Di quale materiale è costituita la membrana dell’accumulatore per perforatrici? Spiegazione di NBR, HNBR e poliuretano

Ogni accumulatore idraulico per perforatrici si basa su una membrana per separare la carica di azoto dal circuito dell’olio idraulico, e tale membrana è realizzata mediante stampaggio di un particolare elastomero o composto termoplastico. La scelta del materiale non è casuale: essa determina in che modo la membrana resiste al calore, all’olio, alle contaminazioni abrasive e all’elevatissima frequenza di flessione cui il componente è sottoposto durante il normale funzionamento. Questo articolo esamina i materiali più comunemente impiegati per gli accumulatori per perforatrici diaframmi , le loro differenze e le conseguenze sul comportamento previsto del componente in servizio.

Di cosa è composto il diaframma dell’accumulatore per perforatrici?

Nella produzione attuale, il diaframma dell’accumulatore per perforatrici è quasi sempre un elastomero sintetico stampato, più comunemente gomma nitrilica (NBR) o gomma nitrilica idrogenata (HNBR), oppure un componente in poliuretano (PU) colato o stampato. Alcuni cataloghi ricambi indicano ancora questo componente come «coppa in cuoio», termine ereditato da precedenti progetti di diaframmi e guarnizioni a coppa; nonostante la denominazione, i componenti oggi venduti e installati non sono realizzati in cuoio. Altri termini utilizzati da diversi produttori e in diverse regioni sono «diaframma», «membrana» e «separatore di gas», tutti riferiti alla stessa parte funzionale: una barriera flessibile posizionata tra la camera di azoto e la camera dell’olio all’interno del corpo dell’accumulatore.

Perché il materiale del diaframma è importante per una perforatrice?

All’interno di un accumulatore per perforatrici, la membrana opera in uno degli ambienti più gravosi presenti in un circuito idraulico. È costantemente a contatto con olio idraulico su un lato e con azoto pressurizzato sull’altro, subisce la temperatura operativa dell’olio (che sale ben al di sopra della temperatura ambiente una volta che la perforatrice è in funzione) e si flette compiendo un intero ciclo di compressione e rilascio ogni volta che il pistone d’urto inverte il suo movimento, il che avviene ad alta frequenza per tutta la durata dell’utilizzo della perforatrice.

Un materiale poco adatto a queste condizioni ne rivelerà immediatamente le carenze in modi prevedibili: gonfiore o ammorbidimento se non è sufficientemente resistente all’olio idraulico, indurimento e crettature se non tollera la temperatura di esercizio dell’olio, oppure fessurazioni da fatica che compaiono ben prima che gli altri componenti della trivella richiedano manutenzione, qualora il composto non resista a flessioni ripetute. Per questo motivo la scelta del materiale per la membrana è considerata una decisione ingegneristica autonoma, e non un semplice corollario alla forma del componente.

La parte relativa al calore di tale fenomeno ha una causa chimica ben documentata. I ricercatori specializzati in gomma descrivono l’invecchiamento termo-ossidativo come una reazione a catena autoaccelerata di radicali liberi: inizialmente il calore strappa un atomo di idrogeno dallo scheletro molecolare della gomma, generando un radicale reattivo; tale radicale reagisce con l’ossigeno disciolto formando un radicale perossido, che a sua volta strappa un atomo di idrogeno da una catena adiacente, producendo un idroperossido e un nuovo radicale, alimentando così il ciclo. A seconda del polimero specifico, questa reazione a catena favorisce prevalentemente o ulteriori reticolazioni (che induriscono la gomma e possono causarne la fessurazione) o la scissione delle catene (che la ammorbidisce e ne riduce la resistenza). La conclusione pratica è identica in entrambi i casi: l’esposizione prolungata al calore e all’ossigeno modifica nel tempo il comportamento meccanico di un composto per diaframmi, indipendentemente da qualsiasi singolo evento di sovraccarico; questo spiega perché la durata reale di un diaframma dipende dalla temperatura operativa costante e non soltanto dalla pressione massima.

Foto 1: Trasversale ‑diagramma strutturale della membrana ‑accumulatore di tipo

Che cos’è il NBR e perché è diventato il materiale standard per le membrane?

Il NBR, gomma nitrilica butadienica, è un copolimero di acrilonitrile e butadiene ed è stato per decenni l’elastomero generico di riferimento per le guarnizioni idrauliche a olio minerale, comprese le membrane degli accumulatori per perforatrici. Il contenuto di acrilonitrile conferisce una forte resistenza agli oli idraulici a base minerale senza rigonfiamenti significativi e garantisce anche una permeabilità relativamente bassa al gas azoto, consentendo all’accumulatore di mantenere la sua pre-carica per un intervallo più lungo tra i controlli.

I composti in NBR sono generalmente certificati per un impiego continuativo in un intervallo di temperatura approssimativo compreso tra –30 °C e circa 100–120 °C, sebbene i valori esatti dipendano dalla specifica formulazione del composto adottata dal produttore. Poiché coniuga una solida resistenza all’olio con un costo moderato, il NBR rimane la specifica predefinita per molte membrane di perforatrici e frantumatori idraulici.

La robustezza meccanica dell’NBR sotto pressione operativa reale non è soltanto un’affermazione del produttore; è anche il tipo di comportamento che gli studi di tenuta mediante analisi agli elementi finiti sono progettati per verificare. Uno studio recente sui sigilli in NBR O-ring in condizioni ad alta pressione, ad esempio, ha modellato lo sforzo di contatto rispetto alla pressione del mezzo e ha rilevato che esso aumentava in modo proporzionale alla pressione, rimanendo tuttavia sempre superiore a essa nell’intero intervallo testato: questa è la condizione fondamentale che un sigillo in gomma deve soddisfare per garantire la tenuta anziché causare perdite. Una membrana ha forma e funzione diverse da quelle di una guarnizione toroidale (O-ring), ma il comportamento sottostante del materiale si basa sulla stessa scienza della gomma; ed è un ulteriore motivo per cui l’NBR è rimasto la scelta consolidata per componenti idraulici particolarmente impegnativi.

Foto 2: Campione fisico di membrana accumulatore in gomma NBR stampata

Che cos’è l’HNBR e in che cosa differisce dall’NBR standard?

L'HNBR è prodotto idrogenando l'NBR, un processo che elimina la maggior parte dei legami doppi carbonio-carbonio reattivi rimasti nel polimero. Questo dettaglio è direttamente collegato alla chimica dell'invecchiamento descritta sopra: tali legami doppi sono i principali siti reattivi in cui ha inizio la reazione a catena indotta da calore e ossigeno; pertanto, la loro rimozione riduce drasticamente la vulnerabilità del materiale. L'effetto pratico è un composto che conserva la resistenza fondamentale e la resistenza agli oli dell'NBR, ma con una resistenza significativamente superiore al calore e all'invecchiamento prolungato, nonché una maggiore resistenza a trazione e a strappo.

Mentre il limite di temperatura per l’uso continuo dei comuni elastomeri NBR si attesta generalmente tra 100 e 120 °C, i composti HNBR sono comunemente certificati fino a circa 150 °C, mantenendo nel contempo una flessibilità a basse temperature quasi paragonabile a quella degli NBR. Questa combinazione rende l’HNBR una scelta frequente per l’aggiornamento di perforatrici rotanti che operano a temperature elevate, con lunghi cicli di lavoro o in climi caratterizzati da ampie escursioni termiche tra avviamento a freddo e raggiungimento della temperatura operativa completa del sistema idraulico. Il compromesso riguarda il costo: i composti HNBR sono più costosi da produrre rispetto agli NBR standard.

anche la sigla «HNBR» non indica una formulazione fissa. Ricerche che hanno confrontato diversi gradi commerciali di HNBR hanno associato due variabili formulate a differenze reali nelle prestazioni: una viscosità Mooney più elevata (una misura correlata al peso molecolare) aumenta generalmente la densità di reticolazione e la resistenza meccanica del vulcanizzato, mentre un contenuto più alto di acrilonitrile migliora la resistenza agli oli ma innalza anche la temperatura di transizione vetrosa della mescola — il che significa che la membrana si indurisce prima al raffreddamento. Lo stesso corpus di ricerche ha rilevato che i gradi idrogenati in misura molto elevata, pari all’ordine del 99 %, mostrano la migliore resistenza all’invecchiamento termico e la migliore ritenzione del set di compressione e della resistenza a trazione dopo prolungata esposizione a 120 °C. L’implicazione pratica è che due membrane entrambe correttamente etichettate come «HNBR» non sono garantite per offrire prestazioni identiche; il grado di idrogenazione e la formulazione specifica contano tanto quanto il nome del polimero di base.

Cos'è il poliuretano (PU) e quando viene utilizzato al posto della gomma?

Il poliuretano, spesso abbreviato in PU o indicato con la denominazione di elastomero AU, appartiene a una classe di materiali diversa rispetto a NBR e HNBR; invece di essere una gomma vulcanizzata convenzionale, si tratta generalmente di un polimero termoplastico o elastomerico ottenuto per colata o stampaggio, basato su legami uretanici. Il suo principale vantaggio è la resistenza all'abrasione e alla lacerazione, che supera di gran lunga quella delle miscele di gomma standard, unitamente a un'elevata resistenza a trazione.

Questa combinazione rende le membrane in poliuretano (PU) una scelta comune nei casi in cui è difficile mantenere l’olio idraulico perfettamente pulito — condizione realistica su molti cantieri di trivellazione e miniere — poiché il PU resiste all’erosione causata dalle particelle sospese meglio del NBR. Il compromesso si sposta invece nella direzione opposta per quanto riguarda la temperatura: i composti in PU sono tipicamente limitati a un valore massimo di impiego continuo più basso, spesso indicato intorno agli 80 °C, rispetto al NBR o all’HNBR, e possono indurirsi in modo più evidente in condizioni fredde. Il PU viene quindi scelto di solito per la sua resistenza all’usura in condizioni di temperatura moderata e con elevata probabilità di contaminazione, piuttosto che come soluzione per migliorare la resistenza al calore.

Foto 3: Confronto dell’aspetto tra un campione di membrana in poliuretano e uno in gomma

Dove rientrano l’FKM e altri composti speciali?

FKM, un fluoroelastomero talvolta noto con il nome commerciale Viton, estende notevolmente il campo di temperatura utilizzabile rispetto a NBR e HNBR, con valori di impiego continuo comunemente indicati fino a 200 °C, oltre a una resistenza chimica più ampia che copre alcuni fluidi e additivi in grado di attaccare le gomme a base di nitrile. Tuttavia, non è la scelta predefinita per la maggior parte delle membrane per perforatrici rocciose, poiché la sua flessibilità a basse temperature è sensibilmente inferiore rispetto a quella di NBR o HNBR e il suo costo è notevolmente più elevato.

Nella pratica, l’FKM compare negli impieghi di perforatrici per roccia o frantumatori idraulici soltanto quando una condizione specifica lo richiede: temperature dell’olio sostenute insolitamente elevate, un fluido idraulico al di fuori della gamma standard degli oli minerali oppure una specifica del cliente che lo prescrive. Materiali come l’EPDM o la silicona standard, sebbene comuni in altri ambiti di tenuta, sono generalmente inadatti a questo impiego poiché non offrono una buona resistenza all’olio idraulico minerale e vengono raramente, se non mai, specificati per le diaframmi degli accumulatori nelle perforatrici per roccia.

Anche la classificazione continua di temperatura non racconta l’intera storia agli estremi superiori. La ricerca sui sigilli in FKM per altre apparecchiature di tenuta ad alta temperatura ha dimostrato che temperature elevate causano, nel tempo, un rilassamento dello sforzo — la forza di tenuta del materiale diminuisce gradualmente anche quando la temperatura stessa rimane entro il campo di temperatura specificato per il composto, e un’esposizione prolungata amplifica tale effetto. La stessa cautela vale per l’esposizione chimica: studi sui materiali di tenuta in HNBR hanno rilevato una degradazione misurabilmente più rapida in condizioni acide ad alta temperatura rispetto a quelle in olio idraulico standard a temperatura simile, con il grado di idrogenazione e il sistema specifico di cariche entrambi in grado di influenzare quanto resistenza il composto conserva. Nessuna delle due scoperte modifica la scelta fondamentale del materiale per un normale circuito idraulico per perforatrici a olio minerale, ma entrambe ricordano che un semplice valore di temperatura non descrive pienamente come il composto si comporterà nel tempo, e che fluidi insoliti o calore prolungato meritano di essere segnalati al fornitore piuttosto che dare per scontato che qualsiasi elastomero resistente all’olio sia adeguato.

Come si confrontano questi materiali l'uno accanto all'altro?

La tabella seguente riassume le caratteristiche generali discusse sopra. Le prestazioni effettive dipendono sempre dalla formulazione specifica del composto utilizzata da un determinato produttore, quindi va considerata come una guida al posizionamento tipico, non come una specifica per alcun prodotto individuale.

Foto 4: Confronto fisico tra diaframmi di ricambio in NBR, HNBR e PU

In che modo la scelta del materiale influisce sulla vita a fatica in condizioni di flessione ad alta frequenza?

Un diaframma per accumulatore di perforatrici non si rompe di solito perché è strappato o forato fin dal primo giorno; si rompe perché si flette attraverso un intero ciclo di compressione a frequenza molto elevata, ciclo dopo ciclo, per tutto il tempo in cui la perforatrice è in funzione. Ciò rende la resistenza alla fatica da flessione — ovvero la capacità di un materiale di sopportare ripetuti cicli di piegatura e inversione di sollecitazione senza sviluppare crepe — almeno altrettanto importante dei valori di resistenza statica del materiale.

La ricerca sulla fatica degli elastomeri valuta generalmente questo comportamento in uno di due modi. Un approccio basato sulla nucleazione di crepe misura quanti cicli di carico un campione inizialmente privo di difetti riesce a sopportare prima che compaia la prima crepa, solitamente correlando tale dato con un parametro di carico basato su deformazione o su energia. Un approccio basato sulla propagazione di crepe parte invece da un campione che presenta già una piccola imperfezione e misura la velocità con cui tale imperfezione si estende ad ogni ciclo. Il quadro teorico classico alla base di quest’ultimo approccio, applicato per la prima volta alla gomma da Rivlin e Thomas e tuttora considerato il riferimento standard nel settore, descrive la propagazione della crepa come governata dall’energia di strappo — ossia l’energia di deformazione rilasciata per unità di nuova superficie di crepa — piuttosto che dall’ampiezza di tensione o deformazione presa isolatamente. Una conseguenza utile di tale quadro è il concetto di soglia di fatica: al di sotto di una certa energia di strappo, una crepa preesistente in un determinato composto smette essenzialmente di propagarsi sotto carico ciclico; ciò spiega anche perché piccole imperfezioni, ben controllate, in una membrana stampata non condannano necessariamente il componente a un guasto precoce.

Le scelte relative alla formulazione influenzano questo comportamento di fatica in modi non sempre intuitivi. La densità di reticolazione è un buon esempio: aumentarla migliora generalmente la resistenza alla fatica fino a un certo punto, ma spingerla eccessivamente riduce la capacità del caucciù di assorbire deformazione e può accorciare, anziché prolungare, la vita a fatica; pertanto, una formulazione ben progettata per il diaframma rappresenta un equilibrio, non semplicemente «la massima reticolazione possibile». Anche la ricerca specifica sulla formulazione del caucciù per i diaframmi degli accumulatori ha dimostrato che la dispersione del caricante e l’intero pacchetto di additivi possono modificare in modo significativo la permeabilità ai gas e la resistenza alle fessurazioni da flessione, anche all’interno dello stesso polimero di base: in uno studio pubblicato, il miglioramento della dispersione del caricante in una formulazione di NBR per diaframmi ha ridotto in modo misurabile la permeabilità all’azoto e aumentato il numero di cicli di flessione sopportati dal materiale prima della comparsa di fessure, valutato mediante metodi standardizzati di prova di fessurazione da flessione (tipo De Mattia) e di permeazione ai gas. L’esposizione ambientale amplifica ulteriormente tutti questi effetti: temperatura elevata, umidità e ozono atmosferico sono tutti fattori documentati per accelerare l’inizio e la crescita delle fessure negli elastomeri, riducendo la capacità di allungamento e attaccando la superficie del materiale; questo costituisce un’ulteriore ragione per cui il mantenimento di una temperatura stabile dell’olio è fondamentale per la durata del diaframma, indipendentemente dal suo impatto sulla chimica dell’invecchiamento.

L'implicazione pratica è che due diaframmi dello stesso materiale, sulla carta, non sono garantiti avere la stessa durata a fatica; la formulazione specifica del composto e il modo in cui è stato testato possono essere altrettanto importanti rispetto al nome del polimero di base. La scelta del materiale stabilisce il limite superiore delle prestazioni a fatica; la formulazione del composto, la qualità della stampatura e il corretto settaggio della pre-carica di azoto nell'accumulatore — poiché una pre-carica errata modifica la distanza che il diaframma deve percorrere ad ogni ciclo — determinano se il componente raggiunge effettivamente tale limite.

In che modo l'ambiente operativo influenza quale materiale offre le migliori prestazioni?

Nessun materiale è la scelta migliore in ogni condizione, motivo per cui i diaframmi per perforatrici a roccia sono ancora comunemente disponibili in più di un composto per lo stesso modello. Alcuni schemi generali meritano di essere tenuti presenti:

• In climi freddi, o su apparecchiature che rimangono all'aperto durante la notte prima di un avviamento a freddo, un materiale con buona flessibilità a basse temperature, come il comune NBR o l'HNBR, è generalmente una scelta più sicura rispetto a un composto in PU, che diventa più rigido a basse temperature.
• In climi caldi, o su macchine utilizzate con un alto ciclo di lavoro, dove la temperatura dell'olio idraulico sale ben al di sopra della temperatura ambiente, la maggiore temperatura di impiego continuo dell'HNBR gli conferisce un margine superiore rispetto al comune NBR.
• Su cantieri dove è difficile mantenere costantemente pulito l'olio idraulico, come molti ambienti sotterranei o operazioni in superficie ad alta concentrazione di polvere, la resistenza all'abrasione del PU può compensare il suo intervallo di temperature più limitato.
• Laddove il fluido idraulico stesso sia insolito, ad esempio alcuni fluidi resistenti al fuoco o sintetici, è necessario verificare la compatibilità chimica con quel fluido specifico prima di ritenere che un comune composto in NBR o HNBR funzioni come previsto.

Poiché questi fattori possono agire in direzioni diverse, la scelta del materiale appropriato è una valutazione basata sulle condizioni specifiche del sito, piuttosto che una regola fissa applicabile a ogni perforatrice per roccia in qualsiasi luogo.

Come identificare il materiale di una membrana già installata?

Quando è necessario sostituire una membrana, è utile verificarne il materiale invece di presumerlo in base all’aspetto esteriore, poiché colore e texture non sono standardizzati tra i diversi produttori e non costituiscono un metodo affidabile per identificare un composto. La fonte più attendibile è il catalogo ricambi o la documentazione tecnica del produttore originale dell’attrezzatura (OEM) per quel modello di perforatrice per roccia, che di norma indica il materiale specificato accanto al numero di parte.

Qualora tale documentazione non sia disponibile, un fornitore esperto del marchio e del modello specifico di perforatore per roccia è spesso in grado di identificare il materiale dal numero di parte OEM e, in alcuni casi, da un campione fisico della membrana danneggiata. Richiedere una conferma scritta della classe del materiale, anziché basarsi su una descrizione verbale, costituisce una precauzione ragionevole prima di procedere con la sostituzione, in particolare se le condizioni operative sul vostro cantiere rientrano al di fuori dei normali intervalli.

Foto 5: Il tecnico verifica la specifica del materiale della membrana rispetto alla documentazione delle parti

Riferimenti tecnici selezionati consultati per questo articolo:

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