ロックスドリルに最適なシール材は何ですか？PU／HNBR／PTFEの比較

どのシール材が最適かという問いには、イライラするが正確な答えがあります。「回避しようとしている故障モードによって異なります」。PU（ポリウレタン）は90°Cを超える温度で熱圧縮永久変形により劣化します。HNBR（水素添加ニトリルゴム）は、高粒子濃度環境下で表面摩耗により劣化します。PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）は、動的使用において適切にバックアップされない場合、ボアのクリアランスへ押し出されること（エクストルージョン）により劣化します。各材料には支配的な故障モードがあり、最適な選択とは、その支配的な故障モードがご使用の特定の運転条件下で最も起こりにくい材料です。

それは材料科学の問題のようですね。実際には、運用温度、流体の化学組成、動的負荷サイクル頻度という3つの入力に基づく現場条件評価です。この3つの入力を正しく把握すれば、材料選定は論理的に導かれます。しかし、これらを誤って判断したり、HNBRを必要とする用途に汎用の「標準PUキット」を用いたりすると、シールはPUが過熱した際に起こるのと同じように失敗します。つまり、徐々に静かに劣化し、圧縮永久ひずみが完了して数か月にわたりバイパス流が進行するまで、外部からの漏れは一切見られません。

PU：デフォルトの動的シールおよびその温度上限

ポリウレタン（PU）は、油圧式ロックスドリルにおける打撃ピストンシール、ガイドスリーブシール、および動的フラッシングボックスシールの主力材料です。その理由は実用性にあります：PUは優れた耐摩耗性、動的負荷下での高い引張強度、および30～60 Hzという周期的な打撃周波数においてシール接触を維持するための良好な弾性を備えています。また、鉱物油系油圧作動油に対しても著しい膨潤を示さず、地上および温帯気候下の地下作業で典型的な温度範囲において寸法安定性も優れています。

ただし、その限界は熱的要因にあります。90～95°Cを超える温度で長時間使用すると、PUは圧縮永久ひずみが加速し、エラストマーが弾性復元力を失い、シールリップがボア溝の形状に永久的に適合してしまい、設計されたシール接触形状へと復元しなくなります。外見上は物理的に損傷していないように見えますが、ばね負荷型シール要素としての機能を停止しているだけです。外部に可視化される漏れが発生する以前に、打撃室のバイパスが開始されます。

深部鉱山では高温が常態化しており、作業面の周囲温度が35°Cを超えることや、油圧作動油の戻り油温度が75°Cを超えることが頻繁に発生します。このような条件下で長時間連続打撃運転を実施すると、ポリウレタン（PU）の許容温度範囲を定期的に超過します。また、熱帯気候下における地上作業においても、十分な油冷却が行われていない場合、同様の問題が生じます。こうした環境では、PUを使用することが経済的に誤りであるのは、その価格が安価だからではなく、むしろ、PUが故障するまでの保守点検間隔が予測不能であるためです。さらに、打撃回路内のシールが破損しても、明確な警告征候は現れません。

HNBR：耐高温性および耐化学薬品性を向上させた素材

水素添加ニトリルゴム（HNBR）は、ニトリルゴム主鎖中の不飽和炭素－炭素二重結合に水素を付加（水素添加）することで、PUの耐熱性不足という弱点に対処します。この結果得られる高分子は、鉱物油中での膨潤を抑制する極性のC≡N基を保持することにより、従来のニトリルゴムが有する油抵抗性を維持しつつ、飽和化された主鎖によって熱劣化およびオゾン、攻撃性の高い水質、エステル系油圧作動油による化学的攻撃に対しても耐性を示します。

HNBRは、150°Cまでの持続的な使用においても優れたシール性能を維持します。これは、ポリウレタン（PU）よりも60°C高い温度範囲です。高温の鉱山環境では、この温度余裕が直接、より長く、かつ予測可能な保守間隔へとつながります。帰還油温が一貫して95°Cに達する深部金鉱でのドリフターにおいて、打撃回路に使用されるHNBR製シールは、PU製シールと比較して寿命が40～70%延びます。これはわずかな改善ではなく、機器の総運転時間5,000時間という観点から見れば、単体あたりのシールキット交換回数が12回から8回へと減少することを意味します。

HNBRは、PUと比較して酸性鉱山排水および塩分を含む地下水に対しても優れた耐性を示します。形成水が酸性（pH 4～5）である銅鉱および金鉱では、PUの主鎖が水素イオン濃度によって攻撃を受けますが、HNBRの飽和ポリマーはこれに対して耐性を有しています。その症状として、PU製シール表面に進行性のクラッキング（微小亀裂）が生じ、これが内部へと成長し、バイパス流路を形成します。一方、同一回路で使用されたHNBR製シールは、通常の摩耗パターンを示します。

PTFE：化学的には不活性だが、機械的負荷には厳しい

ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）は、PUおよびHNBRとは異なるカテゴリーに属します。その炭素－フッ素骨格は実質的に化学的に不活性であり、鉱山業界で遭遇する酸、アルカリ、溶剤、その他の腐食性流体のいずれに対しても膨潤しません。摩擦係数が極めて低く、エラストマー製シールと比較して潤滑油の使用量が少なく済み、広範囲の温度条件下でもその特性を維持します。

機械的な現実として、PTFEは弾性が極めて低いという特徴があります。エラストマーのようにボアの形状に自ら適合することはなく、表面の摩耗に伴ってシール接触を維持するためには、スプリング式エネルギーザーまたはバックアップ部品が必要です。動的打撃（パーシャッション）用途では、バックアップリングを備えない裸のPTFEシールは、160～220 barという周期的な打撃圧力の作用下で、ピストンとボアの間のクリアランスギャップへ押し出され（エクストルージョン）てしまいます。押し出された材料は数時間以内に破損します。

PTFEは、ロックスドリル用シールキットにおいて、アキュムレータポートのOリング、洗浄水入水口座面シール、バルブブロックの静的インターフェースなど、静的回路に適しています。ボーキサイト鉱山で試験された高速ストローク型油圧ロックスクラッシャでは、HNBRエラストマー製ピストンシールが異物混入および高温により劣化・破損していました。これを自己励起型PTFE製ボディシールに交換したところ、頻繁な交換サイクルが解消されました。これは、当該の高速ストロークかつ汚染環境において、PTFEの優れた耐摩耗性および化学的不活性が、その低い弾性を上回る性能を発揮したためです。ただし、これは特定の応用例であり、すべての動的打撃用シールに一般化できるものではありません。

ロックスドリルの回路別・使用条件別の材料比較

実験室なしで適切な選択を行う

ほとんどの現場では、シールキットを発注する時点で油分析データや鉱山排水の水質分析データが得られません。しかし、以下の3つの現場指標を用いることで、正式な試験を行わずに信頼性の高い判断が可能です。第一に、油圧油の戻り温度はどの程度か？ パーカッション作動開始後30分経過した戻りホース表面を赤外線温度計で測定します。継続的に80°Cを超える場合、パーカッション回路にはHNBRを採用してください。第二に、ドリルフェイスにおける鉱山排水の外観はどのようか？ 緑色または橙色の着色が見られる場合、鉱物酸が含まれている可能性があり、フラッシング用シールにはHNBRを採用してください。第三に、過去に使用したPU製キットが、摩耗による損傷ではなく、表面のクラッキングや圧縮永久ひずみなどの早期劣化で故障したことはありますか？ もしそうであれば、その故障原因は温度または化学的要因であり、機械的要因ではありません。この場合、素材を変更してください。

HOVOO社は、主要なドリフターモデル全般に対応するPUおよびHNBR製ロックスリルシールキットを供給しています。また、化学的に攻撃性の高い環境向けにはPTFE複合材製の静止シールオプションもご用意しています。キットの型式番号にはゴム材料の種類が明記されているため、注文時に明確な指定が可能であり、単一の標準仕様への自動設定（デフォルト）を回避できます。すべてのモデルおよび材料の型式番号は、hovooseal.com でご確認いただけます。