Który materiał uszczelniający jest najlepszy dla wiertła do skał? Porównanie PU/HNBR/PTFE

Pytanie, który materiał uszczelniający jest najlepszy, ma irytujące, ale prawidłowe odpowiedzi: zależy to od trybu uszkodzenia, którego próbujesz uniknąć. PU (poliuretan) ulega uszkodzeniu w wyniku termicznego odkształcenia trwałego powyżej 90 °C. HNBR (wodorowany kauczuk akrylonitrylowo-butadienowy) ulega uszkodzeniu wskutek zużycia powierzchniowego w środowiskach o wysokim stężeniu cząstek. PTFE (politetrafluoroetylen) ulega uszkodzeniu wskutek wypychania do luzów w otworze, jeśli nie jest prawidłowo wspierany w zastosowaniach dynamicznych. Każdy materiał charakteryzuje się dominującym trybem uszkodzenia, a właściwy wybór to materiał, którego dominujący tryb uszkodzenia jest najmniej prawdopodobny w konkretnych warunkach eksploatacyjnych.

Brzmi to jak problem z zakresu nauki o materiałach. W praktyce jest to ocena warunków lokalizacji z trzema czynnikami wejściowymi: temperaturą roboczą, składem chemicznym medium oraz częstotliwością cyklu obciążenia dynamicznego. Poprawne określenie tych trzech czynników pozwala logicznie dobrać odpowiedni materiał. Błędne ich określenie — lub zastosowanie ogólnego, „standardowego zestawu uszczelek poliuretanowych” w aplikacji wymagającej uszczelek z HNBR — prowadzi do awarii uszczelki w sposób charakterystyczny dla poliuretanu poddanego przegrzaniu: stopniowo i cicho, bez widocznej wycieki na zewnątrz aż do momentu pełnego osiadania (kompresji) i gromadzenia się przepływu przez uszczelkę przez miesiące.

PU: domyślna uszczelka dynamiczna i jej górny limit temperatury

Poliuretan jest materiałem podstawowym stosowanym w uszczkach tłoczyskowych do narzędzi udarowych, uszczkach tulei prowadzących oraz dynamicznych uszczkach obudów płuczki w hydraulicznych wiertnicach górniczych. Powody są praktyczne: PU charakteryzuje się doskonałą odpornością na zużycie, wysoką wytrzymałością rozciągania przy obciążeniach dynamicznych oraz dobrą sprężystością, zapewniającą utrzymanie kontaktu uszczelniającego przy cyklicznych częstotliwościach udarowych wynoszących 30–60 Hz. Toleruje oleje hydrauliczne mineralne bez istotnego pęcznienia i zachowuje stabilność wymiarową w zakresie temperatur typowym dla eksploatacji powierzchniowej oraz podziemnej w klimacie umiarkowanym.

Ograniczeniem jest temperatura. Przy długotrwałych temperaturach przekraczających 90–95 °C poliuretan ulega przyspieszonemu zjawisku utraty odkształcenia po ściskaniu — elastomer traci zdolność do odzyskania sprężystości, a wargę uszczelki deformuje się trwale zgodnie z wymiarami rowka w gnieździe, nie powracając do zaprojektowanej geometrii kontaktu uszczelniającego. Uszczelka pozornie zachowuje nienaruszoną strukturę fizyczną; po prostu przestaje działać jako element uszczelniający działający na zasadzie sprężyny. Przepływ przez komorę udarową rozpoczyna się jeszcze przed pojawieniem się jakichkolwiek widocznych przecieków na zewnątrz.

Głębokie kopalnie pracujące w ekstremalnych warunkach — temperatury powierzchni otworów górniczych powyżej 35 °C, temperatura oleju hydraulicznego powracającego powyżej 75 °C — regularnie przekraczają zakres temperaturowy poliuretanu (PU) podczas długotrwałej, ciągłej pracy udarowej. Podobne warunki występują również przy eksploatacji powierzchniowej w klimacie tropikalnym bez odpowiedniego chłodzenia oleju. W takich środowiskach stosowanie poliuretanu (PU) nie jest ekonomicznie błędne ze względu na jego niską cenę; jest to błąd, ponieważ interwały serwisowe, po których następuje awaria, są nieprzewidywalne, a uszkodzone uszczelki w obwodzie udarowym nie generują wyraźnych sygnałów ostrzegawczych.

HNBR: Ulepszenie pod kątem odporności na wysokie temperatury i czynniki chemiczne

Wodorowany kauczuk akrylonitrylowo-butadienowy (HNBR) eliminuje słabość poliuretanu (PU) w zakresie odporności na temperaturę poprzez utwardzenie nienasyconych wiązań podwójnych węgiel–węgiel w łańcuchu głównym kauczuku akrylonitrylowego za pomocą wodoru. Uzyskany w ten sposób polimer zachowuje odporność akrylonitrylu na oleje — polarne grupy C≡N, które zapobiegają rozprężaniu się w olejach mineralnych, pozostają nietknięte — przy jednoczesnej odporności nasycanego łańcucha głównego na degradację termiczną oraz działanie chemiczne ozonu, agresywnego składu wody oraz olejów hydraulicznych opartych na estrach.

HNBR zachowuje przydatne właściwości uszczelniające w temperaturze do 150°C w sposób ciągły – o 60°C więcej niż PU. W gorących środowiskach kopalnianych ta różnica przekłada się bezpośrednio na dłuższe i bardziej przewidywalne interwały serwisowe. W przypadku młota pneumatycznego (driftera) w głębokiej kopalni złota, gdzie temperatura oleju powrotnego utrzymuje się stale na poziomie 95°C, uszczelki z HNBR trwają w obwodzie uderzeniowym o 40–70% dłużej niż uszczelki z PU. To nie jest marginalna poprawa; w całkowitym okresie eksploatacji urządzenia wynoszącym 5000 godzin różnica ta oznacza zmianę zestawu uszczelek odpowiednio 12 razy lub 8 razy na jednostkę.

HNBR radzi sobie również lepiej niż PU z kwasowym odpływem kopalnianym oraz wodą gruntową o wysokiej zawartości soli. W kopalniach miedzi i złota, gdzie woda formacyjna ma odczyn kwasowy (pH 4–5), szkielet polimerowy PU ulega atakowi przez stężenie jonów wodorowych, czego HNBR – dzięki swojej nasyconej strukturze polimerowej – skutecznie się opiera. Objawem tego zjawiska jest przyspieszone pękanie powierzchni uszczelek PU – mikropęknięcia rozpraszające się w głąb materiału i tworzące ścieżki przecieków – podczas gdy uszczelki z HNBR w tym samym obwodzie wykazują typowe, prawidłowe wzory zużycia.

PTFE: chemicznie obojętne, ale wymagające pod względem mechanicznym

Politetrafluoroetylen (PTFE) należy do innej kategorii niż poliuretan (PU) i wodorowany kauczuk akrylonitrylowo-butadienowy (HNBR). Jego szkielet węgiel–fluor jest zasadniczo chemicznie obojętny; nie ulega on obrzękowi w obecności kwasów, zasad, rozpuszczalników ani żadnych innych agresywnych cieczy występujących w górnictwie. Charakteryzuje się on bardzo niskim współczynnikiem tarcia, co oznacza mniejsze zapotrzebowanie na smarowanie w porównaniu do uszczelek elastomerowych, a jego właściwości pozostają stabilne w szerokim zakresie temperatur.

Z punktu widzenia mechanicznego PTFE charakteryzuje się bardzo niską sprężystością. Nie dopasowuje się on do geometrii otworu w taki sposób jak elastomery – wymaga więc zastosowania elementu napinającego (np. sprężyny) lub wspornika zapobiegającego wypchnięciu, aby utrzymać kontakt uszczelniający w miarę zużycia powierzchni. W dynamicznych zastosowaniach udarowych czysta uszczelka z PTFE bez wspornika zapobiegającego wypchnięciu ulega wypchnięciu do szczeliny pomiędzy tłoczkiem a otworem pod wpływem cyklicznych szczytów ciśnienia w zakresie 160–220 bar występujących w pracy udarowej. Wypchnięty materiał ulega uszkodzeniu już po kilku godzinach.

Odpowiednia rola PTFE w zestawie uszczelek do wiertarki górniczej dotyczy obwodów statycznych: pierścieni O-ring na porcie akumulatora, uszczelek siedzisk wlotu wody płucznej oraz statycznych połączeń bloku zaworów. W szybko działającej hydraulicznej kruszarko-wiertarce testowanej w boksytowej kopalni uszczelki tłoczyskowe z elastomeru HNBR ulegały uszkodzeniom spowodowanym zanieczyszczeniem i wysoką temperaturą. Zastąpienie ich samozasilanymi uszczelkami o korpusie z PTFE wyeliminowało konieczność częstej wymiany — ponieważ w tym konkretnym przypadku szybko działającego układu w warunkach zanieczyszczenia odporność PTFE na zużycie i jego obojętność chemiczna przewyższały jego niższą elastyczność. Jest to zastosowanie specyficzne; nie można go uogólniać na wszystkie dynamiczne uszczelki udarowe.

Porównanie materiałów według obwodu wiertarki górniczej i warunków eksploatacji

Poprawny wybór bez konieczności korzystania z laboratorium

W większości miejsc nie dysponuje się danymi z analizy oleju lub chemii wód kopalnianych w momencie zamawiania zestawu uszczelek. Trzy wskaźniki polowe pozwalają na wiarygodne podjęcie decyzji bez konieczności przeprowadzania formalnych badań. Po pierwsze: jaka jest temperatura powracającego oleju hydraulicznego? Zmierz ją za pomocą termometru podczerwonego na rurze powrotnej po 30 minutach pracy udarowej. Temperatura powyżej 80 °C utrzymująca się stale oznacza konieczność zastosowania HNBR w obwodzie udarowym. Po drugie: jak wygląda woda kopalniana na twarzy roboczej wiertnicy? Odcień zielony lub pomarańczowy wskazuje obecność kwasów mineralnych; należy użyć HNBR do uszczelek płuczących. Po trzecie: czy wcześniejsze zestawy uszczelek z PU uległy awarii przedwcześnie, np. poprzez pęknięcie powierzchniowe lub utratę sprężystości (compression set), a nie przez zużycie ścierne? Jeśli tak, to przyczyną awarii są czynniki temperaturowe lub chemiczne, a nie mechaniczne – należy zmienić materiał uszczelek.

HOVOO dostarcza zestawów uszczelek do wiertnic skalnych z poliuretanu (PU) i hydronitrylu butadienu (HNBR) dla wszystkich głównych modeli wiertnic obrotowych, z opcjami statycznych uszczelek z tworzywa zawierającego politetrafluoroetylen (PTFE) przeznaczonych do zastosowań w środowiskach chemicznie agresywnych. Oznaczenie zestawu zawiera informację o rodzaju materiału, dzięki czemu zamówienia są jednoznaczne, a nie domyślnie przyjmowane jako jeden standardowy typ. Pełne oznaczenia modeli i materiałów dostępne na stronie hovooseal.com.