Inelele Glyd și etanșările cu treaptă în cilindrii hidraulici ai perforatoarelor de stâncă: modul de funcționare și cum să alegeți o piesă de schimb

În spatele sistemului de alimentare, al brațului și al altor actuatori hidraulici ai unei instalații de foraj în stâncă se află o pereche de tipuri de etanșări care par aproape identice la prima vedere, dar își îndeplinesc rolurile în locuri diferite și din motive diferite: inelul Glyd și etanșarea cu treaptă. Ambele combină un inel din PTFE rezistent la uzură cu un element din cauciuc Anelul O aflat sub el, iar împreună reprezintă unele dintre cele mai utilizate etanșări pentru pistoane și tije din cilindrii hidraulici moderni. Acest articol explică modul în care aceste etanșări compacte funcționează de fapt, unde sunt utilizate într-o instalație de foraj în stâncă, cum se recunoaște o defecțiune a uneia dintre ele și ce trebuie verificat înainte de comandarea unei piese de schimb.

Ce sunt inelele Glyd și etanșările cu treaptă?

Un inel Glyd Ring și un etanșator tip Step Seal sunt ambele exemple ale ceea ce industria etanșărilor numește etanșare compactă sau etanșare din PTFE activată cu inel O: un inel rigid, de uzură din PTFE, cu frecare redusă, sprijinit de un inel O din cauciuc care îl comprimă în prealabil împotriva suprafeței conjugate. Inelul din PTFE este cel care intră efectiv în contact cu alezajul cilindrului sau cu tija pistonului și asigură etanșarea; inelul O de dedesubt furnizează forța elastică de comprimare pe care PTFE nu o poate oferi singur, deoarece PTFE nu se reface elastic, ca cauciucul, după comprimare.

Denumirile «Glyd Ring» și «Step Seal» au avut inițial origine ca mărci comerciale ale producătorilor, dar sunt acum utilizate în întreaga industrie, în mod similar cu faptul că termenul «inel O» a devenit un termen generic. În cataloagele de piese în limba chineză, ambele sunt frecvent grupate sub denumirea generală ge Lai Quan (Glyd ring), iar si Te Feng (Step Seal) este folosit specific pentru varianta de etanșare a tijei.

Care este diferența dintre un Glyd Ring și un Step Seal?

Cele două tipuri de construcție sunt concepute pentru sarcini opuse pe același cilindru. Un inel Glyd are un profil simetric, dreptunghiular, care îi permite să etanșeze la fel de bine indiferent din ce parte provine presiunea — exact ceea ce are nevoie un sigiliul de piston cilindru hidraulic sigiliu de bară cilindru hidraulic

O modalitate simplă de a reține distincția: inelul Glyd se montează pe piston (etanșare în interiorul alezajului, etanșare bidirecțională), iar inelul cu treaptă se montează pe tijă (etanșare pe tijă, etanșare unidirecțională). Ambele folosesc aceeași construcție de bază cu PTFE și o garnitură O-ring, motiv pentru care sunt frecvent discutate împreună, deși îndeplinesc funcții diferite în același cilindru.

Fotografie1: Comparație între profilul inelului Glyd și al inelului cu treaptă

Cum face garnitura O-ring ca o etanșare din PTFE să funcționeze efectiv ca etanșare?

PTFE este apreciat pentru etanșare datorită frecării foarte scăzute și rezistenței excelente la agenți chimici și uzură, dar în sine nu are practic nicio memorie elastică: odată comprimat, rămâne comprimat, fără a se reveni la forma inițială pentru a menține presiunea de contact. Un inel O din cauciuc așezat în spatele inelului din PTFE rezolvă această problemă, acționând ca un arc: el împinge continuu inelul din PTFE spre exterior (pentru un inel Glyd Ring montat în canelura din interiorul alezajului) sau spre interior (pentru o configurație de etanșare pe tijă), menținând astfel contactul ferm al inelului de uzură cu suprafața în mișcare, chiar și pe măsură ce PTFE-ul se uzează în timp.

Această împărțire a sarcinilor conferă etanșărilor compacte comportamentul lor caracteristic: suprafața de alunecare cu frecare scăzută și cu tendință redusă de stick-slip, oferită de PTFE, combinată cu capacitatea inelului O de a ajusta în mod continuu forța de contact a etanșării pe măsură ce jocurile se modifică și inelul de uzură se uzează treptat. Pierderea funcției inelului O — ca urmare a propriei sale degradări — duce la eșuarea etanșării, chiar dacă inelul din PTFE poate părea încă intact.

Testul de bază pe care orice astfel de garnitură trebuie să-l treacă, la orice presiune de funcționare, este ca presiunea de contact dintre inelul din PTFE și suprafața în mișcare să rămână mai mare decât presiunea fluidului pe care îl reține. Studiile cu element finit privind garniturile Glyd Ring confirmă direct acest lucru: presiunea de contact maximă crește împreună cu presiunea fluidului și rămâne peste aceasta pe întreaga gamă testată, ceea ce reprezintă condiția care previne scurgerile. Aceleași studii arată, de asemenea, cât de sensibilă este performanța garniturii față de profilul său exact — într-un studiu sistematic, cea mai bună performanță de etanșare la presiune ridicată a fost obținută doar în ferestre geometrice destul de înguste, de ordinul a câtorva zecimi de milimetru pentru rază lipă și a câtorva grade pentru unghiul lateral al garniturii — motiv pentru care profilele Glyd Ring și Step Seal nu sunt ceva ce poate fi aproximat pornind de la o piesă cu aspect similar.

Este, de asemenea, important de înțeles că un etanșeu alternativ nu reprezintă o barieră perfectă fără scurgeri, chiar și atunci când funcționează exact conform proiectării sale, ceea ce are importanță în evaluarea faptului dacă o mică scurgere la tijă constituie, de fapt, o problemă. Teoria lubrifierii, bazată pe ecuația Reynolds, utilizată pentru modelarea filmului subțire de fluid dintre buza etanșeului și suprafața în mișcare, arată că un etanșeu alternativ transportă un film de fluid în afara cursei și un film înapoi în interior pe cursa de întoarcere; scurgerea netă pe ciclu este proporțională cu diferența dintre aceste două grosimi ale filmului, care, la rândul său, depinde de gradientul de presiune de pe partea fluidului versus cea a aerului la fiecare capăt al cursei. Un profil de etanșeu conceput pentru a accentua gradientul de presiune pe partea fluidului și pentru a-l reduce pe partea aerului va returna mai mult fluid decât permite să iasă, apropiindu-se de o scurgere netă nulă pe un ciclu complet; un profil necorespunzător are efectul opus. Aceasta face parte din baza teoretică care explică de ce mici modificări ale profilului, măsurate în zecimi de milimetru, discutate anterior, pot avea un efect disproportionat asupra scurgerii măsurate.

Unde folosesc instalațiile de foraj în rocă inele Glyd și etanșări cu trepte?

La o instalație de foraj în rocă, etanșările de tip inel Glyd și etanșări cu trepte se găsesc cel mai frecvent în cilindrii acționați hidraulic care mișcă echipamentul în jurul burghiului propriu-zis, nu în interiorul mecanismului de percuție al unității de foraj în rocă: cilindri de alimentare care avansează și retrag burghiul de-a lungul șinei ghid, cilindri de braț și de rotație care poziționează burghiul deasupra găurii, precum și cilindri similari de acționare în alte locuri de pe platforma purtătoare. Acești cilindri suportă aceeași sarcină dublu-acionată, cu presiune alternativă, pentru care au fost concepuți inelele Glyd și etanșările cu trepte.

Deoarece cilindrii de alimentare, în special, efectuează cicluri continue în timpul unei schimburi de foraj și funcționează într-un mediu prăfos, plin de deșeuri, etanșările de piston și de tijă ale acestora sunt printre piesele uzate care necesită înlocuire mai frecventă pe partea instalației de foraj în rocă, distinct de piesele uzate de pe partea de percuție, cum ar fi diafragma acumulatorului sau etanșarea în formă de cupă, discutate în alte părți.

Ce se întâmplă când un inel Glyd sau o garnitură în trepte cedează?

Când inelul de uzură din PTFE se uzează complet sau când inelul O care asigură presiunea își pierde elasticitatea, garnitura nu mai poate menține o presiune de contact suficientă împotriva alezajului sau a tijei pentru a rezista presiunii hidraulice. Rezultatul practic este o scurgere internă în jurul pistonului (care se manifestă prin pierderea forței de reținere a cilindrului sau prin deraparea acestuia sub sarcină) sau o scurgere externă în jurul garniturii tijei (scurgere vizibilă de ulei la nivelul tijei, în special după ce cilindrul a stat neutilizat și a fost supus presiunii o perioadă de timp).

Deoarece inelul din PTFE și inelul O pot ceda independent — un inel O îndurit și fisurat poate compromite un inel PTFE în continuare funcțional, iar un inel PTFE complet uzat poate expune un inel O sănătos la uzură directă — înlocuirea unui kit de garnituri acoperă de obicei ambele componente simultan, nu ca piese de schimb separate.

Foto2: Garnitură PTFE uzată și inel O care asigură presiunea

Cum puteți identifica o cedare a garniturii cilindrului dumneavoastră?

Un inel Glyd defectuos sau o garnitură în trepte defectuoasă se manifestă, în general, prin una sau mai multe dintre următoarele situații:

• Cilindrul își pierde forța de reținere sau se deplasează în mod nedorit sub sarcină, atunci când ar trebui să rămână fix.
• Scurgere vizibilă de ulei la garnitura tijei, în special observabilă după ce mașina a stat neutilizată sub presiune.
• Mișcare a cilindrului mai lentă sau mai puțin constantă, în special la începutul cursei.
• Contaminare sau decolorare a uleiului hidraulic, cauzată de o garnitură de curățare care nu mai exclude praful și particulele străine.
• Un cilindru care pare „spumos” sau își pierde precizia de poziționare, ceea ce indică un by-pass intern peste garnitura pistonului.

Tabelul de mai jos corelează aceste simptome cu cauzele probabile și cu prima verificare logică.

Ce cauzează uzura prematură a acestor etanșări?

Mai multe condiții scurtază durata de funcționare a inelelor Glyd și a etanșărilor cu treaptă mult sub potențialul lor proiectat:

• Ulei hidraulic contaminat, care conține particule abrazive, accelerând uzura suprafeței de alunecare a inelului din PTFE.
• O suprafață interioară a cilindrului sau o tijă cu urme de zgârieturi, cu cratere sau corodate, pe care inelul din PTFE nu o poate compensa în totalitate, indiferent cât de bine este montat.
• Un material de energizare pentru inelul O care nu este compatibil cu fluidul hidraulic utilizat, provocând umflare, îndurire sau pierderea elasticității mai rapid decât se așteaptă.
• Montare incorectă, în special montarea unei etanșări cu treaptă în orientare greșită, ceea ce anulează din start concepția sa de etanșare unidirecțională.
• Temperaturi ridicate susținute, depășind domeniul nominal al materialului de energizare al inelului O, deoarece inelul din PTFE suportă bine căldura, dar elementul de cauciuc situat sub el este, de obicei, legătura mai slabă.

De ce este atât de importantă direcția de montare pentru un etanșeu cu treaptă?

Profilul simetric al unui inel Glyd face practic imposibilă montarea inversă; acesta etanșează în același mod, indiferent de orientare. Profilul treptat și asimetric al unui etanșeu cu treaptă este exact opusul: acesta este conceput special pentru a etanșa într-o singură direcție, iar montarea inversă înseamnă că partea etanșeului destinată presiunii scăzute se află acum îndreptată spre uleiul sub presiune pe care ar trebui să-l rețină.

Un etanșeu cu treaptă montat în orientare greșită poate părea să funcționeze pentru o perioadă scurtă, deoarece inelul O care furnizează forța de etanșare oferă încă o anumită forță de etanșare, dar, de obicei, va ceda mult înainte de a atinge durata sa nominală de funcționare și poate ceda într-un mod care pare identic uzurii obișnuite — motiv pentru care orientarea de montare merită verificată încă o dată conform instrucțiunilor producătorului privind montarea, de fiecare dată când se înlocuiește un etanșeu pentru tijă, nu doar presupusă pe baza formei canalului.

Sigiliile de tip Step au, de asemenea, o caracteristică documentată de scurgere dependentă de presiune, pe care este important să o cunoașteți înainte de a diagnostica un astfel de sigiliu ca fiind „defect”. Cercetarea clasică privind comportamentul sigiliilor de tip Step descrie patru zone pe măsură ce presiunea sistemului crește: o zonă sub-sigilare la presiune foarte scăzută (aproximativ 0–0,6 MPa), unde scurgerea este neglijabilă; o zonă de instabilitate (aproximativ 0,6–1,5 MPa), unde inelul glisant poate pluti momentan, iar frecarea scade la un minim local, determinând o creștere temporară a scurgerii interne, deși nimic nu este, de fapt, defect; o zonă normală de sigilare (aproximativ 3–32 MPa, în funcție de concepție), care acoperă majoritatea presiunilor reale de funcționare, unde performanța de etanșare este bună și stabilă; și o zonă de pierdere a etanșării, deasupra presiunii nominale a sigiliului, unde etanșarea se degradează definitiv. Deoarece zona de instabilitate se află mult sub presiunea normală de lucru în majoritatea cilindrilor, ea rareori cauzează probleme în practică. Totuși, unele concepții care trebuie să treacă prin această zonă — de exemplu, în timpul creșterii lente a presiunii — o pot face intenționat și rapid, sau pot combina un sigiliu de tip Step cu un al doilea sigiliu de alt tip, astfel încât domeniile lor de presiune instabilă să nu se suprapună. Aceasta este una dintre motivele pentru care kiturile de sigilare cu mai multe componente, nu un singur inel, reprezintă specificația obișnuită pentru poziția sigiliului de tijă.

Foto3: Orientarea de montare a etanșării tip Step Seal .

Cum alegeți etanșarea de înlocuire potrivită de tip Glyd Ring sau Step Seal?

După confirmarea defectului, trei factori determină etanșarea de înlocuire potrivită:

• Potrivirea exactă din punct de vedere dimensional cu diametrul interior al cilindrului sau cu diametrul tijei și cu profilul canelurii, deoarece inelele Glyd Ring și etanșările tip Step Seal sunt dimensionate și profilate specific pentru fiecare proiect de cilindru.
• Un compus din PTFE și un material pentru inelul O de energizare adaptat sarcinii, vitezei și fluidului hidraulic din aplicație, detalii suplimentare fiind prezentate într-un articol complementar despre materialele utilizate la aceste etanșări.
• Achiziționarea unui set complet (inel PTFE plus energizator) în locul combinării de componente provenite de la furnizori diferiți, deoarece cele două părți sunt concepute să funcționeze împreună la o anumită ajustare și presarcină.

Foto4: Așezarea kitului de etanșări de înlocuire înainte de montare

De unde puteți achiziționa etanșări de înlocuire fiabile?

Deoarece dimensiunile inelelor Glyd Ring si ale etanselor de tip Step Seal sunt specifice fiecarei cilindri, in functie de diametrul interior al cilindrului sau de dimensiunea tijei, precum si de designul canalelor, achizitionarea acestora se reduce la gasirea unui furnizor capabil sa ofere exacte dimensiuni si sa recomande o combinatie potrivita de PTFE si inel O pentru aplicatia respectiva, nu o piesa de dimensiune generica.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, un producator chinez de etanseuri infiintat in 2013, produce componente de etansare din PU, cauciuc si PTFE, inclusiv etanseuri pentru pistoane si etanseuri pentru tije de tip Glyd Ring si Step Seal utilizate in cilindrii hidraulici din echipamentele pentru forajul rocilor, constructii si excavatoare, declarand ca ofera suport tehnic gratuit pentru a ajuta la confirmarea dimensiunilor corecte si a combinatiei adecvate de materiale pentru un anumit cilindru, inainte de plasarea comenzii.

Dacă nu sunteți sigur ce tip de garnitură are nevoie cilindrul dumneavoastră, furnizarea diametrului interior și al tijei cilindrului, a dimensiunilor canalelor și a condițiilor tipice de funcționare (presiune, viteză, tip de fluid hidraulic și temperatură) unui furnizor capabil să efectueze o corespondență cu designurile cunoscute de cilindri este cel mai sigur mod de a obține o garnitură care se potrivește și funcționează conform așteptărilor.

Foto5: Kit de garnituri ambalat pentru expediere

1. Dai L. „Optimizarea și investigația experimentală a performanței de etanșare a inelelor hidraulice reciprocante Glyd.” Teză de masterat, Jiangnan University, 2025.
2. Yao S. „Analiza caracteristicilor de etanșare ale garniturii în trepte.” Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „Metodă de calcul pentru durata de funcționare a inelelor Glyd utilizate în pistoanele cilindrilor hidraulici.” Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. „Optzeci de ani de cercetare privind etanșările hidraulice reciprocante: revizuire a studiilor tribologice și a subiectelor conexe din anii 1930 până în prezent.” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.