Какой материал уплотнений наиболее подходит для буровой установки для горных пород? Сравнение PU/ГНБР/ПТФЭ

Вопрос о том, какой уплотнительный материал является наилучшим, имеет раздражающий, но точный ответ: всё зависит от того, какого вида отказа вы пытаетесь избежать. PU (полиуретан) теряет свои свойства из-за теплового сжатия при температуре выше 90 °C. ННБР (гидрогенизированный нитрилкаучук) изнашивается вследствие поверхностной абразивной эрозии в средах с высоким содержанием твёрдых частиц. ПТФЭ (политетрафторэтилен) выдавливается в зазоры между поршнем и цилиндром, если в динамических условиях он недостаточно надёжно поддерживается. У каждого материала имеется доминирующий механизм отказа, а правильный выбор — это тот материал, чей доминирующий механизм отказа наименее вероятен в ваших конкретных эксплуатационных условиях.

Это похоже на проблему материаловедения. На практике речь идет об оценке условий эксплуатации с тремя входными параметрами: рабочей температурой, химическим составом рабочей жидкости и частотой циклов динамической нагрузки. При корректном определении этих трёх параметров выбор материала логически следует из них. Если же эти параметры определены неверно — или если для применения, требующего использования HNBR, применяется универсальный «стандартный комплект из ПУ», — уплотнение выходит из строя так, как выходит из строя ПУ при перегреве: постепенно и беззвучно, без внешней утечки до тех пор, пока не завершится деформация сжатия и не начнётся длительное (в течение месяцев) нарастание проскока потока.

ПУ: стандартное динамическое уплотнение и его температурный предел

Полиуретан является основным материалом для уплотнений ударных поршней, уплотнений направляющих втулок и динамических уплотнений промывочных коробок в гидравлических горных отбойных молотках. Причины этого носят практический характер: ПУ обладает превосходной стойкостью к истиранию, высокой прочностью на разрыв при динамических нагрузках и хорошей эластичностью, обеспечивающей поддержание уплотнительного контакта при циклических ударных частотах 30–60 Гц. Он устойчив к минеральным гидравлическим маслам без заметного набухания и сохраняет размерную стабильность в диапазоне температур, типичном для наземных и подземных работ в умеренном климате.

Ограничение связано с температурой. При длительном воздействии температур выше 90–95 °C полиуретан подвергается ускоренному сжатию — эластомер теряет способность к эластичному восстановлению, а уплотнительная кромка необратимо принимает форму паза в корпусе без возврата к заданной геометрии уплотнительного контакта. Визуально уплотнение выглядит целым; оно просто перестаёт функционировать как пружинно-нагруженный уплотнительный элемент. Перепуск в ударную камеру начинается до появления каких-либо внешних признаков утечки.

Глубокие шахты с высокой температурой — температура породы на забое превышает 35 °C, температура возвращающегося гидравлического масла — свыше 75 °C — регулярно выходят за пределы рабочего температурного диапазона полиуретана (PU) при длительной непрерывной ударной работе. Аналогичная ситуация может возникать и при поверхностных работах в тропическом климате без достаточного охлаждения масла. В таких условиях применение PU экономически неоправданно не потому, что оно дешёвое, а потому, что интервал его службы до отказа непредсказуем, а повреждённые уплотнения в ударном контуре не дают явных предупреждающих признаков.

HNBR: Повышенная термостойкость и стойкость к химическим воздействиям

Гидрированный акрилонитрил-бутадиеновый каучук (HNBR) устраняет температурную слабость PU путём насыщения ненасыщенных двойных связей углерод–углерод в акрилонитрильной основной цепи водородом. Полученный полимер сохраняет маслостойкость акрилонитрила — полярные группы C≡N, препятствующие набуханию в минеральных маслах, остаются неизменными, — при этом насыщенная основная цепь обеспечивает устойчивость к термическому разложению и химическому воздействию озона, агрессивных водных сред и гидравлических жидкостей на основе эфиров.

HNBR сохраняет полезные уплотнительные свойства при длительном воздействии температуры до 150 °C — на 60 °C выше, чем у PU. В жарких условиях шахтного производства этот запас температуры напрямую обеспечивает более длительные и предсказуемые интервалы эксплуатации. В бурильной установке на глубокой золотой шахте, где температура возвращающегося масла стабильно достигает 95 °C, уплотнения из HNBR в ударной цепи служат на 40–70 % дольше, чем из PU. Это не незначительное улучшение: за срок службы оборудования в 5000 часов разница составляет от 12 до 8 замен комплектов уплотнений на единицу техники.

HNBR также лучше, чем PU, сопротивляется воздействию кислых шахтных стоков и солённых грунтовых вод. На медных и золотых рудниках, где пластовые воды имеют кислую реакцию (pH 4–5), водородные ионы атакуют основу PU-полимера, тогда как насыщенный полимер HNBR устойчив к такому воздействию. Симптомом этого является ускоренное образование поверхностных трещин на уплотнениях из PU — микротрещин, которые распространяются внутрь и создают пути для обтекания рабочей среды, — в то время как уплотнения из HNBR в той же цепи демонстрируют нормальные закономерности износа.

PTFE: химически инертен, но предъявляет высокие требования к механическим характеристикам

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) относится к другой категории по сравнению с полиуретаном (PU) и гидрогенизированным нитрил-бутадиеновым каучуком (HNBR). Его углеродно-фтористый каркас практически химически инертен: он не набухает в кислотах, щелочах, растворителях или любых других агрессивных жидкостях, с которыми приходится сталкиваться в горнодобывающей промышленности. ПТФЭ обладает чрезвычайно низким коэффициентом трения и требует меньшей смазки по сравнению с эластомерными уплотнениями; кроме того, он сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур.

С механической точки зрения ПТФЭ обладает очень низкой эластичностью. Он не способен адаптироваться к геометрии отверстия так, как это делает эластомер: для поддержания герметичного контакта по мере износа поверхности требуется пружинный энергизатор или опорный элемент. В динамических ударных применениях чистое уплотнение из ПТФЭ без опорного кольца выдавливается в зазор между поршнем и отверстием под циклическими импульсами давления при ударных нагрузках 160–220 бар. Выдавленный материал разрушается в течение нескольких часов.

Подходящая роль ПТФЭ в комплекте уплотнений для горного перфоратора — статические контуры: уплотнительные кольца O-образного сечения на порте аккумулятора, уплотнения седел входного отверстия промывочной воды, статические соединения блока клапанов. В быстродействующем гидравлическом горном дробилке, испытанной на бокситовом руднике, эластомерные поршневые уплотнения из HNBR выходили из строя из-за загрязнения и высокой температуры. Замена их самонагружаемыми уплотнениями с корпусом из ПТФЭ устранила необходимость частой замены — поскольку в этой конкретной быстродействующей системе, эксплуатируемой в загрязнённой среде, износостойкость и химическая инертность ПТФЭ перевешивают его более низкую эластичность. Это — специфическое применение; оно не распространяется на все динамические ударные уплотнения.

Сравнение материалов по контурам горного перфоратора и условиям эксплуатации

Правильный выбор без лабораторных испытаний

На большинстве объектов отсутствуют данные по анализу масла или химическому составу шахтной воды в момент заказа комплекта уплотнений. Три показателя, определяемых непосредственно на месте, позволяют надёжно принять решение без проведения формальных испытаний. Во-первых: какова температура возвратного гидравлического масла? Измерьте её инфракрасным термометром на возвратном шланге спустя 30 минут работы ударного механизма. При постоянных значениях выше 80 °C — используйте HNBR для ударного контура. Во-вторых: какой вид имеет шахтная вода у забоя буровой установки? Зеленоватый или оранжевый оттенок указывает на наличие минеральных кислот; для уплотнений промывочной системы применяйте HNBR. В-третьих: имели ли место преждевременные отказы ранее установленных комплектов из ПУ с образованием сетки микротрещин на поверхности или с потерей упругости (остаточной деформацией), а не с абразивным износом? Если да, то причина отказа — температурное воздействие или химическая агрессия, а не механическая нагрузка; следует сменить материал уплотнений.

HOVOO поставляет комплекты уплотнений для горных буровых установок из полиуретана (PU) и гидрогенизированного нитрил-бутадиенового каучука (HNBR) для всех основных моделей отбойных молотков, а также статические уплотнения на основе политетрафторэтилена (PTFE) для химически агрессивных сред. В обозначении комплекта указан тип эластомера, что обеспечивает однозначность заказа, а не автоматический выбор одного стандартного варианта. Полные обозначения моделей и эластомеров — на сайте hovooseal.com.