Uszczelka antykorozyjna do wiertnicy do skał: trwała w warunkach ekstremalnych

Uszkodzenie uszczelki w wiertnicy górniczej działającej w agresywnym środowisku rzadko zaczyna się od widocznej korozji na powierzchni elastomeru. Zaczyna się od napęcznienia. Materiał uszczelki pochłania ciecz lub parę ze środowiska — kwasową wodę kopalnianą, emulsję chłodzącą, olej hydrauliczny skażony wnikającą wodą — i elastomer rozszerza się poza dopuszczalne luzy projektowe w rowku. Geometria krawędzi uszczelkowej ulega znieksztalceniu. Ciśnienie kontaktowe pomiędzy krawędzią uszczelki a ścianą otworu zmienia się z zaprojektowanej siły uszczelniającej na niestabilne obciążenie punktowe. W ciągu kilkuset godzin pracy uszczelka, która przy wizualnej kontroli wydawała się w pełni sprawna, zaczyna przepuszczać medium.

Projekt uszczelki odpornoj na korozję dotyczy pierwotnego mechanizmu pęcznienia, a nie wtórnego trybu uszkodzenia. Wybór mieszanki elastomerowej o niskim pochłanianiu cieczy w danym środowisku — czy to wodzie gruntowej z solami w kopalni nadmorskiej, czy odpływie kwasu siarkowego w eksploatacji miedzi, czy też wodzie płuczącej o wysokim pH w projekcie tunelu cementowego — decyduje o tym, czy uszczelka wytrzyma 200 czy 600 godzin między wymianami. Geometria i sposób montażu są drugorzędne w porównaniu do wyboru mieszanki.

Chemia leżąca u podstaw odporności elastomerów na korozję

Guma nitrilowa (NBR) jest najbardziej powszechnie stosowanym elastomerem w uszczelkach hydraulicznych ze względu na dobrą odporność na oleje mineralne i większość płynów hydraulicznych. Jej słabością jest to, że nienasycone wiązania podwójne węgiel–węgiel w szkielecie butadienu są podatne na działanie ozonu, podwyższonej temperatury oraz niektórych związków chemicznych. W środowisku górniczym, w którym temperatura nie przekracza 60 °C, a olej hydrauliczny jest czysty, guma NBR sprawdza się odpowiednio. Wprowadzenie infiltrowania się kwasowej wody, podwyższonej temperatury otoczenia lub syntetycznego płynu hydraulicznego zawierającego dodatki oparte na estrach powoduje gwałtowne skrócenie czasu eksploatacji gumy NBR.

HNBR — wodorowany kauczuk akrylonitrylowy — dodaje atomy wodoru do tych nienasyconych wiązań szkieletowych podczas syntezy, zastępując reaktywne wiązania podwójne stabilnymi wiązaniami pojedynczymi. Grupy nitrylowe zapewniające odporność na oleje są zachowywane; podatność na ozon i wysoką temperaturę jest znacznie zmniejszona. HNBR zachowuje przydatne właściwości sprężyste nawet przy stałej temperaturze do 150 °C oraz wykazuje odporność na działanie płuczki wiertniczej, olejów emulsyjnych i wody słonej, które spowodowałyby degradację standardowego kauczuku akrylonitrylowego (NBR) w ciągu kilku tygodni. Po raz pierwszy wprowadzony do komercyjnego użytku w 1984 r., stał się domyślnym wyborem dla dynamicznych uszczelek przeznaczonych do ekstremalnych warunków pracy w układach hydraulicznych.

PTFE podejmuje zupełnie inne podejście. Jego szkielet węgiel-fluor — z najsilniejszym wiązaniem w chemii organicznej — jest obojętny praktycznie wobec każdego związku chemicznego napotkanego w górnictwie i budownictwie. Nie ulega obrzękowi w kwasach, zasadach, rozpuszczalnikach ani wodzie słonej. Ograniczeniem jest charakter mechaniczny: PTFE to sztywny polimer o niskiej elastyczności, który wymaga sprężynowego elementu napinającego lub wspomagającego, aby utrzymać kontakt uszczelniający w miarę zużycia. W obwodach uszczelnienia statycznego, gniazd pierścieni uszczelniających w blokach zaworów oraz na statycznych stykach przewodów płuczących elementy z PTFE przewyższają pod względem trwałości alternatywne materiały elastomerowe w środowiskach chemicznie agresywnych o znaczny margines.

Kategorie warunków ekstremalnych i dopasowane materiały uszczelniające

Wybór materiału uszczelniającego dla obwodów statycznych — pierścieni O-ring w bloku zaworów, uszczelnień portów akumulatora, uszczelnień wejścia wody płucznej — często ma większy wpływ na całkowity interwał konserwacji niż uszczelnienie dynamiczne do uderzeń. Uszczelnienia statyczne narażone na agresywną wodę płuczącą pozostają bezczynne między cyklami wiercenia, będąc stale narażone na chemię przepływającą w obwodzie płucznym. Pierścień O-ring z NBR w obwodzie wody tunelowej o wysokim pH może ulec uszkodzeniu w wyniku utraty sprężystości już po 100 godzinach pierwszego zwilżenia, nawet jeśli wiertarka pracowała w tym okresie jedynie przez 20 godzin w trybie uderzeniowym.

Rozpoznawanie trybów uszkodzenia w środowisku agresywnym przed ich eskalacją

Trzy wzory wskazują na działanie czynników środowiskowych na uszczelki, a nie na normalny zużycie cykliczne. Po pierwsze, asymetryczne zużycie powierzchni uszczelniającej: normalne zużycie powoduje jednorodne erozję powierzchni styku wzdłuż obwodu krawędzi uszczelniającej. Rozpuchnięcie chemiczne deformuje geometrię krawędzi uszczelniającej w sposób asymetryczny, tworząc wzór zużycia śledzący kierunek maksymalnego rozpuchnięcia. Po drugie, nietypowa zmiana barwy zwróconego oleju hydraulicznego: odcień zieleniowy lub mleczny w obwodzie zwrotnym oleju hydraulicznego wskazuje na emulsję wody, często spowodowaną uszkodzeniem uszczelki skrzynki płuczącej, która pozwala wodzie przedostać się do obwodu uderzeniowego. Po trzecie, tworzenie się żelu: niektóre sekwencje ataku chemicznego powodują częściowe rozpuszczanie się fragmentów elastomeru w cieczy hydraulicznej, co prowadzi do powstania zanieczyszczenia o konsystencji żelu, które szybciej zatyka elementy filtrujące niż zwykle oraz może powodować zadrapania na precyzyjnych luzach w bloku zaworów.

Wystąpienie którekolwiek z tych objawów wymaga pełnej inspekcji zestawu uszczelnień przed następnym zaplanowanym terminem serwisowym, a nie w tym właśnie terminie. Eksploatacja uszczelnienia ulegającego degradacji chemicznej aż do zaplanowanego terminu jego wymiany może spowodować przeniesienie uszkodzenia na powierzchnię gniazda, co zwiększa zakres naprawy – od prostego wymienienia zestawu uszczelnień do szlifowania ponownego gniazda lub wymiany obudowy.

Zestawy uszczelnień przeciwkorozyjnych HOVOO przeznaczone do zastosowań w górnictwie i tunelach

HOVOO dostarcza zestawów uszczelek do wiertnic skalnych z materiałem HNBR oraz z materiałem PTFE przeznaczonych do głównych modeli drifterów stosowanych w warunkach ekstremalnych. Standardowy zestaw z poliuretanu (PU) jest odpowiedni dla większości operacji prowadzonych w umiarkowanym klimacie przy użyciu czystej wody do płukania. Zestawy z HNBR zaleca się w przypadku operacji, w których temperatura powierzchni roboczej przekracza 40 °C w sposób ciągły, gdy jako medium płuczące stosuje się wodę gruntową o odczynie kwasowym lub gdy temperatura oleju hydraulicznego w obwodzie powrotnym przekracza 80 °C. Oddzielnie dostępne są zestawy z podkładką PTFE do obwodów statycznych, przeznaczone na potrzeby projektów tunelowych w środowisku o odczynie zasadowym lub operacji przybrzeżnych, w których dochodzi do infiltracji wody morskiej.

Zamówienie niewłaściwego materiału w znanym środowisku agresywnym, a następnie wymiana zestawu uszczelek z podwójną częstotliwością, jest droższa niż jednorazowe zamówienie odpowiedniego materiału. Modelowe odniesienia HOVOO, w tym oznaczenia materiałów dla poszczególnych zastosowań drifterów, znajdują się na stronie hovooseal.com.