Hva er materiale for reserve-ring for bergborer? Forklaring av PTFE, nylon og PEEK

En reserve-ring har et enkelt formål: å være hardere enn tetningen ved siden av den, slik at tetningen holdes unna spillet. Men «hardere» er et relativt begrep, og materialene som brukes til reserve-ringer dekker et stort spekter av styrke, temperaturmotstand og kostnad. Denne artikkelen forklarer de mest vanlige materialene, hva hvert enkelt er egnet for og hvordan kompromissene fungerer i en hydraulisk krets med pulserende trykk. Tallene som er nevnt nedenfor er hentet fra publiserte ingeniørvitenskapelige studier, som er listet på slutten. Mange av dem ble målt på testprøver eller i andre industrier, så de viser trender og er ikke spesifikke vurderinger for en bestemt ring.

Hva er en reserve-ring til en bergboremaskin laget av?

Reserve-ringer er laget av en liten gruppe harde polymerer. De vanligste er PTFE (inkludert fylt PTFE), nylon (polyamid) og PEEK (polyether-ether-keton). En fjerde gruppe er støpte elastomerringer i nitril eller fluoroelastomer med høy hardhet, som brukes der trykket er lavere. Materialvalget gjøres vanligvis av produsenten av tetningen for hele tetningssettet og det trykket det er utformet for, så ringen i borhodet ditt er en del av en avstemt konstruksjon og ikke et tilfeldig valg.

Hva må materialet i en reserve-ring gjøre?

Fire egenskaper er avgjørende. Materialet må være hardt nok til å motstå å bli presset inn i spalten under trykk, siden det er hele formålet med ringen. Det må beholde sin form ved oljens driftstemperatur. Det må være kompatibelt med hydraulikkoljen, slik at det ikke sveller opp eller blir mykere. Og det må være mildt nok på metallflatene til at det ikke riper sylinderboringen eller stempelet når det presses mot dem.

Stivhet er den egenskapen som knytter disse sammen. En elementmetodestudie av gummiforseglinger under trykk [1] viser hvor sterkt stivheten kontrollerer ekstrusjon: for de gummitypene som studien undersøkte, reduserte en økning i hardhet fra 65 til 85 IRHD ekstrusjonslengden fra 0,291 mm til 0,086 mm, og elastisitetsmodulen E (MPa) fulgte hardheten Hr (IRHD) etter følgende likning:

lg E = 0,0198 Hr − 0,5432 (1)

Denne sammenhengen gir ca. 5,5 MPa ved 65 IRHD og 13,8 MPa ved 85 IRHD. Plastiske støttringer er betydelig stivere enn hvilken som helst gummi, noe som forklarer hvorfor en tynn ring kan beskytte en forsegling som en hardere gummi ikke kunne ha gjort. Samme studie fant at spillet hadde den sterkeste effekten av alle: i dens monteringsforhold førte hver ekstra 0,1 mm spil til ca. 0,1 mm ekstrusjon [1]. Ingen materialeegenskap kan fullstendig kompensere for et spil som har økt gjennom slitasje.

Disse egenskapene trekker i ulike retninger. Et hardere materiale tåler ekstrudering bedre, men er mindre tolererende mot ru overflate og installasjonsskader. Denne avveiningen forklarer hvorfor det ikke finnes ett eneste beste materiale, og hvorfor flere materialer brukes regelmessig.

Hva er egenskapene til PTFE-støtringer?

PTFE brukes mye til støtringer, både i massiv, skråskåret og spiralform. Det verdsettes for svært lav friksjon, utmerket kjemisk motstandsdyktighet og evne til å tåle et bredt temperaturområde. En oversikt fra 2026 tilskriver dette molekylstrukturen: sterke C–F-bindinger gir kjemisk stabilitet, og den helikale kjeden, omsluttet av fluoratomer, gir svake krefter mellom kjedene og en svært lav overflateenergi [2]. Samme oversikt angir et stabilt område for fysiske egenskaper fra −250 til 260 °C. Fordi det er glatt, trekker en PTFE-ring ikke mot stempelet og genererer lite varme.

PTFE er mykere og mer utsatt for langsom deformasjon under belastning enn nylon eller PEEK, så det brukes vanligvis der trykket er moderat, eller i en fylt kvalitet der fyllstoffet forbedrer motstanden mot deformasjon. Oversikten påpeker at krypning kan føre til raskere slitasje av PTFE mellom −100 og 100 °C, selv om friksjonen minker [2]. Dette er den egenskapen som er viktigst for en støttering, fordi en ring som kryper sakte inn i spalten gradvis mister evnen til å støtte tetningen.

Fyllstoffer løser dette. I publiserte tester viste en sammensatt materialeblanding av polyimid og PTFE (20 % polyimid) krypdeformasjon som var 62,6 % lavere enn for ren PTFE, og den volumetriske slitasjen falt til 4/1000 av verdien for ren PTFE [2]. I en separat svingetest reduserte tilsetning av 5 % karbonnanofiber og 10 % grafen slitasjehastigheten til PTFE fra 1,05 × 10⁻⁴ til 4,7 × 10⁻⁶ mm³/(N·m), altså ca. 96 % lavere [3]. En molekylærdynamisk studie av PTFE med karbonnanorør og polyimid peker i samme retning [4]. Dette er resultater fra prøver på laboratorienivå, men de viser hvorfor fylte PTFE-gradene oppfører seg annerledes enn ren PTFE, og hvorfor graden er like viktig som navnet på materialet.

Varme er også en bekymring. Samme nanofiber-/grafenskole rapporterer at varmeledningsevnen til denne sammensetningen er 0,61 W/(m·K), som er 165 % høyere enn for ren PTFE [3]. Det innebär at verdien for ren PTFE er ca. 0,23 W/(m·K), så ufullstendig PTFE er en dårlig varmeleder og fyllstoffene hjelper varmen til å forlate kontakten. For en ring med tykkelse L som fører en varmestrøm q er temperaturforskjellen over ringen:

δT = q · L / λ (2)

Her er λ varmeledningsevnen. En lav λ betyr en større ΔT for samme varmestrøm, noe som er en annen grunn til at temperaturen ved tetningen kan være betraktelig høyere enn temperaturen til oljen i tanken.

Hva er egenskapene til nylonstøttringer?

Nylon er en polyamid. Det har god mekanisk styrke og brukes ofte som støtteringsskiver i hydrauliske og pneumatiske systemer. Det er hardere og stivere enn PTFE, så det tåler ekstrusjon bedre ved en gitt spaltebredde. En produsents veiledning oppgir typisk bruk av nylon 6,6-støtteringsskiver opp til ca. 186 °F (ca. 86 °C) og ca. 10 000 psi (ca. 69 MPa); dette er generelle verdier for et katalogmateriale og utgjør ikke en spesifikk vurdering for noen bestemt bergboremaskin.

Nylons største svakhet er vann. En studie fra 2026 av to støpte nylon 6-platematerialer [5] viser at nylon kan absorbere opptil ca. 10 % av sin masse i vann fra fuktig luft og 2–4 % ved vanlig luftfuktighet. Absorbert vann reduserer hardheten, elastisitetsmodulen, flytefestheten og strekkfestheten, mens tøybarheten øker. I den nevnte studien var gjennomsnittlig strekkfesthet for overflateprøver – som absorberer mest fukt – ca. 59–62 MPa, mens prøver fra platenes kjerne hadde en gjennomsnittlig strekkfesthet på ca. 97–99 MPa. Etter å ha kokt et modifisert støpt nylon i vann i 45 minutter falt strekkfestheten fra 67,4 til 58,2 MPa, en reduksjon på 13,7 %; tørking ved 60 °C gjenopprettet ikke den opprinnelige ytelsen. Forlenget tørking forverret egenskapene ytterligere.

To advarsler gjelder ved lesing av disse tallene. De ble målt på store støpte plateskiver og ikke på støpte eller maskinerte støtteringringer, og hovedkonklusjonen er trenden – ikke selve verdiene. I en hydraulisk krets ligger ringen i olje, så fuktighet er hovedsakelig et problem ved lagring, håndtering og i systemer der vann har forurenet oljen. Studien fant også at skjærstyrken var ca. 0,6 ganger strekkstyrken (65 MPa for ett materiale og 62,7 MPa for det andre) [5], noe som er en nyttig tommelfingerregel når man anslår hvordan en ring vil motstå å bli skåret ved spaltekanter.

Et enkelt anslag viser størrelsen på den lasten. Tenk deg en ring som dekker en radial spalte g under trykk p, med en aksial bredde w. Trykket virker på den eksponerte flaten over spalten, så kraften per lengdeenhet langs omkretsen er p × g, og den gjennomsnittlige skjærspenningen ved spaltekanter er:

τ ≈ p · g / w (3)

For illustrasjon, ta en topptrykk på 40 MPa, en radialspalte på 0,15 mm (en diameterklaring på 0,3 mm) og en antatt ringbredde på 3 mm. Da er τ ca. 2 MPa, langt under skjærstyrken til nylon. Dette tyder på at vanlige svikter av støtteringsskiver sjelden skyldes enkle skjærforkastninger. De skyldes oftere krypning, lokal deformasjon ved spaltekanter eller utmattelse fra gjentatte trykktopper. Dette er en førsteordens beregning som ikke tar hensyn til krypning, spenningskonsentrasjoner ved kanter eller ringgeometri, og den bør ikke brukes i konstruksjonsarbeid.

En kjent begrensning ved nylon er derfor dens følsomhet for fuktighet. Dets temperaturgrense er også lavere enn PEEKs, så det er et mindre egnet valg der oljen blir varm.

Hva er egenskapene til PEEK-støtteringsskiver?

PEEK er et høytytende teknisk plastmateriale med eksepsjonell mekanisk styrke og kjemisk motstand. Det brukes til støttringer i krevende applikasjoner med høyt trykk og høy temperatur. Samme produsents veiledning oppgir typisk bruk av PEEK-støttringer opp til ca. 260 °C (ca. 500 °F) og ca. 138 MPa (ca. 20 000 psi), igjen som en generell katalogverdi.

En oversikt fra 2026 beskriver PEEK som en høytemperatur, halvkristallinsk termoplast, hvis kristallstruktur tillater orientering og dermed gir høy styrke, samt en høy glassomgjørings temperatur, kjemisk stabilitet og god strålingsmotstand [6]. Oversikten peker også på en ulempe som er relevant for tetninger: ren PEEK er en dårlig varmeleder, med en varmeledningsevne på bare 0,2 til 0,3 W/(m·K) [6]. En ring laget av dette materialet holder varmen nær kontakten, noe som er situasjonen som likning 2 beskriver. Forskning på fylt PEEK har som mål å øke denne verdien; for eksempel økte 5 vektprosent av en bestemt karbonnanorør varmeledningsevnen fra 0,25 til 1,50 W/(m·K) [6]. Denne forskningen ble gjort for elektronikk-kjøling og ikke for tetninger, så den bør tolkes som et tegn på hvor mye fyllstoffer kan endre PEEKs egenskaper, ikke som en egenskap ved tetningsringer av PEEK.

Kompromissene er kostnad og hardhet. PEEK er betydelig dyrere enn PTFE eller nylon, og fordi det er så hardt, stiller det større krav til metallflatene det ligger mot: en ru eller skadet sylindersylinder vil slite både på tettringen og på den harde ringen. For mange bergborekretser trenger ringen ikke PEEKs egenskaper, så den brukes vanligvis bare ved de høyeste trykkene og temperaturene.

Hvor plasseres elastomert bakstøtteringsskiver?

Formede elastomerringer støpes av nitrilgummi med høy hardhet (ca. 90 Shore A er en vanlig kvalitet) eller fluoroelastomer og formes slik at de passer mot en O-ring . De strekkes over stempelet og klikker inn i sporet, noe som gjør dem enkle å montere. Fordi de er mykere enn plastringene, egner de seg for lavtrykksposisjoner og er ikke en erstatning for PTFE, nylon eller PEEK der trykktoppene er høye.

Valget mellom NBR og FKM følger den vanlige gummiens avveining. En oversikt over gummiforseglingselementer beskriver NBR som oljebestandig, moderat elastisk og lavt i pris, egnet for vanlige oljetemperaturer, mens FKM tåler høye og lave temperaturer samt kjemikalier, men er hardere, mindre elastisk og dyrere [7]. Oljekompatibilitet må likevel sjekkes for hver enkelt væske. I én innvaskningstest (100 °C, 72 timer) krympet fluoroelastomerringer med 4,9 % til 19,1 % i tre hydraulikkvæsker for kjøretøy og deres blandingar, og forfattarane anbefala i staden nitrilgummi [8]. Desse væskene er ikkje bergboringsoljer, så lærestoffet er metoden og ikkje tala: ein generell materialeklassifisering erstattar ikkje ein test i den faktiske væska.

Hvordan sammenligner disse materialene seg med hverandre?

Tabellen nedanfor summerer den generelle plasseringa av kvart materiale. Spesifikke grenser avheng av kvalitet og produsentens klassifisering.

Hvordan påvirker trykk og temperatur valget av materiale?

Trykk og temperatur virker sammen. Et materiale som motstår ekstrudering ved romtemperatur blir mykere når oljen er varm, så en ring kan være tilstrekkelig i en kald verkstedstest og likevel ekstrudere i et bor som har vært i bruk i en time. Den relevante temperaturen er temperaturen ved tetningen, som kan være høyere enn den generelle oljetemperaturen.

Generelt tillater moderat trykk og temperatur bruk av PTFE eller nylon, mens høyest trykk og temperatur gjør at valget går mot PEEK. Pulsasjon i trykk bør behandles som mer krevende enn konstant trykk med samme gjennomsnittsverdi, fordi toppene belaster ringen mer enn dens gjennomsnittlige belastning. Målte boringsdata illustrerer dette poenget. I en prototype levert ved 18 MPa viste trykket i den primære bufferkammeret korte toppe på ca. 40 MPa [9], og i en 15 MPa-modell nådde kammertrykket toppverdier på ca. 25 MPa, omtrent 1,7 ganger forsyningstrykket [10]. En ring valgt utelukkende basert på forsyningstrykket ville være for liten for disse toppene.

Frekvens øker belastningen. Ved en slagfrekvens på ca. 95 slag per sekund [11] utsettes hver ring for ca. 340 000 trykk-sykluser i løpet av én time med boring. Ved dette antallet er det utmatting og krypning – ikke statisk styrke – som avgjør hvor lenge en ring varer.

Hvordan påvirker ringens hardhet og spaltens størrelse hverandre?

En hardere ring gjør ikke en stor spalte trygg. Ringen «broer» spalten, og jo større spalten er, jo mindre av ringen støttes av metall. Når sylinderrøret eller stempelet slites og spillet øker, kan en ring som var tilstrekkelig ny, bli pålagt å «broe» en spalte den aldri ble utformet for. Et sterkere materiale kan utvide bruksområdet, men det kan ikke fjerne behovet for å gjenopprette spillet når metalldelene er slitte.

Størrelsen på effekten kan sees i gummipressstudien [1]. I den tilpassede sammenhengen øker preselengden med ca. 1,0 mm per mm spalte, men avtar bare med 0,0115 mm per IRHD-hårdhetspunkt, så å redusere en spalte med 0,1 mm har samme virkning som å øke gummiets hårdhet med ca. ni punkt. En publisert kilde om Step-tetting for bergboremaskiner gir en relatert regel for en konstruksjon med en stiv PTFE-ring: den maksimale diametralske klaringen synker fra 0,6–0,3 mm ved trykk opp til 20 MPa til 0,3–0,2 mm ved trykk mellom 20 og 40 MPa for stangdiametre på 30 til 36 mm [12]. Den tillatte spalten blir mindre når trykket øker, selv med en stiv ring.

Av den grunnen bør gjentatte ringfeil føre til inspeksjon av sylinderrøret, stempelen og veiledningen, og ikke bare av ringmaterialet. En studie om optimal spalt mellom påvirkningsstempelen og dens sylinder i en hydraulisk bergboremaskin viser at spalten er en konstruksjonsvariabel som balanserer lekkasje mot friksjon, så den riktige verdien er en kompromiss og ikke bare «så liten som mulig» [10].

Hvordan kan du identifisere materialet i en eksisterende støtteringring?

Utseende er ikke en pålitelig måte å identifisere materialet i en støtteringring på. Flere av disse polymerene ser like ut, og fyllstoffer og farger endrer fargen. Pålitelige kilder er boremaskinprodusentens reservedelskatalog og tettningssleverandørens skriftlige bekreftelse på materialet og kvaliteten.

Der hvor registreringer ikke er tilgjengelige, kan en leverandør som kjenner boremaskinmodellen ofte identifisere materialet fra delnummeret eller fra et eksempel på den gamle ringen. Spør etter materialet, formen (massiv, skråskåret eller spiralformet) og trykk- og temperaturområdet den var spesifisert for, og sammenlign disse med forholdene i din boremaskin.

1. Lu Yunjiang, Huang Le, Dai Changhao. Analyse av O-ringens ekstrusjonsmotstand basert på Marc. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2020, (3): 84–89. (På kinesisk)
2. Cao Xiaoyu, Zhang Xu, Dang En, Luan Su, Hao Jianxu, Guo Chenhui, Yu Xiaojing, Zhao Kang. Forskningsframsteg innen anti-friksjonsytelse for polytetrafluoretylenmaterialer. Polymer Materials Science & Engineering, 2026, publisert før trykk. DOI: 10.16865/j.cnki.1000-7555.2026.0127. (På kinesisk)
3. An Lihui, Miao Xuemei, Liu Hao, Yang Song, Su Yujie, Wei Shijie. Synergistisk modifikasjon av PTFE ved hjelp av grafen og karbonnanofiber: tribologiske egenskaper og mekanisme for dynamisk termisk/elektrisk ledningsevne. Tribology, 2026, online first. (På kinesisk)
4. Wang Shuai, Ge Zhenghao, Wang Chaobao, Zhang Xiaoliang, Wang Haoyu. Molekyldynamisk analyse av friksjons- og slitasjeegenskaper for PI- og CNT-fylt PTFE. Plastics Science and Technology, 2025, (10): 30–33. (På kinesisk)
5. Zhao Zhangxian, Zhang Junhao, Hu Yi. Studie av mekaniske egenskaper til nylonmaterialer i materialevalg. Machinery Research & Application, 2026, 39(6): 97–100. (På kinesisk)
6. Han Zhichao, Chen Chaochan, Zheng Liangping, Xiang Lixue, Tang Bo, Wu Xinfeng. Oversiktsartikkel om fremstillingsmetoder for varmeledende polyetheretherketon-komposittmaterialer. China Plastics Industry, 2026, 54(8): 1–7. (På kinesisk)
7. Qin Shuai, Cheng Pin, Wang Shidu. Strukturell optimaliseringsdesign av gummikomponenter i tettningsanordninger for mekanisk utstyr. China Tire Resources Comprehensive Utilization, 2026, (8). (På kinesisk)
8. Feng Dongliang, Zhao Ning, Chang Feng, Cai Wenbin, Wang Yongli, Yang Xin. Eksperimentell studie av kompatibiliteten mellom fluorogummitettring og hydraulikkoljer. Lubrication Engineering, 2018, 43(5): 111–114. (På kinesisk)
9. Wang Jiansen, Yang Guangsheng, Liu Shaojun, Feng Huai, Wen Yongqiang. Analysis of the overpressure phenomenon in the primary buffer chamber of a dual-chamber-controlled hydraulic rock drill. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2026, 50(7): 57–67. (På kinesisk)
10. Wang Jiansen, Yan Hongliang, Zhang Xin, Wang Yanjun, Liu Bin, Wei Liejiang. Optimal clearance design between impact piston and cylinder of a dual-chamber-controlled hydraulic rock drill. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2025, 49(4): 79–91. (På kinesisk)
11. Yang Mingming. Experimental study on the impact performance of a hydraulic rock drill. Equipment Management and Maintenance, 2025, (10). (På kinesisk)
12. Li Chuan, Yan Tianjun, Li Tiehui. Støtpistontetting og trinn-tetting for hydrauliske bergborhoder. Rock Drilling Machinery & Pneumatic Tools, 2003, (3): 8–12. (På kinesisk)