System uszczelnienia hydraulicznego wiertła do skał: budowa, materiały, usterki i konserwacja

Traktowanie systemu uszczelniającego w hydraulicznym wiertle górniczym jako zbioru pojedynczych pierścieni O-ringowych, które należy wymieniać po wystąpieniu przecieków, oznacza niezrozumienie jego architektury. System uszczelniający w wiertle udarowym ma określoną strukturę — uszczelki dynamiczne w otworze udarowym, uszczelki statyczne we wszystkich miejscach styku pod ciśnieniem, uszczelki obwodu płuczącego izolujące obwód wodny od obwodu olejowego oraz uszczelki obudowy obrotowej zarządzające granicą smarowania pomiędzy mechanizmem napędowym a resztą obudowy. Każda strefa działa przy innych wartościach ciśnienia, temperatury oraz prędkości ślizgania. Materiały i profile, które poprawnie działają w jednej strefie, mogą szybko ulec awarii w innej.

Zrozumienie struktury systemu uszczelniającego — czyli położenia poszczególnych uszczelek, ich funkcji oraz charakterystyki objawów awarii — stanowi podstawę do ustalania rozsądnych interwałów konserwacji oraz prawidłowego dobierania materiałów uszczelniających podczas ponownego uszczelniania.

Strefa 1: Uszczelki otworu udarowego

Otworki uderzeniowe stanowią najbardziej wymagające środowisko uszczelniające w urządzeniu do wiercenia udarowego. Tłok porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym z częstotliwością 30–65 Hz względem ścianki otworu, która stanowi jednocześnie granicę ciśnienia dla przedniej i tylnej komory uderzeniowej. Uszczelka tłoka musi utrzymywać skuteczny spadek ciśnienia na swojej powierzchni przez setki milionów cykli, podczas gdy powierzchnia otworu, temperatura oleju oraz obciążenia uderzeniowe ulegają ciągłej zmianie.

Standardowe uszczelki do otworów uderzeniowych są wykonane z poliuretanu (PU): twardość według skali Shore A zwykle wynosi 90–95, zakres roboczy −30°C do +90°C, doskonała odporność na zużycie przy dynamicznym kontakcie ślizgowym. PU dobrze sprawdza się przy ciśnieniach kontaktowych występujących w otworach uderzeniowych, ponieważ jego wysoka wytrzymałość na rozciąganie (zwykle 35–55 MPa) zapobiega wypychaniu materiału do szczeliny przelewowej przez siły ekstruzji, które działają na elastomery o niższej twardości przy ciśnieniu 160–220 bar. Gdy temperatura oleju przekracza systematycznie 80°C — na skutek ciepła przenoszonego przez urządzenie, temperatury otoczenia w warunkach podziemnych lub niewłaściwej częstotliwości wymiany oleju hydraulicznego — przyspiesza się zjawisko utraty sprężystości (compression set) poliuretanu, a uszczelka traci zaprojektowaną siłę kontaktową działającą na ścianę otworu przed upływem swojego nominalnego okresu użytkowania.

HNBR (wodorowany kauczuk akrylonitrylowo-butadienowy) jest alternatywą przeznaczoną do pracy w podwyższonych temperaturach: ciągła temperatura robocza do 150°C, doskonała odporność na gorącą olej mineralny i ozon oraz lepsza odporność na starzenie cieplne niż PU. Kompromisem jest nieco niższa odporność na zużycie w zastosowaniach z wysoką liczbą cykli ślizgowych w porównaniu do poliuretanu o wysokim twardościomierzu Shore. W przypadku operacji, w których temperatura powracającego oleju w drifterze przekracza regularnie 80°C — co można zmierzyć termometrem podczerwieni w miejscu otworu odpływowego — należy stosować zestawy uderzeniowe z HNBR. W przypadku operacji z normalną temperaturą oleju, ale przy dużym zanieczyszczeniu płynu hydraulicznego cząstkami o działaniu ściernym, należy nadal stosować PU.

Strefa 2: Uszczelki obudowy płuczącej

Uszczelnienia obudowy płukania fizycznie oddzielają obwód wody płukającej od obwodu oleju hydraulicznego z przodu udarownicy. Woda płukająca wpływa przez korpus uchwytu, przepływa w dół przez otwór w adapterze trzpienia lub wokół niego – w zależności od konstrukcji – i opuszcza otwór, unosząc odpadki wiertnicze. Uszczelnienia obudowy płukania zatrzymują wodę po stronie zestawu wiertarskiego, a olej udarowy – po przeciwnej stronie.

Uszkodzenie uszczelnień obudowy płukania jest przyczyną najdroższej kaskady zanieczyszczeń w wiertaniu hydraulicznym. Gdy uszczelnienie zużywa się do przebicia, woda przenika wstecz przez obszar tulei prowadzącej do otworu udarowego. Powstający w ten sposób emulgowany olej ma lepkość niższą o około 30–40% niż czysty olej hydrauliczny w tej samej temperaturze oraz przenosi drobne cząstki skały z wody płukającej do luzów w obwodzie udarowym. Oba te zjawiska przyspieszają zużycie otworu udarowego. Emulsja jest widoczna jako mleczny lub mętny olej w próbce odpływu z udarownicy.

Statyczne uszczelki z podkładką PTFE są preferowane na styku obudowy płuczącej, ponieważ PTFE jest chemicznie obojętne zarówno wobec mineralnego oleju hydraulicznego, jak i wody płuczącej, niezależnie od jej pH czy zawartości minerałów. Niskie tarcie PTFE ma tutaj mniejsze znaczenie niż jego zgodność chemiczna w warunkach bardzo zróżnicowanej granicy fazowej cieczy występującej w agresywnych środowiskach podziemnych.

Strefa 3: Statyczne uszczelki styku (uszczelki pierścieniowe i uszczelki płaskie)

Wszystkie połączenia uszczelniające pod ciśnieniem między poszczególnymi sekcjami korpusu driftera — przednia obudowa z cylindrem, cylinder z tylną obudową, powierzchnie przewodów akumulatora oraz powierzchnie montażowe bloku zaworów — są uszczelniane za pomocą uszczelek pierścieniowych umieszczonych w standardowych rowkach. Są to uszczelki statyczne: obie powierzchnie nie przemieszczają się względem siebie w trakcie pracy.

NBR (kauczuk akrylonitrylowo-butadienowy) jest standardowym materiałem stosowanym do uszczelek statycznych w obwodach oleju hydraulicznego mineralnego. Zakres temperatur: od −40 °C do +120 °C – wystarczający w większości warunków pracy obwodów uderzeniowych. Główne przyczyny uszkodzenia statycznych pierścieni uszczelniających z NBR w wiertnicach górniczych nie wynikają z degradacji termicznej, lecz z utraty sprężystości (tzw. „compression set”) spowodowanej długotrwałym obciążeniem wysokim ciśnieniem w połączeniu z cyklicznymi zmianami temperatury w trakcie wielu zmian pracy. Pierścień uszczelniający, który przez 500 godzin był ściskany przy ciśnieniu 200 bar przeciwko ścianie rowka, ma mniejszą zdolność do odzyskania pierwotnej sprężystości niż nowy pierścień; w związku z tym po rozmontowaniu i ponownym zamontowaniu połączenia spłaszczony pierścień może nie zapewnić ponownej szczelności bez jego wymiany.

Standardowa praktyka: wymiana wszystkich pierścieni uszczelniających przy każdej pełnej wymianie zestawu uderzeniowego. Koszt pierścieni uszczelniających jest znikomy w porównaniu z kosztem naprawy wycieku wystąpiącego po ponownym montażu, a pierścienie te i tak znajdują się w zestawie.

Odniesienie do strefy uszczelnienia: konstrukcja, materiał i moment kontroli/wymiany

Typowe wzorce usterki i ich znaczenie

Wczesne uszkodzenie uszczelki udarowej — poniżej 200 godzin pracy udarowej — w prawie każdym przypadku wskazuje na przyczynę leżącą poza jakością uszczelki. Trzy najczęściej występujące przyczyny to: zadrapania otworu wylotowego spowodowane wcześniejszym zanieczyszczeniem cząstkami metalu, które nie zostały usunięte przed montażem nowego zestawu; luz pomiędzy trzpieniem a tuleją prowadzącą przekraczający 0,4 mm, powodujący niestabilne obciążenie trzpienia i skupienie zużycia krawędzi uszczelki w sposób asymetryczny; lub temperatura oleju utrzymująca się stale powyżej 80 °C, co przyspiesza zjawisko plastycznego odkształcenia (compression set) poliuretanu. Określenie właściwej przyczyny wymaga inspekcji powierzchni otworu wylotowego (w poszukiwaniu zadrapań), pomiaru wibracji trzpienia oraz rejestracji temperatury oleju — a nie po prostu zamontowania kolejnego zestawu.

Uszkodzenie uszczelki w pudełku przepłukującym w ciągu krótszym niż 300 godzin zwykle wynika z agresywnej chemii wody przepłukującej, a nie z normalnego zużycia. Woda kopalniana o podwyższonym zawartości minerałów lub o odczynie kwasowym niszczy uszczelki przepłukujące na bazie akrylonitrylu-butadienu (NBR) szybciej niż czysta woda. Komplety uszczelkowe z podkładką z PTFE wytrzymują szerszy zakres chemii wody i są odpowiednim wyborem dla eksploatacji podziemnej przy znanych problemach jakościowych wody.

Komplety uszczelkowe HOVOO: dobór mieszanki do strefy

Kompletny zestaw uszczelek do drifterów zawiera uszczelki otworu uderzeniowego, uszczelki obudowy płuczącej, uszczelki rękawa prowadzącego, pierścienie O akumulatora oraz uszczelki interfejsu bloku zaworów. Określenie niewłaściwego materiału dla nawet jednej strefy powoduje selektywną wczesną awarię, którą można błędnie zdiagnozować jako niską jakość całego zestawu zamiast niezgodności w doborze materiału. HOVOO dostarcza zestawów przeznaczonych specjalnie dla poszczególnych modeli drifterów wszystkich głównych marek — Epiroc COP, Sandvik HL/RD, Furukawa HD/HF, Montabert — z opcjami materiałów: standardowy poliuretan (PU), wodorowany kauczuk akrylonitrylowo-butadienowy (HNBR) oraz wersje z płuczącym podkładem z politetrafluoroetylenu (PTFE). Dla operacji prowadzonych w warunkach podwyższonej temperatury lub agresywnej chemii wody dostępna jest szczegółowa, strefowa zalecana korespondencja materiałów. Informacje dodatkowe na stronie hovooseal.com.