Уплотнение для горного перфоратора с антикоррозионной защитой: долговечность в тяжёлых условиях эксплуатации

Отказ уплотнения в горном перфораторе, работающем в агрессивной среде, редко начинается с видимой коррозии на поверхности эластомера. Он начинается с набухания. Компаунд уплотнения поглощает жидкость или пар из окружающей среды — кислую шахтную воду, эмульсированную смазочно-охлаждающую жидкость, гидравлическое масло, загрязнённое проникшей водой, — и эластомер расширяется за пределы допустимого зазора в канавке по проекту. Геометрия уплотнительной кромки искажается. Контактное давление на стенку отверстия изменяется: вместо расчётной силы уплотнения возникает непредсказуемая точечная нагрузка. В течение нескольких сотен рабочих часов уплотнение, которое при визуальном осмотре выглядело исправным, начинает пропускать поток.

Конструкция уплотнения с антикоррозионной защитой направлена на устранение первоначального механизма набухания, а не последующего режима отказа. Выбор эластомерного состава с низким поглощением жидкости в конкретной среде — будь то солоноватые грунтовые воды в прибрежной шахте, стоки серной кислоты на медном руднике или промывочная вода с высоким значением pH в проекте строительства цементного тоннеля — определяет, будет ли срок службы уплотнения между заменами составлять 200 или 600 часов. Геометрия и монтаж являются второстепенными по сравнению с выбором состава.

Химические основы коррозионной стойкости эластомеров

Нитрильный каучук (NBR) является наиболее широко используемым эластомером в гидравлических уплотнениях благодаря своей хорошей стойкости к минеральным маслам и большинству гидравлических жидкостей. Его слабым местом является то, что ненасыщенные двойные связи углерод–углерод в бутадиеновом каркасе подвержены воздействию озона, повышенных температур и некоторых химических соединений. В шахтной среде при температуре ниже 60 °C и использовании чистого гидравлического масла NBR демонстрирует удовлетворительные эксплуатационные характеристики. Однако при проникновении кислой воды, повышении температуры окружающей среды или применении синтетической гидравлической жидкости, содержащей эфирные присадки, срок службы NBR резко сокращается.

HNBR — гидрированный нитрилкаучук — получают путем присоединения атомов водорода к ненасыщенным связям в основной цепи полимера на стадии синтеза, заменяя реакционноспособные двойные связи стабильными одинарными связями. Нитрильные группы, обеспечивающие маслостойкость, сохраняются; чувствительность к озону и теплу резко снижается. HNBR сохраняет полезные эластические свойства при длительном воздействии температур до 150 °C и устойчив к воздействию буровых растворов, эмульгированных масел и соленой воды, которые приводят к деградации стандартного NBR в течение нескольких недель. Впервые коммерциализированный в 1984 году, он стал стандартным выбором для динамических уплотнений в тяжелых условиях эксплуатации в гидравлических системах.

ПТФЭ использует совершенно иной подход. Его углеродно-фтористый каркас — с самой прочной связью в органической химии — инертен практически ко всем химическим веществам, с которыми сталкиваются в горнодобывающей промышленности и строительстве. Он не набухает в кислотах, щелочах, растворителях или солёной воде. Ограничение носит механический характер: ПТФЭ — жёсткий полимер с низкой эластичностью и требует пружинного уплотнителя или опорного элемента для поддержания контакта уплотнения по мере износа. Для статических уплотнительных контуров, посадочных мест уплотнительных колец в блоках клапанов и статических интерфейсов промывочных коробок компоненты из ПТФЭ служат значительно дольше эластомерных аналогов в химически агрессивных средах.

Категории экстремальных условий и соответствующие материалы для уплотнений

Выбор материала уплотнения для статических контуров — уплотнительных колец O-образного сечения в блоке клапанов, уплотнений портов аккумулятора, уплотнений входного патрубка промывочной воды — зачастую определяет общий интервал технического обслуживания в большей степени, чем динамическое ударное уплотнение. Статические уплотнения, подвергающиеся воздействию агрессивной промывочной воды, остаются бездействующими между циклами бурения и постоянно находятся в контакте с химическим составом, присутствующим в промывочной системе. Уплотнительное кольцо O-образного сечения из NBR в цементной (щелочной) воде тоннельного контура может выйти из строя из-за остаточной деформации уже через 100 часов после первого смачивания, даже если буровой станок работал в этот период всего 20 часов в ударном режиме.

Распознавание режимов отказа в агрессивной среде до их дальнейшего развития

Три признака указывают на воздействие окружающей среды на уплотнения, а не на нормальный циклический износ. Во-первых, асимметричное разрушение рабочей поверхности уплотнения: при нормальном износе эрозия рабочей поверхности происходит равномерно по окружности кромки уплотнения. Химическое набухание искажает геометрию кромки асимметрично, создавая следы износа, совпадающие с направлением максимального набухания. Во-вторых, необычная смена цвета возвращаемого гидравлического масла: зеленоватый или молочный оттенок в гидравлической линии слива указывает на эмульгирование воды, часто вызванное повреждением уплотнения промывочной коробки, которое позволяет воде проникать в ударную гидросистему. В-третьих, образование геля: некоторые последовательности химического воздействия приводят к частичному растворению фрагментов эластомера в гидравлической жидкости, что вызывает образование гелеобразных загрязнений, быстрее забивающих фильтрующие элементы по сравнению с нормальным случаем и способных вызывать задиры на прецизионных зазорах в блоке клапанов.

Любое из этих предупреждающих признаков требует полной проверки комплекта уплотнений до следующего запланированного интервала технического обслуживания, а не в момент его наступления. Эксплуатация химически деградировавшего уплотнения до запланированного срока его замены может привести к распространению повреждения на поверхность отверстия, в результате чего объём ремонтных работ возрастёт от простой замены комплекта уплотнений до шлифовки отверстия или замены корпуса.

Антикоррозионные комплекты уплотнений HOVOO для горнодобывающей промышленности и тоннельных работ

HOVOO поставляет комплекты уплотнений для горных буровых установок с вариантами материалов HNBR и PTFE для основных моделей отбойных молотков, применяемых в агрессивных средах. Стандартный комплект из полиуретана (PU) подходит для большинства операций в умеренном климате с промывкой чистой водой. Комплекты из HNBR рекомендуются для эксплуатации при температуре забоя, превышающей 40 °C в течение продолжительного времени, при использовании в качестве промывочной среды кислой грунтовой воды или при температуре гидравлического масла выше 80 °C в контуре обратного потока. Комплекты с уплотнениями из PTFE для статических контуров доступны отдельно для установок в щелочных тоннельных проектах или прибрежных работах с проникновением солёной воды.

Выбор неподходящего материала в известной агрессивной среде с последующей заменой комплекта уплотнений вдвое чаще обходится дороже, чем однократный заказ комплекта из правильного материала. Модель-специфичные обозначения HOVOO, включая указание материала для каждой модели отбойного молотка, приведены на сайте hovooseal.com.