Come prolungare la vita dell’accumulatore della perforatrice? Consigli sull’uso e sulla manutenzione

La maggior parte dei programmi di manutenzione per i trapani idraulici per roccia prevede un intervallo specifico per la sostituzione dell'olio idraulico, un intervallo specifico per la sostituzione del kit di guarnizioni e quasi nulla di documentato riguardo alla manutenzione dell'accumulatore. L'accumulatore viene controllato solo quando si verifica un guasto—più precisamente, quando l'energia di percussione diminuisce e il caratteristico suono rauco indica che la membrana o la pressione di precarica hanno ceduto. A quel punto, l'accumulatore è già in funzione degradata da settimane o mesi e altri componenti di percussione ne hanno assorbito le conseguenze.

Un accumulatore idraulico in un circuito a percussione è un recipiente sotto pressione che opera in condizioni estreme: da 30 a 65 cicli di pressione al secondo durante la perforazione, con pressioni di picco comprese tra 160 e 220 bar sul lato idraulico. La vita utile progettata di un accumulatore idraulico standard è tipicamente di 12 anni o di un numero finito di cicli di pressione, a seconda di quale dei due limiti venga raggiunto per primo. Per un drifter che opera 2.000 ore all’anno in modalità a percussione, l’accumulatore subisce annualmente circa 360 milioni di cicli di pressione. Non si tratta quindi di un componente la cui manutenzione si possa rimandare indefinitamente.

Capire effettivamente il ruolo svolto dall’accumulatore nel circuito a percussione

Un perforatore idraulico per roccia dispone di due accumulatori con funzioni diverse. L'accumulatore ad alta pressione immagazzina azoto precaricato a 50–80 bar (a seconda del modello di drifter) ed è posizionato sul lato del circuito relativo alla pressione di percussione. Quando il pistone inizia la sua corsa di ritorno, la pompa da sola non è in grado di fornire la portata istantanea richiesta per il funzionamento ad alta frequenza: in questo momento critico, l'accumulatore rilascia l'energia immagazzinata per integrare la portata della pompa, eliminando il «vuoto d'impatto» che altrimenti causerebbe una inversione prematura del pistone.

L’accumulatore a bassa pressione (tipicamente precaricato a 4–5 bar) è posizionato sul lato di ritorno/accumulo e funziona insieme al sistema di smorzamento per assorbire l’energia dell’onda di ritorno proveniente dalla stringa di aste. Entrambi gli accumulatori sono dotati di diaframmi: membrane flessibili che separano fisicamente il gas azoto dall’olio idraulico. Il diaframma è il componente che si guasta. Il gas permea lentamente attraverso la membrana in gomma nitrilica nel tempo; una ricarica troppo rapida o un evento di sovrappressione possono provocarne la rottura istantanea.

I tre meccanismi che riducono la durata dell’accumulatore

La permeazione del gas azoto attraverso la membrana è inevitabile, ma controllabile. Le membrane in nitrile (NBR), il tipo più comune, perdono azoto attraverso la parete della membrana a una velocità che aumenta con la temperatura e con la differenza di pressione. A temperature operative superiori a 70 °C, la permeazione si accelera. Il controllo della pressione di precarica ogni 200–300 ore di battitura consente di rilevare la progressiva perdita di pressione prima che raggiunga il livello che influisce sulle prestazioni di battitura. Un calo improvviso—anziché graduale—indica una perdita dello stelo della valvola o una rottura della membrana, piuttosto che una semplice permeazione.

La ricarica rapida è la causa principale di guasti precoci della membrana nel servizio sul campo. Quando l'azoto viene immesso troppo rapidamente in un accumulatore completamente scarico, il gas in espansione raffredda la membrana fino al punto in cui la gomma diventa fragile. Negli accumulatori a sacco, la ricarica rapida può anche spingere il sacco verso il basso, all'interno della valvola a fungo del raccordo per olio, provocandone il taglio o la schiacciatura in modo permanente. La procedura di carica documentata dai principali produttori di accumulatori prevede l'immissione dell'azoto in modo graduale: si apre leggermente la valvola del cilindro e si effettua il riempimento nell'arco di diversi minuti, anziché di secondi. La maggior parte dei siti salta questo passaggio perché richiede più tempo.

Il funzionamento al di sotto della pressione di precarica minima è il terzo meccanismo. Quando un martello pneumatico funziona con una pressione di precarica dell’accumulatore inferiore alla specifica—perché la precarica non è mai stata verificata e l’azoto è fuoriuscito—la membrana 'si appoggia' ripetutamente sulla faccia del porto olio ad ogni ciclo di pressione. Questo contatto ripetuto tra la membrana e il porto provoca usura localizzata e, in definitiva, foratura. Il perforatore continua a funzionare, ma l’energia di percussione diventa progressivamente irregolare poiché la funzione di ammortizzazione dell’accumulatore è compromessa.

Specifiche di precarica e intervallo di verifica

La specifica della pressione di precarica viene sempre misurata con la pressione idraulica completamente scaricata dal circuito di percussione, non mentre il perforatore è in funzione. Misurare la pressione di precarica dell’accumulatore sotto pressione di percussione attiva fornisce una lettura errata, poiché il lato azoto viene compresso dalla pressione idraulica presente. Scaricare sempre completamente la pressione del sistema prima di collegare lo strumento di carica/misurazione allo stelo della valvola dell’accumulatore.

Temperatura e il suo effetto sulla pressione di precarica indicata

La pressione dell’azoto varia con la temperatura secondo la legge fondamentale dei gas: un aumento di temperatura di 10 °C comporta un incremento della pressione dell’azoto di circa il 3,5 % in un accumulatore a volume fisso. Un perforatore che mostra una pressione di precarica corretta quando viene controllato a freddo a una temperatura ambiente di 20 °C indicherà una pressione più elevata sul manometro di carica dopo diverse ore di funzionamento, quando la carcassa dell’accumulatore si sarà riscaldata fino a 60 °C. Questa lettura più elevata non significa che la pressione di precarica sia effettivamente aumentata, ma semplicemente che il gas è più caldo.

L'implicazione pratica: registrare sempre la temperatura alla quale è stato verificato il pre-carica insieme alla lettura della pressione. Impostare un valore obiettivo di pre-carica adeguato alle condizioni fredde, tenendo presente che la pressione di esercizio a caldo sarà più elevata. Un'eccessiva pressurizzazione basata su un errore di correzione della lettura effettuata a freddo è una causa comune di danneggiamento della membrana sul campo: un pre-carica troppo elevato spinge la membrana contro il pistino ad ogni ciclo di scarico, esattamente lo stesso meccanismo che si verifica in caso di assenza di pre-carica, ma in senso inverso.

Procedure per lo stoccaggio e per le fermate prolungate

Per periodi di stoccaggio superiori a due settimane, la prassi standard prevede lo scarico della pressione idraulica e il mantenimento inalterata della precarica di azoto. La membrana deve trovarsi nella posizione «gas pieno»: né completamente compressa contro il raccordo dell’olio né tesa dalla pressione idraulica. Uno stoccaggio prolungato con la membrana forzata contro il raccordo dell’olio (circuito idraulico pressurizzato ma azoto esaurito) deforma permanentemente la geometria della membrana e riduce la sua vita utile residua.

Prima dello stoccaggio, drenare l’olio accumulato nel corpo dell’accumulatore qualora il perforatore debba essere stoccato per più di un mese: l’olio a contatto con la membrana a temperatura ambiente provoca, nel tempo, un certo indurimento della superficie in nitrile. Dopo il riavvio a seguito dello stoccaggio, verificare la pressione di precarica prima di avviare la percussione ed eseguire le prime 15–20 minuti a pressione di percussione ridotta, per consentire alla membrana di raggiungere gradualmente la temperatura di esercizio.