrgeräts bleibt, einschließlich des Speichers. membran .

Es ist erwähnenswert, dass NBR nicht einmal der am besten abschneidende Kautschuk bei reiner Wassereinwirkung ist; bei mehrfaktoriellen Dauerhaftigkeitstests von Gummidichtungen für Wasser- und Abwasserleitungen zeigte sich, dass EPDM und Silikonkautschuk (SR) im Allgemeinen eine bessere Beständigkeit gegenüber langanhaltendem Wasserkontakt und thermisch-oxidativem Altern aufweisen als NBR oder HNBR. In diesen Tests führte die Erhöhung der Temperatur auf 70 °C bei HNBR und NBR zu einer Kompressionsverformung von über 15 % und einer Rückprallhöhe unter 85 %, während EPDM und Silikon im abwasserähnlichen Prüfmedium deutlich geringere Verformungszunahmen zeigten. Der Grund, warum EPDM und Silikon dennoch nicht für Dichtungen an Bohrmeißelschalen eingesetzt werden, liegt nicht in der Wasserbeständigkeit, sondern in der Ölverträglichkeit: Beide quellen stark in mineralischem Hydrauliköl, und eine Schalendichtung befindet sich nahe genug am geschmierten Mechanismus des Bohrgeräts, sodass Ölverträglichkeit eine echte Anforderung – und keine Randbedingung – darstellt. Dies ist eine nützliche Erinnerung daran, dass das „beste“ Material im Einzelfall nicht zwangsläufig das richtige Material ist, sobald sämtliche Belastungen berücksichtigt sind, denen das Bauteil im praktischen Einsatz tatsächlich ausgesetzt wird.

Wie vergleichen sich diese Materialien direkt nebeneinander?

Die folgende Tabelle fasst die oben beschriebenen allgemeinen Kompromisse zusammen. Die genaue Leistung hängt von der spezifischen Zusammensetzung ab, die ein bestimmter Hersteller verwendet.

Foto 4: Physikalischer Vergleich der Ersatzdichtungsschalen aus PU und FKM

Wie beeinflusst die Wasserchemie (frisch, salzhaltig oder sauer) die Werkstoffauswahl?

Die Qualität des Spülwassers variiert je nach Einsatzort enorm. Frisches Oberflächenwasser bei einem gewöhnlichen Steinbruchbetrieb stellt für PU wie für FKM eine vergleichsweise milde Umgebung dar. Salzhaltiges Wasser, das an einigen Küstenstandorten oder in trockenen Regionen mit mineralisiertem Grundwasser vorkommt, beschleunigt die Korrosion der Dichtfläche des Schaftadapters und kann die Lebensdauer eines Dichtungswerkstoffs verkürzen, der nur begrenzt beständig gegen Salzwasser ist. Saures oder chemisch behandeltes Wasser, das gelegentlich bei Grubenentwässerung oder in bestimmten Prozessumgebungen auftritt, begünstigt deutlich die breitere chemische Beständigkeit von FKM gegenüber Standard-PU.

Da das Spülwasser von Standort zu Standort stark variiert, kann dasselbe Bohrhammermodell an verschiedenen Baustellen durchaus unterschiedliche Dichtungsmaterialien für die Tassen-Dichtung verwenden; in der Regel ist es wichtiger, die Dichtung an die vor Ort vorliegende Wasserqualität anzupassen, als standardmäßig das Material zu verwenden, das ursprünglich mit der Maschine geliefert wurde.

Wie beeinflusst die rotierend-oscillierende Bewegung die Verschleißlebensdauer?

Im Gegensatz zu einer statischen O-Ring , befindet sich eine Tassen-Dichtung ständig in relativer Bewegung gegenüber dem Schaftadapter: Sie dreht sich kontinuierlich und bewegt sich bei jedem Schlagzyklus geringfügig in axialer Richtung. Diese Bewegung bedeutet, dass die Verschleißlebensdauer der Dichtung stark davon abhängt, dass ein dünner schmierender Wasserfilm (bzw. ein Wasser-Luft-Gemisch) zwischen der Dichtlippe und der Adapteroberfläche erhalten bleibt. Bricht dieser Film zusammen – etwa aufgrund unzureichenden Spüldrucks, Verunreinigungen oder einer angeritzten Adapteroberfläche – läuft die Dichtung praktisch trocken gegen das Metall, wodurch sowohl die Abnutzung als auch die Wärmeentwicklung stark zunehmen, unabhängig vom verwendeten Dichtungsmaterial.

Dies ist ein Grund dafür, dass die Verschleißlebensdauer von Tassenringen nicht ausschließlich eine Materialfrage ist: Der Zustand der Gegenfläche und die Konstanz des Spüldrucks beeinflussen beide, wie lange selbst das bestmöglich abgestimmte Dichtungsmaterial tatsächlich hält.

Wie wirkt sich die Temperatur auf die Leistung des Tassenringmaterials aus?

Die Temperaturbelastung von Tassenringen ist im Allgemeinen geringer als bei einer ölseitigen Dichtung wie der Akkumulatordiaphragma, da das Spülwasser beim Durchfluss Wärme vom vorderen Kopfbereich ableitet. Dennoch können Bohrgeräte, die bei hohem Einschaltdaueranteil in heißen Klimazonen oder mit reduziertem Spülstrom betrieben werden, an der Dichtungsposition erhöhte Temperaturen aufweisen. Die niedrigere kontinuierliche Einsatztemperaturgrenze von PU macht es gegenüber FKM empfindlicher gegenüber dieser Temperaturerhöhung – ein Grund dafür, warum ein dauerhafter Betrieb bei hohen Temperaturen einer der häufigeren Gründe für die Spezifikation von FKM ist, selbst wenn die Wasserchemie allein dies nicht erfordern würde.

Am anderen Extrem können sehr kalte Umgebungsbedingungen beide Materialien etwas versteifen, wobei PU im Allgemeinen über einen breiteren praktischen Bereich hinweg eine nutzbare Flexibilität bewahrt als der kälteste Bereich des zulässigen Temperaturbereichs von FKM.

Wie identifizieren Sie das richtige Material für Ihre Standortbedingungen?

Da die Wahl des Dichtungsmaterials für Kolbenringe von standortspezifischen Faktoren abhängt – wie Wasserchemie, abrasiver Gehalt, Umgebungs- und Betriebstemperatur sowie Einsatzdauer – ist der zuverlässigste Ansatz, diese Bedingungen dem Lieferanten des Ersatzteils genau zu beschreiben, anstatt vorauszusetzen, dass das ursprüngliche Material automatisch die beste Wahl ist. Eine Dichtung, die an einem bestimmten Standort vorzeitig versagt, lässt sich manchmal besser durch einen Wechsel des Materials als durch eine bloße Wiederholung des gleichen Austauschs beheben.

Wo Aufzeichnungen oder ein Ersatzteilkatalog vorliegen, geben diese in der Regel das ursprünglich verbautе Material an; fehlen solche Unterlagen, kann ein Lieferant, der mit dem Bohrhammermodell vertraut ist, in der Regel die Standardausführung bestätigen und Empfehlungen abgeben, ob die Wasserbedingungen am Einsatzort eine andere Wahl rechtfertigen.

Foto 5: Dichtungs- und Wasserprüfung zur Materialauswahl

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