Jakie są objawy uszkodzenia zaworu zwrotnego wiertarki? Szybka diagnostyka

Zawory zwrotne – zawory jednokierunkowe pozwalające na przepływ medium w jednym kierunku i zapobiegające przepływowi wstecznemu – są montowane w kilku miejscach obwodu hydraulicznego wiertła do skał. Chronią one obwód gazu akumulatora przed zanieczyszczeniem olejem przepływającym wstecznie, uniemożliwiają podciśnieniu oleju w linii powrotnej wpływu na obwód płukania, utrzymują ciśnienie w obwodzie podczas krótkotrwałych przerw w uderzeniowym działaniu wiertła oraz kontrolują przepływ oleju pomiędzy komorami tłumienia. Ponieważ działają one bezgłośnie przy prawidłowym funkcjonowaniu, rzadko podlegają inspekcji, dopóki awaria nie spowoduje już widocznych objawów w innym miejscu układu.

Trudność w diagnozowaniu uszkodzeń zaworów zwrotnych w młotku górniczym polega na tym, że objawy te bardzo przypominają awarie innych komponentów. Niestabilne ciśnienie uderzeniowe wskazuje na akumulator. Przepływ wsteczny do obwodu płucznego wygląda jak uszkodzenie uszczelki płucznego. Nieprzewidywalny czas uderzeń może być mylony z problemem zaworu sterującego. W niniejszym artykule przedstawiono mapę konkretnych objawów i odpowiadających im lokalizacji zaworów zwrotnych powodujących te objawy oraz wyjaśniono, jak odróżnić uszkodzenie zaworu zwrotnego od awarii innych komponentów, które wywołują te same objawy.

Lokalizacje zaworów zwrotnych w młotku górniczym oraz elementy, które chronią

Zawór odcinający akumulator znajduje się pomiędzy doprowadzeniem oleju pod wysokim ciśnieniem a wlotem oleju do akumulatora. Jego zadaniem jest zapobieganie odpływowi oleju hydraulicznego zmagazynowanego w akumulatorze z powrotem do linii zasilającej w przypadku spadku ciśnienia w obwodzie uderzeniowym – np. podczas zmiany kierunku przepływu w zaworze, podczas wyłączenia urządzenia lub krótkotrwałych przerw w dostawie ciśnienia. W przypadku uszkodzenia zaworu (otwarcia lub niepełnego zamknięcia) akumulator traci część zmagazynowanego oleju między cyklami uderzeniowymi, a funkcja wygładzania ciśnienia w obwodzie uderzeniowym przestaje być skuteczna. Objawem takiego uszkodzenia są fluktuacje ciśnienia uderzeniowego przyjmujące charakterystyczny kształt fali piłokształtnej zamiast stabilnej wartości.

Zawór zwrotny obwodu płukania zapobiega przedostawaniu się oleju z obwodu uderzeniowego do linii wody płukającej w warunkach przepływu o niskim natężeniu. Gdy ciśnienie wyjściowe pompy wody płukającej jest niższe niż ciśnienie powrotnego przepływu z obwodu uderzeniowego – co ma miejsce chwilowo podczas cyklowania uderzeń – zawór zwrotny blokuje przepływ wsteczny, który mógłby skażać obwód płukania olejem hydraulicznym. Uszkodzony zawór zwrotny w tym miejscu powoduje pojawienie się w powrotnym przepływie wody płukającej charakterystycznego, mlecznego lub oleistego wyglądu i jest często błędnie interpretowany jako awaria uszczelki skrzynki płukającej, ponieważ oba te uszkodzenia powodują ten sam widoczny objaw.

Niektóre konstrukcje wiertnic zawierają zawór zwrotny w obwodzie tłumienia między główną a wtórną komorą tłumienia. Zawór ten kontroluje szybkość powrotu tłoka tłumienia po pochłonięciu fali powrotnej. W przypadku jego otwarcia (uszkodzenia), obwód tłumienia traci zaprogramowany czas działania, a pochłanianie energii powrotnej staje się niestabilne – zmienia się dźwięk uderzeń, a drgania obudowy wzrastają.

Objawy usterki w zależności od położenia zaworu zwrotnego

Drganie: Awaria dźwiękowa, która jest błędnie interpretowana

Drganie zaworu zwrotnego — stukanie lub trzaskanie w okolicy zaworu o częstotliwości uderzeniowej lub częstotliwości subharmonicznej — powodowane jest szybkimi drganiami tarczy zaworu pomiędzy pozycją otwartą a częściowo zamkniętą. W obwodzie uderzeniowym pracującym z częstotliwością 40–60 Hz i występujących fluktuacjach ciśnienia o wysokiej częstotliwości zawór zwrotny, który jest nieco za mały dla danego przepływu lub którego sprężyna utraciła napięcie wsteczne, otwiera się i zamyka wiele razy w ciągu jednego cyklu uderzeniowego zamiast pozostawać stabilnie otwarty w fazie przepływu.

Energia marnowana podczas tego trzaskania jest rzeczywista: każde częściowe zamknięcie powoduje niewielki skok ciśnienia, który zwiększa poziom szumów hydraulicznych w obwodzie uderzeniowym. W obwodzie, w którym ciśnienie wynosi już ponad 200 barów, te skoki pogarszają precyzję chodu tłoka. Diagnoza jest charakterystyczna — trzaskanie słyszalne jest jako dodatkowy, wysokoczęstotliwościowy dźwięk oddzielony od głównego szumu uderzeniowego i lokalizuje się w obszarze zaworu zwrotnego, a nie pochodzi z cylindra uderzeniowego.

Trzaskanie jest czasem spowodowane zanieczyszczeniem, a nie zużyciem zaworu. Cząstka osiadająca na tarczy zaworu zwrotnego uniemożliwia jego pełne zamknięcie, a częściowe uszczelnienie drży pod wpływem cyklicznie zmieniającego się ciśnienia. Oczyszczenie gniazda zaworu rozwiązuje problem trzaskania wywołanego zanieczyszczeniem; jeśli trzaskanie powraca w ciągu kilkuset godzin pracy, oznacza to utratę wstępnego napięcia sprężyny i konieczność wymiany zaworu.

Przepływ wsteczny bez widocznej wycieku: usterka wewnętrzna

Zawór zwrotny, który przepuszcza przepływ wsteczny przez zużytą uszczelkę siedziska, nie musi koniecznie przeciekać na zewnątrz — przepływ wsteczny pozostaje w obrębie obwodu. Skutki awarii zależą od tego, który zawór zwrotny ulega uszkodzeniu. Przepływ wsteczny przez zawór izolacyjny akumulatora powoduje szybszy spadek ciśnienia hydraulicznego pomiędzy cyklami uderzeniowymi, niż to powinno mieć miejsce — uderzenia stają się mniej regularne, co szczególnie wyraźnie odczuwalne jest przy wydłużaniu czasu cyklu lub podczas krótkich przerw w przemieszczaniu, gdy obwód uderzeniowy nie jest aktywnie zasilany.

Test diagnostyczny wykrywający wewnętrzny przepływ zwrotny w zaworze zwrotnym jest prosty: należy wyłączyć zasilanie hydrauliczne, odizolować obwód przed zaworem zwrotnym i za pomocą manometru podłączonego do portu po stronie wylotowej sprawdzić, czy ciśnienie po stronie wylotowej utrzymuje się przez 2–3 minuty. Jeśli w ciągu 2 minut ciśnienie w obwodzie spadnie z 180 bar do 140 bar, może to wynikać albo z przepływu zwrotnego przez zawór zwrotny, albo z wewnętrznej nieszczelności cylindra — rozróżnienie dokonuje się poprzez obserwację charakteru spadku ciśnienia: stała szybkość spadku wskazuje na zawór zwrotny (stała szybkość przepływu zwrotnego), natomiast spowalniająca się szybkość spadku wskazuje na wewnętrzną nieszczelność (przepływ jest napędzany różnicą ciśnień, więc jego szybkość maleje w miarę wyrównywania się ciśnień).

Zanieczyszczenie jako główny czynnik powodujący uszkodzenie zaworów zwrotnych

Większość awarii zaworów zwrotnych w hydraulicznych wiertnicach górniczych wynika z zanieczyszczenia oleju hydraulicznego cząstkami stałymi. Cząstka o średnicy 50 mikrometrów może zaklinować się w siedzisku zaworu zwrotnego z siłą wystarczającą do utrzymania zaworu w pozycji otwartej, pomimo działania sprężyny zamykającej. Wówczas zawór umożliwia nieustanną przepływ odwrotny, aż do chwili, gdy cząstka zostanie usunięta (powodując awarię przejściową) lub gdy cząstka zadrasuje powierzchnię siedziska (powodując trwałą ścieżkę przepływu odwrotnego nawet po wyczyszczeniu).

Zapobieganie jest takie samo jak w przypadku każdego innego precyzyjnego elementu hydraulicznego w obwodzie uderzeniowym: klasa czystości ISO 16/14/11 lub lepsza. Jednak zawory zwrotne są szczególnie narażone, ponieważ znajdują się w miejscach przejść obwodu, gdzie zmienia się prędkość oleju — właśnie w tych miejscach przejść najbardziej intensywnie gromadzą się cząstki. Filtr o klasyfikacji 10 mikronów w trybie absolutnym, umieszczony przed obwodem uderzeniowym, chroni wszystkie elementy położone w dalszej części obwodu, w tym zawory zwrotne. Eksploatacja układu z filtrem przekroczonym pod względem interwału wymiany jest najskuteczniejszym sposobem skrócenia czasu eksploatacji zaworów zwrotnych.

Podczas wymiany zaworu zwrotnego po uszkodzeniu spowodowanym zanieczyszczeniem należy przepłukać obwód połączony przed zamontowaniem nowego zaworu. Cząstki, które były zbyt duże, aby przejść przez uszkodzony zawór, znajdują się teraz w przewodzie przed zaworem i dotrą do nowego zaworu przy pierwszym cyklu ciśnienia. HOVOO dostarcza zestawów uszczelek do wszystkich głównych modeli drifterów — jednoczesne konserwowanie uszczelek oraz pierścieni O-ring zaworu zwrotnego w takich samych odstępach czasowych zmniejsza całkowitą liczbę interwencji w obwodzie oraz związane z każdą obsługą ryzyko zanieczyszczenia. Pełne oznaczenia modeli dostępne na stronie hovooseal.com.