Mikä tiivistemateriaali soveltuu parhaiten kallionporakoneeseen? PU/HNBR/PTFE-vertailu

Kysymys siitä, mikä tiivisteaine on paras, saa turhauttavan mutta tarkan vastauksen: se riippuu siitä, mitä vikaantumismuotoa yrität välttää. PU (polyuretaani) vikaantuu lämpötilan aiheuttaman puristusmuodon muutoksen vuoksi yli 90 °C:n lämpötiloissa. HNBR (hydrogenoitu nitrilikumi) vikaantuu pinnan kulumaan korkeassa hiukkaspitoisuudessa olevissa ympäristöissä. PTFE (polytetrafluorietyyleni) vikaantuu puristumalla liian suuriksi aukkojen kautta, jos sitä ei tueta asianmukaisesti dynaamisissa sovelluksissa. Jokaisella materiaalilla on hallitseva vikaantumismuoto, ja oikea valinta on se, jonka hallitseva vikaantumismuoto on vähiten todennäköinen juuri teidän käyttöolosuhteissanne.

Se kuulostaa materiaalitieteen ongelmalta. Käytännössä kyseessä on paikallisolojen arviointi, jossa on kolme syötettä: käyttölämpötila, nesteen kemiallinen koostumus ja dynaamisen kuormituksen vaihtelutaajuus. Kun nämä kolme syötettä tunnetaan tarkasti, materiaalin valinta seuraa loogisesti. Jos syötteet ovat virheellisiä tai käytetään yleistä 'standardia PU-komplettia' sovellukseen, joka vaatii HNBR-materiaalia, tiiviste epäonnistuu samalla tavalla kuin PU epäonnistuu ylikuumenemisen yhteydessä: hitaasti ja hiljaisesti, ilman ulkoista vuotoketta kunnes puristusmuodonmuutos on täysin tapahtunut ja ohitusvirtaus on kasvanut kuukausien ajan.

PU: Oletusdynaaminen tiiviste ja sen lämpötilakatto

Polyuretaani on työhevonen materiaalina iskupistonsinistä, ohjauspussin sinistä ja dynaamisista pesukotelo-sinistä hydraulisissa kallionporakoneissa. Syyt ovat käytännöllisiä: PU:lla on erinomainen kulutusvastus, korkea vetolujuus dynaamisten kuormitusten alaisena sekä hyvä kimmoisuus, joka mahdollistaa tiivistyksen ylläpitämisen syklisten iskutaajuuksien (30–60 Hz) aikana. Se kestää mineraaliöljyisiä hydrauliöljyjä merkittävän turvoutumisen ilman ja sen mitat pysyvät vakaina pinnalla ja kohtalaisen ilmastossa toimivien maanalaisoperaatioiden tyypillisellä lämpötila-alueella.

Rajoitteena on lämpötila. Jatkuvissa lämpötiloissa yli 90–95 °C polyuretaani kokee kiihtynyt puristusmuodonmuutoksen – elastomeeri menettää kimmoisuutensa ja tiivistysreuna muovautuu pysyvästi putken uran mittojen mukaiseksi ilman palautumista suunniteltuun tiivistyskontaktigeometriaan. Tiiviste näyttää fyysisesti ehjältä; se on vain lopettanut toimintansa jousitetun tiivistysosana. Iskukammion ohitus alkaa ennen kuin ulkoinen vuoto on näkyvissä.

Syvät kaivokset, joissa lämpötilat ovat korkealla – työpinnan ympäröivä lämpötila yli 35 °C ja hydrauliikan paluunesteen lämpötila yli 75 °C – ylittävät säännöllisesti PU-materiaalin lämpötila-alueen pitkäkestoisessa jatkuvassa iskutoiminnossa. Myös pintatoiminnot trooppisissa ilmastovyöhykkeissä ilman riittävää öljyn jäähdytystä voivat aiheuttaa samanlaisia ongelmia. Näissä olosuhteissa PU-materiaalin käyttö ei ole taloudellisesti väärin siksi, että se on halpaa; se on väärin siksi, että sen käyttöikä on ennustamaton ja epäonnistuneet tiivistykset iskupiirissä eivät tuota selvää varoitusmerkkiä.

HNBR: Korkean lämpötilan ja kemikaalikestävyyden parannus

Hydrogenoitu nitrilikumi korjaa PU-materiaalin lämpötilaongelman kyllästämällä nitrilipohjan unsaturaatut hiili-hiili-kaksoissidokset vedyn avulla. Tuloksena syntyvä polymeeri säilyttää nitrilin öljykestävyyden – pooliset C≡N-ryhmät, jotka estävät turpoamista mineraaliöljyissä, säilyvät muuttumattomina – kun taas kyllästetty pohja kestää paremmin lämpöhäviöitä sekä kemiallista vaikutusta otsonilta, aggressiiviselta veden laadulta ja esteripohjaisilta hydrauliikkaöljyiltä.

HNBR säilyttää hyödylliset tiivistysominaisuutensa jopa 150 °C:n lämpötilassa jatkuvasti – eli 60 °C yläpuolella PU:ta. Kuumentuneissa kaivoympäristöissä tämä erotus kääntyy suoraan pidemmiksi ja ennustettavammiksi huollon väliajoiksi. Esimerkiksi syvällä kultakaivoksessa toimiva drifter, jonka paluunesteen lämpötila pysyy jatkuvasti 95 °C:ssa, tuottaa HNBR-tiivistimiä, jotka kestävät iskupiirissä 40–70 % pidempään kuin PU-tiivistimet. Tämä ei ole marginaalinen parannus; 5 000 tunnin laitteen elinkaaren aikana se tarkoittaa eroa 12:n ja 8:n välillä suomennoskitara vaihtoa yksikköä kohden.

HNBR kestää myös happamia kaivovesiä ja suolaisia pohjavesiä paremmin kuin PU. Kupari- ja kultakaivostoiminnassa, jossa muodostumisvesi on happamaa (pH 4–5), vetyionikonsentraatio hyökkää PU:n rakenteeseen tavalla, jota HNBR:n saturoitunut polymeeri vastustaa. Oireena on PU-tiivistimien kiihtynyt pinnan halkeilu – mikrohalkeamat, jotka kasvavat sisäänpäin ja luovat ohitusvirtauspolkuja – kun taas samassa piirissä käytetyt HNBR-tiivistimet näyttävät normaalia kulumiskuvioita.

PTFE: Kemiallisesti inertti, mutta mekaanisesti vaativa

Polytetrafluoroetyleeni (PTFE) kuuluu eri luokkaan kuin PU ja HNBR. Sen hiili–fluori-runko on käytännössä kemiallisesti inertti; se ei turpo happoihin, emäksiin, liuottimiin tai mihinkään muuhun kaivosteollisuudessa tavattaviin aggressiivisiin nesteisiin. Sen kitka on erittäin alhainen, joten sitä tarvitaan vähemmän voitelua kuin elastomeeritiivisteen tapauksessa, ja se säilyttää ominaisuutensa laajalla lämpötila-alueella.

Käytännön mekaaninen tosiasia on, että PTFE:llä on erinomaisen alhainen kimmoisuus. Se ei sopeudu putken sisäpinnan muotoon kuten elastomeeri – sen tiukentamiseen tarvitaan jousitiukennin tai tukielementti, jotta tiivistysyhteys säilyy pinnan kulumisen aikana. Dynaamisissa iskukäyttösovelluksissa pelkkä PTFE-tiiviste ilman tukirenkaita puristuu ulos iskupaineen vaihteluiden aikana (160–220 bar) työntöpään ja putken välistä väliä. Puristunut materiaali hajoaa tunneissa.

PTFE:n sopiva rooli kallionporakoneen tiivistyspaketissa on staattisissa piireissä: O-sigelit akkumulaattorin liitännässä, pesuveden tuloaukon tiivistekalvoissa ja venttiililohkon staattisissa liitoksissa. Boksiittikaivoksessa testatussa nopealla iskulla toimivassa hydraulisessa kallionmurtimessa HNBR-muovisen pistonsulun tiivistykset epäonnistuivat saastumisen ja korkean lämpötilan vuoksi. Niiden korvaaminen itseenergoituvilla PTFE-pohjaisilla tiivistyksillä poisti usein tarvittavan vaihtosyklin – koska kyseisessä nopealla iskulla toimivassa saastuneessa ympäristössä PTFE:n kulumisvastuskyky ja kemiallinen inerttisyys ovat tärkeämpiä kuin sen alhaisempi kimmoisuus. Kyseessä on erityinen sovellus; sitä ei voida yleistää kaikkiin dynaamisiin iskutiivistyksiin.

Materiaalien vertailu kallionporakoneen piirien ja olosuhteiden mukaan

Oikean ratkaisun tekeminen ilman laboratoriota

Useimmat työpaikat eivät ole keränneet öljyanalyysidataa tai kaivovesikemian tietoja siinä vaiheessa, jolloin tiivistesarja tilataan. Kolme kenttäindikaattoria tekee päätöksen luotettavaksi ilman virallista testausta. Ensimmäinen: mikä on hydrauliikan öljyn paluulämpötila? Mittaa paluuputken lämpötila infrapunalämpömittarilla 30 minuutin iskutoiminnan jälkeen. Jos lämpötila ylittää jatkuvasti 80 °C:n, käytä HNBR-materiaalia iskupiiriin. Toinen: miltä kaivovesi näyttää porauspinnalla? Vihreä tai oranssi sävy = mineraalihappopitoisuus; käytä HNBR-materiaalia pesutiivisteisiin. Kolmas: ovatko aiemmat PU-sarjat epäonnistuneet varhain pinnallisella halkeilulla tai puristusmuodonmuutoksella eikä kuluma-aiheisella kulumalla? Jos kyllä, vian syy on lämpötila tai kemiallinen vaikutus, ei mekaaninen – vaihda materiaalia.

HOVOO tarjoaa kallionporakoneiden tiivistyspakkaukset PU- ja HNBR-materiaaleista kaikkiin suurimpiin drifter-malleihin sekä PTFE-seoksella valmistetut staattiset tiivistykset kemiallisesti aggressiivisiin käyttöolosuhteisiin. Pakkauksen viitenumerossa on ilmoitettu materiaaliseos, joten tilaukset ovat yksiselitteisiä eikä niitä oleteta olevan yhden yleisesti käytetyn standardin mukaisia. Täydelliset malli- ja materiaaliviitenumerot löydät osoitteesta hovooseal.com.