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

Traktowanie uszczelniającego systemu hydraulicznego wiertła do skał jako zbioru pojedynczych O-ringi elementów, które należy wymieniać w momencie wycieku, przegapienie architektonicznego aspektu. Uszczelniający system w wiertle udarowym ma określoną strukturę — uszczelki dynamiczne w otworze udarowym, uszczelki statyczne we wszystkich interfejsach zawierających ciśnienie, uszczelki obwodu płuczącego izolujące obwód wodny od obwodu olejowego oraz uszczelki obudowy obrotowej zarządzające granicą smarowania pomiędzy mechanizmem napędowym a resztą obudowy. Każdy obszar działa przy innych wartościach ciśnienia, temperatury oraz prędkości ślizgania. Materiały i profile, które poprawnie działają w jednym obszarze, mogą szybko ulec awarii w innym.

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

Otwór udarowy stanowi najbardziej wymagające środowisko uszczelniające w wiertle udarowym. Tłok porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym z częstotliwością 30–65 Hz względem ściany otworu, która stanowi jednocześnie granicę ciśnienia dla przedniej i tylnej komory udarowej. pieczęć tłoka musi utrzymywać skuteczną różnicę ciśnienia na całej swojej powierzchni przez setki milionów cykli, podczas gdy średnica otworu, temperatura oleju oraz obciążenia uderzeniowe zmieniają się w sposób ciągły.

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 hydraulicznych z olejem mineralnym. Zakres temperatur: od −40 °C do +120 °C – wystarczający dla większości warunków pracy obwodów uderzeniowych. Główne podejście awarii statycznych pierścieni O-ring wykonanych z NBR w wiertnicach górniczych nie wynika z degradacji termicznej, lecz z utraty sprężystości (compression set) spowodowanej długotrwałym obciążeniem wysokim ciśnieniem w połączeniu z cyklowaniem termicznym w trakcie wielu zmian pracy. O-kręg pierścień O-ring, który był ściskany przy ciśnieniu 200 bar przez 500 godzin, ma mniejszą pozostałą zdolność do odzyskania pierwotnej kształtu niż nowy; po rozmontowaniu i ponownym zamontowaniu połączenia spłaszczony pierścień O-ring może nie zapewnić ponownego uszczelnienia 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.