Din ce material este confecționat inelul de sprijin pentru perforatoare? Explicații privind PTFE, nylon și PEEK

Un inel de sprijin are un scop simplu: să fie mai dur decât garnitura alăturată, pentru a menține această garnitură în afara jocului de montaj. Totuși, termenul «mai dur» este relativ, iar materialele utilizate pentru inelele de sprijin acoperă o gamă largă de rezistență, rezistență la temperatură și cost. Acest articol explică materialele cele mai frecvent utilizate, domeniile în care fiecare dintre ele se dovedește eficientă și modul în care compromisurile funcționează într-un circuit hidraulic supus presiunii pulsatorii. Valorile menționate mai jos provin din studii ingineresti publicate, enumerate la final. Multe dintre ele au fost măsurate pe eșantioane de test sau în alte industrii, astfel încât indică tendințe și nu reprezintă valori garantate pentru un anumit inel.

Din ce este confecționat un inel de sprijin pentru perforatoare?

Inelele de sprijin sunt fabricate dintr-un grup mic de polimeri duri. Cele mai frecvente sunt PTFE (inclusiv compuși PTFE umpluți), nailonul (poliamida) și PEEK (polieter-eter-cetonă). Un al patrulea grup este cel al inelelor din elastomer moulde, cu duritate ridicată, din nitril sau fluoroelastomer, utilizate în situații cu presiune redusă. Materialul este, de obicei, ales de producătorul de etanșări pentru setul de etanșare și pentru presiunea pentru care este conceput, astfel încât inelul din forajul dumneavoastră face parte dintr-un design corespunzător și nu reprezintă o alegere arbitrară.

Ce trebuie să facă materialul unui inel de sprijin?

Patru proprietăți sunt esențiale. Materialul trebuie să fie suficient de dur pentru a rezista împingerii în spațiul liber sub presiune, deoarece acesta este tocmai rolul inelului. Trebuie să-și păstreze forma la temperatura de funcționare a uleiului. Trebuie să fie compatibil cu uleiul hidraulic, astfel încât să nu se umfle sau să se înmoaie. Și trebuie să fie suficient de blând față de suprafețele metalice, pentru a nu zgâria alezajul sau pistonul atunci când este apăsat pe acestea.

Rigiditatea este proprietatea care le leagă pe acestea. Un studiu cu element finit privind etanșările din cauciuc supuse presiunii [1] arată cât de puternic controlează rigiditatea extrudarea: pentru compușii de cauciuc analizați, creșterea durității de la 65 la 85 IRHD a redus lungimea extrudată de la 0,291 mm la 0,086 mm, iar modulul de elasticitate E (MPa) a urmat duritatea Hr (IRHD) conform relației:

lg E = 0,0198 Hr − 0,5432 (1)

Această relație dă o valoare de aproximativ 5,5 MPa la 65 IRHD și de 13,8 MPa la 85 IRHD. Plasticul inelelor de sprijin este mult mai rigid decât orice cauciuc, ceea ce explică de ce un inel subțire poate proteja o etanșare pe care un cauciuc mai dur nu ar putea-o proteja. Același studiu a constatat că jocul avea cel mai puternic efect dintre toate: în ajustajul analizat, fiecare milimetru suplimentar de 0,1 mm de joc adăuga aproximativ 0,1 mm de extrudare [1]. Niciun material nu poate compensa în totalitate un joc mărit prin uzură.

Aceste proprietăți acționează în direcții diferite. Un material mai dur rezistă mai bine extrudării, dar este mai puțin tolerant față de suprafețele neregulate și față de deteriorările apărute în timpul instalării. Acest compromis explică de ce nu există un singur material optimal și de ce mai multe materiale sunt utilizate în mod curent.

Care sunt proprietățile inelelor de sprijin din PTFE?

PTFE este utilizat pe scară largă pentru inelele de sprijin, sub formă solidă, tăiată oblic sau spiralată. Este apreciat pentru frecarea foarte scăzută, rezistența chimică excelentă și toleranța la o gamă largă de temperaturi. O analiză din 2026 atribuie aceste caracteristici structurii moleculare: legăturile puternice C–F conferă stabilitate chimică, iar lanțul elicoidal învelit în atomi de fluor determină forțe slabe între lanțuri și o energie superficială foarte scăzută [2]. Aceeași analiză indică un domeniu stabil de proprietăți fizice între −250 și 260 °C. Datorită alunecării sale, un inel din PTFE nu se freacă de piston și generează puțină căldură.

PTFE este mai moale și mai predispus la deformare lentă sub sarcină decât nylonul sau PEEK, așadar este utilizat în mod obișnuit acolo unde presiunea este moderată sau într-o variantă umplută, în care umplutura îmbunătățește rezistența la deformare. În raport se menționează că, între −100 și 100 °C, fluajul poate determina o uzură mai rapidă a PTFE, chiar dacă frecarea scade [2]. Aceasta este proprietatea cea mai importantă pentru un inel de sprijin, deoarece un inel care suferă fluaj lent în interiorul spațiului pierde treptat capacitatea de a susține etanșarea.

Acestea sunt rezolvate de umpluturi. În testele publicate, un compozit din poliimidă și PTFE (20 % poliimidă) a prezentat o deformare prin fluaj cu 62,6 % mai mică decât cea a PTFE-ului pur, iar uzura volumetrică a scăzut la 4/1000 din valoarea PTFE-ului pur [2]. Într-un alt test alternativ, adăugarea a 5 % nanofibră de carbon și 10 % grafen a redus rata de uzură a PTFE de la 1,05 × 10⁻⁴ la 4,7 × 10⁻⁶ mm³/(N·m), adică cu aproximativ 96 % [3]. Un studiu de dinamică moleculară privind PTFE-ul cu nanotuburi de carbon și poliimidă indică aceeași tendință [4]. Acestea sunt rezultate obținute la nivel de eșantion, dar arată de ce gradele umplute se comportă diferit față de PTFE-ul virgin și de ce gradul este la fel de important ca și denumirea materialului.

Căldura reprezintă, de asemenea, o problemă. Același studiu privind nanofibrele/grafenul indică faptul că conductivitatea termică a acelei compozite este de 0,61 W/(m·K), adică cu 165 % mai mare decât cea a PTFE-ului pur [3]. Aceasta implică o valoare de aproximativ 0,23 W/(m·K) pentru PTFE-ul neprefillat, astfel încât PTFE-ul neprefillat este un conductor slab, iar umpluturile ajută la evacuarea căldurii din zona de contact. Pentru un inel de grosime L care transportă un flux termic q, diferența de temperatură pe întreaga grosime a inelului este:

δT = q · L / λ (2)

Aici, λ reprezintă conductivitatea termică. O valoare scăzută a lui λ înseamnă o diferență ΔT mai mare pentru același flux termic, ceea ce constituie un alt motiv pentru care temperatura la nivelul etanșării poate fi semnificativ mai ridicată decât temperatura uleiului din rezervor.

Care sunt proprietățile inelelor de sprijin din nylon?

Nylonul este un poliamid. Are o rezistență mecanică bună și este utilizat frecvent ca inele de sprijin în sistemele hidraulice și pneumatice. Este mai dur și mai rigid decât PTFE, astfel încât rezistă mai bine la extrudare la o anumită joc. Îndrumarea unui producător indică utilizarea tipică a inelelor de sprijin din nylon 6,6 până la aproximativ 186°F (aproximativ 86°C) și aproximativ 10.000 psi (aproximativ 69 MPa); acestea sunt valori generale pentru un material din catalog și nu reprezintă o clasificare pentru niciun anumit perforator de stâncă.

Principala slăbiciune a nailonului este apa. Un studiu din 2026 privind două materiale din nailon turnat tip 6 [5] arată că nailonul poate absorbi până la aproximativ 10% din masa sa în apă din aerul umed și între 2% și 4% în condiții obișnuite de umiditate. Apa absorbită reduce duritatea, modulul de elasticitate, rezistența la curgere și rezistența la tracțiune, iar alungirea crește. În acel studiu, rezistența la tracțiune a eșantioanelor de suprafață, care absorb cea mai mare cantitate de umiditate, a avut în medie valori între 59 și 62 MPa, în timp ce eșantioanele prelevate din interiorul plăcii au avut în medie valori între 97 și 99 MPa. După fierberea unui nailon turnat modificat în apă timp de 45 de minute, rezistența la tracțiune a scăzut de la 67,4 la 58,2 MPa, adică cu 13,7%, iar uscarea la 60 °C nu a restabilit performanța inițială. Uscarea prelungită a agravat și mai mult proprietățile.

Se aplică două precauții la citirea acestor valori. Acestea au fost măsurate pe plăci masive turnate, nu pe inele de sprijin turnate sau prelucrate prin așchiere, iar concluzia principală se referă la tendință, nu la valorile absolute. Într-un circuit hidraulic, inelul este scufundat în ulei, astfel încât umiditatea reprezintă o problemă în principal în timpul stocării, manipulării și în sistemele în care apa a contaminat uleiul. Studiul a constatat, de asemenea, că rezistența la forfecare era aproximativ de 0,6 ori rezistența la tracțiune (65 MPa pentru un material și 62,7 MPa pentru celălalt) [5], ceea ce constituie o regulă practică utilă la estimarea modului în care un inel va rezista tăierii la marginea golului.

O estimare simplă evidențiază mărimea acelei sarcini. Să considerăm un inel care acoperă un gol radial g sub presiunea p, cu o lățime axială w. Presiunea acționează asupra feței expuse de-a lungul golului, astfel încât forța pe unitatea de circumferință este p × g, iar tensiunea medie de forfecare la marginea golului este:

τ ≈ p · g / w (3)

Pentru ilustrare, luăm o presiune de vârf de 40 MPa, un joc radial de 0,15 mm (o jumătate de joc diametral de 0,3 mm) și o lățime presupusă a inelului de 3 mm. Atunci τ este de aproximativ 2 MPa, mult sub rezistența la forfecare a nilonului. Aceasta sugerează că defecțiunile obișnuite ale inelelor de sprijin nu sunt în mod frecvent simple ruperi prin forfecare. Ele sunt mai degrabă cauzate de fluaj, de deformare locală la marginea jocului sau de oboseală datorată presiunilor de vârf repetate. Aceasta este o estimare de ordinul întâi care ignoră fluajul, concentrările de tensiune la margini și geometria inelului și care nu trebuie folosită în procesul de proiectare.

O limitare cunoscută a nilonului este, așadar, sensibilitatea sa la umiditate. Limita sa de temperatură este, de asemenea, mai scăzută decât cea a PEEK-ului, făcându-l o alegere mai puțin potrivită în situațiile în care uleiul funcționează la temperaturi ridicate.

Care sunt proprietățile inelelor de sprijin din PEEK?

PEEK este un plastic de înaltă performanță pentru aplicații inginerești, cu o rezistență mecanică excepțională și o rezistență chimică remarcabilă. Este utilizat pentru inele de sprijin în condiții exigente de presiune ridicată și temperatură ridicată. Recomandările aceluiași producător indică, în mod tipic, utilizarea inelelor de sprijin din PEEK până la aproximativ 500°F (aproximativ 260°C) și până la aproximativ 20.000 psi (aproximativ 138 MPa), iar aceste valori reprezintă, din nou, date orientative din cataloage.

O recenzie din 2026 descrie PEEK ca fiind un termoplastic semicristalin, rezistent la temperaturi înalte, a cărui structură cristalină permite orientarea și conferă, astfel, o rezistență ridicată, împreună cu o temperatură înaltă de tranziție din starea vitroasă, stabilitate chimică și o bună rezistență la radiații [6]. Recenzia subliniază, de asemenea, un dezavantaj relevant pentru garniturile de etanșare: PEEK-ul pur este un slab conductor de căldură, având o conductivitate termică de doar 0,2–0,3 W/(m·K) [6]. Un inel confecționat din acest material reține căldura în apropierea zonei de contact, situație descrisă de Ecuația 2. Cercetările privind PEEK-ul încărcat vizează creșterea acestei valori; de exemplu, adăugarea de 5% în masă a unor anumite nanotuburi de carbon a crescut conductivitatea de la 0,25 la 1,50 W/(m·K) [6]. Această lucrare a fost realizată pentru răcirea componentelor electronice, nu pentru garnituri de etanșare, așadar trebuie interpretată ca un semn al gradului în care umpluturile pot modifica proprietățile PEEK-ului, nu ca o caracteristică a inelelor destinate etanșării.

Compromisurile sunt costul și duritatea. PEEK este considerabil mai scump decât PTFE sau nylon, iar datorită durității sale ridicate, exercită o solicitare mai mare asupra suprafețelor metalice pe care se sprijină: o gaură neregulată sau deteriorată va uza atât un etanșeu, cât și un inel dur. Pentru multe circuite de perforatoare de stâncă, inelul nu necesită performanțele PEEK, astfel încât acesta este de obicei rezervat pentru presiuni și temperaturi maxime.

Unde se montează inelele elastomerice de sprijin?

Inelele elastomerice conturate sunt turnate din nitril de înaltă duritate (aproximativ 90 Shore A este o gamă comună) sau din fluoroelastomer și au o formă concepută pentru a se potrivi împotriva unei Anelul O . Se întind peste piston și se fixează automat în canelură, ceea ce le face ușor de instalat. Deoarece sunt mai moi decât inelele plastice, sunt potrivite pentru poziții cu presiune redusă și nu reprezintă o alternativă la PTFE, nylon sau PEEK în situațiile în care presiunile de vârf sunt ridicate.

Alegerea dintre NBR și FKM urmează compromisul obișnuit din domeniul cauciucurilor. Un studiu privind componente de etanșare din cauciuc descrie NBR ca fiind rezistent la ulei, moderat elastic și ieftin, potrivit pentru temperaturi obișnuite ale uleiului, în timp ce FKM rezistă la temperaturi ridicate și scăzute, precum și la substanțe chimice, dar este mai rigid, mai puțin elastic și mai costisitor [7]. Compatibilitatea cu uleiul trebuie verificată în continuare pentru fiecare fluid în parte. Într-un test de imersie (100 °C, 72 de ore), inelele de etanșare din fluoroelastomer s-au contractat cu 4,9 % până la 19,1 % în trei fluide hidraulice auto și amestecurile lor, iar autori au recomandat în schimb cauciucul nitrilic [8]. Aceste fluide nu sunt uleiuri pentru perforatoare, așadar lecția se referă la metodă, nu la valorile numerice: clasificarea unui material în general nu înlocuiește un test efectuat în fluidul real.

Cum se compară aceste materiale unul cu celălalt?

Tabelul de mai jos sintetizează poziționarea generală a fiecărui material. Limitele specifice depind de calitatea (gradul) respectiv și de clasificarea furnizată de producător.

Cum influențează presiunea și temperatura alegerea materialului?

Presiunea și temperatura acționează împreună. Un material care rezistă extrudării la temperatura camerei devine mai moale când uleiul este cald, astfel încât un inel poate fi adecvat într-un test efectuat într-un atelier rece, dar totuși poate suferi extrudare într-o mașină de foraj care a funcționat timp de o oră. Temperatura relevantă este cea de la nivelul etanșării, care poate fi mai mare decât temperatura uleiului în masă.

În general, presiunea și temperatura moderate permit utilizarea PTFE sau a nilonului, iar presiunea și temperatura cele mai înalte determină alegerea PEEK. Presiunea pulsatorie trebuie tratată ca fiind mai solicitantă decât presiunea constantă de aceeași valoare medie, deoarece vârfurile încarcă inelul dincolo de sarcina sa medie. Datele măsurate în timpul forării ilustrează acest aspect. Într-un prototip alimentat la 18 MPa, presiunea din camera tampon primară a înregistrat vârfuri scurte de aproximativ 40 MPa [9], iar într-un model de 15 MPa, presiunea din cameră a atins vârfuri de circa 25 MPa, adică aproximativ de 1,7 ori presiunea de alimentare [10]. Un inel ales doar pe baza presiunii de alimentare ar fi subdimensionat pentru aceste vârfuri.

Frecvența sporește solicitarea. La o rată de percuție de aproximativ 95 de lovituri pe secundă [11], fiecare inel suferă aproximativ 340.000 de cicluri de presiune într-o oră de forare. La acest număr, durata de viață a unui inel este determinată de oboseală și fluaj, nu de rezistența statică.

Cum interacționează duritatea inelului cu mărimea jocului?

Un inel mai rigid nu face un joc mare sigur. Inelul acoperă jocul, iar cu cât jocul este mai mare, cu atât o porțiune mai mică a inelului este susținută de metal. Pe măsură ce alezajul sau pistonul se uzează și jocul crește, un inel care era adecvat la montare poate fi nevoit să acopere un joc pentru care nu a fost proiectat deloc. Un material mai rezistent poate extinde domeniul de funcționare, dar nu poate elimina necesitatea de a restabili jocul atunci când piesele metalice sunt uzate.

Mărimea efectului poate fi observată în studiul de extrudare a cauciucului [1]. În relația ajustată, lungimea de extrudare crește cu aproximativ 1,0 mm pentru fiecare milimetru de joc, dar scade doar cu 0,0115 mm pentru fiecare punct IRHD de duritate, astfel încât reducerea jocului cu 0,1 mm are același efect ca și creșterea durității cauciucului cu aproximativ nouă puncte. O sursă publicată privind etanșarea în trepte pentru perforatoarele de stâncă oferă o regulă similară pentru un design cu un inel rigid din PTFE: jocul diametral maxim scade de la 0,6–0,3 mm la presiuni până la 20 MPa la 0,3–0,2 mm la presiuni între 20 și 40 MPa, pentru diametre ale tijei de 30–36 mm [12]. Jocul permis se micșorează pe măsură ce presiunea crește, chiar și în prezența unui inel rigid.

Din acest motiv, apariția repetată a defectelor inelelor ar trebui să determine inspecția cilindrului, a pistonului și a ghidului, nu doar a materialului inelului. Un studiu privind jocul optim dintre pistonul de impact și cilindrul său într-un perforator hidraulic pentru rocă arată că jocul este o variabilă de proiectare care echilibrează scurgerea față de frecare, astfel încât valoarea corectă reprezintă un compromis, nu pur și simplu «cât mai mică posibil» [10].

Cum puteți identifica materialul unui inel de sprijin existent?

Aspectul nu este o metodă fiabilă de identificare a materialului unui inel de sprijin. Mai multe dintre aceste polimeri au un aspect similar, iar umpluturile și coloranții modifică culoarea. Sursele fiabile sunt catalogul de piese al producătorului de perforatoare și confirmarea scrisă, dată de furnizorul de etanșări, privind materialul și calitatea acestuia.

Unde înregistrările nu sunt disponibile, un furnizor care cunoaște modelul de burghiu poate adesea identifica materialul din numărul piesei sau dintr-un eșantion al inelului vechi. Solicitați materialul, forma (solid, tăiat oblic sau spirală) și domeniul de presiune și temperatură pentru care a fost specificat, apoi comparați aceste date cu condițiile din burghiul dumneavoastră.

1. Lu Yunjiang, Huang Le, Dai Changhao. Analiza rezistenței la extrudare a inelului O pe baza programului Marc. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2020, (3): 84–89. (În limba chineză)
2. Cao Xiaoyu, Zhang Xu, Dang En, Luan Su, Hao Jianxu, Guo Chenhui, Yu Xiaojing, Zhao Kang. Progresul cercetărilor privind performanța antifricțiune a materialelor din politetrafluoroetilenă. Polymer Materials Science & Engineering, 2026, publicare online anticipată. DOI: 10.16865/j.cnki.1000-7555.2026.0127. (În limba chineză)
3. An Lihui, Miao Xuemei, Liu Hao, Yang Song, Su Yujie, Wei Shijie. Modificare sinergică a PTFE prin grafen și nanofibre de carbon: proprietăți tribologice și mecanism de conductivitate termică/electrică dinamică. Tribology, 2026, publicare online anticipată. (În limba chineză)
4. Wang Shuai, Ge Zhenghao, Wang Chaobao, Zhang Xiaoliang, Wang Haoyu. Analiză prin dinamică moleculară a proprietăților de frecare și uzură ale PTFE umplut cu PI și CNT. Plastics Science and Technology, 2025, (10): 30–33. (În limba chineză)
5. Zhao Zhangxian, Zhang Junhao, Hu Yi. Studiu privind proprietățile mecanice ale materialelor din nailon în contextul selecției materialelor. Machinery Research & Application, 2026, 39(6): 97–100. (În limba chineză)
6. Han Zhichao, Chen Chaochan, Zheng Liangping, Xiang Lixue, Tang Bo, Wu Xinfeng. Revizuire a metodelor de obținere a compozitelor termoconductoare pe bază de polieteretercetonă. China Plastics Industry, 2026, 54(8): 1–7. (În limba chineză)
7. Qin Shuai, Cheng Pin, Wang Shidu. Proiectarea optimizată structurală a componentelor din cauciuc din dispozitivele de etanșare pentru echipamente mecanice. China Tire Resources Comprehensive Utilization, 2026, (8). (În limba chineză)
8. Feng Dongliang, Zhao Ning, Chang Feng, Cai Wenbin, Wang Yongli, Yang Xin. Studiu experimental privind compatibilitatea inelelor de etanșare din cauciuc fluorurat și uleiurilor hidraulice. Lubrication Engineering, 2018, 43(5): 111–114. (În limba chineză)
9. Wang Jiansen, Yang Guangsheng, Liu Shaojun, Feng Huai, Wen Yongqiang. Analiza fenomenului de suprapresiune din camera primară de amortizare a unui perforator hidraulic pentru rocă cu control pe două camere. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2026, 50(7): 57–67. (În limba chineză)
10. Wang Jiansen, Yan Hongliang, Zhang Xin, Wang Yanjun, Liu Bin, Wei Liejiang. Proiectarea optimă a jocului dintre pistonul de impact și cilindru la un perforator hidraulic pentru rocă cu control pe două camere. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2025, 49(4): 79–91. (În limba chineză)
11. Yang Mingming. Studiu experimental privind performanța de impact a unui perforator hidraulic pentru rocă. Equipment Management and Maintenance, 2025, (10). (În limba chineză)
12. Li Chuan, Yan Tianjun, Li Tiehui. Etanșarea pistonului de impact și etanșarea tip Step pentru perforatoarele hidraulice pentru rocă. Rock Drilling Machinery & Pneumatic Tools, 2003, (3): 8–12. (În limba chineză)