Как продлить срок службы аккумулятора буровой установки? Рекомендации по эксплуатации и техническому обслуживанию

Большинство программ технического обслуживания гидравлических горных отбойных молотков предусматривают конкретные интервалы замены гидравлического масла и замены комплектов уплотнений, однако практически ничего не указано относительно технического обслуживания аккумулятора. Аккумулятор проверяют только тогда, когда что-то выходит из строя — в частности, когда снижается энергия удара и характерный хриплый звук свидетельствует о повреждении диафрагмы или потере предварительного заряда. К этому моменту аккумулятор уже работает в деградированном режиме в течение недель или даже месяцев, а другие компоненты ударного механизма вынуждены компенсировать последствия этого.

Гидравлический аккумулятор в ударной гидросистеме представляет собой сосуд под давлением, который работает в экстремальных условиях: 30–65 циклов изменения давления в секунду во время бурения при пиковых давлениях на гидравлической стороне 160–220 бар. Срок службы стандартного гидравлического аккумулятора обычно составляет 12 лет или конечное число циклов нагружения давлением — в зависимости от того, что наступит раньше. Для отбойного молотка, работающего 2000 часов в год в ударном режиме, аккумулятор испытывает ежегодно примерно 360 миллионов циклов изменения давления. Это не тот элемент технического обслуживания, срок замены которого можно бесконечно откладывать.

Понимание реальной функции аккумулятора в ударной гидросистеме

Гидравлический горный перфоратор имеет два аккумулятора с различными функциями. Аккумулятор высокого давления хранит азот, предварительно заряженный до 50–80 бар (в зависимости от модели отбойного молотка), и установлен на стороне контура давления удара. Когда поршень начинает обратный ход, насос по отдельности не может обеспечить мгновенный расход, необходимый для работы на высокой частоте; в этот критический момент аккумулятор высвобождает запасённую энергию, дополняя подачу насоса и устраняя «ударный зазор», который иначе привёл бы к преждевременному реверсу поршня.

Низкодавленный аккумулятор (обычно предварительно заряжен до 4–5 бар) установлен на стороне возврата/буфера и работает совместно с системой демпфирования для поглощения энергии возвратной волны от штанговой колонны. Оба аккумулятора оснащены диафрагмами — гибкими мембранами, которые физически разделяют азотный газ и гидравлическое масло. Именно диафрагма является компонентом, выходящим из строя. Газ постепенно проникает сквозь мембрану из нитрил-каучука со временем; быстрая зарядка или превышение давления могут вызвать её мгновенный разрыв.

Три механизма, сокращающие срок службы аккумулятора

Проникновение азотного газа через диафрагму неизбежно, но поддается контролю. Диафрагмы из нитрильного каучука (NBR), наиболее распространённый тип, теряют азот через стенку мембраны со скоростью, возрастающей с повышением температуры и перепада давления. При рабочих температурах выше 70 °C скорость проникновения возрастает. Проверка давления предварительной зарядки каждые 200–300 часов ударной работы позволяет выявить постепенную утечку давления до того, как она достигнет уровня, влияющего на ударные характеристики. Внезапное падение давления — в отличие от постепенного — указывает на утечку через шток клапана или разрыв диафрагмы, а не на проникновение газа.

Быстрая зарядка является самой главной причиной преждевременного выхода из строя диафрагмы в условиях эксплуатации. При слишком быстром подаче азота в аккумулятор, полностью разряженный до этого, расширяющийся газ охлаждает диафрагму до такой степени, что резина становится хрупкой. В аккумуляторе с эластичной оболочкой («пузырём») быстрая зарядка также может привести к тому, что оболочка будет вдавлена в клапан-поппет на масляном порту, в результате чего она будет надрезана или зажата необратимо. Процедура зарядки, описанная в документации ведущих производителей аккумуляторов, требует медленной подачи азота — приоткрывания вентиля баллона и заполнения в течение нескольких минут, а не секунд. Большинство эксплуатационных площадок пропускают этот этап, поскольку он занимает больше времени.

Работа при давлении предварительного заряда ниже минимального значения — это третий механизм отказа. Когда отбойный молоток работает при давлении предварительного заряда аккумулятора ниже нормы — например, потому что давление предварительного заряда никогда не проверялось и азот постепенно утечкой вышел из системы — диафрагма «упирается в дно» в торцевую поверхность масляного порта при каждом цикле давления. Повторяющийся контакт между диафрагмой и портом вызывает локальный износ и, в конечном итоге, прокол. Отбойный молоток продолжает работать, однако энергия удара становится всё более неравномерной, поскольку функция демпфирования аккумулятора нарушена.

Спецификации предварительного заряда и интервалы его проверки

Спецификация предварительного заряда всегда измеряется при полностью снятой гидравлической нагрузке с ударного контура — не во время работы отбойного молотка. Измерение предварительного заряда аккумулятора при действующем ударном давлении даёт ложные показания, поскольку азотная полость сжимается под действием присутствующего гидравлического давления. Перед подключением инструмента для зарядки/измерения к штоку клапана аккумулятора необходимо полностью сбросить давление в системе.

Температура и её влияние на показания предварительного заряда

Давление азота изменяется в зависимости от температуры согласно основному газовому закону: повышение температуры на 10 °C увеличивает давление азота примерно на 3,5 % в аккумуляторе фиксированного объёма. Отбойный молоток, у которого при холодной проверке при окружающей температуре 20 °C показания предварительного заряда соответствуют норме, будет демонстрировать более высокие значения на манометре зарядки после нескольких часов работы, когда корпус аккумулятора нагреется до 60 °C. Это более высокое значение не означает, что предварительный заряд повышен — оно лишь свидетельствует о том, что газ нагрелся.

Практическое следствие: всегда фиксируйте температуру, при которой проводилась проверка предварительного давления, вместе с показанием давления. Установите целевое значение предварительного давления, соответствующее холодным условиям, учитывая, что рабочее давление в нагретом состоянии будет выше. Чрезмерное повышение предварительного давления на основе коррекции показаний, полученных при низкой температуре, — частая причина повреждения диафрагмы в эксплуатации: слишком высокое предварительное давление заставляет диафрагму ударяться о клапан-поппет при каждом цикле сброса, что является тем же механизмом, что и работа без предварительного давления, но в обратном направлении.

Процедуры хранения и длительного простоя

Для периодов хранения свыше двух недель стандартной практикой является сброс гидравлического давления при сохранении предварительного заряда азота. Диафрагма должна находиться в положении «газ полностью заполняет объём» — ни в коем случае не упираясь в масляный порт и не растягиваясь под действием гидравлического давления. Длительное хранение с принудительным прижатием диафрагмы к масляному порту (при наличии давления в гидравлической системе и одновременном истощении азотного заряда) приводит к необратимой деформации геометрии диафрагмы и сокращению её оставшегося срока службы.

Перед хранением слейте накопившееся масло из корпуса аккумулятора, если буровой станок будет храниться более одного месяца: контакт масла с поверхностью диафрагмы при температуре окружающей среды в течение длительного времени вызывает частичное упрочнение нитрильной поверхности. После возобновления эксплуатации после хранения проверьте давление предварительного заряда перед началом ударных операций и в течение первых 15–20 минут работайте с пониженным ударным давлением, чтобы диафрагма постепенно достигла рабочей температуры.