Zestaw uszczelek do wiertła do skał: szczelne pod wysokim ciśnieniem, pasuje do wszystkich modeli

Wiertnica górnicza nie sygnalizuje, gdy jej uszczelki zaczynają ulegać awarii. Energia uderzeniowa stopniowo maleje, zużycie oleju powoli rośnie, a wiertnica nadal działa — tylko o kilka procent wolniej w każdej zmianie niż miesiąc temu. Zazwyczaj dopiero wtedy, gdy ktoś zauważy pogorszenie wydajności, awaria uszczelki już przeniosła się do komory uderzeniowej, a to, co zaczęło się od prostego wymiany uszczelki, staje się kompleksowym remontem driftera.

Taki schemat występuje na placach budowy i kopalniach na całym świecie i ma jedno źródło: zestawy uszczelek traktowane są jako drobny materiał eksploatacyjny, a nie jako precyzyjny element konserwacji. W tym artykule omówiono, z czego składa się kompletny zestaw uszczelek do wiertnicy górniczej, jak warunki eksploatacji wpływają na interwały wymiany oraz dlaczego dobór materiału ma większe znaczenie, niż większość zakupujących przewiduje przy ciśnieniu 160–220 bar.

Z czego składa się kompletny zestaw uszczelek — i dlaczego każdy jego element pełni określoną rolę

Komplet uszczelek do pełnego wiertła udarowego to nie tylko worek pierścieni O-ring. Komora udarowa obsługuje jednocześnie dwa oddzielne obwody hydrauliczne: obwód udarowy wysokiego ciśnienia napędzający ruch tłoka oraz obwód wody płuczącej, który utrzymuje otwór wiertniczy czysty. Każdy z tych obwodów wymaga własnych elementów uszczelniających, które zużywają się w różnym tempie w zależności od jakości wody, ścierania przez skałę oraz lepkości oleju.

Uszczelka tłoka udarowego podlega najwyższej obciążeniu cyklicznemu – przenosi pełne ciśnienie hydrauliczne przy każdej częstotliwości uderzeń, zwykle w zakresie 30–60 Hz w działającym wiertle udarowym. Uszczelki skrzynki płuczącej pracują przy niższym ciśnieniu (6–25 bar w zależności od modelu), ale są narażone na zanieczyszczoną wodę zawierającą drobne cząstki skały, która ściera powierzchnie elastomerowe. Uszczelki rękawa prowadzącego i pierścienie wycierające zapobiegają wnikaniu zanieczyszczeń przy bocznym ruchu adaptera trzpienia podczas uderzenia, zbierając cząstki metalu i piasek z otoczenia wiertniczego.

Kołeczka uszczelniające w bloku zaworów i obwodzie akumulatora uzupełniają zestaw. Ulegają one uszkodzeniu w inny sposób niż uszczelki dynamiczne — zwykle na skutek utraty sprężystości (tzw. compression set) w czasie, a nie przez zużycie ścierne — jednak zgniecione lub uwietrzone kołeczko uszczelniające w obwodzie sterowania zmienia ciśnienie zwrotne w taki sposób, że zaburza czasowanie uderzeń i zmniejsza energię uderzenia, nawet jeśli główne uszczelki uderzeniowe wydają się nienaruszone.

Materiał uszczelki: PU, HNBR i PTFE w zastosowaniach do wiertnic udarowych

Praktyczny wybór między poliuretanem (PU) a kauczukiem wodorowanym nitrilowym (HNBR) zależy od temperatury pracy. W głębokiej kopalni, gdzie temperatura otoczenia na froncie robót przekracza 40 °C, a temperatura powracającego oleju hydraulicznego wynosi 80 °C lub więcej, uszczelki HNBR w obwodzie uderzeniowym będą miały znacznie dłuższą żywotność niż uszczelki z PU. W zastosowaniach powierzchniowych w umiarkowanym klimacie z dobrą chłodzącą instalacją oleju różnica cen rzadko uzasadnia przejście na droższy materiał.

Ciśnienie, cyklowanie i moment wymiany — nie wtedy, gdy wiertło przestaje działać

Życie uszczelki w wiertle udarowym zależy od trzech zmiennych: wartości ciśnienia, częstotliwości cykli oraz zanieczyszczenia. Przy ciśnieniu udarowym wynoszącym 180 bar i częstotliwości pracy 45 Hz główna uszczelka tłoka wykonuje około 162 000 cykli ciśnieniowych na godzinę. W ciągu interwału serwisowego wynoszącego 500 godzin daje to 81 milionów cykli — liczba wystarczająca do wywołania zmęczenia dowolnego elastomeru, który nie został odpowiednio dobrany do danego zastosowania.

Odpowiedni interwał wymiany ustala się na podstawie liczby godzin pracy w trybie udarowym, a nie czasu kalendarzowego. Drifter pracujący jedną 8-godzinną zmianę dziennie zużywa swoje uszczelki w innym tempie niż ten sam sprzęt pracujący w trybie zautomatyzowanym przez trzy zmiany. Większość producentów zaleca przeprowadzenie pierwszej szczegółowej kontroli uszczelki po 500 godzinach pracy w trybie udarowym; w warunkach agresywnego gruntu lub wysokiej temperatury bardziej realistycznym progiem przed wystąpieniem istotnego odkształcenia trwałego (compression set) uszczelki komory udarowej jest zakres 300–400 godzin.

Oczekiwanie na widoczną zewnętrzną wyciek oleju, aby wyzwolić wymianę zestawu uszczelek, oznacza, że uszczelka już zawiodła w trakcie eksploatacji — zanieczyszczenia obwodu płucznego przedostały się do komory uderzeniowej, a powierzchnia otworu tłoka może wymagać konserwacji przed prawidłowym osadzeniem nowych uszczelek.

Zgodność między modelami: Jeden zestaw nie pasuje do wszystkich modeli

Najczęstszym błędem przy zakupie uszczelek w flotach złożonych z różnych marek jest zamawianie wyłącznie na podstawie średnicy otworu. Zestaw uszczelek dobrany poprawnie pod względem średnicy wewnętrznej może mimo to zawierać uszczelki o niewłaściwej geometrii krawędzi, niewłaściwej twardości (durometrze) lub niewłaściwym układzie pierścieni wspierających dla konkretnego modelu, do którego ma być zainstalowany. Modele Epiroc COP, serie Sandvik HL/RD oraz modele Furukawa mają różne geometrie skrzynek płucznikowych i różne profile ciśnień w obwodzie uderzeniowym — uszczelki nie są wzajemnie zamienne, nawet jeśli ich średnice otworów są zbliżone.

HOVOO produkuje zestawy uszczelek do wiertnic skalnych dopasowane do konkretnych modeli drifterów, a nie tylko do średnicy otworu. Zestawy są wykonane zgodnie ze specyfikacjami producenta oryginalnego wyposażenia (OEM), przy czym stosowane są materiały poliuretanowe (PU) lub HNBR dobrano odpowiednio do typowych warunków eksploatacji każdego modelu. Pełna lista odniesień obejmująca marki Epiroc/Atlas Copco, Sandvik, Furukawa, Montabert oraz inne dostępna jest na stronie hovooseal.com. Przy zamawianiu zestawów dla mieszanej floty jedyną niezawodną metodą jest podanie numeru modelu driftera.

Montaż: Etap decydujący o tym, jak długo będzie działał nowy zestaw uszczelek

Poprawnie dobrany zestaw uszczelek, który został źle zamontowany, ulega awarii już po kilkuset godzinach pracy. Dwa najczęstsze błędy montażowe to skręcanie uszczelek dynamicznych podczas montażu (co powoduje powstanie ścieżki zużycia w kształcie spirali zamiast jednolitej powierzchni styku) oraz nieprawidłowa orientacja pierścienia wspornego w przypadku uszczelek asymetrycznych. Oba te rodzaje uszkodzeń wyglądają na wady materiałowe po ich pojawieniu się — jednak są wynikiem błędów obsługi.

Przepłukanie otworu uderzeniowego czystym olejem hydraulicznym przed zamontowaniem nowych uszczelek usuwa drobne cząstki metalu pozostające po poprzednim cyklu zużycia. Te cząstki są twardsze niż nowy elastomer i, jeśli zostaną pozostawione w miejscu, wywołają ścieranie już podczas pierwszej zmiany pracy. Procedura ta trwa dziesięć minut i pozwala zaoszczędzić koszt drugiego zestawu uszczelek.